纳米光学传感器用于检测汞离子

沈洋; 胡继文; 刘婷婷; 郜洪文; 胡张军

doi:10.7536/PC180933

化学进展 ›› 2019, Vol. 31 ›› Issue (4) :536-549 DOI: 10.7536/PC180933

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纳米光学传感器用于检测汞离子

沈洋 ¹ ,
胡继文 ² ,
刘婷婷 ¹ ,
郜洪文 ¹^,^** ,
胡张军 ²^,^**

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Colorimetric and Fluorogenic Chemosensors for Mercury Ion Based on Nanomaterials

Yang Shen ¹ ,
Jiwen Hu ² ,
Tingting Liu ¹ ,
Hongwen Gao ¹^,^** ,
Zhangjun Hu ²^,^**

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摘要

汞离子是毒性最大的重金属之一,对环境和人体都会造成严重的不良影响,开发能够快速检测环境中汞离子的分析方法引起了越来越多的关注。纳米材料由于其优良的光学性能和良好的稳定性,被广泛用于环境中汞离子的检测。本文主要综述了近年来一些代表性的基于纳米材料的汞离子荧光、比色传感器。根据纳米材料的不同,将这些传感器分为基于金、银、碳和硅基材料,以及量子点、有机纳米颗粒和其他纳米基材料的荧光、比色传感器,并分别从设计原理、识别性能和实际应用等方面对这些传感器进行了描述和讨论。最后对该领域的研究和发展提出了展望。

Abstract

Mercury ion(Hg²⁺) is one of the most toxic heavy metals that has severe adverse effects on the environment and humans. Therefore, more and more attention has been paid to developing analytical approaches for the rapid detection of Hg²⁺. Nanomaterials are widely used for Hg²⁺ detection due to their potential optical advantages and stability. The nanosensors for Hg²⁺in recent years are highlighted in this review. According to the composition of nanomaterials, these sensors can be divided into nanosensors based on gold, silver, carbon and silicon nanomaterials, quantum dots, organic nanoparticles and other nanomaterials. These nanosensors are described and discussed respectively in terms of design principle, identification performance and practical application. Finally, the research prospect in this field is presented.

Graphical abstract

关键词

汞离子 / 纳米材料 / 荧光 / 比色 / 传感器

Key words

Hg²⁺ / nanomaterials / fluorescence / colorimetry / sensor

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沈洋, 胡继文, 刘婷婷, 郜洪文, 胡张军. 纳米光学传感器用于检测汞离子[J]. 化学进展, 2019, 31(4): 536-549 DOI:10.7536/PC180933

Yang Shen, Jiwen Hu, Tingting Liu, Hongwen Gao, Zhangjun Hu. Colorimetric and Fluorogenic Chemosensors for Mercury Ion Based on Nanomaterials[J]. Progress in Chemistry, 2019, 31(4): 536-549 DOI:10.7536/PC180933

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1 Introduction

2 Nanosensors based on gold nanoparticles and gold nanoclusters

2. 1 Nanosensors based on gold nanoparticles

2. 2 Nanosensors based on gold nanoclusters

3 Nanosensors based on silver nanomaterials

3. 1 Nanosensors based on silver nanoparticles

3. 2 Nanosensors based on silver nanoclusters

3. 3 Nanosensors based on silver nanotriangles

4 Nanosensors based on semiconductor quantum dots

5 Nanosensors based on carbon nanodots and graphene

6 Nanosensors based on silicon nanomaterials, organic nanoparticles, and other nanomaterials

6. 1 Nanosensors based on silicon nanomaterials

6. 2 Nanomaterials based on organic nanoparticles

6. 3 Nanomaterials based on other nanomaterials

7 Conclusion and outlook

1 引言

近年来,利用传感器对生物或者环境中的重金属离子进行检测备受环保人士和化学家的重视^{[1,2,3,4,5,6,7,8]}。汞离子因其极高的毒性和较强的生物累积性,成为对人体健康和环境最有害的金属之一。长期接触汞不仅会对人体的皮肤造成损害(如红斑),还会引起一系列心血管疾病(如心肌梗死、冠心病、中风)^[9]。除此之外,汞还会对泌尿系统、生殖系统、消化系统等产生毒性^[9,10]。严重时还会对中枢神经系统造成严重损伤,比如引起阿尔茨海默病和帕金森病^[9]。因此,对环境中的汞离子进行快速检测,并实时检测环境中汞的浓度变化,具有十分重要的意义。

检测汞离子的传统方法有原子吸收光谱(AAS)^[11]、原子发射光谱(AES)^[12]、原子荧光光谱(AFS)^[13]、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)^[14]、电化学法^[15]等。这些传统方法所需成本高,且都需要大量的仪器设备和复杂的预处理以及检测过程^[16]。为了克服上述方法的局限性,探索新的汞离子检测方法是很有必要的。与传统检测方法相比,汞离子荧光、比色传感器因为具有易于合成、检测快速、操作简单、灵敏度高、受干扰小或者不受干扰以及可以应用于生物或环境系统等优点^[17,18],近年来成为了科学家研究的重点。汞离子荧光、比色传感器主要包括分子传感器和纳米材料传感器。与常见的基于有机分子的汞离子比色、荧光传感器^{[19,20,21,22,23]}相比,汞离子纳米荧光、比色传感器由于其具有结构稳定、易于合成、表面活性较高以及吸附能力较强等优点^[24],已逐渐引起人们越来越多的关注。随着纳米科学与纳米技术的蓬勃发展,出现了形态各异的纳米材料。基于不同纳米材料的汞离子荧光、比色传感器的报道也层出不穷。

