本文属于类型a，即单项原创研究报告。以下为根据该研究撰写的学术报告。

一、作者与发表信息

本研究由Xiaoxue Sun、Zhiwei Li、Tianyu Liang、Yang Li、Mingyu Tian、Chengyan Wu、Xiaofei Sun、Tianruo Shen、Keli Zhong与Lijun Tang等人共同完成。通讯作者为Tianyu Liang、Yang Li、Tianruo Shen、Keli Zhong和Lijun Tang，其所属机构主要为渤海大学化学学院（College of Chemistry, Bohai University）以及国家超级计算天津中心高性能计算部（Department of High-Performance Computing, National Supercomputer Center in Tianjin）。该研究成果发表于*Analytical Chemistry*期刊，文章于2026年3月29日投稿，2026年7月28日修订，2026年7月29日接收，并于2026年8月20日正式在线发表，卷号为第98卷，页码为24898–24908。

二、研究背景与目的

该研究属于分析化学、环境监测与功能纳米材料交叉领域。铀酰离子（uranyl ion, UO₂²⁺）是铀在自然界中最稳定、最常见的化学形态，具有较强的化学毒性、放射性危害以及极长的半衰期。铀矿开采、核工业废水排放等人类活动使UO₂²⁺进入水体、土壤和食物链，并最终在人体内积累，对肾脏、脑、心脏等器官造成严重损害，甚至引发基因突变。因此，发展高效、快速、便于操作的UO₂²⁺检测方法具有重要的环境和公共健康意义。

传统检测方法如表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy）、原子吸收光谱（atomic absorption spectroscopy）、电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry）和离子色谱（ion chromatography）等，虽然具有较高的准确性，但普遍存在样品前处理复杂、仪器昂贵、操作要求高、难以实现在线或现场检测等不足。相比之下，荧光探针因其选择性好、操作简便、响应快速以及时空分辨率高等优势成为研究热点。然而，现有大多数UO₂²⁺荧光探针依赖荧光猝灭（turn-off）机制，存在背景信号高、信噪比低、易受光漂白干扰等问题。因此，开发具有荧光开启（turn-on）响应、快速响应速度、高灵敏度、优异选择性并且兼具吸附去除能力的双功能荧光探针，是该研究的主要目标。此外，传统探针开发依赖反复试错，该研究希望通过量子化学计算辅助设计，提升探针的理性设计效率。

三、研究流程与实验方法

本研究主要分为四个阶段：计算辅助分子设计、探针合成与纳米组装、环境与生物样品检测验证、便携式传感平台与水凝胶吸附应用。

第一阶段为计算辅助设计。研究者首先设计了三种含不同杂原子取代基的罗丹明衍生物分子，分别为含负电荷氮原子（R1）、氧原子（R2）和硫原子（R3）的结构，分别对应最终合成的探针RBN、RBO和RBS。通过量子化学计算，系统评估了三种取代基的第一垂直电离能（vertical ionization energy, VIE）、前线分子轨道（frontier molecular orbitals）、静电势分布（electrostatic potential distributions）、Mulliken电荷以及取代基与UO₂²⁺的结合距离和相互作用能。计算结果显示，R1具有最低的VIE值（5.235 eV）、更高的HOMO能级（-5.516 eV）和更负的Mulliken电荷（-0.594 e），与UO₂²⁺的结合距离最短（2.338 Å），相互作用能最强（-1.071 eV），且能有效促进罗丹明螺环由闭环向开环转变，从而激活荧光。

第二阶段为探针合成与纳米组装。根据计算结果，研究者合成了RBN（文中也称RBN）及其对照物RBO和RBS。RBN的合成以罗丹明B为起始物，先与磷酰氯（phosphoryl chloride）反应生成罗丹明酰氯中间体，再与2-氨基苯并咪唑（2-aminobenzimidazole）在乙腈中回流反应，经柱色谱纯化得到淡粉红色固体，产率为60%。结构经¹H NMR、¹³C NMR和高分辨质谱确证。随后，将RBN与壳聚糖（chitosan, CS）通过超分子自组装制备纳米探针Nano-RBN。制备过程中，壳聚糖溶于1%乙酸溶液，RBN溶于DMSO，两者按2:1体积比混合于超纯水中搅拌2小时，离心透析去除未包裹的游离RBN，最终得到浓度为10 mg/mL的Nano-RBN分散液。扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）表征显示，纯壳聚糖呈链状形态，而Nano-RBN呈现规整的球形纳米颗粒形态。通过紫外-可见吸收光谱测定，Nano-RBN对RBN的包封率（encapsulation efficiency）为34%。

第三阶段为环境与生物样品检测验证。在检测体系优化方面，研究者首先测试了Nano-RBN对UO₂²⁺的紫外-可见吸收和荧光响应。在乙醇/Tris缓冲液（体积比4:6）体系中，Nano-RBN自身在550 nm处仅有微弱吸收，随UO₂²⁺浓度增加（0–440 μM），吸收峰逐步增强，同时溶液颜色由无色变为紫色。荧光光谱显示，590 nm处发射强度随UO₂²⁺加入而显著增强，检测限（limit of detection, LOD）为1.32 μM，响应时间仅1秒。选择性实验中，Fe³⁺和Al³⁺会造成一定干扰，但加入三乙醇胺（triethanolamine, TEA）作为掩蔽剂后，仅UO₂²⁺引起明显荧光增强。Job’s plot实验和高分辨质谱分析表明，RBN与UO₂²⁺的结合化学计量比为2:1。研究者进一步将Nano-RBN应用于真实样品检测。水样分别取自渤海海水（笔架山风景区）、工业废水（锦州石化厂）和湖水（渤海大学悠阳湖），加标回收率为100.11%–102.57%，相对标准偏差（relative standard deviation, RSD）低于3.18%。土壤样品包括园土、田土和沙土，经乙醇/Tris缓冲液处理后加标检测，回收率为99.30%–103.10%，RSD低于2.20%。海产品样品包括鱼、虾和扇贝，加标回收率为96.90%–102.40%，RSD为0.26%–5.71%。在细胞成像方面，MCF-7细胞经MTT实验证实Nano-RBN细胞毒性较低，细胞存活率高于70%。共聚焦荧光成像显示，仅加Nano-RBN的细胞几乎无荧光，而加入UO₂²⁺后红色通道荧光随浓度增加而明显增强。

