基于納米金的汞離子傳感器研究進(jìn)展

　　摘要：綜述了近年來基于納米金的 Hg2+傳感器研究進(jìn)展，包括比色法、熒光法、電化學(xué)法和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)法，詳述了各種傳感器的機(jī)理及優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)未來的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇進(jìn)行了展望。

　　本文源自李巖; 吳鵬; 鐘鷺斌; 鄭煜銘， 現(xiàn)代化工 發(fā)表時(shí)間：2021-06-25

　　關(guān)鍵詞：納米金;汞離子;傳感器;比色法;熒光法;電化學(xué)法;表面增強(qiáng)拉曼散射

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)峻。在各類環(huán)境污染中，重金屬污染因高毒性、難降解性和生物富集性等特點(diǎn)，成為最嚴(yán)重的污染問題之一。汞是一種毒性極強(qiáng)的重金屬，即使?jié)舛群艿停矔?huì)對(duì)人類肝臟、神經(jīng)和視力造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害[1]。在自然環(huán)境中，汞主要以元素汞(Hg)、無機(jī)汞(Hg2+)、有機(jī)汞(主要有 CH3Hg+)3 種形式存在[2]。工業(yè)排放是汞污染的主要來源，其中 Hg2+為主要污染物之一，為此，我國設(shè)置了嚴(yán)格的水體汞衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：工業(yè)企業(yè)排放污染物汞的濃度不得高于 0.05 mg/L，飲用水中汞的濃度不得高于 0.001 mg/L[3]。

　　傳統(tǒng)的 Hg2+檢測(cè)方法包括原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)等[4]。這些檢測(cè)方法雖能精準(zhǔn)檢測(cè) Hg2+，但復(fù)雜的檢測(cè)步驟、昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器和較長的檢測(cè)時(shí)間嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展和普及[4]。因此，發(fā)展高效、便捷和低成本的 Hg2+檢測(cè)技術(shù)至關(guān)重要。

　　金納米顆粒(AuNPs)是指直徑在 1~100 nm 的微小金顆粒，一般以分散在水中的溶膠形式存在，因此又稱為膠體金[5]。AuNPs 具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等[6]。基于這些獨(dú)特的性質(zhì)，AuNPs 在比色、熒光、電化學(xué)和 SERS 等檢測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

　　本文中以精確、便捷、低成本檢測(cè)水中痕量 Hg2+為出發(fā)點(diǎn)，介紹了基于 AuNPs 傳感器的研究進(jìn)展、發(fā)展前景及面臨的挑戰(zhàn)，希望為后續(xù)研究與應(yīng)用提供參考。

　　1 比色法傳感器

　　比色法是指通過紫外光譜對(duì)溶液的吸收波長及吸收強(qiáng)度進(jìn)行定性或定量分析的方法，最直觀的現(xiàn)象就是待檢測(cè)物質(zhì)顏色的變化[7]。該方法具有便捷、現(xiàn)象肉眼可見、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于各種化學(xué)分析領(lǐng)域[8]。Hg2+比色法傳感器基本原理是通過 Hg2+誘導(dǎo) AuNPs 的聚集或分散，進(jìn)而導(dǎo)致 AuNPs 溶液顏色變化(分散態(tài)的 AuNPs 溶液呈紅色，在 520 nm 左右處有強(qiáng)吸收峰;聚集態(tài)的 AuNPs 溶液吸收峰發(fā)生紅移，顯藍(lán)色)[9]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) Hg2+含量的分析。已報(bào)道的比色法傳感器機(jī)制主要分為誘導(dǎo) AuNPs 聚集和抑制 AuNPs 聚集，其中誘導(dǎo)聚集可進(jìn)一步分為交聯(lián)聚集和非交聯(lián)聚集[10]。

