基于納米金的汞離子傳感器研究進展

　　摘要：綜述了近年來基于納米金的 Hg2+傳感器研究進展，包括比色法、熒光法、電化學法和表面增強拉曼散射(SERS)法，詳述了各種傳感器的機理及優缺點，并對未來的挑戰和發展機遇進行了展望。

　　本文源自李巖; 吳鵬; 鐘鷺斌; 鄭煜銘， 現代化工 發表時間：2021-06-25

　　關鍵詞：納米金;汞離子;傳感器;比色法;熒光法;電化學法;表面增強拉曼散射

　　隨著現代工業的快速發展，環境污染問題日趨嚴峻。在各類環境污染中，重金屬污染因高毒性、難降解性和生物富集性等特點，成為最嚴重的污染問題之一。汞是一種毒性極強的重金屬，即使濃度很低，也會對人類肝臟、神經和視力造成不可逆轉的傷害[1]。在自然環境中，汞主要以元素汞(Hg)、無機汞(Hg2+)、有機汞(主要有 CH3Hg+)3 種形式存在[2]。工業排放是汞污染的主要來源，其中 Hg2+為主要污染物之一，為此，我國設置了嚴格的水體汞衛生標準：工業企業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]。

　　傳統的 Hg2+檢測方法包括原子吸收光譜法(AAS)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)等[4]。這些檢測方法雖能精準檢測 Hg2+，但復雜的檢測步驟、昂貴的實驗儀器和較長的檢測時間嚴重阻礙了其發展和普及[4]。因此，發展高效、便捷和低成本的 Hg2+檢測技術至關重要。

　　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 具有許多獨特的性質，如小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等[6]。基于這些獨特的性質，AuNPs 在比色、熒光、電化學和 SERS 等檢測領域具有廣泛的應用。

　　本文中以精確、便捷、低成本檢測水中痕量 Hg2+為出發點，介紹了基于 AuNPs 傳感器的研究進展、發展前景及面臨的挑戰，希望為后續研究與應用提供參考。

　　1 比色法傳感器

　　比色法是指通過紫外光譜對溶液的吸收波長及吸收強度進行定性或定量分析的方法，最直觀的現象就是待檢測物質顏色的變化[7]。該方法具有便捷、現象肉眼可見、成本低等優點，已廣泛用于各種化學分析領域[8]。Hg2+比色法傳感器基本原理是通過 Hg2+誘導 AuNPs 的聚集或分散，進而導致 AuNPs 溶液顏色變化(分散態的 AuNPs 溶液呈紅色，在 520 nm 左右處有強吸收峰;聚集態的 AuNPs 溶液吸收峰發生紅移，顯藍色)[9]，從而實現對 Hg2+含量的分析。已報道的比色法傳感器機制主要分為誘導 AuNPs 聚集和抑制 AuNPs 聚集，其中誘導聚集可進一步分為交聯聚集和非交聯聚集[10]。

　　交聯聚集是指通過 AuNPs 表面的修飾劑與 Hg2+作用，促使相鄰 AuNPs 粒子聚集。Mirkin 團隊[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 Hg 2+存在時，2 種巰基化單鏈 DNA 之間會形成胸腺嘧啶-Hg 2+ -胸腺嘧啶(T-Hg 2+ -T)結構，誘導相鄰 AuNPs 聚集，溶液顏色由紅變藍，如圖 1 所示。巰基化單鏈 DNA 價格昂貴，且較不穩定。為降低成本，提高穩定性，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。

　　非交聯聚集機制為：AuNPs 表面的保護劑與 Hg2+相互作用并脫落，導致 AuNPs 失去保護并聚集。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，產生靜電排斥防止 AuNPs 受鹽誘導的聚集。而在引入 Hg2+后，由于趨于形成了更穩定 T-Hg2+ -T 結構，單鏈 DNA 產生發夾結構，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]實現低至 250 nmol/L 的 Hg2+的檢出限(LOD)(圖 2)。Memon 等[15]在此基礎上對單鏈 DNA 的序列進行優化，使形成 T-Hg2+ -T 介導的發夾結構后，無未配對堿基，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。

