1.通过统计学分析方法对138篇具有代表性的光学水凝胶相关论文数据进行二次分析，讨论了不同类型光学水凝胶可检出的污染物类型以及灵敏度差异；

2.通过将不同光学水凝胶检测污染物的检出限与相对应的各国检测标准方法检出限进行比较分析，充分评价了不同类型光学水凝胶的检测性能；

3.从光学水凝胶构建策略、检测物质类型到传感机制，全面的综述了光学水凝胶在环境中的应用策略；

4.详细阐述了光学水凝胶在环境传感领域应用所面临的挑战和机遇，并给出了光学水凝胶几个未来可能的发展方向。

环境污染物日益复杂的情况迫切需要开发新的检测技术。基于水凝胶光学特性的传感器能够快速、轻松地进行原位检测，正引起越来越多的关注。本文提取了138篇有关不同光学水凝胶的论文的数据进行统计分析。将统计数据与世界各国权威的标准检测方法进行对比，继而对不同环境污染物检测场景下各类光学水凝胶的检测性能和潜力进行了评估。基于此分析，对两种主要类型的光学水凝胶（光子晶体水凝胶和荧光水凝胶）的目标识别和传感机制进行了详细的回顾和讨论。光子晶体水凝胶主要侧重于刺激响应模式、污染物受体的设计、反蛋白石结构的构建以及分子印迹技术的应用几个方面。而荧光水凝胶则侧重于不用类型荧光团的发光机理、复合荧光探针的设计、生物大分子受体的构建、量子点以及荧光微生物的引入等几个方面。最后阐述了光学水凝胶在环境传感领域所面临的一些挑战，包括高度的多学科交叉，繁多的新污染物种类以及检测环境的复杂性。同时也提出了一些光学水凝胶未来可能的发展方向，包括不同种光学水凝胶的融合、将各个领域的最新技术引入光子水凝胶的构建策略中以及多功能传感器阵列的开发等等。我们希望本次综述能够为光子晶体水凝胶在环境污染物检测领域的进一步应用和发展提供新的思路。

1、光子晶体水凝胶的概念

光可以在不同介质的界面处产生衍射或表面等离子体共振（SPR）。不同介质的规则排列可以形成光子带隙，使光子呈现出光强或波长的周期性变化。光子晶体水凝胶的光子结构（光栅）包括水凝胶基质和不同嵌段共聚物或聚电解质层之间的规则排列。它们的特异性是通过嵌入受体或构建特定的响应结构来实现的。当触发条件满足时，光子晶体水凝胶有两种响应机制：

1) 由功能性水凝胶制成的光子晶体水凝胶对物理（例如温度、渗透压和磁场）或化学（例如 pH 和盐度）刺激做出反应。刺激会引起水凝胶体积和光栅的变化。因此，光子晶体水凝胶可以通过波长监测、SPR甚至明显的颜色变化来检测检测环境中的被测物体。

2) 分析目标与修饰在光子晶体水凝胶上的特定受体结合，改变水凝胶网格中的静电力。这种转变导致光子晶体水凝胶的膨胀或收缩，从而改变其内部光栅的间距。通过监测波长变化、SPR，甚至明显的颜色变化，可以准确地检测分析目标。

图1. 光子晶体水凝胶传感器示意图。（a）环境刺激响应光子晶体水凝胶传感器。(b) 结合离子和受体的光子晶体水凝胶传感器

2、荧光水凝胶的概念

荧光是一种典型的光致发光现象。当荧光团吸收高能光时，其电子从基态进入激发态，然后以光发射的形式释放能量。基于荧光的检测技术具有高灵敏度、高选择性、方便等优点。此外，水凝胶具有多孔连接、优异的生物相容性和高度可控的理化性质。将荧光团引入水凝胶基质中可产生荧光水凝胶，它结合了两种材料的优点。荧光水凝胶在生物成像、医学诊断、污染物检测和基因技术方面具有广泛的应用潜力。当分析目标接触荧光水凝胶时，荧光模块通过五个主要途径做出响应：光致电子转移（PET）、分子内电荷转移（ICT）、激发态分子内质子转移（ESIPT），荧光共振能量转移（FRET），以及准分子/激基复合物相互作用。

图 2. 荧光发射和猝灭原理介绍

图 3.光学水凝胶研究案例统计分析。(a) 荧光水凝胶和光子晶体水凝胶检测到的不同污染物的样本数量（堆积柱上的数字代表可识别的目标物种）。样品数量：114个。（b）不同类型光学水凝胶对不同污染物的检测灵敏度（注：1.0表示该类型光学水凝胶的灵敏度与标准方法相同）。

图 4. 直接响应光子晶体水凝胶对环境参数的响应模式。（a）直接响应光子晶体水凝胶的基质由于环境参数（湿度）的变化而收缩和膨胀。环境参数（b）湿度和（c）pH值变化引起的直接响应光子晶体水凝胶的表观颜色和反射光谱的影响。多原子响应光学水凝胶在（d）不同乙醇浓度和（e）温度下共振光谱的变化。

图5. 两种典型的直接响应光子晶体水凝胶的机理。(a)氢键引导模板法亚微米光子晶体的合成机理和表征，以pH响应直接响应光子晶体水凝胶的合成为例。（b）用于细菌诊断和消毒的直接响应光子晶体水凝胶的制造和响应机制的说明。

