研究实现复杂水环境中铀酰离子的超灵敏检测

在复杂水环境中，电化学传感界面的活性中心易受共存离子、局域配位变化及氧化还原波动的影响，导致活性物种失活与信号漂移。铜离子氧化还原对虽具备快速电子转移动力学，但在水相中易发生歧化或不可逆氧化，难以长期维持稳定的循环状态。

近日，中国科学院成都生物研究所等研究团队从铜蓝蛋白的配位限域与电子传递机制中获得启发，构建了具有自更新能力的仿生Cu⁺/Cu²⁺氧化还原界面，实现了复杂水环境中铀酰离子的超灵敏、快速检测。

研究团队提取“配位限域稳定活性中心—电子耦合促进氧化还原循环”的功能机制，设计构建了包含羧甲基壳聚糖配位基质、偕胺肟识别位点与聚吡咯导电网络的仿生界面。该界面利用偕胺肟基团选择性识别UO₂²⁺，通过扰动局域配位环境与电子分布，将目标物识别直接耦合至Cu⁺比例变化产生的氧化电流信号中。多尺度表征与理论计算进一步揭示了铀酰配位、铜价态变化与界面电子传递之间的关联，证实体系信号主要来源于配位诱导的界面氧化还原调控。

针对传统传感界面活性物种易消耗的问题，该界面利用Cu⁺/Cu²⁺的可逆转化实现原位自更新。团队通过施加负向电位，促进Cu²⁺重新转化为Cu⁺并恢复配位环境，连续50次检测更新循环后，基线电流相对标准偏差仍低于1.68%。基于该界面开发的传感器对铀酰离子的检出限达到0.0011μg L^-1，响应时间小于3分钟，在复杂天然海水基质中检测结果与标准方法高度一致，表现出优异的灵敏度、选择性与抗干扰能力。

研究将生物体系中稳定、调控和再生氧化还原活性中心的机制迁移至人工电化学界面，使原本在水相中不稳定的Cu⁺成为可持续更新的传感节点，为解决电化学传感界面活性中心易失活、长期稳定性不足等问题提供了新的仿生设计思路。

相关研究成果发表在Nano Materials Science上。研究工作得到国家自然科学基金、四川省杰出青年科学基金、中国博士后科学基金等的支持。

论文链接

仿生铜蓝蛋白机理及配位限域Cu⁺/Cu²⁺氧化还原界面构建