　　與誘導聚集法相反，抑制聚集法是通過 Hg2+將 AuNPs 從聚集態恢復到分散態的一種比色法，該方法適合檢測濃度較低的 Hg 2+。此外，相比于誘導聚集，該方法可以避免金溶膠不穩定自團聚而導致的假陽性。如 Tang 等[16]發現 N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)會與 AuNPs 形成強的 Au-S 鍵，誘導 AuNPs 聚集。當 Hg2+ 存在時，由于 NAC 與 Hg2+親和力強于 NAC 與 AuNPs 的親和力，形成的 Hg2+ -NAC 復合物可抑制 NAC-AuNPs 之間相互作用，使 AuNPs 恢復分散態，從而實現 Hg2+的檢測。Memon 團隊[17]設計的末端富含 T 的 DNA 發夾環探針能特異識別 Hg2+，當 Hg2+存在時，T-Hg2+ -T 結構形成使發夾環狀末端閉合，觸發 Cd 2+輔助的 Exo-Ⅲ將發夾環狀 DNA 序列消化成單鏈 DNA 片段和單核苷酸，而釋放的單鏈 DNA 將會吸附到 AuNPs 表面，抑制鹽誘導 AuNPs 聚集，該方法可用于檢測濃度低至 0.2 nmol/L 的 Hg2+，且在 0.5~5.0 nmol/L 范圍內具有良好的線性。

　　2 熒光傳感器

　　熒光法是通過檢測物質的熒光強度和波長的變化，進行定量分析的一種檢測分析方法，該方法因簡單、快捷等優點而廣泛用于環境檢測分析中。迄今為止，已經有很多用于檢測 Hg2+的熒光傳感器，根據熒光強度的變化方式其機制主要分為熒光“關閉(turn off)”和熒光“打開(turn on)”2 種。

　　熒光“關閉(turn off)”機制是基于熒光基團在 Hg2+存在時發生的熒光猝滅現象。最經典的是利用量子點(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+能誘導單鏈 DNA 形成發夾結構，使單鏈 DNA 兩端的 QDs 與 AuNPs 接近，發生共振能量轉移，導致 QDs 熒光猝滅[18]。另一種則是基于超小發光 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，導致熒光猝滅，此探針的靈敏度為 1.3 nmol/L。

　　熒光“打開(turn on)”機制是指 Hg2+存在時熒光信號增強現象。由于“關閉”機制會受實際樣品中其他淬滅劑的影響產生假陽性信號，而熒光“打開”機制中無淬滅劑干擾，因此熒光“打開”機制相對于 “關閉”機制更可信[20]。最典型的“打開”機制是依靠 Hg2+與 AuNPs 結合為汞合金，將 AuNPs 表面被猝滅的熒光基團重新釋放出來。如 Tang 團隊[21]通過 Hg2+取代 AuNPs 表面吸附的熒光基團 1-吡啶丁酸(PBA)，使 PBA 從 AuNPs 表面脫落，恢復熒光信號，進而實現 Hg2+的檢測。

　　3 SERS 傳感器

　　SERS 傳感器通過拉曼光譜的變化對物質進行定性或者定量分析。SERS 技術無需煩瑣的樣品預處理，檢測周期短，水中干擾小，十分適用于樣品的快速分析，同時 SERS 可以提供分子結構上的細節，便于對原理的探究。然而，由于 Hg2+弱的拉曼信號，因此通常需要借助拉曼信號分子來間接檢測 Hg2+。

　　拉曼信號分子是 SERS 檢測 Hg2+的重要手段之一，通常根據拉曼信號強度或指紋峰的變化來判斷 Hg2+ 的濃度。拉曼信號強度的變化可以分為 2 種：信號增強和信號減弱。信號增強，如 Sun 等[22]通過 Au-S 鍵將含有拉曼信號分子的單鏈 DNA 固定在 AuNPs 修飾的硅納米線陣列基底上，當引入 Hg2+后，由于“T-T” 錯配的形成，單鏈 DNA 轉化為發夾結構，導致拉曼信號分子離基底更近，使 SERS 信號明顯增強。信號減弱，如 Senapati 等[23]合成色氨酸作為拉曼信號分子的爆米花型 AuNPs，當 Hg2+存在時，色氨酸與 Hg2+ 相互作用并從 AuNPs 表面脫落，導致 SERS 信號急劇下降。相比于拉曼信號強度的變化，拉曼信號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 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的增加或減弱，單個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+實現配位，導致 526 cm-1 和 1167 cm-1 處出現新的指紋峰，實現 CH3Hg+的檢測。相比于其他方法，該方法能同時實現了不同形態汞的定性和定量檢測，Hg2+、 CH3Hg+的檢出限分別達到 0.5、7.5 nmol/L。

