一种基于纤维素的荧光气凝胶，用于监测汞离子（Hg2+）及其在食品样品中的应用：从高灵敏度检测到高效吸附

《Food Chemistry》：A cellulose-based fluorescence aerogel for Hg2+ monitoring and its applications in food samples: From sensitive detection to efficient adsorption

基于纤维素乙酸的荧光探针PPNA-CA兼具汞离子检测与高效吸附功能，检测限97nM，响应时间20秒，在饮用水、蔬菜和海鲜中成功检测并吸附Hg2+，其衍生气凝胶实现检测与吸附的协同作用。

　　

孟志远|叶倩|张硕|顾月|徐旭|杨一勤|王中龙|王世发

中国南京林业大学化学工程学院、轻工与食品学院，国际森林化学品与材料创新中心，江苏省高效加工与利用森林资源协同创新中心，南京 210037

摘要

汞离子（Hg²⁺）是一种对食品安全和人类健康构成重大威胁的重金属离子。本文合理合成了一种基于醋酸纤维素的荧光探针PPNA-CA，用于精确识别食品样品中的Hg²⁺并高效吸附水溶液中的Hg²⁺。在溶液中PPNA-CA的发射强度较低，但在Hg²⁺存在下其发射强度迅速增加，同时荧光颜色从淡黄色变为亮黄色。该探针表现出良好的灵敏度（97 nM）、超快响应时间（20 ms）以及对Hg²⁺的优异选择性。通过Job图、FT-IR和¹H NMR分析验证了其传感机制。PPNA-CA成功应用于饮用水、蔬菜和海鲜样品中Hg²⁺的检测。更重要的是，基于PPNA-CA的气凝胶不仅能够检测溶液中的Hg²⁺，还能高效去除它，在混合溶液中表现出优异的吸附选择性和吸附能力，可作为兼具传感和吸附功能的双功能材料。

引言

汞主要以元素汞、有机汞和无机汞的形式存在（Wang, Gong等，2025；Hemmati等，2025）。其中，二价汞离子（Hg²⁺）与我们日常生活关系最为密切。在水环境中，Hg²⁺不仅会干扰鱼胚胎的形态和代谢过程，而且当其在鱼体内过度积累时还会导致病理变化（Sun等，2025；Pandey等，2025；Yin等，2023；Wang, Yang等，2025）。在陆地环境中，Hg²⁺可通过土壤进入植物根部和叶片，进一步对植物造成严重损害。此外，Hg²⁺可通过食物链进入人体，一旦超过人体耐受阈值就会引发一系列疾病，包括胃肠道溃疡、腹泻和肺水肿（Liu等，2023；Ranganathan等，2025；Wang等，2022）。此外，Hg²⁺还会损害中枢神经系统，甚至可能导致呼吸衰竭和死亡，对人类健康构成严重威胁（Hu等，2024；Tuo等，2025）。因此，开发一种既能高选择性快速检测Hg²⁺又能有效去除溶液中Hg²⁺的新材料对于食品安全和人类健康至关重要。

荧光技术作为一种强大的分析方法，已被迅速发展用于检测有毒物质（Han等，2025；Huang等，2023；Yu等，2024；Hong等，2025；Wang, Yu, & Tan，2025；Wu等，2025）。与传统分析方法相比，荧光探针具有响应速度快、灵敏度高、操作简单和实时监测等优点（Mukherjee等，2021；Zhang等，2023；Zhai等，2020；Li等，2019；Li等，2020；Sun, Shang等，2024）。近年来，已开发出许多用于检测Hg²⁺的荧光探针。例如，Niu等人报道了一种基于荧光蒽衍生物的化合物DS，可特异性检测Hg²⁺，并成功应用于环境水样、植物和活细胞中的Hg²⁺检测（Niu等，2024）。Zhou等人开发了一种近红外荧光探针DCM-Hg，对Hg²⁺具有良好的选择性和抗干扰能力，可用于追踪HepG2细胞中的Hg²⁺（Zhou等，2024）。Pan等人报道了一种基于四苯乙烯衍生物的聚集诱导发射荧光探针TPE-Hg，可用于监测MCF-7细胞、实际水和食品样品中的Hg²⁺（Pan等，2023）。然而，尽管这些荧光探针在检测和识别方面表现出色，但它们无法有效去除水溶液中的Hg²⁺，因此其实际应用受到严重限制。因此，迫切需要开发一种同时具备检测和吸附Hg²⁺能力的新型荧光探针。