本文综述了近年来所报道的一些汞离子荧光、比色纳米传感器。根据纳米材料的不同,将它们分为基于金、银、碳和硅纳米材料、量子点、有机纳米颗粒和其他纳米材料的汞离子传感器,并分别对其进行了描述和讨论。

2 基于金纳米颗粒和金纳米团簇的纳米传感器

金纳米颗粒由于其具有表面等离子体共振、荧光性质、水溶性好、生物相容性高、体积小、毒性低等特性,长期以来被用于环境中的汞离子检测^{[25,26,27,28,29]}。金纳米团簇由成十上百个金原子组成,由于其独特的荧光性质,也被列入本研究之中。金纳米材料可以应用于汞离子比色传感器,通过肉眼直接观察溶液颜色的变化实现对汞离子的检测;也可以应用于汞离子荧光传感器中,实现对环境和生物样品中汞离子的简单、快速检测^[30]。近年来,有许多基于金纳米材料的比色、荧光传感器被报道。

2.1 基于金纳米颗粒的纳米传感器

(1)比色传感型

金纳米颗粒的局域表面等离子体共振荧光取决于材料的组成、粒径、形状、粒子间的距离和介质环境,任何一个参数发生变化都会改变等离子体共振频率,并伴随着纳米颗粒溶液颜色的变化^[16]。

通过形成合金导致金纳米颗粒的蚀刻,从而实现对于汞离子的比色检测是常见的检测机制^[31]。Zohora等^[32]报道了一种利用生物合成金纳米颗粒对汞离子进行快速比色检测的方法。他们用肉桂叶提取物合成得到具有可控光学性质的金纳米颗粒,利用汞与金结合成金汞合金的能力,对汞离子进行检测(图1)。实验表明,这种汞离子传感器无论是独立用于传统分析,还是与其他检测手段结合用于判别分析,在检测水中的汞离子方面都较有潜力。

汞离子诱导纳米材料聚集,也是设计汞离子比色传感器的主要策略^[33]。Wang等^[34]报道了一种基于三聚硫氰酸-金纳米颗粒(TMT-AuNPs)的比色传感器,可实现汞离子的选择性检测。这种利用三聚硫氰酸(TMT)功能化的金纳米颗粒,不仅可以实现对于汞离子的高灵敏度和选择性检测,同时还可以实现对镉离子、抗坏血酸(AA)的检测。将三聚硫氰酸-金纳米颗粒分散在氯化钠溶液中,加入汞离子后,由于汞离子与TMT之间的强相互作用,诱导TMT-AuNPs团聚,从而引起颜色变化(图2)。该传感器可以定量检测汞离子的线性范围为5×10^-9~1×10^-6 M,检出限为2.8 nM。

由于DNA链中的胸腺嘧啶(T)能与Hg²⁺结合形成稳定的T-Hg²⁺-T复合物,基于DNA/AuNPs的多种比色传感器被开发用于选择性检测Hg^2+[35]。Wang等^[36]报道了一种基于核酸适配体功能化的磁性金纳米颗粒和杂交链式反应的汞离子纳米比色传感器。他们将磁性金纳米颗粒分散在核酸适配体溶液中,形成核酸适配体功能化的磁性金纳米颗粒。亚甲基蓝(MB)是一种有机染料,它可以通过形成π-π键插入到双链DNA(dsDNA)中。将核酸适配体功能化的磁性金纳米颗粒加入到含有MB、HP1、HP2的反应溶液中,可以引发杂交链式反应,MB则嵌入到dsDNA中。汞离子通过与胸腺嘧啶(T)形成T-Hg²⁺-T,可以抑制杂交链式反应,使得更少的MB嵌入到dsDNA中。对携带汞离子的磁性纳米颗粒进行磁分离,随着汞离子浓度的增加,残余的MB溶液在663 nm处的吸光度逐渐增大,溶液的颜色也逐渐变蓝。该纳米比色传感器对于汞离子的检出限为0.7 nM,线性检测范围为1~300 nM。

(2)荧光/比色双模式传感型

Yu等^[37]基于该检测机理,对金纳米粒子进行多功能化修饰,实现了水溶液中汞离子的荧光/比色双模式检测。两种方法都对Hg²⁺的测定表现出高度选择性。由于杂交链扩增效应,利用荧光法可实现对Hg²⁺的高灵敏度检测,检测限可达0.1 nM。利用比色法测量Hg²⁺更加直观,能够肉眼识别浓度低于1.0 nM的汞离子。显而易见,若测定复杂的环境样品中的目标离子浓度,荧光传感是更好的选择。

