智能手机秒变检测仪！新型荧光传感器突破高氯酸盐痕量监测难题

引言：水质安全新挑战，高氯酸盐成隐形威胁

近年来，随着火药、烟花等产业的快速发展，高氯酸盐（ClO₄⁻）作为关键成分被广泛使用。然而，这种化学物质因结构稳定、难以降解，可长期存在于水体中，并通过干扰人体碘吸收对甲状腺造成不可逆损伤。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中高氯酸盐限值为70 μg/L，但传统检测方法成本高、耗时长，难以实现现场快速监测。如何精准捕捉水体中的“隐形杀手”？湖南大学团队在《Water Research》发表的最新研究给出了答案——一款基于智能手机的荧光传感平台，结合创新AIE探针，实现高氯酸盐痕量级（6.37 nM）快速检测。

技术亮点：侧链工程+AIE探针，破解检测难题

1. 探针设计：疏水与空间位阻的巧妙平衡

研究团队设计了一类苝基荧光探针（Per-4C6），通过侧链工程精准调控探针的疏水性和空间位阻效应：

苝基（Perylene）作为荧光核心，具有聚集诱导发光（AIE）特性，可在聚集状态下显著增强荧光信号。

烷基链（C6）作为识别基团，通过疏水作用与高氯酸盐结合，同时调节空间位阻，减少其他阴离子干扰。

吡啶基团通过静电作用锚定高氯酸盐，进一步提升选择性。

实验表明，Per-4C6探针对高氯酸盐的检测限低至6.37 nM，灵敏度是传统方法的数百倍，且可在2分钟内完成响应（图1）。

2. 智能手机平台：便携检测的“黑科技”

为实现现场快速检测，团队开发了一体化智能手机传感平台：

检测模块：内置365 nm LED光源、578 nm滤光片及3D打印遮光外壳，确保荧光信号精准激发与采集。

算法模块：通过MATLAB开发图像处理App（Smart Detect），将荧光强度转化为浓度数据，实时显示结果（图2）。

该平台操作简单，仅需20 μL探针溶液，单次检测成本不足0.5美元，且适用于自来水、河水、工业废水等多种复杂水体。

核心突破：为何Per-4C6探针如此高效？

通过分子动力学模拟（MD）与密度泛函理论（DFT）计算，团队揭示了探针性能背后的科学机制：

疏水-静电协同作用：高氯酸盐与探针通过远端疏水模式（结合能-17.34 kcal/mol）和静电-疏水复合模式（结合能-79.09 kcal/mol）结合，后者占比高达63.86%，是灵敏检测的关键。

空间位阻调控：C6烷基链长度既能增强疏水性，又避免过长链造成的空间阻碍，实现检测性能的“黄金平衡”（图3）。

应用前景：从实验室走向环境监测一线

研究团队在湖南某烟花厂废水、湘江水等真实水样中验证了平台可靠性：

回收率高达97.8%-106.9%，与离子色谱（IC）结果高度吻合。

可扩展性：通过调节烷基链长度，同系列探针（如Per-4C4、Per-4C9）还可检测硝酸盐（NO₃⁻）、硫氰酸盐（SCN⁻）等阴离子，为多污染物同步监测提供可能。

这项技术不仅为饮用水安全保驾护航，更在环境应急监测、工业废水治理等领域展现潜力。团队负责人周世清教授表示：“未来计划将平台集成至无人机或便携设备，实现水体污染的‘天-地’一体化监控。”

结语：科技赋能环保，守护每一滴水

高氯酸盐检测技术的突破，是AIE材料与智能传感跨界融合的典范。随着环保政策趋严，此类高效、低成本的监测方案将成为水质管理的“标配”。正如论文所述：“从分子设计到现场应用，我们正以科技创新回应可持续发展的全球命题。”

Fig. 1. 荧光探针工作流程示意图：探针合成和基于智能手机的传感平台。

Fig. 2. （a）AIE 探针中烷基链的精确调制以调节其对高氯酸盐敏感性的示意图。（b）在 365nm 紫外光下，Per - 4C1 - Per - 4C10 探针溶液（20μM）在加入高氯酸盐前后的荧光图像。（c）Per - 4C6 探针在有和没有高氯酸盐情况下的 DLS 分析。（d）加入高氯酸盐后 Per - 4C6 探针聚集体的 SEM 图像和（e）元素映射。（f）（1）烷基链和吡啶之间、（2）内部苯基和吡啶之间以及（3）苝核之间的二面角（灰色和彩色区域分别代表系统中有和没有高氯酸盐的模拟结果）。（g）Per - 4C1 - Per - 4C10 探针的水接触角以及高氯酸盐检测的检测限和灵敏度。

Fig. 3. （a）在 365nm 紫外光下，Per - 4C6 探针响应高氯酸盐（0 - 11mM）的荧光图像。（b）用于荧光激发的设备和带通滤波器，以及用于激发和捕获荧光探针图像的便携式检测模块的演示。（c）荧光分析软件的测量和校准界面。（d）Per - 4C6 探针对不同浓度高氯酸盐（0 - 13mM）的荧光响应。（e）通过传感平台（上）和分光光度计（下）测定的荧光强度增加值与高氯酸盐浓度之间的关系和标准曲线。（f）在存在 15 种干扰物质的情况下，Per - 4C6 探针对高氯酸盐的选择性，分别单独评估（i）和混合存在评估（ii）。标准偏差是从三次重复测量中获得的。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123658