　　交聯(lián)聚集是指通過 AuNPs 表面的修飾劑與 Hg2+作用，促使相鄰 AuNPs 粒子聚集。Mirkin 團(tuán)隊(duì)[11]最先用 2 種不同的巰基化單鏈 DNA 分別修飾金納米粒子。當(dāng) Hg 2+存在時(shí)，2 種巰基化單鏈 DNA 之間會(huì)形成胸腺嘧啶-Hg 2+ -胸腺嘧啶(T-Hg 2+ -T)結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)相鄰 AuNPs 聚集，溶液顏色由紅變藍(lán)，如圖 1 所示。巰基化單鏈 DNA 價(jià)格昂貴，且較不穩(wěn)定。為降低成本，提高穩(wěn)定性，近年來也采用其他修飾劑，如 N-1-(2- 巰基)胸腺嘧啶[12]、硫醇化羅丹寧[13]等。

　　非交聯(lián)聚集機(jī)制為：AuNPs 表面的保護(hù)劑與 Hg2+相互作用并脫落，導(dǎo)致 AuNPs 失去保護(hù)并聚集。以單鏈 DNA-AuNPs 為例，將富含 T 的單鏈 DNA 吸附在 AuNPs 表面，借助單鏈 DNA 的高電荷密度，產(chǎn)生靜電排斥防止 AuNPs 受鹽誘導(dǎo)的聚集。而在引入 Hg2+后，由于趨于形成了更穩(wěn)定 T-Hg2+ -T 結(jié)構(gòu)，單鏈 DNA 產(chǎn)生發(fā)夾結(jié)構(gòu)，從 AuNPs 的表面脫落，使得 AuNPs 在相同鹽濃度下聚集。基于該方法 Liu 等[14]實(shí)現(xiàn)低至 250 nmol/L 的 Hg2+的檢出限(LOD)(圖 2)。Memon 等[15]在此基礎(chǔ)上對(duì)單鏈 DNA 的序列進(jìn)行優(yōu)化，使形成 T-Hg2+ -T 介導(dǎo)的發(fā)夾結(jié)構(gòu)后，無未配對(duì)堿基，避免了殘留堿基與 AuNPs 的靜電作用，將 LOD 值降低到 15 nmol/L，靈敏度高了約 15 倍。

　　與誘導(dǎo)聚集法相反，抑制聚集法是通過 Hg2+將 AuNPs 從聚集態(tài)恢復(fù)到分散態(tài)的一種比色法，該方法適合檢測(cè)濃度較低的 Hg 2+。此外，相比于誘導(dǎo)聚集，該方法可以避免金溶膠不穩(wěn)定自團(tuán)聚而導(dǎo)致的假陽性。如 Tang 等[16]發(fā)現(xiàn) N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)會(huì)與 AuNPs 形成強(qiáng)的 Au-S 鍵，誘導(dǎo) AuNPs 聚集。當(dāng) Hg2+ 存在時(shí)，由于 NAC 與 Hg2+親和力強(qiáng)于 NAC 與 AuNPs 的親和力，形成的 Hg2+ -NAC 復(fù)合物可抑制 NAC-AuNPs 之間相互作用，使 AuNPs 恢復(fù)分散態(tài)，從而實(shí)現(xiàn) Hg2+的檢測(cè)。Memon 團(tuán)隊(duì)[17]設(shè)計(jì)的末端富含 T 的 DNA 發(fā)夾環(huán)探針能特異識(shí)別 Hg2+，當(dāng) Hg2+存在時(shí)，T-Hg2+ -T 結(jié)構(gòu)形成使發(fā)夾環(huán)狀末端閉合，觸發(fā) Cd 2+輔助的 Exo-Ⅲ將發(fā)夾環(huán)狀 DNA 序列消化成單鏈 DNA 片段和單核苷酸，而釋放的單鏈 DNA 將會(huì)吸附到 AuNPs 表面，抑制鹽誘導(dǎo) AuNPs 聚集，該方法可用于檢測(cè)濃度低至 0.2 nmol/L 的 Hg2+，且在 0.5~5.0 nmol/L 范圍內(nèi)具有良好的線性。

