量子点水凝胶作为环境监测多功能平台的综述

《Materials Advances》：Quantum dot hydrogels as multifunctional platforms for environmental monitoringOpen Access

　　

量子点水凝胶（quantum dot hydrogels, QDHs）是一类新型多功能纳米复合材料，其将量子点优异的光电特性与水凝胶的三维结构、生物相容性和亲水性相结合，在环境监测领域展现出广阔的应用前景。本文系统综述了QDHs用于污染物检测与智能监测的设计策略、绿色合成方法及最新进展，讨论了碳基及石墨烯量子点与聚合物基体的功能化途径，阐述了实现对重金属离子、有机农药和工业染料等污染物高灵敏度、高选择性荧光检测的机制，并探讨了此类材料对pH、温度、湿度等环境参数的动态响应及其双重修复功能。本文还探索了QDHs与物联网（IoT）、近场通信、蓝牙及边缘计算等智能系统的深度融合，这些进展实现了环境参数的实时、无线及原位监测，揭示了其在可穿戴传感和智慧农业中的巨大潜力。尽管量子点水凝胶在大规模生产、长期稳定性和生物安全性方面仍面临若干挑战，但绿色量子点合成的诸多优势、其污染物检测能力及环境修复潜力，有望推动可持续环境监测平台的发展。研究人员旨在通过创制低毒、环境友好的量子点材料，同时优化水凝胶体系的稳定性和生物安全性，以推进量子点水凝胶在下一代智能环境监测技术中的应用。

**1. 引言**

量子点（quantum dots, QDs）是一类具有独特光、电性质的纳米材料，表现出尺寸依赖的荧光发射、高光稳定性和优异的灵敏度，因而在环境传感和生物成像中得到广泛应用。自1981年首次制备以来，具有独特发光性质的胶体纳米晶半导体QDs引起了广泛关注。QDs大致可分为无机和碳基两类：无机QDs包括III–V族、II–VI族、合金及其他材料；碳量子点（CQDs）和石墨烯量子点（GQDs）则属于碳基材料。量子点水凝胶是一种三维（3D）聚合物网络材料，是将QDs与水凝胶整合的理想载体，具有优异的亲水性、可调的机械性能和良好的环境适应性。将QDs引入水凝胶基体，不仅显著提高了其稳定性和功能性，还能实现对多种污染物的同步检测与去除。特别是重金属、持久性有机污染物和有毒气体的排放对生态系统和人类健康构成严重威胁。因此，开发高灵敏度、快速响应且可持续的环境监测技术已成为全球研究重点。传统监测方法往往存在操作复杂、检测周期长、设备昂贵等局限性，难以满足实时与便携监测需求。QDH复合材料已成为环境监测领域的研究热点，这类多功能平台集成了污染物识别、信号放大和检测反馈等功能。水凝胶凭借其优异的吸附水溶性化合物及整合受体、染料和纳米颗粒等功能材料的能力，在生态传感领域备受关注，从而提高了传感效率和响应速度。CdTe、CdS、ZnO等量子点、石墨烯量子点、碳点和纳米颗粒已被掺入亲水性水凝胶中以增强其光电性能。通过结构设计，它们能够灵敏地监测金属离子、有机污染物，甚至温度和pH等环境参数。在绿色可持续发展框架和联合国可持续发展目标（SDGs）背景下，这些材料在水质监测、空气污染控制和公共卫生保护方面展现出显著的应用潜力。QD–水凝胶材料代表了一类具有多功能应用的新型软材料，涉及催化、储能、环境和生物传感、纳米医学、电子皮肤以及分离纯化技术等。已有研究报道，含QDs的阳离子水凝胶对甲基橙等污染物表现出优异的吸附能力，吸附量高达298.93 mg g^?1，为废水处理提供了优良方案。将Fe₃O₄@SiO₂磁性二氧化硅纳米球包封在聚（N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）水凝胶中，并用1,8-二氨基辛烷锚定QDs，形成了由磁铁矿、水凝胶和量子点组成的新型三层结构。碳量子点在这些水凝胶中的创造性应用，通过建立水中离子检测的新方法，同时提供对Fe³⁺离子的选择性和灵敏度，凸显了该材料在分析化学和环境化学中的潜力。已有研究详细介绍了量子点-水凝胶的合成策略（如QDs在溶液中的凝胶化、将QDs嵌入预制凝胶、原位生成QDs等），重点介绍了它们在生物成像和生物传感中的应用，并分析了设计优化、生物相容性和未来发展趋势。另有研究开发了一种可穿戴植物传感器用的柔性量子点水凝胶，用于实时监测农药降解。研究者将CdTe量子点嵌入聚乙烯醇（PVA）和琼脂糖（AG）中形成双网络水凝胶，通过荧光传感和颜色变化，可在数分钟内检测到噻菌灵农药的浓度。该传感器为智慧农业提供了一种新途径，实现了实时环境监测并提高了灵敏度。研究表明，将量子点与水凝胶结合可用于检测环境污染物：氮掺杂碳量子点（N-CQDs）与聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶结合，可构建用于选择性识别双金属离子的智能开关传感器。该复合材料操作简便且可回收，展示了量子点水凝胶在环境监测中的广阔潜力。还有研究报道了将石墨烯量子点（GQDs）与水凝胶结合形成的超分子材料，用于检测有机磷农药敌敌畏。GQDs提供催化作用，水凝胶网络确保稳定性，酶的专一性则提高了检测灵敏度。该复合材料在污染物去除和环境催化方面显示出良好的应用前景。QD水凝胶复合材料具有高灵敏度、强选择性、可穿戴性和实时监测等优势，而绿色合成方法进一步增强了其可持续性。基于Cd和Pb的传统QDs存在毒性问题，其长期稳定性和可重复性有待优化，且大规模生产成本较高。随着材料科学、纳米技术和环境工程的交叉融合，QDHs有望成为高效、可持续、智能化环境监测的关键工具，为生态保护和环境管理提供新的技术支撑。尽管量子点具有优异的光电性能，但其实际环境应用仍受到分散稳定性、聚集和回收难题的限制，部分金属基量子点还存在潜在毒性。将量子点引入水凝胶，可在保持其光学响应特性的同时，赋予复合材料良好的结构稳定性、污染物富集能力和可加工性，从而形成协同的量子点水凝胶（QDH）平台。基于此，QDHs已逐渐从单一材料复合体系发展为集污染物识别、吸附、去除和实时监测于一体的多功能环境材料。