气凝胶是一种由胶体颗粒或聚合物链组成的三维多孔材料。气凝胶的原材料主要是无机物、合成聚合物和来自生物质的天然聚合物（Nargatti等，2022；Paul & Ahankari，2023；Yang等，2022）。值得注意的是，生物质衍生的气凝胶具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低成本、环保和生物相容性等优异性能（Yang等，2019；Wang, Jang等，2024），广泛应用于油水分离、废水处理和空气过滤等领域（Si等，2016；Zhan等，2024）。醋酸纤维素（CA）是最重要的纤维素衍生物之一，具有纤维素的固有优点，如低成本、无毒性和生物降解性（Liu等，2022；Purnamasari等，2022；Wu等，2022）。此外，CA还具有天然纤维素所不具备的若干优良特性，包括增强的溶解性（CA易溶于某些有机溶剂）、优异的热稳定性和提高的机械强度（Mishra等，2024；Wang, Zhan等，2024；Sun, Wang等，2024）。因此，基于CA的气凝胶具有显著的稳定性和优异的机械性能，能够从水溶液中去除金属离子，在环境保护应用中展现出广阔前景。

基于上述讨论，合理合成了萘酰亚胺衍生物改性的基于醋酸纤维素的大分子荧光探针PPNA-CA，用于检测食品样品中的Hg²⁺并吸附溶液中的Hg²⁺。我们假设探针PPNA-CA不仅保留了萘酰亚胺衍生物的优异检测能力，还继承了CA的良好加工性能。系统研究了PPNA-CA对Hg²⁺的检测能力，包括检测限、选择性、适用的pH检测范围、响应时间以及探针PPNA-CA在食品样品（自来水、矿泉水、龙虾、鲫鱼、明虾、洋葱、青葱和大蒜）中对Hg²⁺的实际检测效果。此外，还将探针PPNA-CA制备成荧光气凝胶，以实现Hg²⁺的高效检测和选择性吸附，其吸附能力远高于CA气凝胶。

仪器和材料

醋酸纤维素（CA，乙酰化度39.5%，分子量60 kDa，聚合度215），2-甲氧基乙醇（99%），甲苯-2,4-二异氰酸酯（98%），乙腈（99%）和DMF（99%）均购自Adamas有限公司。哌嗪和4-(溴甲基)吡啶盐酸盐购自Energy Chemical有限公司。本实验使用的其他材料和仪器详见补充材料。

PPNA-B的合成

PPNA-B的具体制备路线见方案S1及相关

探针PPNA-CA的FT-IR表征

为了确认目标产品的成功合成，使用FT-IR研究了CA、PPNA-B和PPNA-CA的结构。如图S7所示，CA和PPNA-CA在3430–3560 cm^?1范围内显示出宽吸收峰，属于OH基团的H键的伸缩振动。值得注意的是，PPNA-CA在1700 cm^?1处出现了一个新的特征峰，这归因于C-O键的不对称伸缩振动（Ma & Cheng，2023），表明PPNA-B已经

结论

总之，从CA合理制备了一种双功能大分子荧光探针PPNA-CA，可用于同时检测和吸附Hg²⁺。探针PPNA-CA对Hg²⁺显示出明显的“开启”荧光响应，荧光颜色从无色变为亮黄色。该探针具有优异的检测限（97 nM）、超快响应时间（20 ms）、良好的选择性和抗干扰性能。探针PPNA-CA还应用于饮用水中Hg²⁺的检测

CRediT作者贡献声明

孟志远：撰写——原始草案，方法学设计。叶倩：数据整理。张硕：实验研究。顾月：数据整理。徐旭：软件开发。杨一勤：方法学设计。王中龙：撰写——审稿与编辑。王世发：项目管理和资金获取。

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财务利益或个人关系。

致谢

非常感谢国家自然科学基金（编号：32271798）的财政支持。