2.2 基于金纳米团簇的纳米传感器

与金纳米颗粒相比,金纳米团簇具有更高的荧光量子产率和更小的尺寸,这使得金纳米团簇呈现出紧密的电子状态和尺寸依赖性荧光^[30]。

(1)比率荧光型

目前大多数荧光传感器都是基于汞离子诱导的单发射信号的猝灭或增强。但荧光信号容易受到多种因素的干扰,比如探针浓度、仪器仪表、环境条件等。相较而言,比率型荧光传感器,可基于两个独立的不同波长下的荧光强度的比值变化对汞离子进行有效分析和测定,这种两个或两个以上的荧光发射峰的自校正,具有良好的抗干扰性和稳定性^[38,39]。因此,科研工作者利用金属离子导致的荧光增强或猝灭作为响应信号,外加不同发射波长的染料发射的特征荧光为标准信号,实现双波长下的比率测定。

基于双波长下的比率荧光测定,Deng等^[40]报道了一种混合荧光素的金纳米团簇,可实现对汞的可视化检测。红色荧光的牛血清白蛋白-金纳米团簇(BSA-AuNCs)和绿色荧光的荧光素共存可以用于汞离子的比率荧光检测。在汞离子存在的情况下,BSA-AuNCs与汞离子形成金汞合金,导致BSA-AuNCs的红色荧光被猝灭。随着汞离子的浓度增加,红色荧光逐渐降低而绿色荧光逐渐增强。因此,在汞离子的浓度分别为低浓度、中浓度和高浓度下,分别呈现出交通灯型(红、黄、绿)色(图3)。该传感器对于汞离子的检出限为7.4 μg/ L。在视觉检测方面,用肉眼可以很容易地从空白对照组中检测出低至0.1 μg/mL的汞离子。

同样基于比率荧光测定的还有Liu等^[41]报道的一种基于二硫苏糖醇(DTT)改性的碳量子点-金纳米团簇(C-AuNCs)比率型荧光传感器,可以实现水中汞离子的灵敏检测。利用微波法将金晶种溶液和碳前体混合,得到C-AuNCs,该纳米簇具有双发射峰,可以实现比率检测。DTT的巯基(—SH)对汞离子具有很强的亲合力。因此,当汞离子存在时,DTT改性的C-AuNCs会把汞离子吸引到其表面附近,由于汞离子与金离子之间的强亲金属相互作用,C-AuNCs在598 nm处的荧光被猝灭,而466 nm处的荧光仍然保持恒定的强度。在紫外光的照射下,肉眼可以观察到从橙红色荧光到蓝色荧光的明显变化(图4)。该比率型荧光传感器对于汞离子的检出限为8.7 nM,在水质监测方面具有良好的应用潜力。

(2) 荧光猝灭型

荧光传感策略相继被用于检测汞离子,尤其是背景低、干扰少、特异性好的荧光增强传感备受科研工作者的关注。Wang等^[42]以富含半胱氨酸的角蛋白为模板,用银离子修饰金纳米团簇,使得金纳米团簇的荧光显著增强,合成出高强度发光的汞离子传感器AuNCs-Ag@Keratin,从而实现对汞离子的检测。加入银离子之前,AuNCs@Keratin中几乎所有的金元素都以Au⁰形式存在,而在加入银离子之后,部分Au⁰会被银离子氧化为Au⁺,存在于金纳米团簇表面的该部分Au⁺可以提高金纳米团簇的稳定性,因而显著增强金纳米团簇的红色荧光(λ_em=725 nm)(图5),且AuNCs-Ag@Keratin的红色荧光约为普通AuNCs@Keratin的5倍。除此之外,实验证明,银离子不仅可以增强金纳米团簇的荧光强度,同时也提高了粒子的分散性和稳定性。当汞离子存在时,由于Hg²⁺与Ag⁰之间发生氧化还原反应,使AuNCs-Ag@Keratin发生荧光猝灭,从而实现对汞离子的检测。该汞离子传感器对于汞离子的检测范围为2.44~2500 nM,检出限为2.31 nM。

(3)比色传感型

除了应用于荧光传感以外,金纳米团簇也可用于汞离子的比色检测。

对纳米材料进行表面修饰合成出的人工酶,由于其低毒性、良好的生物相容性和良好的催化活性,已被广泛应用于离子检测中^[43,44]。Huang等^[45]通过“一锅合成法”合成出鱼精蛋白-金纳米团簇(PRT-AuNCs),该纳米团簇具有与过氧化物酶相似的活性。实验证明,PRT-AuNCs与天然过氧化物酶相比,对3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)具有更高的亲合力,PRT-AuNCs可以催化过氧化氢氧化TMB,生成蓝色物质。汞离子可以使得PRT-AuNCs的催化活性增强。随着汞离子浓度的增加,溶液颜色逐渐由浅蓝色变为深蓝色。根据溶液颜色的变化,实现汞离子的比色检测。该汞离子比色传感器对于汞离子的检出限为1.16 nM。该研究同样为基于纳米材料的人工酶的开发提供了参考依据。

