用于鈾酰離子檢測的光化學分析傳感器研究新進展

酈瑜杰，張迪，劉陳，王志梅，廖力夫，肖錫林，3

（1 南華大學資源環境與安全工程學院，湖南衡陽421001；2 南華大學化學化工學院，湖南衡陽421001；3 南華大學衡陽市健康危害因子檢驗檢疫新技術研究重點實驗室，湖南衡陽421001）

鈾作為核能以及核工業中的重要元素之一[1]。由于其放射性和生物毒性，鈾的檢測和處理都越發引起了人們的關注。根據《鈾礦冶輻射防護和環境保護規定》[2]指出，對于沒有受納水體，鈾的允許排放限值為0.05mg/L[3]，2018 年在對秦山核電站周邊飲用水放射量的檢測中，α 放射性水平范圍在0.008～0.040Bq/L[4]，符合國家標準；但對于一些鈾礦廢水尤其是廢棄型鈾礦來說，其周邊環境中的放射量則可能存在著隱患。且鈾在水溶液中，能夠以正六價的鈾酰離子形式[5]穩定存在，故能在自然水體[6]中進行遷移，所以及時檢測并處理環境中的鈾，重視“核”安全問題[7]成為了如今核工業的重中之重。

光化學分析法是根據待測物質發射或吸收電磁輻射以及物質與電磁輻射相互作用[8]來進行分析的一類方法。按照其原理主要可分為三大類，本綜述主要就近年來吸收光譜法[9]（紫外可見分光光度法）、發射光譜法[10]（熒光分光光度法）以及共振光譜法（表面增強拉曼散射法）[11]測鈾的有關文獻進行探討。迄今為止，在多領域、多學科對于測鈾方案的探究都取得了顯著突破，其中不乏一些檢測靈敏度高、特異性強的痕量鈾檢測方法，但由于設備造價高昂難以攜帶存在局限性。而采用光化學分析檢測法因為設備造價較低，甚至可能存在顏色變化（如比色法），無需設備即可直接觀察到明顯色差[12]，從而能夠及時判斷出結果。此外，該分析法的應用遠不止于檢測鈾，其在物理學[13]、醫學、藥學[14]直至天文學[15]等領域應用也極其廣泛。由此可見，光化學法的優勢及其應用的廣泛性都十分可觀。現如今，鮮有報道檢測鈾的綜述類文章，Farzin 等[16]總結了基于納米材料的電化學、光學和磁彈性測定鈾酰離子（uranyl ion，UO）的方法，包括利用DNA 酶、有機離子載體、離子印跡聚合物[17]和功能化的納米材料[18]等檢測方案。Lu 等[11]對于振動光譜法檢測和識別鈾進行了全面概括與總結，包括用紅外和拉曼光譜等方法。

本文綜述了基于光化學分析法檢測鈾酰離子的有關報道，其中重點是近年來關于熒光分光光度法、紫外可見分光光度法、拉曼光譜法等測鈾的前沿進展，并深度結合當下熱點，在智能設備[19]普及的時代，初步探討了智能手機檢測鈾酰離子的優勢及發展。

1 熒光分光光度法

熒光分光光度法是發射光譜法的一種，利用物質吸收較短波長的光能后發射較長波長特征光譜的性質，進而對物質進行定性或定量分析[20]。該方法相較于紫外分光光度法靈敏度高，選擇性也較好。研究表明，某些基團或超分子聚合物自身發射熒光，而有些不發射熒光或熒光強度弱，但與鈾酰反應[21]后產生熒光猝滅或增強[22]現象即可檢測鈾酰離子。