　　2 熒光傳感器

　　熒光法是通過檢測(cè)物質(zhì)的熒光強(qiáng)度和波長的變化，進(jìn)行定量分析的一種檢測(cè)分析方法，該方法因簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于環(huán)境檢測(cè)分析中。迄今為止，已經(jīng)有很多用于檢測(cè) Hg2+的熒光傳感器，根據(jù)熒光強(qiáng)度的變化方式其機(jī)制主要分為熒光“關(guān)閉(turn off)”和熒光“打開(turn on)”2 種。

　　熒光“關(guān)閉(turn off)”機(jī)制是基于熒光基團(tuán)在 Hg2+存在時(shí)發(fā)生的熒光猝滅現(xiàn)象。最經(jīng)典的是利用量子點(diǎn)(QDs)與金屬(如 AuNPs)相互作用，使 QDs 的熒光猝滅。如以氧化石墨烯為基底的 QD-DNA-AuNPs 三元一體的熒光傳感器。該傳感器利用 Hg2+能誘導(dǎo)單鏈 DNA 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使單鏈 DNA 兩端的 QDs 與 AuNPs 接近，發(fā)生共振能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致 QDs 熒光猝滅[18]。另一種則是基于超小發(fā)光 AuNPs 的熒光猝滅，如 Ma 等[19]使用 L-半胱氨酸(Cys)修飾的 AuNP(Cys-AuNP)作為熒光探針，引入 Hg2+后，由于 Hg2+ -Au + 和 Hg 2+ -氨基/羧基相互作用，導(dǎo)致熒光猝滅，此探針的靈敏度為 1.3 nmol/L。

　　熒光“打開(turn on)”機(jī)制是指 Hg2+存在時(shí)熒光信號(hào)增強(qiáng)現(xiàn)象。由于“關(guān)閉”機(jī)制會(huì)受實(shí)際樣品中其他淬滅劑的影響產(chǎn)生假陽性信號(hào)，而熒光“打開”機(jī)制中無淬滅劑干擾，因此熒光“打開”機(jī)制相對(duì)于 “關(guān)閉”機(jī)制更可信[20]。最典型的“打開”機(jī)制是依靠 Hg2+與 AuNPs 結(jié)合為汞合金，將 AuNPs 表面被猝滅的熒光基團(tuán)重新釋放出來。如 Tang 團(tuán)隊(duì)[21]通過 Hg2+取代 AuNPs 表面吸附的熒光基團(tuán) 1-吡啶丁酸(PBA)，使 PBA 從 AuNPs 表面脫落，恢復(fù)熒光信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn) Hg2+的檢測(cè)。

　　3 SERS 傳感器

　　SERS 傳感器通過拉曼光譜的變化對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性或者定量分析。SERS 技術(shù)無需煩瑣的樣品預(yù)處理，檢測(cè)周期短，水中干擾小，十分適用于樣品的快速分析，同時(shí) SERS 可以提供分子結(jié)構(gòu)上的細(xì)節(jié)，便于對(duì)原理的探究。然而，由于 Hg2+弱的拉曼信號(hào)，因此通常需要借助拉曼信號(hào)分子來間接檢測(cè) Hg2+。

