Advanced Functional Materials:见微知著——基于电化学发光技术的痕量铀酰便携式监测器

随着核能和核科学技术的发展,其在医疗、工业、农业、科学研究等领域中的应用越来越广泛。在目前的能源结构中,核能占据重要地位,目前世界核电在发电总装机及总发电量的占比均为10%左右。铀(U)是一种主要的核燃料,作为一种放射性的重金属元素,U元素主要摧毁骨骼、循环系统和泌尿系统。目前,贫铀的污染问题也引起了全世界的关注,在过去几十年中,逾十亿吨的贫铀矿渣、武器等被废弃,其长达45亿年的半衰期及毒性,严重威胁相关地区居民的健康。由于铀酰离子(UO22+)是U元素在环境中最稳定的存在形式,因而WHO及相关国家政府出台了一系列法规,对于环境中UO22+做出严格的限制,如WHO明确规定饮用水中UO22+含量不得超过1 ppb。这就对环境中UO22+的实时实地监控提出了很高的要求。目前环境中UO22+检测方法主要为ICP-MS法,该方法虽然灵敏度较高,但是仪器笨重、结构复杂、成本高,不适宜在野外实地工作。因此,发展特异性高灵敏度UO22+监测方法以及便携式的仪器系统,实现对环境中UO22+的实时实地精确监控具有重要意义。

基于以上需求,苏州大学放射医学与防护学院华道本团队与南京大学化学化工学院徐静娟团队利用四苯乙烯以及β-二酮衍生物两种聚集诱导发光(AIE)活性单体通过Suzuki偶联反应合成了AIE活性共轭聚合物,包覆PSMA制成Pdots后在表面修饰ssDNA,制成针对UO22+的电化学发光(ECL)探针。该探针通过DNA上磷酸基团中的P=O键捕获UO22+离子,通过UO22+到Pdots的RET过程增强Pdots的ECL信号,对UO22+的检测限可低达10.6 pM/2.5 ppt,低于现有的UO22+发光材料两个数量级以上,且对UO22+表现出良好的选择性。该检测系统被进一步应用在自然水样检测中,分别测定了来自渤海(天津)、骆马湖(徐州)、独墅湖(苏州)和千岛湖(杭州)的实际水样中UO22+的含量,与WHO所规定的ICP-MS法的测定结果相比非常接近,证明了这种新型检测方法的实际应用前景。而与ICP-MS法相比,ECL检测系统具有成本低、便携式的突出优势,更有利于野外条件下的环境监测工作。与此同时,该工作也首次发现了UO22+离子在阳极区域的ECL现象,并阐明了其发射机理,为后续的相关研究奠定了理论基础。 研究者相信,此项研究将会为环境中放射性物质的痕量监测研究提供全新的思路和方法,便携化的ECL检测系统也将为环境和能源相关的实时实地监管工作起到积极的作用。该工作得到了国家自然科学基金、江苏高校放射医学协同创新中心、苏州大学放射医学与辐射防护国家重点实验室、南京大学生命分析化学国家重点实验室的资助,相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202000220)上。