1.1 salophen類小分子探針

近年來，一種基于salophen的熒光傳感器測鈾法被廣泛應用。salophen作為席夫堿類化合物，結構通式如圖1(a)，其C==N 雙鍵中存在的氮孤對電子，易被金屬離子捕獲致使電子轉移，產生配位效應[23]，可作為金屬離子識別探針。陳琳等[23]利用2∶1 的磺基水楊醛與鄰苯二胺合成了磺基?Salophen席夫堿類衍生物，如圖1(b)。單純的磺基?salophen 聚合物產生弱熒光，而與UO以1∶1 形成四配位金屬配合物后熒光強度顯著提高，最大發射波長位于428nm。該方案已成功應用于水樣中UO檢測，檢出限低至0.015μmol/L。蘇昌霖等[24]設計合成了十二烷基硫酸鈉（SDS） 包裹的Uranyl?salophen 配合物，配體分子結構如圖1(c)所示。實驗表明，Uranyl?salophen配合物熒光強度顯著提高，且基于十二烷基硫酸鈉（SDS）表面活性劑增溶和抗干擾的特性，改善了傳感器的靈敏度，檢出限達到了0.03μmol/L。此外SDS 低毒、污染小、成本低、增敏作用顯著，具有一定的推廣價值。

圖1 salophen結構通式和相關配體分子結構

目前，具有聚集誘導發射（AIE）的高分子熒光傳感器也引起了研究學者的濃厚興趣。AIE分子解決了傳統分子積聚猝滅發光的問題，其機理是分子內旋轉受限（RIR），研究人員通過該理論已成功合成了四苯基乙烯（TPE）、三苯乙烯等眾多AIE分子[25]。Lin 等[26]發現將salophen 部分并入AIE 活性TPE 部分制作熒光傳感器（TPE?BSA） 可進行UO檢測，起配位作用的bis?salophen 結構見圖1(d)。當TPE?BSA 捕獲UO后導致AIE 熒光聚合物熒光猝滅現象，其原因可能是絡合作用和鈾酰離子的重原子效應。另外，除了Ni2+略有抑制TPE?BSA 熒光發射外，其他離子（如Al3+，Be+，Ca2+，K+，Mg2+，Mn2+，Zn2+)均無任何影響，證明該傳感器對于UO特異性選擇程度較高，檢出限達到0.039μmol/L。此外，相比于僅含碳和氫原子的TPE等AIE分子，一類具有抗光氧化及熱氧化的雜環AIE 分子已有所報道，且應用于UO2+2 檢測方面的研究尚不多見，結合salophen的特性或許能為研發高性能測鈾傳感器提供更多可能性。

1.2 偕氨肟類超分子探針

研究人員發現，高分子聚合物具有易合成和改性的特征[27]，為研發測鈾探針提供了方向。Ma等[28]采用含偕氨肟基團的熒光聚合物進行UO檢測，偕氨肟基團[—C(NH2)==N—OH]的結構使得傳感器能夠通過η2配位鍵捕獲更多的鈾酰離子[29]，且由于存在多個受體熒光團使該聚合物具有更好的熒光效應。結果表明，在pH為6時，捕獲UO導致合成的p3 熒光聚合物產生熒光猝滅效果，最大淬滅率為65%，檢出限為10nmol/L，并已成功應用于湖水樣品的檢測。2019 年，同樣基于偕氨肟基團的特性，Xu 等[30]優化了利用偕氨肟基團進行檢測的方案，通過加入1,3,5?三乙炔基苯（1,3,5?triethynylbenzene） 和 偕 氨 肟/羧 酸 取 代 芴（amidoxime/carboxylate?substituted fluorene）合成了超分子聚合物（CMPAO）熒光傳感器，在偕氨肟基團親和UO的同時，利用親水性的羧酸根提高水的分散性從而增強了UO與熒光基團的配位反應，產生熒光猝滅現象，檢出限成功提高至1.7nmol/L。此外，通過化學剪裁[31]等方式可對共軛微孔聚合物（CMPs）添加適宜的配體來進行多種重金屬離子檢測，為測定痕量重金屬離子提供了參考。如今，利用偕氨肟類超分子制備測鈾熒光傳感器已取得了一定進展，但其制備提純難度較高且靈敏度存在局限性；因此，研究人員基于DNA 酶設計了新型熒光傳感體系。

