综述：基于有机框架的光学传感器用于铀酰离子：揭示其工作机制与应用

《Contraception》：Organic frameworks-based optical sensors for uranyl ions: Unveiling mechanisms and applications

尿酰离子（UO?2?）光学传感技术基于有机框架材料（MOFs/COFs/HOFs）的研究进展，系统综述了荧光、颜色变化、电化学发光及表面增强拉曼光谱等检测机制，分析了材料稳定性、信号转换效率及现场应用挑战，提出需开发多模态智能传感系统以实现实际环境监测。

　　

成泽松|龚洪波|霍亚鹏|李凯|顾启阳|何家琪|刘莎

中国烟台滨州医学院公共卫生学院，264003

摘要

铀酰离子（UO?²⁺）是一种重要的核污染物，对生态系统和人类健康构成严重威胁。尽管传统的检测技术（如放射化学分析和仪器方法）具有高准确性，但它们通常受到设备体积庞大和分析时间较长的限制，这限制了它们在快速环境监测和紧急情况下的应用。因此，光学传感技术因其高灵敏度和信号可见性而受到广泛关注。其中，有机框架材料——包括金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和氢键有机框架（HOFs）——由于其高表面积、可调孔径和可定制的光学性质，成为构建高性能UO?²⁺光学传感器的理想选择。本文系统总结了2021年至2025年间基于这些材料的UO?²⁺光学传感器的进展，重点讨论了其传感机制。在荧光传感方面，详细介绍了基于光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）、内滤光效应（IFE）和电荷转移（CT）的“关闭”机制，以及改进的“开启”和自校准比率传感器。除了荧光传感，本文还探讨了利用纳米酶活性的比色传感、以有机框架作为共反应促进剂的电化学发光（ECL）传感，以及通过底物预浓缩增强表面增强拉曼光谱（SERS）和X射线荧光（XRF）技术。虽然实验室规模的检测已经达到了高灵敏度和选择性，但由于材料在复杂介质中的不稳定性、质量传输缓慢以及设备集成困难，实际应用仍面临挑战。未来的发展应优先考虑稳定复合材料、多模态传感平台和人工智能辅助系统，以实现智能、现场、实时的UO?²⁺监测。

引言

铀是一种属于锕系的放射性化学元素，符号为‘U’，在核科学中起着关键作用。在水生环境和核燃料循环中，铀主要以铀酰离子（UO?²⁺的形式存在。全球气候变化和核工业活动增加了放射性UO?²⁺向海洋生态系统的排放。国际原子能机构（IAEA）因此将铀确定为核废水监测中的优先污染物，因其具有α放射性和化学毒性。UO?²⁺可以在海洋食物链中发生非线性富集，并通过营养级传递导致人类肾小管功能障碍和基因突变[1]。最近的事件，如日本福岛第一核电站的泄漏和故意排放废水，加剧了人们对水中UO?²⁺快速现场检测的紧迫性。因此，开发快速灵敏的现场检测技术对于保护人类健康和环境安全至关重要[2]。

目前，检测UO?²⁺的传统方法主要依赖于分析仪器[3]和放射化学测定[4]。尽管这些技术具有某些优势，但它们通常受到设备成本高、操作程序复杂、分析时间长以及难以实现现场快速检测等限制。相比之下，光学传感器因其高灵敏度、可视化信号输出、易于微型化和实时监测能力而成为监测环境放射性污染物的活跃研究领域。纳米材料和界面化学的快速发展进一步促进了基于新型功能材料的传感策略的发展，提高了检测性能和应用潜力[5]。

在各种功能材料中，多孔有机框架——包括金属有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs）和氢键有机框架（HOFs）——已被广泛用于UO?²⁺的光学传感。这些材料具有高比表面积、可调孔结构和丰富的表面官能团，以及有利的光学性质[6]。通过合理设计和功能化，它们能够高效识别、富集和传递信号，在复杂环境样品中表现出选择性和灵敏性。特别是，它们孔环境和表面化学的可调性为构建多模态和响应型荧光传感器提供了灵活的平台[7]。

