综述：电化学铀酰传感器中的干扰现象：机理及缓解策略的进展

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Interference in Electrochemical Uranyl Sensing: Mechanisms and Advances in Mitigation Strategies

　　**摘要**
铀是一种重要的战略资源，在能源、军事、工业和医学等领域有着广泛的应用。然而，大规模的铀矿开采和利用导致铀元素向环境中释放增加，对生态安全和公共健康构成了潜在威胁。在各种分析技术中，电化学方法因具有高灵敏度、良好的选择性和快速响应能力而在检测铀酰离子（UO22+）方面展现出巨大潜力。尽管这种技术在实验室条件下表现优异，但在应用于实际复杂环境样本时容易受到多种共存物质的严重干扰。这一挑战限制了电化学铀酰传感器的实际应用。本文综述了主要干扰因素的机制，如活性位点的竞争、与铀酰物种的竞争性配位、电极表面污染以及非特异性电化学响应，并介绍了几种常用的干扰抑制方法，包括添加掩蔽剂、树脂吸附法、浊点萃取和紫外消解技术及其原理和实际效果。同时，详细分析了报告中的干扰源，如金属离子、有机化合物、阴离子、锕系和镧系元素、微生物活动以及pH变化等，并探讨了相应的缓解方法。最后，提出了提高电化学铀酰传感器抗干扰能力的措施，以促进其在复杂环境基质中的实际应用。

**引言**
核能被广泛认为是一种高效、低碳且清洁的能源，具有大规模发电的巨大潜力[1]、[2]，在缓解全球气候变化和推动碳中和转型方面具有的重要优势。此外，先进的核燃料循环技术可以通过从废燃料中回收有价值核素来提高资源利用率，并减少放射性废物的产生。作为核工业的基础资源，铀在能源供应、国家安全和科学研究中发挥着关键作用。然而，核工业的快速发展导致了人为活动向环境中释放铀的风险显著增加。这些活动包括铀矿开采和矿物加工、核武器试验、反应堆运行、废燃料再处理、核事故、化石燃料燃烧、含铀磷酸盐肥料的使用以及贫化铀武器部署[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。除了人为来源外，地质过程中的自然铀释放也应予以考虑。例如，含铀矿物的风化和溶解会导致某些天然水体中存在可溶性铀[9]、[10]。人类活动与自然因素的综合作用使得铀在环境中的迁移和转化行为变得越来越复杂，对人类健康和生态安全构成了严重威胁。铀酰离子（UO22+）是水环境中最稳定的铀形式，具有高溶解性和迁移性。一旦释放到水体中，它们会造成持续的环境污染[11]、[12]、[13]。由于其化学毒性，铀酰离子可能对肾脏、肝脏和神经系统等关键器官造成长期损害，并可能导致遗传疾病和癌症[14]、[15]，同时其放射性还对生态系统和公共健康构成长期威胁[16]。预计陆地铀矿储备将在大约一个世纪内枯竭，因此需要提高铀的利用效率并开发替代获取策略，以支持核能的可持续发展[17]、[18]。在这种情况下，开发快速、灵敏且可靠的UO22+检测技术对于监测受铀污染的水体、应对核事故、评估核设施的安全性、评估核废料地质储存库的长期安全性、监控铀矿开采和转化过程以及探索和利用海洋铀资源等应用至关重要。