**2. 量子点与水凝胶基体**

QDHs是将量子点与聚合物网络结构结合形成的功能材料。QDHs具有优异的光学、电学和生物相容性，在生物医学、传感器、柔性电子和环境领域有广泛应用。图1展示了QDHs的常见类型及其复合化学组成。QDHs是将纳米级QDs嵌入三维聚合物网络中的一类功能材料。加入水凝胶中的QDs提供了额外优势并提高了其在各种生物医学应用中的功效。QDs和水凝胶基体以互补方式增强药物递送系统功效、促进伤口愈合并推动生物成像方法发展。基于QDs的荧光探针因其小而高效的催化尺寸在纳米传感系统中广受欢迎，具有低检测限、快响应时间、高特异性、抗病原效应（如杀菌和灭病毒特性）以及金属掺杂的高通量膜基防污效应。QDHs还具备高光致发光量子产率（PLQY）、覆盖紫外至近红外的光致发光（PL）光谱和高光稳定性等光学特性，非常适合光降解、光动力疗法和荧光传感。QDs可根据元素和晶体结构分类，如III–V族量子点、II–VI族量子点和三元I–III–VI族量子点。III–V族量子点主要材料包括InP、InAs、GaAs和GaN；II–VI族量子点典型体系有CdSe、CdS、CdTe、ZnS和ZnSe；三元I–III–VI族量子点主要包括CuInS₂、AgInS₂和CuInSe₂等类型。不同类型QDs（包括半导体、金属和碳基QDs）因组成、晶体结构和能带结构差异而具有可调谐的光电性质，广泛应用于荧光传感、环境监测、生物成像和光电器件。与II–VI族和IV–VI族（PbSe）QDs相比，三元I–III–VI族QDs提供了更安全的替代方案，主要因其具有吸引力的光电性质而越来越受欢迎，这使得它们广泛用于水处理、生物应用和生物相容性太阳能电池。利用十二烷基硫酸钠（SDS）封端的AgInZnS QDs制备了用于检测Cu²⁺离子的光纤纳米探针，PVA作为包埋基质将QDs沉积在硅光纤末端。QD表面官能团决定了其溶解性和PL性质，QDs表现出独特的PL性质并与各种重金属离子发生选择性相互作用。