图6. 一些特殊光子晶体水凝胶的工作原理。(a)光子晶体水凝胶对青霉素G的识别和响应策略;(b)基于反蛋白石3D光子晶体水凝胶的无标记病毒传感器的工作原理；(c)构建可通过糖化蛋白识别大肠杆菌的光子晶体水凝胶；(d)基于三元配合物的光子晶体水凝胶传感器的构建机制及其如何捕获环丙沙星化合物。

图7. (a)反蛋白石光子晶体水凝胶的制备过程。(b)基于反蛋白石结构构建可识别气体目标的光子晶体水凝胶

图8. 基于分子印迹的光子晶体水凝胶的构建过程 (a) 分子印迹的五种主要类型：(i) 非共价、(ii)静电/离子、(iii)共价、(iv)半共价和(v)金属中心协调；(b)以Sr2+为模板在光子晶体水凝胶中形成平面G四重体；(c)以四环素为模板分子，在具有反蛋白石结构的光子晶体水凝胶中刻上特定的印记。

图9. 复合荧光团水凝胶对靶标的响应机制。(a)罗丹明对Pb²⁺ 和(b)Al³⁺的响应。(c)BODIPY衍生物对HS⁻和(d)Cu²⁺ 的响应。(e)桑色素对 HPO⁴⁻或HPO₄²⁻的响应。(f)BTBPA对F的响应。(g)壳聚糖-2-羟基-1-萘醛 Cd²⁺的响应(h) 没食子酰胺-PyLTyrOx-芘ClO⁻ 的响应。(i)8-HQ对Mn³⁺的响应。(j)SD-TB对Cu²⁺的响应。(k)R19S对Hg的响应。

图10. 可检测重金属的DNA荧光水凝胶。(a)在Hg²⁺的引导下，单链DNA折叠成发夹结构的双链DNA，进一步增强SYBR Green I的荧光；(b)DNA基荧光水凝胶对不同金属离子的响应原理。

图11. 一些使用 DNA 作为受体的特殊荧光水凝胶的工作原理。(a)在微凝胶颗粒中，目标病毒 DNA 与单链 DNA 尾部的猝灭剂杂交，导致荧光恢复。；(b)赭曲霉毒素A与适体结合启动滚环扩增并诱导Cy3dUTP的荧光。

图12. (a)荧光碳点的结构；(b)纤维素纳米纤维固定的荧光碳点；(c)ClO-对聚乙烯亚胺掺杂碳点荧光水凝胶的荧光猝灭；(d)嵌入酶的碳点荧光水凝胶的荧光通过细菌的诱导而猝灭。(e)两种具有pH检测能力的碳点荧光水凝胶在不同pH值下的光致发光光谱的变化。

图13. 通过嵌入水凝胶的发光微生物进行环境传感。(a) 基因重组荧光微生物质粒（GFPG：绿色荧光蛋白基因，ARG：抗生素抗性基因，ORF：开放阅读框）；（b）水凝胶包裹的菌株对土壤中2,4-二硝基甲苯的发光响应，（c）固定化重组大肠杆菌的水凝胶微球用于检测水中的重金属，每个微球都包裹在坚韧的半球中 -可渗透的水凝胶外壳，防止工程细菌渗漏。

图14. 不同类型光学水凝胶的关系图。注：带孔的环表示该类型可以发出荧光

杨硕（第一作者）：复旦大学环境科学与工程系博士。主要从事环境健康、环境毒理学和新型功能性环境材料的开发。目前从事基于光学水凝胶的毒性检测传感器及检测系统的开发。他的研究成果发表在《Journal of Hazardous Materials》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Agriculture and Food Chemistry》（封面论文）、《Environmental Pollution》、《中国环境科学》等期刊。

Shruti Sarkar（第二作者）：目前是佐治亚理工学院土木与环境工程学院的本科生。她一直致力于与局部增强电场处理(LEEFT)和使用高吸水性聚合物(SAP)的3D过滤相关的研究项目。

谢兴（通讯作者）：佐治亚理工学院土木与环境工程学院的助理教授和Carlton S.Wilder初级教授。加州理工学院的博士后，斯坦福大学土木与环境工程学博士，本科及硕士毕业于清华大学环境科学与工程专业。2019年获得美国国家科学基金会颁发的职业奖，2020年获得可持续纳米技术组织新兴研究者奖，2021年获得美国环境工程与科学家学会颁发的环境工程和科学卓越荣誉奖。

李丹（通讯作者）：复旦大学环境科学与工程系教授。清华大学与加州大学欧文分校联合培养博士，美国麻省理工学院从事博士后。主持国家自然科学基金委优秀青年基金，跨学科科学的倡导者，主要研究方向为环境传感、大气污染和健康科学。发表论文40余篇，其中4篇论文被ESI高引用。自2018年起，担任Environ. Int.编委，同时担任Bul. Environ. Contam. Tox.编委，Frontiers of Environmental Science & Engineering、《环境化学》和《环境科学》青年编委。

陈建民：复旦大学环境科学与工程系教授。欧洲科学院院士、金棕榈勋章骑士、科睿唯安2020年和2021年高被引研究员。现任复旦大学环境科学与工程系大气科学研究所执行院长、上海市大气颗粒物污染与防治重点实验室（LAP3）主任。要研究方向为大气多相化学、气溶胶科学。