　　拉曼信號(hào)分子是 SERS 檢測(cè) Hg2+的重要手段之一，通常根據(jù)拉曼信號(hào)強(qiáng)度或指紋峰的變化來判斷 Hg2+ 的濃度。拉曼信號(hào)強(qiáng)度的變化可以分為 2 種：信號(hào)增強(qiáng)和信號(hào)減弱。信號(hào)增強(qiáng)，如 Sun 等[22]通過 Au-S 鍵將含有拉曼信號(hào)分子的單鏈 DNA 固定在 AuNPs 修飾的硅納米線陣列基底上，當(dāng)引入 Hg2+后，由于“T-T” 錯(cuò)配的形成，單鏈 DNA 轉(zhuǎn)化為發(fā)夾結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致拉曼信號(hào)分子離基底更近，使 SERS 信號(hào)明顯增強(qiáng)。信號(hào)減弱，如 Senapati 等[23]合成色氨酸作為拉曼信號(hào)分子的爆米花型 AuNPs，當(dāng) Hg2+存在時(shí)，色氨酸與 Hg2+ 相互作用并從 AuNPs 表面脫落，導(dǎo)致 SERS 信號(hào)急劇下降。相比于拉曼信號(hào)強(qiáng)度的變化，拉曼信號(hào)指紋峰的變化具有更高的特異性，更精確。Guerrini 等[24]將 4-巰基吡啶(4-MPY)修飾到 AuNPs@PS 基底上，通過 4-MPY 上多齒 N 對(duì) Hg2+的螯合，改變 4-MPY 的拉曼指紋峰，使 777 cm-1 處的峰有明顯降低，相較于拉曼光譜整體信號(hào)的增加或減弱，單個(gè)指紋峰的變化可避免基底不均一造成的誤差，更具有代表性(圖 3)。更重要的是，4-MPY 上 N 原子也可與 CH3Hg+實(shí)現(xiàn)配位，導(dǎo)致 526 cm-1 和 1167 cm-1 處出現(xiàn)新的指紋峰，實(shí)現(xiàn) CH3Hg+的檢測(cè)。相比于其他方法，該方法能同時(shí)實(shí)現(xiàn)了不同形態(tài)汞的定性和定量檢測(cè)，Hg2+、 CH3Hg+的檢出限分別達(dá)到 0.5、7.5 nmol/L。

　　利用基底增強(qiáng)因子的變化，導(dǎo)致 SERS 信號(hào)強(qiáng)弱的改變來檢測(cè) Hg2+的方法較為新興。Li 等[25]利用適配體(Apt)與石墨烯(GO)結(jié)合形成 Apt-GO 復(fù)合物，抑制 GO 催化檸檬酸三納-HAuCl4-納米粒子反應(yīng)，而 Hg2+存在時(shí)，Apt 與 Hg2+的親和力大于 GO，從而形成穩(wěn)定 Hg2+ -Apt 配合物并從 GO 表面分離出來，導(dǎo)致 GO 恢復(fù)催化作用，生成大顆粒 AuNP 粒子，SERS 信號(hào)增強(qiáng)。

　　4 電化學(xué)傳感器

　　電化學(xué)法相對(duì)于其他方法，是一種高靈敏度和高選擇性的重金屬原位檢測(cè)方法，通過陽極電極對(duì)低濃度的 Hg2+的進(jìn)行快速預(yù)濃縮，從而實(shí)現(xiàn)高精度、靈敏的檢測(cè)，并且因低成本、可制成便攜式儀器檢測(cè)系統(tǒng)而備受關(guān)注。近年來，電化學(xué)法檢測(cè) Hg2+以陽極電極修飾可以分為納米結(jié)構(gòu)電極法和 DNA 修飾電極法。

　　納米結(jié)構(gòu)電極主要選用絡(luò)合能力高、對(duì)重金屬親和力強(qiáng)的納米材料制備電極，以便于溶液中的金屬的預(yù)濃縮。AuNPs 因?qū)哂懈哂H和力，并且可以通過電沉積法將 Hg2+還原成單層 Hg0，成為 Hg2+檢測(cè)中陽極電極的優(yōu)良表面材料。如 Bui 等[26]研發(fā)出以 AuNPs 為表面材料的電化學(xué)紙基傳感器，該傳感器用硒顆粒(SePs)和 AuNPs 將一次性碳紙功能化，由于 AuNPs 和 SePs 對(duì) Hg2+的高親和力，Hg2+成核能力增強(qiáng)，微分脈沖溶出陽極伏安法(DPSV)掃描下，電流峰值隨 Hg 2+濃度增大而增大，十分適用于湖水和農(nóng)業(yè)用水等實(shí)地檢測(cè)。最近，Guan 等[27]研發(fā)出 AuNPs-碳布復(fù)合電極檢測(cè) Hg2+，該電極具有良好的重復(fù)性，基于此構(gòu)建了連續(xù)流動(dòng)電化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)時(shí)間更短，線性范圍更寬，有望被廣泛用于環(huán)境水體中重金屬的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