**3. 用于环境应用的QD水凝胶的制备**

用于环境应用的QDHs的制备通常涉及将QDs（碳基、硫化镉或钙钛矿量子点）与聚合物基体（海藻酸盐、聚乙烯醇或明胶）通过物理交联、化学交联或自组装策略结合，形成具有高比表面积、可调荧光和优异吸附或光催化性能的三维网络结构，从而实现对水中重金属离子、有机污染物或病原体的检测和去除。Brus于1983年首次提出胶体QDs的概念；此后，科学家们专注于开发各种能够精确控制尺寸的QDs合成技术，并迅速将QDs作为荧光探针引入生物成像、诊断和传感领域。基于QDs的水凝胶不仅用于检测金属离子，还用于检测多环芳烃分子、漆酶、禽流感病毒（H5N1）、2,4,5-三氯苯酚（TCP）、活性氧（ROS）、细菌、四环素（TC）、亚硝酸盐、吡啶二羧酸（DPA）、有机磷农药（OPs）、葡萄糖及其他化学物质。基于QDs的水凝胶被用于检测细菌、OPs或葡萄糖，其中目标分析物被吸附到水凝胶的三维多孔结构中，并与QDs表面的官能团特异性结合，通过特定传感机制增强或猝灭QDs的发光强度。若干与分析物无关的因素，如探针浓度、样品基体的光散射和仪器效率，都会影响QDs的荧光状态。QDs作为传感元件应理想地对样品中其他潜在干扰分子不敏感，仅检测一种分析物。QD探针的荧光稳定性直接影响基于QDs的水凝胶荧光传感系统的传感稳定性。将QDs固定在3D打印水凝胶网络支架上，可降低分析物无关条件和聚集诱导猝灭的发生及影响，从而增强QDs的发光稳定性和传感能力。因此，基于水凝胶的荧光QD传感系统可以在外部刺激下更快地达到光学信号平衡，实现快速检测。量子点（QDs）与水凝胶基体的结合代表了纳米材料和智能材料领域的前沿发展。

**3.1 确保环境相容性的绿色合成方法**

QDs和水凝胶的合成应遵循绿色化学原则以确保环境相容性，重点在于减少排放、最小化能耗和使用可再生资源。量子点与水凝胶的结合兼具量子点独特的光电性质和水凝胶的生物相容性及敏感性优势，为环境友好型应用开辟了新途径。当QDs被掺入水凝胶基体时，所得复合材料可结合两者的优点，在环境修复、传感和监测中产生新应用。QDs的绿色合成方法使用廉价、安全且环境友好的材料，例如通过绿色溶剂热法成功从InI₃、ZnCl₂、(DMA)₃P和硬脂酸硫合成InP/ZnS核壳QDs。碳量子点（CQDs）的绿色合成方法侧重于低反应温度、短反应时间、使用催化剂、以水为主要溶剂以及回收废弃材料作为碳源。荧光量子点使用生物质废弃物、水溶性原料和天然多糖（如葡萄糖和纤维素）作为前驱体制备，具有水相反应、低温、短反应时间、低排放和环境友好等特性。随后，将QDs均匀分散在水凝胶基体中构建QD水凝胶复合材料。该材料兼具低毒性、生物相容性、高稳定性和优异荧光性能，可广泛应用于水污染物吸附与去除、环境传感与监测、光催化以及重金属离子检测与去除等领域（图2）。这既生产了高质量的CQDs，又减少了对环境的影响。

**3.2 选择性污染物检测的功能化**

将QDs整合到水凝胶中已开发出能够选择性和灵敏地检测水中Fe³⁺离子的杂化材料。碳和石墨烯量子点掺入水凝胶提高了其机械强度并提供了荧光响应，使其适用于环境和分析应用。该合成涉及制备含有石墨烯量子点的聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）纳米复合水凝胶。这些纳米复合水凝胶为离子检测（尤其是Fe³⁺）提供了稳定且创新的平台，突出了其在水质监测中的潜力。将碳基纳米同素异形体掺入水凝胶显著改善了其机械、摩擦学和生物学性能，提高了其接受度和有效性，特别是在环境和医学领域。有研究开发了封装氮掺杂碳量子点的壳聚糖水凝胶，其含有多个极性基团（–COOH、–OH、–NH₂），为Hg²⁺提供了良好的吸附位点。研究表明，这些基团与Hg²⁺络合并增强非辐射电子转移，导致高效荧光猝灭。水凝胶结构通过氢键和静电相互作用稳定N-CQDs，从而防止聚集并增强传感性能。XPS结果表明含氮和含氧基团在反应中失去电子，DFT计算证实Hg²⁺与功能化水凝胶强烈相互作用，从而证明了其高选择性。还有研究制备并功能化了氧化石墨烯量子点-聚乙烯醇（GOQD-PVA）杂化水凝胶用于检测重金属离子。这些含有丰富含氧官能团的氧化石墨烯量子点被嵌入PVA基体中，既作为传感元件，又通过氢键作为物理交联剂。所得三维水凝胶网络确保了GOQDs在聚合物基体中的均匀分布。金属离子选择性归因于高度氧化的GOQD表面，其作为Fe²⁺、Co²⁺和Cu²⁺等金属离子的配位位点。金属离子与GOQDs活性位点之间的相互作用诱导水凝胶产生可见的颜色变化，从而实现比色检测，而PVA结构则保持了结构稳定性和活性位点的可及性（图3）。