1.3 DNA酶增敏技術探針

隨著生物技術的發展，某些DNA 酶生物分子探針表現出了在檢測金屬離子方面高靈敏度等特征。該類DNA 酶除了作為傳統遺傳物質外，還呈現出類似酶的催化活性[32]，可與金屬離子產生相互作用。Yun等[32]基于DNA熵驅動擴增技術，開發了一種超靈敏的鈾酰檢測傳感器，實驗采用UO2+2 切割S?DNA，配合鏈置換反應和熵驅動擴增技術合成 了 能 作 用 于S?DNA 的E?DNA；當 熒 光 素（FAM）標記的S?DNA 固定在金納米粒子（gold nanoparticles,AuNPs）表面時，FAM 受AuNPs 抑制作用產生弱熒光，此時，利用合成的E?DNA 特異性切割S?DNA 使得FAM 脫落遠離AuNPs，熒光顯著增強。實驗表明，在pH為5.5、AuNPs表面FAM標記的S?DNA 濃度為43pmol/cm2時，效果最佳，檢出限為13pmol/L。

與常規方法不同，Feng等[33]發現通過提升DNA酶活性可顯著優化探針靈敏度。實驗中將柔性接頭（C3間隔子）插入39E?DNA 酶[34]催化核心序列的一個關鍵位點（A20）實現了對39E?DNA 酶活性的改善，如圖2(a)所示。利用39E?DNA 酶催化活性裂解底物39S，并在底物39S 的5'和3'端分別用熒光團FAM 和淬滅劑（lowa Bladk，LABkFQ）標記；由于FAM 和LABkFQ 越靠近熒光越弱，當UO裂解底物時，FAM與LABkFQ分離導致熒光信號在單位時間內增強。同時，39E DNA酶活性越強使得熒光強度提升越發顯著。此方案通過改善酶的活性來檢測鈾酰離子，為研發測鈾生物分子探針提供了新思路。

2 比色法

紫外光譜法雖然在特定條件范圍內靈敏度弱于熒光光譜法，但紫外可見光譜儀對于顏色變化尤其敏感，可以通過溶液的吸光度來判斷待測溶液的內在變化[35]，即比色法。因此，從該角度而言反而利于痕量檢測時的觀察。紫外可見光譜儀通常是在190～760nm 波長范圍內測定物質的吸光度，可對少量待測物質進行定量測定[35]。通過測定物質在不同波長處的吸光度，繪制吸光度與波長的關系圖即可生成吸收光譜，且吸收光譜具有與物質結構相關的特征性[36]。現如今，基于比色法的DNA 酶、功能化的納米材料等測鈾方案[37]已十分常見，且初步實現了基于比色法的智能手機測鈾技術的研發。

2.1 DNA酶放大技術探針

基于生物分子探針的傳統比色法是采用AuNPs[38]結合紫外可見光譜儀實現的，分散的AuNPs 溶膠呈紅色，而聚集的AuNPs 溶膠則為藍色[39]。利用AuNPs 對DNA 酶進行標記或吸附后，當UO對DNA 酶進行特異性切割時，AuNPs 結構由集聚轉為分散，顏色隨即改變。但是基于此方法的檢出限[40]（1nmol/L）存在局限性。

為了提高比色法生物分子探針的靈敏度，Cheng 等[41]報道了一種通過DNA 酶功能化的磁珠（MBs）用于UO識別的技術，實驗原理如圖2(b)。采用辣根過氧化物酶[42]（HRP） 輔助催化氧化3,3',5,5'?四甲基聯苯胺[43]（TMB，一種染色劑）來增強信號，同時使用滾環擴增法[44]（RCA，一種恒溫核酸擴增方法）來提高靈敏度。通過UO對固定在MBs 上的DNA 酶鏈進行切割釋放出單鏈DNA，利用RCA 技術[45]，合成了Sp?RCA 修飾的MBs。經Sp修飾的MBs通過鏈霉親和素（HRP）和生物素而捕獲大量HRP，從而使得MBs共軛物被HRP標記。該共軛物可有效催化H2O2介導的TMB氧化，促使溶液顏色從無色呈現為藍色。實驗表明，隨著TMB被釋放在650nm處的吸收值明顯增加，已成功應用于飲料中UO檢測，檢出限低至3.7pmol/L。但是由于采用了RCA 技術，導致反應時間過長，達2.5h，且RCA技術中的鎖式探針費用較高[46]，對于擴增后的結果沒有合適的質控標準，仍有改進之處。

