《Microchemical Journal》：Harnessing nanomaterials for enhanced detection of radioactive metal ions: recent advances and analysis
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放射性金属离子检测技术综述；纳米材料；检测方法；灵敏度提升；环境监测
Kai Li|Xiaoyang Lu|Baozhen Hao|Xinyi Yao|Qiyang Gu|Jiaqi He|Sha Liu
滨州医学院公共卫生学院，中国烟台264003
摘要
由于核工业的发展和频繁的核事故，由放射性金属离子（RMI）（如铀酰、铯和锶离子）引起的环境污染引起了广泛关注。这些离子释放到自然水系统中后，会通过生物积累对人类健康和生态安全构成严重威胁。因此，开发高效且灵敏的分析方法来检测环境和生物系统中的RMI变得十分紧迫。尽管传统方法被广泛使用，但它们存在灵敏度不足、设备复杂和成本高昂的问题。纳米材料凭借其独特的物理化学性质，正成为RMI检测的有希望的工具。本文概述了近年来RMI检测技术的进展，并回顾了过去五年中利用纳米材料改进检测方法的研究。文中全面分析了用于高效检测RMI的纳米材料，包括有机框架纳米材料、金属基纳米材料、聚合物纳米材料、DNA纳米材料、碳基纳米材料、半导体纳米材料、纤维素纳米材料和复合材料。同时，还分析了比色法、荧光法和电化学法等检测方法的工作原理和优势，并批判性地讨论了不同纳米材料的特性和局限性。最后，本文还比较了各种基于纳米材料的检测方法的性能。这一综合分析为开发下一代RMI监测技术提供了宝贵的见解。
引言
近年来，全球核工业的快速发展通过核能带来了巨大的能源效益[1]，[2]。然而，这一进步也带来了核事故的潜在风险，对环境和人类健康构成了严重威胁。日本核废水排放问题以及人们对放射性污染的担忧凸显了这一问题的严重性。当前的水污染来源非常复杂，主要包括重金属离子[3]、抗生素[4]、合成染料[5]和氟化物[6]等常见污染物。为了治理这些污染物，可以使用生物炭[7]、纳米复合材料[8]和壳聚糖[9]等吸附材料进行去除。此外，还可以采取土壤改良技术来有效净化受污染的水体并支持生态恢复[9]。含有金属离子的放射性废水可能渗入地下水和地表水，进入人体并在重要器官（如肝脏、肾脏、骨骼）中积累[10]，[11]。长期暴露可能导致包括骨癌和白血病在内的严重疾病[12]，而过量摄入放射性金属离子（RMI）还与心脏和神经系统疾病有关[13]。目前，已在土壤、水、食物链和生物体内检测到RMI[14]，[15]。鉴于其对健康的危害性和在环境中的普遍存在，开发高效、准确的RMI检测技术至关重要。
目前的RMI检测技术包括电化学方法[16]、荧光法[17]、放射性仪器[18]、传感器[19]和表面增强拉曼散射（SERS）[20]。由于具有高灵敏度、选择性和稳定性等优点，纳米材料在RMI检测中得到了广泛应用。近年来，纳米技术的快速发展为纳米材料在精准检测中的应用带来了新的思路。已经开发出了多种RMI检测技术，包括纳米探针[21]和纳米材料传感器[22]。纳米材料的微型化和便携性使得现场快速分析成为可能，功能化的纳米材料还具有高导电性和催化性能，能够加速信号传输并实现特定目标的识别[23]，[24]。尽管取得了进展，但在灵敏度、选择性和实时监测方面仍存在挑战，尤其是在复杂环境样品中检测微量RMI时。
本文从Web of Science数据库中检索了2015年至2025年间关于基于纳米材料的RMI检测方法的相关文献（如图1B所示）。过去十年中，基于纳米材料的检测相关出版物显著增加（见图1A）。同时，纳米材料的类型和结构也迅速多样化，其性能持续得到优化（见图1C）。本文重点回顾了过去五年中RMI检测技术的最新进展，特别关注了纳米材料的应用，包括有机框架纳米材料[25]、金属基纳米材料[26]、聚合物纳米材料[27]、DNA纳米材料[28]、碳基纳米材料[29]、半导体纳米材料[30]、纤维素纳米材料[31]和复合材料[32]。文章深入分析了这些纳米材料在电化学、比色法、SERS和荧光法等检测方法中的工作原理和性能特点，旨在为未来的研究提供有价值的参考，推动基于纳米材料的RMI检测技术的发展。
RMI概述
RMI是放射性金属原子失去电子后形成的带电粒子。天然存在的RMI包括铀（U）、镭（Ra）、钍（Th）和锕（Ac）等。其他如铯（Cs）、锶（Sr）、铋（Bi）、锝（Tc）和钴（Co）等则是通过核反应在发电厂、医疗机构和实验室中产生的[33]。由于具有放射性，这些金属的半衰期很长，并通过α、β或γ辐射释放能量。
RMI检测技术的进展
RMI检测技术正在不断发展，现有方法主要包括大规模分析仪器、放射性仪器以及电化学和光学技术。这些方法基于多种原理，涵盖了多个领域，为RMI检测提供了创新途径。本节对这些技术进行了分类和评估，分析了它们的原理、优势和局限性，为未来的优化和创新提供了参考。
利用纳米材料提高RMI检测效率
当前的RMI检测技术正在不断发展。传统的γ/α能量光谱法和LSC仍被广泛使用，常与高灵敏度的质谱技术（如ICP-MS、加速器质谱法（AMS）结合用于痕量检测。新兴技术中，荧光探针和新型纳米材料显著提高了检测的选择性和灵敏度，而传感器和微流控技术则推动了快速、便携式系统的进步。
挑战
像UO?2+和Th4+这样的RMI可以在环境中持续存在数年甚至数百万年。它们在土壤和水中的积累会导致长期污染，对人类健康和发展构成严重威胁。因此，高灵敏度的现场RMI检测对于环境安全和可持续发展至关重要。虽然新型纳米材料为检测提供了巨大机会，但在纳米技术得到广泛应用之前，仍需克服一些关键挑战。
未来展望
尽管在RMI检测方面存在材料稳定性、高生产成本和智能集成难度等挑战，但纳米材料的独特优势为未来的技术突破带来了巨大潜力。
能源、环境和电子行业的需求增长推动了纳米材料稳定性的深入研究[155]。随着实际应用需求的增加，在复杂环境中使用这些材料需要更加关注其性能。
结论
总之，纳米材料因其超高灵敏度、多模式检测兼容性和快速响应特性，在RMI检测方面具有巨大潜力。本文回顾了各种纳米材料在RMI检测中的最新应用，包括有机框架纳米材料、金属基纳米材料、聚合物纳米材料、DNA纳米材料、碳基纳米材料、半导体纳米材料以及纤维素纳米材料和复合材料。文章探讨了它们作为核心传感材料的作用。
作者贡献声明
Kai Li：撰写初稿、数据可视化、研究设计、概念构建、数据整理、数据分析、审稿与编辑。Xiaoyang Lu：撰写初稿、数据可视化、研究设计、概念构建、数据整理、数据分析、审稿与编辑。Baozhen Hao：概念构建、数据整理、数据分析、撰写初稿、审稿与编辑。Xinyi Yao：概念构建、数据整理、数据分析、撰写初稿
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（82404320）、山东省科技创新青年人才计划（SDAST2024QTA021）以及滨州医学院科学研究基金（50012304645）的支持。