**3.3 水凝胶合成策略**

研究人员在将QDs与水凝胶结合时面临若干挑战，包括混合过程中QDs的相容性差和降解。为克服这一问题，需要开发有效的方法将量子点掺入水凝胶。近期QDH复合材料的合成策略侧重于各组分的制备顺序（图4）。廉价且丰富的生物质碳量子点（CQDs）因其优异的荧光特性和环境友好性而受到关注。由壳聚糖等天然材料制成的水凝胶具有生物可降解性、生物相容性和无有害物质等绿色优势，使其成为生物相容性应用的理想药物载体。此外，CQDs通常通过弱相互作用（如氢键或静电相互作用）结合，这减少了合成过程中有害化学物质的释放。含氮量子点（N-CQDs）的合成避免了复杂或高能耗的反应，提供了一种快速、可扩展且环境友好的材料。所有这些都代表了向绿色制造工艺的转变，每种工艺都经过选择和设计以减少废物。基于碳点的水凝胶纳米复合材料由回收和无毒材料通过环境友好的制造工艺合成。碳量子点通过简单温和的化学浸泡和热处理从生物废弃物柳絮中获得。为实现荧光同时保持其低强度特性，碳点通过水热工艺在水中用聚乙烯亚胺（PEI）进行修饰。微晶纤维素（MCC）作为一种可生物降解和可回收的材料被选作水凝胶基体。MCC溶解在氢氧化钠/尿素水溶液中，用乙醇通过物理交联技术混合，不使用有毒化学交联剂。PEI修饰的碳颗粒在凝胶化前置于MCC溶液中，获得在环境友好条件下制备的柔软、亲水且均匀分散的纳米复合水凝胶。量子点-水凝胶复合材料的构建策略主要可分为直接凝胶化、后加载浸渍和原位生成。直接凝胶化策略中，QDs最初是稳定的胶体分散体，与水凝胶前驱体充分混合，然后通过物理或化学交联形成三维水凝胶网络，使量子点均匀分散并被捕获在聚合物网络中。后加载浸渍策略是先独立制备水凝胶基体以构建稳定的三维多孔网络，然后将其浸泡或孵育在量子点分散液中，量子点通过扩散、氢键相互作用、静电相互作用或其他界面相互作用进入水凝胶通道并固定。这种方法可一定程度上规避凝胶化过程中的不利反应条件对量子点的影响。第三种策略称为原位生成，即先将量子点前驱体或相关反应物引入水凝胶体系，然后化学、热学或其他温和条件下在水凝胶网络内原位生成量子点，从而减少量子点聚集并提高其三维网络中的分散稳定性。从量子点在复合体系中的作用机制来看，量子点可以是封装在网络水凝胶网络中的“客体”组分，也可以通过氢键和静电相互作用等模式参与聚合物链网络结构的构建，有些甚至充当凝胶化的“附加”结构单元。不同的制备策略主要取决于量子点的表面化学性质、水凝胶基体的交联机制以及对目标应用的荧光稳定性、分散均匀性和结构完整性的要求。因此，通过合理调控量子点的掺入及其与水凝胶网络的界面相互作用，可以增强量子点水凝胶的响应光学、机械和环境特性。