2.2 功能化的納米顆粒探針

圖2 基于39E?DNA酶的測鈾生物傳感

經研究發現，一些納米材料表現出了對金屬離子良好的吸附性能[47]。因此，近年來基于功能化的納米材料對鈾酰離子進行檢測的報道層出不窮。Oymak 等[47]選用紫脲酸銨（murexide）[48]對磁性納米顆粒（Fe3O4/SiO2/APTES）進行功能化處理，利用該磁性納米顆粒的特異性吸附作用，以偶氮胂Ⅲ（arsenazo?Ⅲ）為顯色劑，采用分光光度法測定了海水中的UO。實驗表明，在pH 為6～7、吸附時間為15min 時效果最佳，檢測極限低至3.7nmol/L，其中起吸附作用的功能化磁性納米顆粒可以循環使用約86次，有利于精簡成本。但此方案易受Cr3+和Ni2+干擾，需引入乙二胺四乙酸（EDTA）掩蔽劑進行抗干擾實驗。Saha等[49]表征并合成了3?巰基丙偕氨 肟 基（3?mercaptopropionylamidoxime，3?MPD）功能化的金納米顆粒（AuNPs）作為納米探針，在酸性無UO的溶液中，功能化的金納米顆粒處于分散狀態成玫紅色；加入UO后，3?MPD中C==N雙鍵中N孤對電子可選擇性地與UO配位生成配合物使金納米顆粒集聚，溶液呈藍色。作為水溶性納米探針，靈敏程度進一步提高，檢測限為1.1pmol/L，但是采用金納米顆粒成本相對較高。為解決傳統比色法耗時長、效率低、易產生實驗誤差等不足，近年來一種基于智能手機的新型測鈾傳感體系引發了研究人員的關注。

2.3 其他比色法

在智能設備觸手可及的時代，隨著智能手機[50]技術的革新與發展，其處理器性能尤其是圖形處理器[51]（GPU）性能已十分優異，且通過相機模組檢測顏色變化也屬于光學傳感器范疇，因此研發基于智能手機的鈾酰檢測方案將會是互聯網時代[52]的趨勢。如今，鮮有關于智能手機測鈾傳感的報道，且大多利用顏色變化進行檢測，可納入比色法中進行討論。

Dena等[53]開發了基于智能手機相機模塊對濾紙條（FPS）上樣品進行檢驗的方案。當偶氮胂Ⅲ[54]中氮原子和兩個氧原子與UO的三個配位鍵形成配合物時，FPS顏色由玫紅轉為綠色。此外，通過調配標準UO濃度梯度進行反應來繪制色彩校準圖，進而預估樣品中的UO濃度，顏色通道選擇RGB（紅綠藍）模式[55]，檢出限為2.4nmol/L。但該方案中智能手機僅起到了記錄色彩的作用，缺乏相應的手機應用程序（App）進行結果處理，就檢測效率而言有待提高。基于智能手機測鈾的核心通常是精準采集反應后的顏色數據，包括色相、明度、飽和度[56]等，而后對結果進行匹配評估。為了改進Ahmed方案的不足，Chen等[57]研發了一套App與智能手機結合的檢測方案。實驗利用化學雜交整合碳點（C點）和CdTe量子點（MPA@CdTe QDs）來合成比例熒光探針[58]。UO的存在極大淬滅了CdTe QDs的紅色熒光，而C點的綠色熒光保持恒定，從而導致明顯的顏色變化。為了控制色彩的準確性，研究人員利用3D 打印技術開發了輔助檢測裝置并研發了手機App，如圖3(a)和(b)。調壓器用于控制紫外線的電壓和電源，通過USB接口[59]供電，暗腔則用于放置測試條和濾光片。選用紫外光源是因為在機器視覺條件下能夠捕捉到可見光源難以辨別的特征，且含共軛鍵的C點熒光物在吸收紫外光后熒光波長增加，在濾光片的作用下能夠增強圖片的對比度[60]。當然，實現濃度預估的重點在于色彩識別以及與標準色卡的高精度定向匹配，標準色卡見圖3(c)。色彩識別技術主要依賴于圖像的RGB通道值和APP 算法優化。研究表明，該方案在1～150μmol/L的寬濃度范圍內顯示出對UO良好的分析性能。但不同手機品牌的相機模組參數以及成像后算法的校準都具有差異性，或許存在App算法與機型適配的問題，值得進一步探究。