3 基于银纳米材料的纳米传感器

3. 1 基于银纳米颗粒的纳米传感器

当供体的荧光发射光谱和受体的吸收光谱存在一定有效重叠并且距离足够近时,荧光能量会由供体向受体转移,即发生荧光共振能量转移过程^[46]。基于荧光共振能量转移可以实现对于汞离子的检测^[47]。Walekar等^[48]报道了一种基于荧光共振能量转移的芘-银纳米汞离子比色传感器。芘作为供体,十六烷基三甲基溴化铵包覆的银纳米颗粒作为受体,通过荧光共振能量转移过程,能量从芘转移到银纳米颗粒,导致芘的荧光猝灭。当汞离子存在时,由于银汞合金的形成,荧光共振能量转移受阻,芘的荧光恢复,溶液颜色由黄褐色变为无色。该传感器对于汞离子的线性检测范围为0.1~0.6 μg/mL,检出限为62 ng/mL。

利用纳米颗粒表面氧化还原反应引起的表面等离子体共振吸收的变化,可以实现对于汞离子的比色检测^[49]。Sharma等^[50]报道了一种利用硫醇终止壳聚糖来包裹银纳米颗粒(Mod-Ch-AgNPs),实现对水中汞离子的选择性和灵敏性检测的纳米比色传感器。壳聚糖是一种优良的生物材料,具有良好的生物相容性和低细胞毒性。以壳聚糖的胺基和3-巯基丙酸的羧基为原料,通过酰胺偶合合成出的硫醇终止壳聚糖,用于包裹银纳米颗粒,可以克服铜离子和铁离子的干扰。当加入汞离子后,由于汞离子与银纳米颗粒之间发生氧化还原反应,导致Mod-Ch-AgNPs在400 nm处的表面等离子体共振吸收峰强度减弱,其黄色水溶液立刻变为无色,从而实现对于汞离子的比色检测。该比色传感器的检出限为5×10^-6 g/L,由于加入汞离子以后引起的颜色变化可用肉眼直接观察到,因此可用于实际检测。

同样基于表面等离子体共振,Rajamanikandan等^[51]报道了一种β-环糊精(β-CD)功能化的银纳米颗粒(β-CD AgNPs)比色传感器,用于环境水样中的汞离子和硫离子的超灵敏检测。β-CD AgNPs由湿化学方法制成,它在400 nm处显示出表面等离子体共振带。向β-CD AgNPs胶体溶液中加入汞离子和硫离子均可以使得胶体溶液的颜色立刻由黄色变为无色。但是当加入汞离子时,由于银汞合金的形成,溶液在400 nm处的表面等离子体共振带强度减弱,并且发生蓝移;而加入硫离子时,由于Ag₂S的形成,溶液在400 nm处的表面等离子体共振带强度也减弱,但没有发生明显的移动(图6)。该传感器对于汞离子的检出限为37.50×10^-9 mol·L^-1,对于硫离子的检出限为0.9×10^-9 mol·L^-1,在对环境水样中的汞离子和硫离子进行比色和快速检测方面有潜在的应用前景。

利用银纳米颗粒的催化活性,Faham等^[52]报道了一种在纳米颗粒表面原位合成俾斯麦棕R(BBR)还原产物来检测水中汞离子的比色传感器。银纳米颗粒作为催化剂,催化固定在银纳米颗粒表面的硼氢化钠还原BBR的反应,生成BBR还原产物-银纳米颗粒。加入汞离子后,汞离子与BBR的还原产物之间形成Hg²⁺-N键,致使BBR还原产物从银纳米颗粒表面释放。然后,Ag⁰与Hg²⁺之间发生氧化还原反应,生成银汞合金。随着汞离子浓度的增加,396 nm处的表面等离子体共振吸收逐渐减弱,并发生蓝移,同时伴随着溶液颜色从黄色到无色的变化。该传感器对于汞离子的检出限为6.1 nM(1.66 μg·L^-1),检测的线性范围是0.01~19.0 μM(2.72~5160 μg·L^-1)。

3.2 基于银纳米团簇的纳米传感器

通过能量转移过程,可以实现对于汞离子的检测。Li等^[53]报道了以DNA为模板的银纳米团簇作为无标记荧光传感器,通过能量转移过程,实现汞离子的高选择性和高灵敏性识别和检测。与传统的水溶性荧光金属纳米团簇相比,他们报道的是一个使用ssDNA为模板的银纳米团簇(ssDNA-AgNCs)构建的无标记荧光传感器,使得量子产率明显提高。在汞离子存在时,ssDNA-AgNCs为供体,汞离子为受体,通过有效的能量转移,使得ssDNA-AgNCs的荧光强度显著降低(图7)。该方法简单、无毒、灵敏、选择性好。这种荧光传感器对汞离子的检出限为4.5 nM,检测线性范围为0~150 nM。该传感器已成功应用于实际水样中汞离子的检测。

3.3 基于银纳米三角片的纳米传感器

除了常见的银纳米颗粒与银纳米团簇之外,银纳米三角片也可以用于汞离子纳米传感器^[54]。基于表面等离子体共振,Amirjani等^[55]报道了一种新型柠檬酸钠功能化的银纳米三角片汞离子比色传感器。向银纳米三角片胶体中加入汞离子,由于汞离子与银纳米三角片之间发生氧化还原反应,在银纳米三角片表面形成一层银汞合金,使得银纳米三角片变成了银纳米磁盘结构。表面等离子体共振谱带强度降低且发生蓝移,并伴随着溶液颜色的变化。该传感器对于汞离子的检出限为4 nM·L^-1。由于银纳米三角片对形态变化的敏感性比球形银纳米结构更强,因此,可以用于溶液中痕量汞离子的检测。

