金属配位引发的显色反应和荧光响应：一种用于快速可视化重金属离子的通用双模式传感策略

《Environmental Research》：Metal complexation-triggered chromogenic reaction and fluorescence response: A universal dual-mode sensing strategy for fast visualization of heavy metal ions

重金属离子双模式快速可视化检测策略研究，通过镉碲量子点改性滤纸传感器结合金属络合剂（DCBPY）实现颜色变化与荧光淬灭双重响应，验证了其在工业废水、河水及自来水中的高效检测性能（检测限0.02 mg/L），并经多方法交叉验证，为现场快速检测提供新方案。

　　

双寿王|詹王|茹涵 Xu|成成|余俊 中|贾阳|明富 叶|金英 陈|宇曦 Gu|景重 Yan

安徽工业大学化学与化学工程学院，马鞍山 243032，中国

摘要

重金属离子（HMIs）的多模式/信号可视化对于环境分析和食品安全具有重要意义，但目前相关技术仍然较为匮乏。本文提出了一种通用的双模式传感策略，以实现重金属离子的快速可视化。通过将掺镉量子点的硅烷偶联剂与滤纸共聚，再固定金属络合剂（即显色剂），制备了纸质传感器。该传感器对重金属离子的响应基于重金属离子与络合剂形成的复合物作为响应单元：显色反应通过络合反应实现颜色变化，而荧光响应则通过内部滤光效应和动态淬灭现象产生。与单一信号传感相比，实验验证表明这种组合传感模式具有更高的灵敏度、更好的选择性和更宽的工作范围。以工业污水、河水和自来水等实际水样中的Cu²⁺、Ni²⁺和Fe²⁺为模型，展示了该策略的有效性。检测限低至0.02 mg/L（Ni²⁺的显色法），响应时间仅需0.5分钟，并通过智能手机支持的RGB/灰度/Lab模式进行数字图像分析验证了检测结果。此外，双模式可视化结果与商用试剂盒及荧光定量、ICP-AES等仪器技术的结果高度一致，进一步证明了该策略的可靠性。

引言

随着土壤中矿物元素的溶解以及电镀、采矿、冶炼等工业活动的快速发展，重金属离子（HMIs）因其大规模和无序排放成为全球大气、地下水和土壤污染的主要来源之一。然而，在低温、高压、缺氧等不利条件下，地下水的自净能力较弱，导致重金属离子在水体中持续积累，通过饮用水和食物链对人体健康造成不可逆的损害（Yin等人，2019；Wang等人，2017a）。因此，检测环境中的重金属离子具有重要意义。

质谱（Li等人，2023）、原子吸收/发射光谱（Rajendiran等人，2025；Liu等人，2020）、表面增强拉曼光谱（Song等人，2020）、荧光光谱（Li等人，2025）、色谱（Song等人，2025）和电化学方法（Sulthana等人，2025）等仪器技术是检测重金属离子的重要手段。这些方法能够获得高灵敏度和准确度的结果，但高昂的设备成本、长时间消耗以及较高的技术门槛和便携性限制了其在现场检测中的应用，尤其是在资源匮乏的偏远地区。目前仍迫切需要用户友好的现场可视化检测平台。

在之前的研究中，我们证明了比色法是食品和环境样品肉眼检测的有效工具（Wang等人，2022a；Wang等人，2025a,b；Wang等人，2024a）。基于纸质的显色传感器在药物分析（Ma等人，2020）、疾病诊断（Khatun等人，2024）、食品安全（Wang等人，2025a）和环境分析（Hu等人，2025）等领域受到了广泛关注。近年来，用于重金属离子可视化的平台也得到了快速发展，包括碳点（CDs）/金属量子点（QDs）衍生传感器（Shrivastav等人，2024；Chen等人，2025；Wang等人，2022b）、离子液体荧光探针（Kang等人，2024）、有机框架（Chakraborty等人，2023；Hou等人，2021）、金纳米传感器（Priyadarshini等人，2017）和络合衍生显色法（Isaad等人，2022）等。尽管方法多样，但大多数仍为单信号检测。双/多信号可视化技术虽然有助于提高显色结果的可靠性（Wang等人，2023；Wang等人，2022c），但仍较为罕见。为了确保对重金属离子的选择性，需要设计具有离子通道的特制材料（Zhu等人，2022）或印制腔结构（Sha等人，2023），或进行生物配体修饰（如酶和适配体）（Xu等人，2024；Zhou等人，2024）。这些技术通常面临工艺繁琐、工程挑战、经济效率低以及目标配体数量不足等缺点。多功能且用户友好的双/多信号可视化系统在重金属离子检测中具有广泛应用潜力，但目前仍较为有限。

本文结合基于金属络合的显色反应和内部滤光效应（IFE）诱导的荧光响应（Wang等人，2023；Wang等人，2022c；Zhang等人，2019；Chen等人，2025），提出了一种通用双模式可视化策略，提高了选择性和灵敏度。图1展示了以2,2′-联吡啶-5,5′-二羧酸（DCBPY）和Fe²⁺为典型配对的原理。传感器制备过程包括：首先将掺镉量子点的N-(三乙氧基硅基丙基)脲（UPTES）与滤纸共聚，然后通过静电作用固定显色剂DCBPY。当存在Fe²⁺时，DCBPY中的N和/或O元素会与Fe²⁺发生络合，导致吸光性质变化，从而在滤纸上产生颜色变化；同时，络合物可通过IFE机制淬灭传感器的荧光。基于Fe²⁺剂量范围内的线性响应，制备了显色/荧光卡片，实现Fe²⁺的双模式可视化。通过实际水样（河水、工业污水和自来水）中的Fe²⁺、Cu²⁺和Ni²⁺进行概念验证，结果通过数字图像分析、商用试剂盒、荧光光谱和ICP-AES进一步确认。

实验部分

详细实验过程见补充信息（SI）。

纸质传感器的制备与表征

制备纸质传感器分为两步：1）在滤纸上涂覆掺镉量子点的聚UPTES；2）固定显色剂。表面修饰过程参考了我们之前的方法（Wang等人，2022a；Wang等人，2025a），其中涉及UPTES在水中的自聚反应。由于UPTES含有丰富的脲基团且缩聚过程可控，因此被选为单体。

结论

本文提出了一种通用的双模式快速可视化重金属离子的策略，通过结合基于金属络合的显色反应和IFE/动态淬灭诱导的荧光响应实现。与单一信号传感相比，双模式传感在选择性、灵敏度和工作范围方面具有显著优势。

CRediT作者贡献声明

金英 陈：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、方法设计、实验研究。明富 叶：资金筹集。贾阳：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、实验研究。余俊 中：资源提供。成成：实验研究。茹涵 Xu：实验研究。詹王：验证、实验研究。双寿王：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源提供、方法设计、实验研究、资金筹集。

未引用文献

Alengebawy等人，2021；Hu等人，2024；Isaad和Achari，2022；Liu等人，2020；Priyadarshini和Pradhan，2017；Sulthana等人，2024；Shrivastav和Khansili，2024；Sha等人，2025。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（22178001）、安徽省自然科学基金（2308085Y19）、安徽省教育厅自然科学科研项目（2023AH051116）、江苏省市场监督管理关键实验室餐饮食品安全与系统监测开放项目（CF202501）以及安徽省农产品质量安全工程研究中心数字化开放项目的支持。