第四阶段为便携式传感平台与水凝胶吸附应用。为实现现场快速检测，研究者将Nano-RBN负载于滤纸测试条和聚乙烯醇（poly(vinyl alcohol), PVA）凝胶上。在365 nm紫外光照射下，测试条呈现红色荧光，凝胶呈现橙色荧光。研究者搭建了由3D打印暗室、365 nm紫外激发光源和智能手机组成的便携检测系统。通过手机拍摄和颜色分析软件提取蓝红比值（blue-to-red ratio, B/R），测试条和PVA凝胶的B/R值与UO₂²⁺浓度均呈良好线性关系，相关系数分别为0.9929和0.9983。对已知浓度样品验证的结果与设定值误差极小。此外，研究者制备了Nano-RBN水凝胶用于UO₂²⁺的吸附去除。吸附实验显示，Nano-RBN水凝胶的吸附容量（qₑ）为24.2 mg/g，高于空白壳聚糖水凝胶的21.3 mg/g。吸附动力学符合准一级动力学模型，吸附等温线符合Langmuir模型，理论最大吸附容量为26.3 mg/g。吸附后水凝胶由无色变为紫色，并在紫外光下发出明亮的橙红色荧光，体现了检测与去除的可视化双重功能。

四、主要结果与数据支持

在计算辅助设计部分，R1基团的VIE值（5.235 eV）显著低于R2和R3，说明其稳定正电荷能力最强。R1的HOMO能级（-5.516 eV）和LUMO能级（-0.225 eV）均高于其他两组，说明其亲核性更强。Mulliken电荷分析显示，R1中氮原子电荷为-0.594 e，而R2中氧原子为-0.354 e，R3中硫原子为+0.170 e，进一步证明氮原子位点最有利于与UO₂²⁺配位。结合能计算中，R1与UO₂²⁺结合能为-1.071 eV，结合距离为2.338 Å；R2为-0.049 eV，距离为2.657 Å；R3则为+3.848 eV，距离为4.381 Å，表现为排斥作用。势能面扫描显示，UO₂²⁺的加入使RBN开环反应的能垒从0.511 eV降至0.295 eV，开环态能量由+0.494 eV降至-0.162 eV，说明UO₂²⁺配位可稳定开环构型并触发荧光开启。

实验结果与计算预测一致。RBN对UO₂²⁺的荧光增强为12倍，RBO为4倍，RBS为1.7倍。Nano-RBN在590 nm处的荧光增强达到约40倍，LOD为1.32 μM，响应时间1秒。选择性实验中，加入TEA后，只有UO₂²⁺引起显著荧光增强和颜色变化。Job’s plot显示最大荧光强度对应UO₂²⁺摩尔分数约0.33，表明RBN与UO₂²⁺以2:1比例结合。真实样品检测中，不同基质下的加标回收率均接近100%，RSD均小于6%，证明了Nano-RBN在复杂样品中定量检测的适用性。

五、结论与研究价值

该研究成功构建了一种基于壳聚糖和罗丹明衍生物的超分子自组装荧光纳米探针Nano-RBN，并通过量子化学计算辅助设计，实现了对UO₂²⁺的高效荧光开启检测。该探针具有响应超快（1秒）、检测限低（1.32 μM）、荧光增强倍数高（约40倍）、选择性好、抗干扰能力强等优点。Nano-RBN不仅能在水、土壤、海产品等环境样品中准确定量UO₂²⁺，还可用于活细胞内的UO₂²⁺荧光成像。此外，研究建立了基于智能手机的便携式检测平台，实现了现场可视化和定量分析。Nano-RBN水凝胶还展示了良好的UO₂²⁺吸附能力，兼具检测和去除双重功能。该研究为UO₂²⁺的快速监测和环境修复提供了新思路和新工具，也为荧光探针的理性设计提供了计算辅助的策略参考。

六、研究亮点

本研究的主要亮点包括：第一，利用量子化学计算对候选取代基进行预筛选，避免了传统试错法合成筛选的盲目性，实现了探针的理性设计。第二，所制备的Nano-RBN通过荧光开启机制检测UO₂²⁺，具有高信噪比、快速响应和良好灵敏度，克服了传统猝灭型探针的背景干扰问题。第三，该研究实现了检测与吸附的一体化功能集成，Nano-RBN既能灵敏检测UO₂²⁺，又能通过水凝胶形式有效去除水体中的UO₂²⁺。第四，研究构建了基于智能手机的便携式检测系统，使现场定量检测成为可能，具有较强的实际应用推广潜力。第五，该研究系统验证了探针在多种真实样品（海水、湖水、工业废水、不同类型土壤、鱼虾贝类海产品以及活细胞）中的适用性，体现了良好的实用性和可靠性。