**3.4 量子点在水凝胶中的整合**

在I–III–VI族量子点的光致发光机制中，当QDs被激活时，一个电子从价带跃迁至导带，留下一个空穴。随后存在两条路径：(i) 电子-空穴在价带复合产生激子，这些激子可经历辐射衰变（产生发射）或非辐射衰变（释放热量）；(ii) 表面缺陷可以捕获电子，允许其回传并复制激子，这些激子可经历辐射或非辐射衰变。QDHs是通过将量子点掺入水凝胶而制备的新型有前景材料，因其优异的生物相容性和可接受的生物降解性而受到全球关注，为环境修复、能量存储、生化和化学传感、生物成像和药物递送等多个领域的巨大应用潜力铺平了道路。与单一组分相比，将量子点整合到水凝胶中赋予了复合材料独特的性质。刺激响应性水凝胶与量子点的结合可实现刺激响应性光学生物传感。随着量子点（QDs）在生物成像、诊断、光电子和传感中的使用日益增多，人们对开发结合QDs和水凝胶的可调光学性质的杂化材料越来越感兴趣。QDs通过成核和晶体生长形成，而水凝胶通过聚合物链的物理或化学交联形成三维网络。均聚物和共聚物通过化学或物理交联制备水凝胶，从而赋予特定的力学和化学性质。通过将不同的QDs掺入水凝胶结构制备了多种QD-水凝胶复合材料。有研究解释了将QDs封装在PNIPAM水凝胶中可使水凝胶响应温度和电场等外部刺激发生体积相变，从而改变量子点之间的间距及其发光行为，可用于环境传感以检测光学响应并监测环境变化。通过冷冻- thaw方法将碳纳米点（C-dots）和聚乙烯醇（PVA）结合制备了一种新型PVA/C-dot水凝胶。研究表明，C-dots因其小尺寸和丰富的表面官能团，可作为有效的成核剂促进PVA结晶，形成致密且有序的交联网络，显著改善了水凝胶的力学性能：在C-dot浓度为2%时，断裂拉伸强度提高46.4%，断裂伸长率提高18.5%。此外，C-dots赋予水凝胶荧光和还原性等新性能。C-dots在拉伸过程中可充当润滑剂，从而增加PVA/C-dot水凝胶的断裂伸长率。QD-水凝胶复合物在水溶液中的形成可能涉及各种QDs的形成。

**3.5 智能系统集成**

QDHs与物联网（IoT）技术的深度融合正在推动环境监测向更智能、实时和无线连接方向发展。这种集成的核心在于将量子点水凝胶的敏感响应特性与IoT的无线传输和数据处理能力相结合，构建能够自主连续监测和远程数据传输的“智能传感节点”。量子点水凝胶可与智能聚合物薄膜和柔性电子器件结合，以提高传感系统的可加工性和实际部署能力。已有研究总结了碳量子点在智能聚合物薄膜和生物医学诊断中的应用，进一步说明量子点的光学和界面性质可赋予聚合物材料可调的信号响应能力。对于环境监测，材料体系可进一步扩展以检测污染物、pH、离子浓度、温度和其他水质指标。通过将量子点的荧光、光电或电化学响应与水凝胶的三维多孔网络相结合，可在提高目标物质富集能力的同时增强信号传输效率，从而实现更高效的原位检测。有研究开发了硫量子点增强的聚乙烯醇水凝胶摩擦电纳米发电机（TENG），构建了荧光硫量子点增强的PVA水凝胶，并在同一平台上集成自供电传感和摩擦电能采集功能，实现无线运动监测。该研究体现的“传感-能量采集-无线传输”一体化理念对环境监测同样具有重要意义。对于量子点水凝胶，通过进一步集成压电、摩擦电或其他能量转换机制，有望构建能在低功耗甚至无外部供电条件下连续工作的环境监测系统。智能系统集成的进一步发展依赖于多模态传感和人工智能（AI）技术的协同。单一传感信号往往无法完整描述复杂环境状态；同时，不同量子点及其复合水凝胶可通过荧光、颜色、电阻、电容、压电或电化学等信号模式同时对多个环境变量作出响应。已有研究报道了一种可部署在边缘的多模态纳米传感器阵列，将其与深度学习相结合，实现了实时多污染物水质监测，展示了“多模态传感-边缘计算-人工智能分析”在复杂环境监测中的应用潜力。因此，未来量子点水凝胶可进一步与传感器阵列、无线通信、边缘计算和机器学习算法结合，将材料层面的分子识别和信号响应转化为可实时分析的环境数据，实现从单点检测向智能化、网络化、预测性环境监测的转变。从早期光学纳米材料-水凝胶复合传感研究可以看出，量子点、金纳米颗粒等纳米材料可通过光学相互作用增强水凝胶传感平台的检测性能。已有研究证明量子点和金纳米颗粒的光学耦合可用于水凝胶修饰的侧流层析传感装置，为后续基于量子点的集成光学传感平台的发展奠定了基础。随着柔性电子、无线通信和人工智能技术的发展，这类光学响应机制正从简单检测装置逐步演变为多参数、实时、智能的环境监测系统（图5）。

**4. 环境监测中的应用**

将QDs掺入水凝胶已开发出结合荧光灵敏度和机械强度的创新杂化材料，使其成为环境监测的理想选择。它们可以检测重金属（如Pb²⁺、Hg²⁺）、农药和工业染料等有机污染物，以及pH、温度和湿度的变化。其灵敏度、适应性和生物相容性使其成为水和空气质量监测的理想候选材料，为保护生态系统和人类健康提供了实用解决方案。