4 基于半导体量子点的纳米传感器

半导体量子点由于其具有可调发射光谱、宽激发光谱、光化学稳定性和高荧光量子效率等特性,已较好地应用于传感器之中^[56]。由于量子点具有高的光致发光量子产率,它们通常被用作“打开”或“关闭”荧光探针^[30]。

(1)荧光猝灭型

通过半导体量子点与汞离子之间的相互作用会导致荧光猝灭,可以实现对于汞离子的检测。Zhu等^[57]报道了一种用硅包覆的金纳米粒子来增强碲化镉量子点(CdTe QDs)荧光的方法,可提高传感器对于汞的传感能力。通过电子转移过程,CdTe QDs发射的荧光可以被汞离子猝灭,从而实现对汞离子的检测,检测范围取决于量子点荧光强度的降低。Zhu等通过用硅包覆的金纳米粒子来增加CdTe QDs的荧光强度,从而提高对于汞离子的检测灵敏度。CdTe QDs荧光发射强度很大程度上取决于纳米金核直径和二氧化硅包覆层厚度。因此,他们研究了不同金核直径和硅壳厚度的用硅包覆的金纳米粒子对CdTe QDs荧光发射的影响。最终采用粒径大、最优硅层厚度的金纳米颗粒,使得CdTe QDs的荧光得到明显增强,提高了CdTe QDs的荧光猝灭范围和检测灵敏度。这种传感器可用于对汞离子的选择性检测,线性范围为0~200 ng/mL,检出限为1.25 ng/mL。

利用离子印迹技术也可以实现对于模板离子的高选择性识别^[58]。其原理是金属离子与配合物通过螯合作用结合,在交联剂、引发剂的作用下发生聚合,聚合后将金属离子洗脱,可得内部含有孔穴的印迹聚合物,该孔穴与模板离子的形状和大小相符,可与特定的金属离子结合^[59]。Qi等^[60]报道了一种基于微流纸基芯片离子印迹法检测汞离子的荧光纳米传感器。他们将碲化镉量子点(CdTe QDs)接枝在经处理的玻璃纤维纸表面,制得荧光响应基底。基于离子印迹技术,采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)作为功能单体,正硅酸乙酯(TEOS)作为交联剂,NH₃·H₂O作为催化剂,以汞离子为模板离子,于玻璃纸的表面合成出离子印迹聚合物,所得到的纸片能够选择性吸附溶液中的汞离子。由于汞离子对碲化镉量子点的荧光有猝灭作用,因此可以通过荧光信号的变化对溶液中汞离子的含量进行分析。对汞离子的检测浓度范围为0.26~34.0 g/L,检出限为0.056 g/L。该荧光传感器可同时实现对于铜离子的检测,具有便携、成本低、可用于现场检测等特点。

基于表面离子交换机制,Lu等^[61]报道了一种基于CH₃NH₃PbBr₃钙钛矿量子点的新型荧光纳米传感器,实现对超痕量汞离子的快速荧光和可视化检测。该钙钛矿量子点在紫外光(365 nm)的激发下发出亮绿色荧光,当汞离子存在时,基于表面离子交换机制,汞离子取代一部分量子点表面的铅离子,并使CH₃NH₃PbBr₃钙钛矿量子点的浓度降低,从而导致荧光猝灭(图8)。该荧光传感器对汞离子的检出限为0.124 nM,检测范围为0~100 nM。此外,干扰金属离子对荧光强度没有影响,显示出其对汞离子的强选择性。

(2)荧光增强型

大多数半导体量子点汞离子传感器都是基于荧光“关闭”策略,而与之相反的荧光“开启”策略则可以减少假阳性信号^[18]。

Zhou等^[62]报道了一种基于离子交换的汞离子荧光传感器。该传感器通过汞离子-锰离子置换,使得锰掺杂的硒化锌量子点(ZnSe QDs)的荧光增强,从而实现对汞离子的高选择性和高灵敏度检测。不存在汞离子时,锰掺杂的ZnSe QDs具有较低的荧光强度。当存在汞离子时,汞离子取代了界面上的锰离子。而外源汞离子要想取代量子点内部的锰离子必须在量子点中进行“长途旅行”,这使得量子点内部锰离子和汞离子之间的阳离子交换难以实现。界面上的锰离子被汞离子取代,消除了锰掺杂的ZnSe QDs表面的锰离子的荧光猝灭效应,600 nm波长左右的荧光强度显著增加(图9)。该传感器对于汞离子具有很好的选择性与灵敏度,检出限为7.0 nM。

(3)比率荧光型

胶体量子点与作为发光分子探针的荧光团相比,具有很多优势。但其荧光强度容易受多种因素影响。为了克服这个缺点,往往加入第二个荧光团设计成比率荧光传感器。比率荧光传感器可以由两个荧光团组合而成,分析荧光团作为内部参比。

