李剑超
多孔MOFs材料在PFAS污染物发光感应中的应用 精选
2025-11-16 16:19
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全氟烷基和多氟烷基物质,PFAS,作为一类人工合成的有机氟化合物,具有独特的化学结构和性质,现在广泛用于现代工业、商业和日常生活中。PFAS分子特有的碳氟链结构和反应性头基,使其具备了强大的疏水性、疏脂性以及明显的热稳定性,使得其在多种场合中的应用优势,同时也带来了环境中的持久性存在问题。开发灵敏可靠的PFAS检测方法,明显已经成为了当前我们环境科学研究的一个重要课题。

在很多的开发的检测方法中,发光传感技术其具有高灵敏度、快速响应以及实时监测的优势,逐渐成为应对PFAS污染的有效手段。发光传感器以及它所对应的完整的检测体系硬件架构,相对都比较简洁,工作原理是通过探针或传感器在遇到外部分析物时,发出可测量的光信号。这种光信号的强度、波长或寿命等变化就能够反映目标物质的存在与浓度。在PFAS的检测过程中,根源上这种变化主要由PFAS与发光材料之间的超分子相互作用所引起。例如,PFAS分子中的氟原子和目标传感器材料中的特定官能基之间的相互作用,如氢键、 静电相互作用等,可以导致发光材料的发光特性发生变化,从而实现PFAS的敏感检测。

近年来,基于金属有机框架,MOFs,的发光传感平台成为了PFAS检测研究中的重要方向,特别是今年相关诺贝尔奖的颁发,必将使得这类材料的研发及其实际应用得到很好的激发。MOFs是一类由金属离子与有机配体通过配位键连接形成的三维多孔材料,高比表面积、可调孔隙和强大的吸附能力。在PFAS传感中,MOFs的高表面积和孔隙结构不仅提供了足够的吸附位点,有助于提高对PFAS的捕获效率,而且还通过其内部的超分子作用力增强了发光信号的响应。特别注意的是,MOFs的独特结构使其能够通过调节孔隙大小和表面功能化来优化对PFAS的识别与捕捉,从而提升传感器的灵敏度和选择性。

通过MOF材料的孔隙与PFAS分子间的超分子相互作用,已经有很多研究者开发出多种高效的PFAS检测方法。MOF材料通过其表面功能基团,如羧酸基、磺酸基等与PFAS的特征官能基团之间的相互作用,能够实现高效捕捉。例如,一些MOF材料能够与PFAS分子中的负电性官能团,羧基、磺酸基等等通过静电力进行相互作用,从而加大PFAS的吸附量,放大发光响应。此外,MOFs的孔隙结构还可以与PFAS分子中的亲水性头基形成氢键,进一步增强检测性能。这种基于超分子相互作用的检测策略,不仅提高了MOF材料的响应灵敏度,还增加了在复杂水样中多种不同的PFAS分子的选择性识别能力。

在具体应用中,一些MOF材料的发光性能已被证明在PFAS传感中表现出卓越的灵敏度。例如,基于吡嗪环的MOF通过与PFAS的氢键相互作用,可以实现对PFOA的有效检测,该MOF材料通过氢键来抑制了本身的发光,进而在特定的波长下实现对PFOA的灵敏检测。类似地案例,使用基于苝二酰亚胺的MOF进行PFAS的传感,展现了良好的发光增强,大大提高了PDI配体在580 nm处的发射。在这个过程中,MOF通过氢键和疏水相互作用与PFOA分子结合,抑制了由于聚集引起的猝灭效应。这些研究表明,MOF材料因其优异的结构和功能化优势,能够有效应对不同类型PFAS分子的检测,尤其在水质检测领域,展现了极低的检测下限。

随着研究的深入,为了实现对多种PFAS分子的同时检测,研究者们也开发了多种基于MOF阵列的多重传感平台。例如,基于锆卟啉配位网络的MOF阵列,通过不同MOF对不同链长PFAS的吸附能力差异,能够根据不同PFAS的发光响应特征实现多种PFAS的区分与识别。这些MOF阵列可以通过分析不同PFAS的发光指纹来实现快速筛选和定性甚至半定量分析,可以大大提高PFAS监测的效率和准确性。此外,一些双金属MOF材料(如Tb:Eu = 29:1比例的MOF-76),用于PFAS感测时,通过肉眼即可观察到的发光颜色变化。这些创新性的MOF材料不仅能够提供极低的检测限,还能够相对低成本和简洁的在复杂水样中实现对PFOA的灵敏监测。

随着今年来对MOFs材料影响及其作用的肯定,基于这类材料的PFAS发光传感平台也将会展现出巨大的潜力,不仅能够提供高灵敏度和快速响应,还能够有效应对多种PFAS的监测需求。随着MOF材料的进一步功能化和结构优化,今后这些传感平台将在环境污染监测、工业废水处理、饮用水安全检测等领域发挥越来越重要的作用。

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