荧光探针封装的ZIF-8/PVP可穿戴贴片，用于基于触摸的表面汞元素检测

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Fluorogenic probe-confined ZIF-8/PVP wearable patch for touch-based mercury detection on surfaces

　　

伊姆蒂亚兹·艾哈迈德（Imtiaz Ahmad）|哈比布·汗（Habib Khan）|郑梅（Chingmai Ko）|曼佐尔·扎曼（Manzoor Zaman）|萨迪娅·艾哈迈德（Sadia Ahmad）|乌兹玛·巴图尔（Uzma Batool）|阿玛拉·阿夫塔布（Ammara Aftab）|文宏丽（Hongli Wen）|塔希尔·穆罕默德（Tahir Muhmood）

电子与通信工程学院，泉州信息工程学院，中国泉州，362000

摘要

被汞（II）污染的接触表面和工作场所表面需要快速且无需实验室设备的现场检测方法。在本研究中，我们开发了一种可穿戴的固态荧光贴片，该贴片将具有硫功能性的荧光探针封装在多孔ZIF-8中，并将其加载到聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）基质中，以提供灵活性、机械强度和在处理过程中的稳定性。所开发的Probe@ZIF-8@PVP组件被滴涂在纤维素基底或丁腈手套指尖上，随后可通过直接接触/擦拭来检测固体表面上的汞。通过结构和光谱表征确认了探针的存在以及ZIF-8框架和纳米级分散体的稳定性。该贴片在Hg²⁺浓度为0.1–10 μM范围内，在λ_max 520 nm处显示出显著的荧光增强现象，具有高特异性。

值得注意的是，荧光响应遵循伪一级反应速率定律进行测量和量化。计算出的k_obs与Hg²⁺浓度呈线性相关（R² ≈ 0.999），对应的二级反应速率常数为k? = 0.0881 μM^?1 s^?1（≈ 8.8 × 10⁴ M^?1 s^?1）。荧光响应通过智能手机摄像在封闭的成像箱中进行监测。使用ImageJ软件提取视觉数据。这种方法允许在没有专用荧光光谱仪的情况下进行定量强度/速率测量，适用于现场应用。因此，这种MOF-聚合物可穿戴平台为固体表面上快速检测汞提供了一种实用且可现场部署的策略。

引言

环境中重金属离子的存在是一个严重的环境问题，会危及生态系统和人类健康[1]。汞被认为是主要的污染物之一。汞离子（Hg²⁺）不可生物降解，即使浓度很低也会对人体和生态系统造成严重损害[2]。研究表明，每年约有2700吨汞进入环境[3]。考虑到这种金属的危害性，包括基因突变、表皮组织损伤、肾结石等[4]、[5]，世界卫生组织（WHO）[6]和美国环境保护署（EPA）[7]分别将饮用水中的Hg²⁺最佳含量设定为低于6 ppb（30 nM）和2 μg/L（10 nM）。

原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（AES）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）可用于检测Hg²⁺[8]。然而，这些技术成本高昂，需要技术娴熟的操作人员，且获取结果需要较长时间，因此不适合用于现场环境监测。因此，开发一种经济实惠、灵敏且可现场部署的方法来选择性和准确地检测Hg(II)离子对于环境监测变得十分重要[9]。

目前，已开发出多种先进的Hg²⁺检测技术，包括表面增强拉曼散射方法[10]、电化学[11]、比色法[12]和荧光（FL）等[12]、[13]。利用小有机分子、脂质体、寡核苷酸、蛋白质、无机纳米材料等的荧光传感技术，在Hg²⁺检测方面受到了广泛关注[7]、[14]。这些探针可以实时监测低浓度下的金属离子[15]、[16]。由于它们在可见光波长范围内工作，因此可以用简单的仪器或肉眼轻松检测金属离子。上述特性使得这些光学探针在生物传感、制药、环境监测和其他行业中有广泛的应用前景[17]。

用于检测Hg²⁺的荧光探针包括半导体量子点[18]、金/银纳米簇[19]、[20]、金属/共价有机框架[21]、[22]、生物基质如纤维素[23]、肽[24]和镧系化合物[25]、[26]。然而，这些探针的产率低、光热稳定性差、成本高且毒性大，限制了它们的实际应用。如今，金属有机框架（MOFs）在这一领域受到了重视[27]。其高表面积、固有的孔隙率、出色的吸附能力和稳定性为捕捉环境污染物提供了巨大优势。此外，MOFs的柔性框架允许添加发光基团或化合物，以帮助检测特定目标离子[28]。重金属离子与MOFs的相互作用机制包括离子交换、螯合、强配位键、扩散、范德华力和氢键[8]。最近，基于沸石咪唑（ZIF-8）的金属有机框架（MOFs）因其显著的热稳定性、易于合成的方法、良好的水分散性、高表面积和高孔隙率而受到广泛关注[29]。此外，它们还被用于提高荧光纳米颗粒的稳定性、灵敏度和选择性，用于目标检测[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。