現如今，由于智能手機功能和性能的逐步完善，人們工作效率也隨之提高，但基于智能手機的測鈾傳感體系尚未完全建立。文中報道的方案作為該領域的先驅者已為體系的完善奠定了基礎，但仍然存在著樣本數據單一、實驗檢測誤差以及檢驗流程未標準化等局限性，需要廣大研究學者不斷進行新技術引入和樣本大數據共享等技術迭代工作，從而真正提高并完善手機測鈾結果的可靠程度。

圖3 智能手機顯色法傳感附加組件和標準色卡

3 拉曼散射法

隨著光纖探頭[61]、二極管激光器[62]和納米科學技術的迭代發展，拉曼光譜設備[63]已逐步小型化，設備功能也日益完善。拉曼光譜作為共振光譜的一種，能夠解析分子振動能級（點陣振動能級）[64]與轉動能級的結構進而繪制出待測物質的特征譜線。此外，與紅外光譜不同，無極性的對稱分子[65]也可以利用拉曼光譜進行檢測，并且由于水的拉曼散射十分微弱，拉曼光譜是研究水溶液中生物樣品及化學物質的理想工具。

3.1 羅丹明類生物探針

拉曼光譜法作為靈敏度高且無破壞性的檢測方式，其核心在于選擇合適的表面增強拉曼散射（SERS）基質。羅丹明類衍生物是一種生物染料，能夠通過細胞膜選擇性標記細胞線粒體，被廣泛應用于線粒體膜電位以及細胞凋亡的檢測[66]。如今，該生物染料已成功與dsDNA 結合來制備測鈾SERS傳感，實驗機理如圖4所示。Jiang[67]等報道了采用羅丹明6G（Rhodamine 6G，RhG）作為增強SERS信號的檢測方案。在pH 為5.5 的2?(N?嗎啉基)?乙醇磺酸緩沖液中，底物單鏈DNA 與酶DNA 雜交，形成雙鏈DNA（dsDNA），由于UO對dsDNA 位點的特異性切割，當UO不存在時，RhG 難以固定在AuNPs 表面，SERS 信號較弱；當UO存在時，切割DNA 酶產生單鏈DNA（ssDNA），并在范德華力作用下與RhG形成NG?ssDNA?RhG共軛體，信號增強[68]。原因可能是生成共軛體時分子間電荷轉移共振增強從而導致分子振動能級的改變[69]。但采用RhG增強SERS信號時，通常伴隨著強烈的熒光效應從而影響拉曼光譜的觀測，且該方案檢出限僅有1.6nmol/L，靈敏度有待加強。

為了優化羅丹明類傳感器的靈敏度，He 等[70]研發了一種微流體生物傳感器。將5'羅丹明B（5'?Rhodamine B， RhB）[71]標 記 的 雙 鏈DNA（dsDNA）置于含UO的溶液中，由于UO剪切作用生成單鏈DNA，同時與SERS生物芯片（用單鏈DNA（ssDNA）修飾的高質量3D ZnO?Ag中孔納米片陣列）中互補鏈進行序列互補，進而將RhB固定在芯片基質中，形成了帶有RhB 共軛體的SERS 基質，拉曼信號顯著提高，傳感器檢出限提升至3.71fmol/L。但是該方案SERS基質的重復使用性存在局限，且同樣存在熒光效應影響拉曼光譜的問題。