**4.1 污染物检测**

由于城市化和工业化造成的环境污染日益严重，重金属检测已成为重要研究课题。这些金属离子对人类健康和环境构成严重威胁，导致发病和死亡。为解决这些问题，科学家们正在开发利用荧光、比色传感、光学分析和原子吸收光谱等技术检测重金属离子的方法。最大的挑战在于开发适用于这些技术的合适传感材料。嵌入水凝胶中的QDs在重金属检测中具有实用价值并得到广泛应用。有研究开发了嵌入壳聚糖衍生碳点（CDs）的琼脂糖水凝胶薄膜固体传感平台，用于五种重金属离子（Cr⁶⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Pb²⁺和Mn²⁺）的光学检测和离子分离。尺寸小于10 nm的CDs在紫外条件下呈现蓝色荧光，正Zeta电位为+27.8 mV。在负电位（ζ = ?104 mV，0.1 N NaOH中制备）下带电后，通过琼脂糖的OH^–基团与CDs的NH₃⁺基团之间的静电相互作用形成稳定的固体薄膜。已开发含有富胸腺嘧啶DNA链的聚丙烯酰胺水凝胶用于选择性去除和吸附汞(II)离子。这些DNA功能化水凝胶特异性结合汞，从而保护和修复环境。该方法展示了DNA基材料在污染控制应用中的多功能性和有效性。整体式DNA功能化水凝胶已被开发用于灵敏且特异地吸附汞（Hg²⁺）离子，利用特定DNA结合位点的静电相互作用，这些水凝胶在汞检测中实现了高灵敏度和特异性。研究证明了DNA功能化材料在提供高效去除重金属离子手段方面的有效性。由纤维素水凝胶合成的生物相容性荧光碳点已被开发用于检测汞（Hg²⁺）离子。这些碳点具有高荧光量子产率和汞特异性，使其成为高效的检测材料。使用纤维素作为来源确保生物相容性，并提高了检测系统在环境监测中的灵敏度和特异性。纺织和制造业每年产生约5万吨含染料废水，对环境和人类健康构成严重威胁。传统处理方法包括物理和化学方法，如电浮选、动力混凝、膜过滤、沉淀、辐照、臭氧化、絮凝以及使用活性炭的Katalox处理。其中，染料吸附后再进行光降解更具经济性。然而，使用可持续材料同时维持染料吸附、无金属分解和去除微生物是困难且罕见的。有研究首次报道了合成具有优异染料吸附、高效光降解和高抗菌活性的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）-CD杂化水凝胶，且价格合理。该水凝胶由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和由柠檬汁和半胱胺分解获得的CD制备。CD纤维含有–NH₂、–OH、–SH和–COOH等官能团，可捕获和清除活性氧（ROS）以及阳离子（孔雀石绿、结晶紫）和阴离子（曙红Y）染料。PVP层中的中心孔进一步加速水凝胶形成，引入羧酸基团促进CD纤维之间的强交联。CDs的一个关键性质是其荧光可被金属离子直接显著猝灭。这一性质常用于基于CD的荧光水凝胶（CDFHs）中，通过荧光猝灭来检测金属离子的存在。在一致条件下使用八种不同金属离子评估了N-CQDs@GACTS水凝胶的选择性，包括三种有毒重金属（Cd²⁺、Hg²⁺和Pb²⁺）以及水中常见的几种边界或硬酸金属离子（Zn²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、Ca²⁺和Na⁺）。碳点（CD）荧光水凝胶的结构设计使其可应用于化学和生物传感，包括ClO^?检测、细菌诱导的荧光猝灭和pH响应荧光变化。不同功能化碳点与水凝胶基体的组合可实现高灵敏的环境和生物分析检测，为开发智能荧光传感材料提供了重要策略。有研究使用差示扫描量热法证明，与水凝胶相比，将5%、10%和20%的碳量子点（CQDs）掺入水凝胶后，其蒸发焓分别降低了110、310和375 J g^?1，这表明CDs和交联影响了水凝胶基体中的水结合状态。还有研究开发了Fe₃O₄修饰的CQD-聚乙烯醇杂化水凝胶（PHHs），并表明通过调整材料比例可形成垂直排列结构，这些结构增强了亲水性和毛细管驱动的水传输。FTIR分析证实了水分布转变，IW/FW比率从0.75增加到1.11。然而，蒸发效率常受到水凝胶-空气界面热损失和垂直热传导的阻碍，这可能导致表面盐积累和光吸收减少，最终降低整体性能。

