近日，西安交通大学林健教授团队在放射性核素检测与分离领域取得新进展，开发了一种具有自指示功能的金属有机框架材料，实现了复杂水体中钍离子Th(IV)的高灵敏检测与高效选择性分离。相关研究成果以“A smart self-indicating metal–organic framework with real-time fluorochromic response for ultraselective thorium remediation”为题，在国际权威期刊《自然·水》（Nature Water）发表。
钍作为地壳中丰度较高的锕系元素之一，常与稀土元素伴生于独居石等矿物中。在其开采与加工过程中，易导致Th(IV)释放至水体环境，进而对生态系统及人类健康构成潜在风险。因此，实现对钍的高效检测与分离对于污染监测与风险防控具有重要意义。然而，在大多数研究情境中，Th(IV)的检测与分离通常被视为两项相互独立的过程。一方面，钍的分析通常依赖大型仪器或复杂的前处理过程，难以满足现场快速检测的需求；另一方面，传统吸附材料在复杂体系中的选择性仍然有限。此外，由于缺乏对吸附过程的实时反馈，分离过程中往往需使用过量吸附剂以保证去除效率，进而增加材料消耗并产生额外的二次放射性废物。因此，构建兼具分离与实时监测功能的自指示分离体系具有重要意义。
研究团队合成了一种阴离子型荧光金属有机框架材料（MOF）Eu-NDC。结果表明，与依赖荧光强度变化的传统传感机制不同，Eu-NDC在与Th(IV)作用后表现出由红到蓝的荧光变色响应。其对Th(IV)的检出限低至9.2 nM，远低于世界卫生组织饮用水中钍的指导限值（1.06 μM）。同时，该材料对Th(IV)具有良好的选择性，可有效区分其与包括主族金属离子、稀土离子、U(VI)以及四价离子（Zr(IV)、Hf(IV)和Ce(IV)）在内的23种共存离子。机理研究表明，Eu-NDC对Th(IV)的荧光响应来源于溶解–重结晶过程。由于Th(IV)较Eu(III)具有更强的路易斯酸性，可诱导Eu-NDC溶解并与配体重新结晶生成钍基MOF Th(NDC)2。该结构转变导致天线效应受到抑制，使发光由Eu-NDC的镧系金属中心发射转变为Th(NDC)2的配体发射，进而产生显著的荧光变色响应。
图1 Eu-NDC选择性检测Th(IV)的机理研究。(a) Eu-NDC粉末在Sc(III)、Zr(IV)、Hf(IV)、Ce(IV)和Th(IV)溶液中浸泡前后的PXRD谱图；(b) Eu-NDC在Sc(III)、Zr(IV)、Hf(IV)、Ce(IV)和Th(IV)溶液中浸泡前后的SEM图像；(c) Eu-NDC在Th(IV)溶液中浸泡后的EDS能谱；(d)溶解-再结晶机理示意图以及Th(NDC)2的晶体结构和光学图像（LED和UV光照下）；(e) Eu-NDC单晶暴露于Sc(III)、Zr(IV)、Hf(IV)、Ce(IV)和Th(IV)溶液中的晶体形貌和荧光变化；(f) Eu-NDC 粉末在Sc(III)、Zr(IV)、Hf(IV)、Ce(IV)和Th(IV)溶液中浸泡后的荧光寿命并与配体1,4-H2NDC的比较
基于上述机制，Eu-NDC对Th(IV)表现出优异的吸附性能，其吸附容量高达504.3 mg·g-1，分配系数为2.8 × 106 mL·g-1，并在模拟独居石浸出废液体系中实现了对Th(IV) 97.5%的去除率。在竞争离子存在下，该材料仍表现出极高的分离因子，其中在等摩尔Th(IV)/U(VI)二元体系中分离因子高达1806。Eu-NDC在Th(IV)分离过程中表现出独特的自指示特性，其荧光颜色演变可实时反映吸附进程。通过对Eu-NDC悬浮体系荧光图像进行红-绿-蓝（RGB）色度分析，将B/R比值与吸附动力学过程建立定量关联，从而为材料吸附饱和状态的判定提供可靠依据；其中，R值可作为评估Th(IV)吸附量的有效参数。
图2 Eu-NDC用于Th(IV)自指示分离。(a) 在紫外灯照射下Eu-NDC悬浮液荧光演变与材料饱和度的关系示意图；(b) Eu-NDC悬浮液暴露Th(IV)后随时间变化的荧光照片；(c) Eu-NDC悬浮液荧光照片提取的RGB值随时间的变化；(d) B/R值随时间的变化符合双指数动力学模型；(e) R值与不同时间Th(IV)吸附量具有线性相关性
该研究通过将荧光响应与结构转变过程相结合，为放射性污染环境修复提供了一种新策略，可在降低操作复杂性的同时最大限度减少二次废物的产生。此外，该自指示分离策略有望拓展至其他放射性核素体系，为集检测、分离与过程监测于一体的智能材料设计提供新的设计思路。
西安交通大学能源与动力工程学院与核科学与技术学院为该论文的第一通讯单位，核科学与技术学院硕士三年级研究生崔云怡为第一作者，林健教授为责任通讯作者，苏州大学王殳凹教授为共同通讯作者。本研究获得国家自然科学基金优秀青年科学基金及联合基金重点项目等资助，相关表征与测试依托西安交通大学国家储能技术产教融合创新平台完成。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-026-00612-1