Ghasemi等^[63]报道了一种汞离子彩色比率荧光传感器,并提出一种扩展比率荧光传感器颜色可调性的新策略。他们开发的比率荧光传感器由作为内部参比的发射蓝色荧光的碳量子点(BCDs)和与汞离子反应的硫代糖醇酸覆盖的发射黄色荧光的碲化镉量子点(YQDs)组成。该比率传感器显示出双荧光发射特性,在单一360 nm的激发波长激发下,可得到443和560 nm的两个荧光发射峰。该比率传感器的突出优点是,可以发射一系列不同颜色的荧光,而不是减弱或者增加颜色的强度。当汞离子接触传感器时,YQDs的荧光猝灭(黄色被猝灭)且发射波长红移。不同浓度的汞离子引起YQDs的发射波长发生不同程度的红移。随着汞离子浓度的增加,YQDs发射出的荧光由黄色逐渐变为橙色,从而与碳量子点发出的蓝色荧光组合成很多种颜色。随着汞离子浓度的增加,传感器的发射显示出连续的颜色变化,从深绿色到浅绿色、黄绿色、黄色、橙色、粉红色、紫色、淡蓝色和深蓝色(图10)。该荧光比率型传感器的检测线性范围为10 nmol·L^-1~1.4 μmol·L^-1,检出限为4.6 nmol·L^-1,可以用于环境水样中的汞离子检测。

5 基于碳纳米点和石墨烯的纳米传感器

碳纳米点(碳量子点)是一种新型的碳纳米材料。它具有良好的光物理特性(例如高量子产率、依赖尺寸的荧光、宽激发光谱、高光漂白阈值和窄/对称带发射)^[64,65],且具有水溶性好、毒性低、对环境友好、原料来源广、易于储存、生物相容性好、成本低等诸多优点^[66,67,68],表现出优异的传感性能,因此广泛地应用于传感器中。在紫外光的照射下,碳量子点可发出蓝色荧光。

(1)荧光猝灭型

汞离子通过电子或能量转移过程,促使碳纳米点的荧光猝灭,从而实现汞离子的检测^[18]。Meng等^[69]报道了一种在碳量子点上同时掺杂金和氮的高选择性、高灵敏度开关式荧光传感器。使用叶酸作为碳和氮源,甘油作为碳源,氯金酸作为金源。同时掺杂金和氮可以通过协同作用,改进碳量子点的量子产率以及检测能力。制得的碳量子点平均粒径为(4.01±1) nm。当汞离子存在时,通过高效的电子传递过程导致碳量子点的荧光猝灭,从而实现对汞离子的检测。而当向上述溶液中加入EDTA-2Na或者I^-时,由于其与汞离子的配位作用,又会使得荧光恢复到原先的90%(图11)。该汞离子荧光传感器的检出限为0.118 μM,线性范围为0~41.86 μM。

类似的还有Luo等^[70]报道的一种基于胞嘧啶衍生碳量子点(Cyt-dot)的高选择性汞离子荧光传感器。胞嘧啶分子具有丰富的氮、氧含量,这可能导致其衍生的碳量子点对汞离子的识别率提高。与生物质和DNA等其他生物碳源相比,以胞嘧啶作为碳源制备的Cyt-dot表现出较强的蓝色荧光,对汞离子具有较高的选择性。当汞离子存在时,通过电子或能量传递的静态机制,Cyt-dot的荧光被猝灭(图12)。该传感器对于汞离子的检出限为11 nM。在实际水样分析中,该传感器可以实现100%~108%的高回收率。此外,溶液的pH值在5~8范围内时,Cyt-dot的传感性能几乎不受溶液酸度的影响,表明其在生物成像中有潜在的应用性。

Yan等^[71]报道了一种通过“关闭-开启”荧光策略来实现对于汞离子的灵敏以及选择性检测的碳纳米点荧光传感器。当存在汞离子时,通过静电作用,汞离子被吸附到碳纳米点上,通过电子转移过程导致碳纳米点的荧光猝灭。而在加入半胱氨酸L-Cys时,由于L-Cys与汞离子之间的相互作用比碳纳米点与汞离子之间的静电作用强得多,这使得吸附在碳纳米点表面的汞离子解吸,碳纳米点的荧光恢复(图13)。该传感器对汞离子的检测限为0.017 μM,线性检测范围为2~22 μM。不仅可以实现对汞离子的视觉检测和定量检测,并且可在细胞中成像,用于生物检测。

基于电子转移过程导致荧光猝灭,Tabaraki等^[72]采用微波辅助法,以柠檬酸、尿素和硫脲为原料,合成出一种基于碳纳米点的汞离子荧光传感器,实现了环境样品中的汞离子检测。合成出的碳纳米点在523 nm处发出明显的荧光。当加入汞离子后,通过碳纳米点与汞离子之间的电子转移过程,导致碳纳米点的荧光猝灭。而若再继续加入碘离子,由于碘离子与汞离子之间具有更高的亲合力,使得汞离子从碳纳米点的表面释放,碳纳米点的荧光恢复(图14)。该传感器对于汞离子的线性响应浓度范围为0.1~20 μM。检出限为62 nM。