**4.2 环境参数监测**

由于城市化和人口增长，建筑能耗迅速增加，占全球能源消耗的30%和碳排放的28%。窗户等建筑材料是能量损失的主要来源，占20%。智能建筑和自适应窗户系统正在探索解决此问题的方案。这些窗户可响应热、光、电等刺激控制亮度和温度。热致变色（TC）材料，包括二氧化钒（VO₂），在此应用中具有前景，但存在太阳能吸收率低、相变速率高和效率低等局限性。有研究开发了由羟丙基纤维素（HPC）和聚丙烯酸（PAA）组成的pH敏感、可调热致变色复合水凝胶，用于pH控制窗户。将光热碳点（CDs）掺入水凝胶以提供足够的相变能量、增强热响应速率并改善生物相容性。除了测试微观结构和光学性质外，该团队还通过EnergyPlus软件模拟评估了使用这些材料的智能窗户的节能潜力（图7）。CDFHs可通过CDs表面官能团（如氨基、酰胺基、羰基和羧基）的可逆质子化和去质子化来检测pH变化。这些依赖于质子化的变化影响CDs中价带的占据，导致荧光强度和发射波长的变化。荧光石墨烯量子点的通用结构使其能够实现多种传感机制，如嵌入荧光水凝胶中的甲基丙烯酸甘油酯功能化GQDs用于检测Cd²⁺和Pb²⁺。值得注意的是，该材料随温度变化表现出可见光和近红外调制，并通过光热效应调节透射率。因此，通过量子点荧光实现了对Cd²⁺和Pb²⁺的选择性检测，显示出在节能和环境监测应用中的强大潜力。湿度传感器在环境监测、医疗保健、工业和日常生活等各个领域都至关重要。近年来，对紧凑、节能和可穿戴传感器的需求急剧上升。包括聚合物、金属氧化物（MOs）、碳基材料和MO复合材料在内的众多材料已被用于传感器开发。石墨烯及其衍生物因其优异的物理和化学性质而脱颖而出。然而，原始石墨烯缺乏带隙，表现为半金属，这限制了其在通常需要半导体材料的传感器中的应用。研究表明，减小石墨烯的尺寸可引入带隙，增强其半导体性质。石墨烯表面的官能团有助于水吸附，但过量（如氧化石墨烯）会增加电阻，这对电阻型传感不利。石墨烯量子点（GQDs）通过量子限域和边缘效应同时提供石墨烯的固有品质和可调带隙，克服了这些限制。这些性质使GQDs非常适合湿度传感。首个基于GQDs的湿度传感器由Sreeprasad等人引入，他们在聚合物/二氧化硅基体中形成了GQD导电网络。尽管该传感器响应较低，但在低相对湿度（0–40%）下可有效工作。在本研究中，使用通过简单水热工艺合成的GQDs开发了一种柔性湿度传感器。与之前的石墨烯或GQD基水凝胶传感器相比，该传感器表现出更好的性能，包括在室温下更快的响应和恢复时间。值得注意的是，这是首个基于GQDs的柔性湿度传感器，也是GQDs首次用于氢气（H₂）气体检测，表明吸附的质子（H⁺）参与了传感机制。因此，GQD水凝胶因其可修饰的电子性质、与水分子的相互作用和结构柔性，为未来湿度传感器提供了一个有前景的平台。