**近年来，除了依赖于固定仪器的传统实验室检测方法（如电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[19]、原子吸收光谱法（AAS）[20]和原子发射光谱法（AES）[21]）之外，简单、快速、高灵敏度和高选择性的铀酰离子检测方法也得到了广泛研究。这些方法包括比色法[22]、紫外分光光度法[23]、荧光光谱法[23]、表面增强拉曼光谱法（SERS）[24]和电化学方法[25]。这些现代分析技术的发展有助于克服传统仪器分析的局限性，如检测周期长、设备昂贵和操作程序复杂等问题。其中，电化学传感器因其独特的优势而受到特别关注。它们通常表现出极高的灵敏度，检测限可达到纳摩尔甚至皮摩尔级别，并且具有低成本仪器、操作简便、分析快速等优点，适用于现场环境监测的微型化、集成化和便携化平台[26]、[27]。尽管其他分析技术也具备出色的灵敏度和选择性，但它们的信号生成机制和干扰源与电化学系统不同。本综述重点探讨了与电化学铀酰检测相关的干扰问题及抑制策略。**电化学检测技术主要包括循环伏安法（CV）[28]、差分脉冲伏安法（DPV）[29]、方波伏安法（SWV）[30]、吸附剥离伏安法（AdSV）[31]、电化学阻抗谱（EIS）[32]和电位法[33]。近年来，通过引入特定的识别分子（如DNA酶[34]、离子印迹聚合物[35]和寡核苷酸[Oligs][36]）以及先进的纳米材料（如金属纳米颗粒[37]、碳纳米管[38]、石墨烯[39]、黑磷烯[40]和锑烯[41]），显著降低了铀酰离子的电化学检测限，提高了稳定性和选择性，从而进一步提升了电化学铀酰传感器的整体性能。**通过文献计量分析，我们了解了电化学铀酰检测的发展趋势。使用“(铀酰检测或电化学检测)和干扰”作为关键词进行了文献搜索，图1(a)显示从2006年到2026年，发表论文数量和引用频率总体上呈上升趋势，尤其是近年来增长迅速。论文数量的增加反映了复杂环境基质和共存物种对电化学传感系统选择性、准确性和实用性的显著影响，强调了开发有效干扰抑制策略的重要性。图1(b)中的关键词共现分析揭示了几个紧密相关的研究主题，其中铀酰、吸附、预浓缩等关键词较为突出。这些关键词表明，与铀酰和电化学检测相关的研究不仅关注传感和识别，还涉及铀物种的分离、富集和回收。复合体、铀酰离子和干扰等关键词的频繁出现进一步凸显了理解铀酰物种形态、配位行为和干扰效应在分析应用中的重要性。同时，与预浓缩、提取和吸附相关的关键词表明人们对提高铀物种的选择性富集和分离的持续兴趣，这有助于实现复杂样本中的可靠铀酰检测。**

**尽管电化学检测铀酰离子的技术在控制实验条件下表现出优异性能，但在实际复杂环境基质中的应用仍面临诸多挑战。共存离子（如重金属和各种阴离子）的竞争性干扰、复杂有机物质引起的界面污染以及动态生物地球化学过程构成了一个复杂的干扰系统，严重限制了电化学检测方法的准确性和灵敏度。值得注意的是，文献计量分析表明，与传感器构造和分析性能相关的研究相比，干扰问题（包括干扰机制和抑制策略）的研究不够充分。**然而，现有综述[42]、[43]、[44]、[45]主要关注传感策略、功能材料和分析性能，而对电化学铀酰检测中干扰机制及其对应抑制策略的系统分类讨论不足。**本综述旨在系统地探讨电化学铀酰检测中遇到的关键干扰因素，全面总结了各种干扰源的机制，并讨论了有效的抑制和消除策略。通过整合这些见解，本文旨在为开发更具选择性和稳定性的电化学铀酰检测技术提供理论基础和技术指导。**图2展示了本综述关于电化学铀酰离子传感器中干扰问题的总体框架。**

**铀酰离子的性质**
铀在自然环境中的化学行为与其多种氧化态密切相关。如图3(a)所示，铀主要存在于+3、+4、+5和+6四种价态[46]，其中+4和+6态最为稳定。四价铀（U4+）因其稳定性通常以难溶性形式存在，如UO2或U3O8。这些物种容易在环境中形成胶体颗粒或沉淀物，从而限制了其迁移。

**为了提高电化学铀酰传感器在复杂实际环境中的适用性，已经开发了多种抗干扰策略，大致可分为五类：样品预处理、电化学测量技术的优化和选择、传感界面和探针材料的工程化、掩蔽剂的使用以及先进的数据处理和分析。**以下部分将重点介绍实际环境中常见的干扰物种及其抑制方法，并探讨相应的解决方案。

**结论与展望**
在全球向清洁能源系统轉型的背景下，核能的扩展对铀资源利用和环境监测提出了更严格的要求。电化学铀酰检测传感器作为一种有前景的工具，在核废水监测、矿区水质评估、饮用水安全监测以及敏感区域的环境侦察等方面具有重大应用潜力。

**作者贡献声明**
欧阳彦泉：验证、研究
向睿阳：验证、研究
唐茜：写作——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思
刘星：写作——初稿撰写、可视化、研究、数据整理

**数据可用性**
本文所述研究未使用任何数据。

**关于手稿制备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明**
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT-5.6 Luna生成图5和图10中的一些示意性概念图，以辅助文本的视觉表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审核和编辑，并对发表文章的内容负全责。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号12275125）的支持。

**作者信息**
刘星 | 向睿阳 | 欧阳彦泉 | 唐茜
中国南方科技大学核科学技术学院先进核能设计与安全重点实验室，衡阳421001