基于汞离子引起碳纳米颗粒聚集也可以导致荧光猝灭。Patidar等^[73]报道了一种蜡烛灰中提取的荧光碳纳米颗粒传感器,来检测水中的汞离子。从蜡烛灰中提取的碳纳米颗粒,在365 nm紫外光的照射下,会发出绿色荧光,但是随着汞离子的加入,碳纳米颗粒聚集,荧光逐渐猝灭。汞离子对于—COOH有很强的亲合力,汞离子与—COOH在纳米颗粒的表面形成配合物。配合物之间的非共价相互作用促进了碳纳米颗粒的聚集,并且碳纳米颗粒富含电子的表面与带正电荷的汞离子之间发生能量转移,引起碳纳米颗粒的荧光猝灭。而KI可以导致汞离子的聚合,汞离子与I^-形成Hg

I 4 2 -

。因此,若再加入I^-,则可以使得碳纳米颗粒的荧光恢复。

Liang等^[74]报道的一种新型纳米荧光传感器。2,6-吡啶二甲酸衍生物碳纳米点(PECDs),对于汞离子检测显示出优秀的通用性,不需要对其进行进一步的表面修饰就对汞离子具有灵敏度和选择性识别性能,具有制备方法容易、便宜、对环境友好等优点。汞离子与PECDs形成PECDs-Hg²⁺复合物,促进了PECDs表面的非辐射弛豫,导致PECDs的荧光猝灭(图15)。PECDs对汞离子的检出限为75 nM。

(2)荧光增强型

对于寡核苷酸修饰的纳米材料传感器,其对汞离子的识别机制是基于汞离子与胸腺嘧啶(T)之间的特异性结合^[16]。Liu等^[75]报道了富含胸腺嘧啶的DNA功能化的还原性氧化石墨烯-磁性四氧化三铁汞离子荧光纳米传感器。通过荧光的变化,用于灵敏性和选择性检测汞离子。检测机理是,T-DNA与汞离子反应,通过形成T-Hg²⁺-T复合物,从一个随机线圈变成一个发夹结构,从而增加染料SYBR Green I的绿色荧光(图16)。通过这种荧光开启过程,可以实现的汞离子检测浓度范围为1~20 ng/mL,检出限为0.82 ng/mL。DNA被固定在rGO-Fe₃O₄上,汞离子可以通过T-Hg²⁺-T反应和石墨烯的巨大表面积被DNA和rGO-Fe₃O₄吸附,因此很容易在外磁场的作用下,从水溶液中分离,且去除率高达80%以上。该传感器具有高灵敏度、选择性和重复利用性。

功能核酸对金属离子具有良好的选择性识别能力,纳米材料独特的性质可以提高金属离子传感器的性能^[76]。Huang等^[77]报道了一种纳米氧化石墨烯(NGO)负载DNA探针用于检测汞离子的荧光纳米传感器。DNA探针包含三个部分:(1)腺嘌呤片段,用于吸附在NGO上(因为腺嘌呤对NGO有很强的亲合力);(2)一个或多个可被汞离子从NGO上“劈开”的硫代磷酸修饰的RNA片段(PS-RNA)。其与汞离子之间具有很强的亲合力;(3)一个荧光团FAM。荧光团定位在PS-RNA位点附近,这样在发生裂解反应后就可以很容易地从NGO上释放出来。NGO对FAM存在荧光猝灭效应。而当汞离子存在时,PS-RNA与荧光团FAM从NGO上释放,使得荧光增强。根据荧光信号的变化,可以定量检测汞离子。与传统的胸腺嘧啶(T)碱基序列汞离子探针相比,PS-RNA对汞离子具有更强的亲合力。该荧光传感器对于汞离子的检出限为8.5 nM。

6 基于硅纳米材料、有机纳米颗粒和其他纳米材料的传感器

6. 1 基于硅纳米材料的纳米传感器

硅纳米颗粒是非常重要的荧光纳米材料,由于其独特的光学性能、优异的生物相容性、低毒性、低铸、易于功能化等优点而受到广泛关注^[78,79]。

基于荧光猝灭,Zhu等^[80]报道了一种基于荧光硅纳米颗粒的汞离子传感器。利用偶联剂3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)做硅核、叶酸做还原剂,合成出硅纳米颗粒。通过汞离子对其荧光的猝灭效应,从而实现对汞离子的检测。

近年来,有机嫁接无机异质纳米颗粒,作为饮用水中灵敏、选择性的荧光传感器受到了越来越多的关注。不同的纳米材料被使用,例如碳点^[81]、Ag@Si

O 2

^[82]、Si

O 2

^[83]、石墨烯量子点^[84]和Fe₃O₄@Si

O 2

[85]等。其中,Fe₃O₄@SiO₂具有很多优点:由于其具有磁性,可以被外部磁铁分离;具有良好的稳定性。此外,这种独特的组合提供了丰富的羟基基团,在其表面可以连接有机受体^[86,87,88]。Zeng等^[89]报道了一种基于Fe₃O₄@SiO₂的比色荧光纳米传感器实现对汞离子的识别。Fe₃O₄@SiO₂用氨基改性后与罗丹明衍生物RhoB-NCS组合起来作为检测以及去除汞离子的荧光纳米传感器。Mir等^[90]报道了通过吡唑衍生物功能化的Fe₃O₄@SiO₂荧光传感器实现对水中汞离子的检测。采用溶胶-凝胶法合成出的Fe₃O₄@SiO₂,在Fe₃O₄颗粒上含有一层薄薄的SiO₂层。将APTMS和N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基三甲氧基硅烷(AEAPTES)连接在磁性SiO₂的表面,制备出高灵敏度的汞离子荧光传感器。在AMPTE-Fe₃O₄@SiO₂溶液中加入汞离子,汞离子同时与传感器的两个氮位点结合,从而导致荧光猝灭。干扰实验表明,大部分金属离子对汞离子检测的干扰较小或不存在干扰。