有机聚合物材料因其轻质元素（如氢、碳、氮和氧）而成为功能性材料[36]。聚（乙烯基吡咯烷酮）（PVP）非常稳定、无毒、可生物降解、价格实惠且适用于多种环境条件。这种聚合物可用作稳定剂，在生产过程中调节多种纳米颗粒的形态（形状和大小），同时作为表面活性剂在极性液体中稳定它们[37]、[38]。

本研究的主要目标是设计并开发一种可穿戴、灵活且可拉伸的荧光传感器。虽然迄今为止报道的大多数可穿戴化学传感器都是电化学性质的，但我们的传感器是一种光学、荧光和可穿戴的设备。我们探针的一个独特特点是可穿戴性，因为它可以通过滴涂法涂在丁腈手套上，在暴露于汞离子时发出荧光。合成的探针结合了ZIF-8的高孔隙率和稳定性以及PVP聚合物的生物相容性，不仅能吸收湿气，还能在检测Hg²⁺离子的同时清除表面上的少量受污染的水。这种新型的汞检测方法利用基于SO-SH的ZIF-8/PVP包裹的灵活可拉伸光学探针。ZIF-8金属有机框架（MOF）和PVP聚合物的结合形成了功能性纳米复合材料，显著提高了Hg²⁺离子的检测和定量能力。此外，基于PVP@ZIF-8@Probe的汞传感器在集成到水过滤系统中具有巨大潜力，既能检测又能去除水源中的汞。将这种材料制成薄膜、复合膜或珠子，可以最大化与水的接触面积，从而提高汞的吸附和检测效果。当水流过过滤盒时，ZIF-8成分捕获Hg²⁺离子，而探针提供实时检测。这项研究介绍了一种成本效益高、灵敏且可现场部署的实时汞检测技术，为环境监测和修复技术带来了重大进步。

章节摘录

材料与仪器

所有用于合成和应用的试剂和材料均来自商业供应商，未经进一步纯化即可使用。¹使用Bruker 400光谱仪进行了¹H NMR和¹³C NMR测量。X射线衍射（XRD）使用Rigaku Ultima IV X射线衍射仪进行。扫描电子显微镜（SEM，JEOL，日本）用于观察材料的形态。荧光光谱使用FluoroMax-4荧光光谱仪记录。

对Probe@ZIF-8@PVP进行了表征，以研究其形态特征和结构性质，这些性质对传感器的性能至关重要。

通过SEM和TEM观察了ZIF-8及其聚合物涂层复合材料（Probe@ZIF-8@PVP）的形态。纯ZIF-8呈现出颗粒状纳米颗粒结构，在视野范围内具有相对均匀的纹理（图S6 (a,b)）。加入探针和PVP涂层后，颗粒保持完整，但外观发生变化

结论

成功合成了新型的可穿戴荧光探针Probe@ZIF-8@PVP。该探针被封装在ZIF-8/PVP中，在酸性条件下表现出有效的封装效果。探针对Hg（II）具有高封装效率和选择性结合能力，显示出约520 nm的λ_max荧光信号。探针对Hg（II）的检测限为1.9 μM。Hg²⁺与探针结合导致波长红移和

伊姆蒂亚兹·艾哈迈德（Imtiaz Ahmad）：撰写——原始草稿、可视化、方法论、实验设计、数据分析、概念化。哈比布·汗（Habib Khan）：资源提供、软件支持。郑梅（Chingmai Ko）：数据管理、可视化。曼佐尔·扎曼（Manzoor Zaman）：数据管理、数据分析、实验设计、软件支持。萨迪娅·艾哈迈德（Sadia Ahmad）：数据管理、实验设计、方法论。乌兹玛·巴图尔（Uzma Batool）：数据分析、实验设计、方法论。阿玛拉·阿夫塔布（Ammara Aftab）：实验设计、方法论。文宏丽（Hongli Wen）：概念化、数据管理、可视化，

所有作者均已批准手稿的最终版本，并同意其发表。

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修订后的手稿已根据审稿人的建议进行了仔细检查

本研究得到了中国福建省自然科学基金项目的支持，资助编号为2026J01133726。

作者声明他们没有已知的会影响本手稿所报告工作的财务利益或个人关系。

作者感谢福建省自然科学基金项目（资助编号为2026J01133726）和泉州信息工程学院的支持。