近年来，使用有机框架进行UO?²⁺光学传感的研究进展迅速，成为该领域的一个突出方向。根据Web of Science数据库的文献统计，关键词共现网络分析（图1a）显示相关研究主要集中在“铀”、“金属有机框架”和“荧光”等领域。2021年至2025年间相关出版物的比例显著增加（图1b）。进一步分析不同类型有机框架在UO?²⁺光学检测中的年度发展趋势（图1c）表明，这些材料已成为活跃的研究领域，光学传感技术发挥了核心作用。尽管许多研究报道了各种有机框架在UO?²⁺检测中的有效性，但系统的、机制性的和前瞻性的综述仍然不足。特别是在比较分析传感机制、深入探讨结构-性能关系以及讨论实际应用挑战和未来方向方面存在差距。因此，本文全面回顾了过去五年基于有机框架（MOFs、COFs和HOFs）的UO?²⁺光学传感机制和应用的进展，重点分析了它们的识别原理、信号传递途径和性能优化策略，为将该领域从实验室研究推向实际应用提供理论参考和技术支持。

应用与危害

作为一种重要的天然放射性元素，铀广泛分布于地壳中，在核能领域具有复杂的化学性质和显著的应用。在自然界中，铀主要以U(IV)和U(VI)氧化态存在，其中六价离子UO?²⁺在氧化条件下是最稳定和最常见的形式。UO?²⁺具有独特的线性结构（O=U=O），其化学行为非常

有机框架概述

有机框架是一类通过强共价或配位键组装有机结构单元形成的结晶多孔材料，具有规则的孔结构和高的比表面积[23]。它们具有可设计结构、可调孔径和易于表面功能化的优点，从而实现多种发光行为。在化学传感中，这些材料表现出快速响应、强抗干扰性和高

“关闭”荧光传感机制与应用

荧光猝灭是检测UO?²⁺的关键方法。如图4所示，主要的“关闭”荧光传感机制包括PET、FRET、IFE和CT。

比色传感器的机制与应用

比色测定是一种定量方法，用于测量分析物与显色剂反应后溶液中的颜色或吸光度变化[88]。基于纳米酶的比色传感器使用具有酶样活性的纳米材料来替代天然酶，催化底物的显色反应，同时提供高催化效率和材料稳定性[89]。MOFs由于其可调结构，为这种基于纳米酶的检测提供了理想的平台

ECL传感机制

ECL传感机制利用电化学传感器在电极表面引发高能电子转移反应，产生激发态发光体，这些发光体在返回基态时释放光子，从而实现检测[97]。有机框架在ECL传感中发挥多个关键作用：它们的高比表面积有助于有效富集UO?²⁺和发光试剂，同时其内在的催化活性和电子介导能力

SERS传感机制

SERS效应通过两种增强机制实现：电磁增强和化学增强。信号放大的主要来源是贵金属纳米结构中的等离子体共振产生的强电磁增强。这通过分析物分子化学吸附到基底时发生的界面电子耦合的共振效应得到补充。这两种机制共同增加了拉曼散射截面[101]。

XRF传感机制

XRF光谱的分析原理基于原子物理学。其核心过程如下：当样品受到高能X射线照射时，组成原子的内壳层电子被激发并逸出，产生电子空位。随后，来自更高能级的电子填充这些内壳层空位，同时发射具有元素特有能量的二次X射线（即XRF信号）。

挑战

尽管基于有机框架的UO?²⁺光学传感器展示了巨大潜力，但它们从实验室应用向实际应用的转变仍面临重大挑战。这些挑战主要涉及传感器的现场适用性和传感性能的可靠性，这是这些技术发展的主要瓶颈。

目前，大多数材料和传感系统主要在理想化的实验室条件下进行测试

未来展望

虽然基于有机框架的UO?²⁺光学传感器在实验室环境中显示出显著潜力，但将其应用于实际场景，特别是复杂环境的现场和智能监测，仍面临三个基本挑战：现场适用性的限制、整体传感性能不佳以及智能和可扩展系统发展的滞后。未来的研究应致力于克服这些瓶颈

结论

总之，有机框架（MOFs、COFs和HOFs）凭借其高比表面积、可调孔结构、丰富的表面官能团以及有前景的光学和电子性质，在UO?²⁺检测方面表现出显著优势，包括高灵敏度、选择性和多模态信号输出能力。本文系统总结了基于有机框架的UO?²⁺光学传感的最新进展，包括荧光

作者贡献

本文由所有作者共同撰写。所有作者均已批准最终版本的手稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金（82404320）、山东省青年科技创新人才计划（SDAST2024QTA021）和滨州医学院科学研究基金（50012304645）的支持。