**4.3 水和空气质量监测的应用**

人口增长、工业化、环境退化和污染导致的淡水短缺使得清洁水的供应在全球范围内具有重要意义。传统水处理技术，如海水淡化（通过反渗透、离子交换和热蒸发）和污染物去除，通常昂贵、能耗高且复杂，限制了其广泛应用，特别是在服务不足的地区。太阳能净化技术作为一种可持续替代方案受到关注，这些方法利用阳光蒸发和净化水，减少能耗。已发现了金属材料（如金、铝）和非金属材料（如碳海绵、二氧化硅、石墨烯）制成的材料，但大多数合成成本高且稳定性差。水凝胶是吸收水的柔性聚合物，广泛用于生物医学和环境技术。C-dots无毒，可由多种碳源制备。同时，C-dot水凝胶复合材料提供了一种成本效益高、可扩展且环境友好的太阳能水分配系统，是解决全球水资源挑战的潜在方案。有研究开发了一种利用碳点（C-dots）嵌入壳聚糖/羧甲基纤维素（CMC）水凝胶的混合技术，构建了成本效益高且环境友好的水净化系统。C-dot/水凝胶系统可在宽光谱范围内吸收太阳能，实现有效的光热加热和水蒸发，具有1.4 kg m² h^?1的高蒸发速率和89%的太阳能-蒸汽转换效率。水凝胶基体可吸收大量水分，嵌入的C-dots增强了复合物的热稳定性和机械稳定性。该系统已证明具有优异的脱盐和去除重金属以及水和有机污染物的能力，并在多个净化循环中保持稳定和可重复使用。由于生物相容性和可由廉价材料易于制备，C-dot/水凝胶复合材料显示出从小型精炼厂到大型工业过程的广泛应用潜力。量子点水凝胶在空气质量监测中可利用量子点优异的荧光、光电和表面反应特性，实现对多种气态污染物的快速识别。功能化量子点可通过荧光猝灭/增强响应检测SO₂和NO₂，并可在与特定表面活性位点结合后选择性区分CO等有毒气体。水凝胶的三维多孔结构促进了气体分子的扩散和富集，从而提高了传感器的灵敏度、选择性和稳定性，为实时便携式空气质量监测探索了一种新型材料平台（图8）。

**5. 结论**

QDHs因其将量子点卓越的光学和电子性质与水凝胶基体的机械柔性、生物相容性和保水性相结合的能力，已成为极具前景的环境监测多功能平台。这种杂化体系在实时、灵敏、选择性检测各种环境污染物和参数方面提供了独特优势，为应对当今一些最紧迫的生态挑战提供了创新解决方案。将CdS、GQDs和CDs等QDs整合到水凝胶网络中，提供了增强的基于荧光的传感能力。这些材料表现出强发光、可调发射光谱和高光稳定性，使其成为检测有毒重金属（如Pb²⁺、Cd²⁺、Hg²⁺）、有机染料、农药和工业污染物的理想选择。已证明了多种检测机制，包括荧光猝灭、增强和离子特异性配位，从而提供了高灵敏度和选择性。此外，碳基QDs为环境敏感应用提供了一种低毒、环保的替代方案，这对于在自然生态系统中的长期部署至关重要。QDHs还对关键环境参数（包括pH、温度和湿度）表现出优异的响应性。QDs表面官能团的质子化和去质子化行为可实现动态pH传感，并伴有荧光强度和发射波长的明显变化。此外，GQDs由于其量子限域效应、可调带隙以及与水分子的相互作用，显著改善了湿度传感性能。这些特性使量子点水凝胶特别适用于空气和水质评估中的多参数传感。量子点水凝胶的一大优势不仅在于检测，还在于修复。许多此类材料已证明具有双重功能，可同时检测和吸附重金属和有机污染物。通过静电相互作用、螯合、氢键和π–π堆积等机制，污染物可被有效固定在水凝胶基体内。此外，碳量子点-水凝胶等复合材料正在被探索用于水净化和太阳能驱动脱盐，利用其光热特性和对水结合状态的调控来提高蒸发和处理效率。包括绿色合成、光聚合和物理或化学交联在内的制备策略允许以环境友好和可扩展的方式生产QD水凝胶。通过物理混合或共价键合等方法嵌入QDs可确保均匀分布和荧光性质的长期保持。此外，将这些材料整合到智能、IoT支持的传感设备中，为分散式实时环境监测开辟了新机遇。尽管取得了这些显著进展，但仍存在若干挑战。大规模生产具有一致性能和可重复性的QD水凝胶仍然困难。高纯度QDs的成本，特别是含有有毒金属的QDs，必须通过开发更安全、更经济的替代品（如碳或硅量子点）来解决。此外，QD水凝胶在不同环境条件（如极端pH、温度或盐度）下的稳定性必须经过严格测试。关于在开放生态系统中的纳米材料使用的监管问题和环境安全性也需要进一步研究。未来的研究重点包括开发无毒绿色量子点，如氮掺杂碳量子点，以及设计结合MXene和石墨烯的多功能复合材料，以满足多样化的环境监测需求。同时，研究人员将整合IoT技术，构建结合实时数据收集和分析的智能、数字化环境监测系统，以实现智能环境管理。QDHs代表了一类能够改变环境监测的强大多功能材料。它们在空气和水中检测和减轻污染的能力，以及易于集成到柔性和可穿戴传感系统中的特点，使其成为未来智能环境技术发展中的重要组成部分。材料科学、环境工程、纳米技术和数据分析领域的持续跨学科合作对于克服现有障碍和实现QD水凝胶在可持续环境管理和公共卫生保护方面的全部潜力至关重要。