　　利用基底增強因子的變化，導致 SERS 信號強弱的改變來檢測 Hg2+的方法較為新興。Li 等[25]利用適配體(Apt)與石墨烯(GO)結合形成 Apt-GO 復合物，抑制 GO 催化檸檬酸三納-HAuCl4-納米粒子反應，而 Hg2+存在時，Apt 與 Hg2+的親和力大于 GO，從而形成穩定 Hg2+ -Apt 配合物并從 GO 表面分離出來，導致 GO 恢復催化作用，生成大顆粒 AuNP 粒子，SERS 信號增強。

　　4 電化學傳感器

　　電化學法相對于其他方法，是一種高靈敏度和高選擇性的重金屬原位檢測方法，通過陽極電極對低濃度的 Hg2+的進行快速預濃縮，從而實現高精度、靈敏的檢測，并且因低成本、可制成便攜式儀器檢測系統而備受關注。近年來，電化學法檢測 Hg2+以陽極電極修飾可以分為納米結構電極法和 DNA 修飾電極法。

　　納米結構電極主要選用絡合能力高、對重金屬親和力強的納米材料制備電極，以便于溶液中的金屬的預濃縮。AuNPs 因對汞具有高親和力，并且可以通過電沉積法將 Hg2+還原成單層 Hg0，成為 Hg2+檢測中陽極電極的優良表面材料。如 Bui 等[26]研發出以 AuNPs 為表面材料的電化學紙基傳感器，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 Hg2+的高親和力，Hg2+成核能力增強，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業用水等實地檢測。最近，Guan 等[27]研發出 AuNPs-碳布復合電極檢測 Hg2+，該電極具有良好的重復性，基于此構建了連續流動電化學檢測系統，檢測時間更短，線性范圍更寬，有望被廣泛用于環境水體中重金屬的在線實時監測。

　　DNA 修飾電極檢測法因 Hg2+與 DNA 鏈上 T 具有強結合力，故而能預濃縮濃度極低的 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 和金電極上分別負載巰基化單鏈 DNA 探針，當引入 Hg2+后，通過 T-Hg2+ -T 結構實現兩探針的連接，同時溶液中電化學活性物質[Ru(NH3)6] 3+與 DNA 鏈的陰離子磷酸鹽結合嵌入 DNA 雙鏈，在循環伏安法(CV)掃描下，電流峰值增大，LOD 值為 10 nmol/L。最近研究發現，與 DNA 鏈上 T 堿基相比，單獨的 T 堿基與 Hg2+之間空間位阻更小，親和力更強，更容易形成配位捕獲 Hg2+。Wang 的團隊[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)測其電化學響應，該系統的 LOD 低至 7.5 pmol/L 且檢測范圍更廣。

　　綜上所述，各類基于 AuNPs 的汞離子傳感器互有優點，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 和檢測線性范圍。

　　5 結果與展望

　　近年來基于 AuNPs 的汞離子傳感器發展迅速，已有比色法傳感器、熒光傳感器、SERS 傳感器和電化學傳感器等多類傳感器。比色法傳感器具有簡單、快捷、現象肉眼可見等優點，但大多數功能化 AuNPs 在復雜的環境樣品中是不穩定的，如 AuNPs 在高鹽濃度下易團聚，待測水體的濁度也會干擾檢測結果;熒光傳感器的檢測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，但基底再現性、定量能力仍然是一個挑戰;電化學傳感器納米粒子和 DNA 對電極修飾很大程度提高了電化學測量的選擇性和靈敏度，但多數傳感器在利用 DNA 時，其固有的生物材料存在工作條件特異性強、穩定性差、測定方法復雜等。

　　目前，基于 AuNPs 傳感器在實際應用中仍存在一些局限性，特別是復雜生物流體(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，多種技術的結合以及便攜式分離技術取得的進展有望克服當前的局限性。此外，由于 CH3Hg+的危害遠遠大于 Hg2+，基于 AuNPs 的 CH3Hg+傳感器也應得到重視。雖然，近年陸續有各種檢測 CH3Hg+的傳感器出現，但該類型的研究仍然有限，仍需更加努力開發此類傳感器。