3.2 功能化的銀納米材料探針

據有關文獻報道，部分粗糙化的重金屬納米顆粒也有助于SERS 信號的提升。目前，研究人員利用銀納米材料結合配位基團等實現了對鈾酰離子的檢驗，原理簡圖如圖5所示。Wang等[72]報道了一種基于納米粒子在改性硅片上自組裝的SERS 基板來進行鈾酰檢測。將銀納米粒子通過3?氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）固定至硅晶片上制作SERS 基板[73]。由于分子間作用力UO被吸附至基板中，且吸附后的SERS 信號明顯高于純UO溶液的SERS信號。其原理可能是：①由于UO和金屬基底的化學成鍵導致非共振增強；②由于UO和納米材料表面吸附原子形成表面絡合物而導致的共振增強[74]；③銀納米離子表面粗糙性增加。該方案檢出限為0.1μmol/L，基板可重復使用且成本較低。

圖4 基于dsDNA和羅丹明類衍生物的測鈾SERS傳感

圖5 基于銀納米顆粒與配位鍵/基團的測鈾SERS傳感

Jiang等[75]采用檸檬酸鹽修飾的銀納米顆粒進行UO+檢測。檸檬酸鹽能夠穩定納米顆粒，且檸檬酸鹽中COO?能夠與UO以2∶1參與配位反應，同時具有消除基質等外在因素對SERS 信號的影響，檢出限是60nmol/L。但該方案僅能在濕態條件下進行檢測，難以對巖體等固態含鈾物質進行有效檢驗。為了提高傳感器在不同環境中對鈾的檢測能力，Jiang 等[76]設計了一種銀納米棒（AgNR）陣列裝飾的柔性SERS 膠帶[77]。利用AgNR 和UO之間的相互作用，UO22+將被吸附至AgNR表面，常見的硝酸鈾酰O==U==O 拉曼譜帶位于870cm?1，而吸附后，從銀納米棒到吸收的UO赤道面的強電荷發生轉移，此時SERS信號帶位移至730～790cm?1。研究發現，該方案不僅能夠有效檢測溶液中的UO，同時也成功應用于巖體等固態含鈾成分的檢驗。檢出限在100nmol/L，其靈敏度優于傳統光度法和基于SERS 法修飾的金納米顆粒，但是不如一些生物分子探針。縱觀全文，基于光化學分析技術的UO傳感方法匯總詳見表1。

4 結語與展望

本文簡述了近年來光化學分析技術在鈾酰離子檢測方面的前沿進展。主要包括AIE、偕氨肟基團等構筑的熒光傳感器，TMB、偶氮胂Ⅲ染料等構筑的比色法傳感器，以及羅丹明類衍生物、功能化的銀納米顆粒等構筑的拉曼傳感器等。隨著光化學分析技術的迭代發展，從設備的便捷性到檢測的準確性都已獲得顯著提升，而測鈾傳感器材料和配體的研發或許更具價值。如今，在測鈾探針配體、材料以及檢測性能取得長足發展的同時，也同樣存在著不足。第一，某些有機熒光分子易產生ACQ（聚集熒光猝滅）效應且水溶性較弱[78]，不利于熒光探針對溶液中樣品的檢測；DNA 酶類傳感器合成步驟冗雜且成本較高。第二，基于DNA 酶放大技術的顯色探針檢測耗時較長且擴增后的結果缺乏質控標準；智能手機測鈾方案存在色準誤差以及App算法對不同機型的適配問題。第三，羅丹明類SERS傳感器由于熒光效應會影響拉曼光譜的觀測；功能化的納米銀探針通常易受其他金屬離子干擾，選擇性有待加強。

因此，針對以上問題，在未來的研究中，可從如下幾方面進行展望：①采用具有抗熱氧化以及良好放大效應的雜環AIE分子制備熒光檢測配體；盡量選用量產化的DNA 酶作為載體從而降低成本。②利用無酶放大技術持續改進傳感器靈敏度；深度結合互聯網、5G 技術，進一步優化App 算法適配問題以及結果處理精度，甚至能夠利用云端技術進行大數據[79]匹配。③深入研究配位基團與鈾酰離子的作用原理，發掘特異性強且無干擾信號的光化學分析探針。相信在眾多研究學者的努力與創新之下，基于光化學分析的鈾酰離子檢測技術必將擁有更為廣闊的應用前景。

表1 近年來基于光化學分析技術的UO2 +2 傳感方法一覽表