　　DNA 修飾電極檢測(cè)法因 Hg2+與 DNA 鏈上 T 具有強(qiáng)結(jié)合力，故而能預(yù)濃縮濃度極低的 Hg2+到電極表面，靈敏度很高，備受研究者青睞。最典型的是 Miao 等[28]在 AuNPs 和金電極上分別負(fù)載巰基化單鏈 DNA 探針，當(dāng)引入 Hg2+后，通過 T-Hg2+ -T 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩探針的連接，同時(shí)溶液中電化學(xué)活性物質(zhì)[Ru(NH3)6] 3+與 DNA 鏈的陰離子磷酸鹽結(jié)合嵌入 DNA 雙鏈，在循環(huán)伏安法(CV)掃描下，電流峰值增大，LOD 值為 10 nmol/L。最近研究發(fā)現(xiàn)，與 DNA 鏈上 T 堿基相比，單獨(dú)的 T 堿基與 Hg2+之間空間位阻更小，親和力更強(qiáng)，更容易形成配位捕獲 Hg2+。Wang 的團(tuán)隊(duì)[29]制備出 T 堿基修飾的 AuNPs/還原氧化石墨烯(rGO)為電極的傳感器，利用差分脈沖伏安法(DPV)測(cè)其電化學(xué)響應(yīng)，該系統(tǒng)的 LOD 低至 7.5 pmol/L 且檢測(cè)范圍更廣。

　　綜上所述，各類基于 AuNPs 的汞離子傳感器互有優(yōu)點(diǎn)，可以在不同條件和要求下使用，表 1 詳述了各類傳感器的 LOD 和檢測(cè)線性范圍。

　　5 結(jié)果與展望

　　近年來基于 AuNPs 的汞離子傳感器發(fā)展迅速，已有比色法傳感器、熒光傳感器、SERS 傳感器和電化學(xué)傳感器等多類傳感器。比色法傳感器具有簡(jiǎn)單、快捷、現(xiàn)象肉眼可見等優(yōu)點(diǎn)，但大多數(shù)功能化 AuNPs 在復(fù)雜的環(huán)境樣品中是不穩(wěn)定的，如 AuNPs 在高鹽濃度下易團(tuán)聚，待測(cè)水體的濁度也會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果;熒光傳感器的檢測(cè)精度和靈敏度高于比色法傳感器，但是常用的熒光納米材料易受軟金屬鎘或鉛的影響; SERS 傳感器方便快捷，但基底再現(xiàn)性、定量能力仍然是一個(gè)挑戰(zhàn);電化學(xué)傳感器納米粒子和 DNA 對(duì)電極修飾很大程度提高了電化學(xué)測(cè)量的選擇性和靈敏度，但多數(shù)傳感器在利用 DNA 時(shí)，其固有的生物材料存在工作條件特異性強(qiáng)、穩(wěn)定性差、測(cè)定方法復(fù)雜等。

　　目前，基于 AuNPs 傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些局限性，特別是復(fù)雜生物流體(如尿液、血清和血液)。在制備定制尺寸和形狀的多功能 AuNPs 方面，多種技術(shù)的結(jié)合以及便攜式分離技術(shù)取得的進(jìn)展有望克服當(dāng)前的局限性。此外，由于 CH3Hg+的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 Hg2+，基于 AuNPs 的 CH3Hg+傳感器也應(yīng)得到重視。雖然，近年陸續(xù)有各種檢測(cè) CH3Hg+的傳感器出現(xiàn)，但該類型的研究仍然有限，仍需更加努力開發(fā)此類傳感器。