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突破性进展，开发了一种具有自指示功能的金属有机框架（MOF）材料，首次实现了复杂水体中钍离子 Th (IV) 的高灵敏检测、高效选择性分离与吸附过程实时监测的一体化。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，发表在国际权威期刊《自然・水》（Nature Water）上。
钍作为地壳中丰度最高的锕系元素之一，常与稀土元素伴生于独居石等矿物中。在稀土资源的开采与加工过程中，放射性钍离子极易随废水释放至水体环境，一旦进入生态系统，其放射性与化学毒性将对人类健康构成长期潜在风险。因此，实现对水体中钍的高效检测与分离，是放射性污染监测与风险防控的核心需求之一。
然而，传统的钍污染治理技术，长期面临着 “检测与分离脱节” 的困境：
一方面，传统的钍分析手段往往依赖大型精密仪器或复杂的样品前处理，操作繁琐、成本高昂，完全无法满足污染现场的快速检测需求；
另一方面，传统的吸附材料在复杂水体中的选择性有限，更关键的是，由于无法实时掌握吸附进程，操作人员往往只能加入过量的吸附剂来保证去除效率，这不仅造成了材料的浪费，更产生了大量额外的二次放射性废物，进一步增加了后续处理的压力。
如何构建一套 “既能高效分离，又能实时监测” 的自指示分离体系，成为了该领域亟待解决的关键难题。
针对这一难题，林健教授团队将目光投向了荧光金属有机框架材料。研究团队首先通过溶剂热法合成了一种全新的阴离子型荧光 MOF 材料 ——Eu-NDC。
合成完成后，研究人员首先借助粉末 X 射线衍射仪（PXRD）确认了材料的纯净晶体结构，又通过扫描电子显微镜（SEM）观察到材料规整的微观形貌，确保了合成材料的均一性与稳定性，为后续性能测试打下了坚实的基础。
为了探究 Eu-NDC 对 Th (IV) 的响应性能，研究人员利用荧光分光光度计系统测试了材料与不同浓度 Th (IV) 作用后的发光变化。
实验结果令人惊喜：与传统荧光传感材料仅依靠荧光强度变化的机制不同，Eu-NDC 在与 Th (IV) 结合后，竟然出现了肉眼可见的荧光颜色转变 —— 从原本的红色，逐渐变为明亮的蓝色！
这种独特的变色响应，让研究人员无需复杂的仪器，仅凭肉眼就能初步判断 Th (IV) 的存在。定量测试结果显示，该材料对 Th (IV) 的检出限低至 9.2 nM，这一数值远低于世界卫生组织规定的饮用水中钍的指导限值（1.06 μM），意味着即使是痕量的钍污染，也能被这一材料精准捕捉。
为了验证材料在复杂水体中的抗干扰能力，研究人员配置了包含 23 种共存离子的模拟废水 —— 其中不仅有常见的主族金属离子，还有化学性质与钍极为相近的稀土离子、铀酰离子 U (VI)，以及 Zr (IV)、Hf (IV)、Ce (IV) 等同样带四个正电荷的高价离子。
通过电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）对吸附前后的溶液离子浓度进行精准检测，研究人员发现，Eu-NDC 对 Th (IV) 表现出了极强的选择性：即使在大量共存离子存在的情况下，依然能优先吸附 Th (IV)，在等摩尔 Th (IV)/U (VI) 二元体系中，两者的分离因子更是高达 1806，完全可以满足复杂工业废水的处理需求。
为什么 Eu-NDC 会对 Th (IV) 有如此独特的响应？为了揭开这一机制的面纱，研究团队结合粉末 X 射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等多种表征手段展开了深入分析。
他们发现，这一独特的荧光变色，来源于一个巧妙的 “溶解 - 重结晶” 过程：
由于 Th (IV) 比 Eu (III) 具有更强的路易斯酸性，当 Eu-NDC 遇到 Th (IV) 时，原本的铕基 MOF 会逐渐溶解，而 Th (IV) 则会与配体重新结合，结晶生成一种全新的钍基 MOF——Th (NDC)₂。
这一结构的转变，直接改变了材料的发光机制：原本的 Eu-NDC 中，配体可以通过 “天线效应” 将能量传递给 Eu (III) 离子，发出 Eu (III) 特有的红色特征荧光；而当结构转变为 Th (NDC)₂后，天线效应被抑制，发光变成了配体自身的蓝色荧光。这就是那神奇的 “红变蓝” 的来源！
更重要的是，这一荧光变色的过程，恰好与 Th (IV) 的吸附进程完全同步！
随着 Th (IV) 不断被吸附，材料的荧光颜色会从红逐渐过渡到蓝，这意味着，我们可以通过荧光颜色的变化，实时判断吸附的进度！
为了把这一特性转化为实用的技术，研究团队专门开发了一套自制的便携式 RGB 三原色光电读取装置。这套装置可以直接拍摄材料悬浮液的荧光图像，提取红、绿、蓝三个通道的色度值，建立起 B/R 比值与 Th (IV) 吸附量的定量关系。
有了这套装置，操作人员再也不用盲目加过量的吸附剂了：只要读取颜色的 RGB 值，就能精准知道材料吸附了多少 Th (IV)，什么时候已经吸附饱和，刚好够量就停，既保证了去除效率，又避免了材料的浪费，更大大减少了二次放射性废物的产生！
实验数据显示，Eu-NDC 对 Th (IV) 的吸附容量高达 504.3 mg・g⁻¹，分配系数达到 2.8×10⁶ mL・g⁻¹；在模拟独居石浸出废液的实际体系中，该材料依然能实现 97.5% 的 Th (IV) 去除率，展现出了极佳的实际应用潜力。
这项研究，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全新的策略，真正实现了 “检测 - 分离 - 过程监测” 的一体化，在降低操作复杂度的同时，最大限度减少了二次废物的产生。
而这一自指示分离的策略，未来还可以拓展到其他放射性核素的治理中，为智能污染修复材料的设计提供了全新的思路。
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。