6.2 基于有机纳米颗粒的纳米传感器

由于纳米材料在离子传感中具有许多优点,有机分子也被制成纳米颗粒传感器。

Wang等^[91]报道了一种基于光诱导电子转移机制的比率型纳米荧光传感器用于活细胞内汞离子成像。4-乙氧基-9-烯丙基-1,8萘二甲酰亚胺(EANI)为荧光染料,存在于纳米颗粒的核中,汞离子识别基团FITC(荧光素衍生物)在纳米颗粒的表面。氨基乙酯盐酸盐共聚物(AEMH)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)纳米乳胶颗粒与染料EANI形成染料型纳米乳胶,在其表面有丰富的氨基基团,FITC可以与纳米颗粒表面共价连接,形成汞离子识别组(AEMH-FITC),通过汞离子引起荧光猝灭,从而实现对汞离子的检测(图17)。

杯[4]芳烃衍生物是具有聚合性基团和良好性质的大分子。各种杯[4]芳烃衍生物被报道用于检测和去除汞离子,包括发色团、荧光团和比色衍生物^[92,93,94]。Bhatti等^[95]报道了一步合成介孔四氧化三铁@壳聚糖-p-磺酸酯单酰杯[4]芳烃化合物(Fe₃O₄@Chitosan-pSDCalix)混合纳米荧光传感器用于水中汞离子的检测与去除。壳聚糖(Chitosan)中的氨基基团使聚合物具有潜在有用的化学和物理性质,而p-磺酸酯单酰杯[4]芳烃化合物(pSDCalix)中磺基的质子通过使氨基质子化来溶解壳聚糖。在四氧化三铁纳米颗粒上组合Chitosan-pSDCalix可以使纳米颗粒相互连接,从而出现周期性孔隙结构。加入汞离子之后,由于光诱导电子传递过程,组合纳米传感器的荧光被削弱,从而实现对汞离子的检测。除此之外,由于该传感器具有磁性,因此在存在外部磁场的情况下,还可以实现对汞离子的去除。纳米材料的平均粒径为17 nm,平均孔径为0.19 nm,也可以用于检测生物分子中的毒性汞离子。

纤维素纳米晶体具有成本低、可生物降解、在自然界中大量存在、表面积大、可溶于水等特点^[96,97,98]。为了实现对环境友好的目标,Chen等^[99]合成出了一种卟啉功能化的纤维素纳米晶体(CNC-SA-COOC₆TPP)比率荧光传感器,实现对于汞离子的选择性定量检测。卟啉衍生物被证明是检测汞离子的理想荧光团,具有宽的吸收范围,优良的光物理性质以及较高的荧光发射强度^[100,101]。他们通过被延长的卟啉(TPPC₆-OH)与羧基化的纤维素纳米晶体(CNC-SA-COOH)之间的简单酯化反应,合成出了卟啉功能化的纤维素纳米晶体(CNC-SA-COOC₆TPP)。卟啉对汞离子具有高选择性与灵敏度,每个卟啉基团可以与一个汞离子结合,形成汞离子-卟啉复合物。向CNC-SA-COOC6TPP的水溶液中加入汞离子,在417 nm光的激发下,荧光发射峰发生明显蓝移,从652.5 nm向628.5 nm移动。根据628.5 nm与652.5 nm 处荧光强度比值(I_628.5/ I_652.5)的变化,可以实现对于汞离子的定量检测。该比率荧光纳米传感器对于汞离子的检出限为50 nM。

6.3 基于其他纳米材料的纳米传感器

Lv等^[102]报道了一种用磁性四氧化三铁纳米颗粒和杂交链式反应组合用于汞离子检测的荧光传感器,主要基于汞离子与胸腺嘧啶(T)的特异性结合,实现汞离子的高灵敏检测。该汞离子荧光传感器的检测系统包含三个探针:捕获探针H1,以及信号探针H2和H3。先用氨基对四氧化三铁表面进行改性,然后与捕获探针H1结合。H1与H2富含胸腺嘧啶T。当有汞离子存在时,探针H1捕获汞离子,探针H2打开,通过T-Hg²⁺-T反应,与探针H1结合,探针H2的另一部分与探针H3结合。通过杂交链式反应,可以结合更多的信号探针,从而实现荧光信号的放大,因此可以用于低浓度饮用水中的汞离子检测(图18)。该传感器对于汞离子的检出限为0.36 nM。

二氧化钛由于其优异的表面积和可见光部分的高光学透明度,被认为是一种潜在的设计光学传感器的活性材料^[103,104]。Shahat等^[105]报道了一种用于水中或者生物体中超痕量汞离子测定的纳米比色传感器。他们使用介孔二氧化钛作为载体来容纳疏水性探针二硫腙(Dz),通过探针与汞离子之间的电子转移过程,实现对痕量汞离子的选择性检测。该传感器具有比色反应快,选择性高,可用于视觉检测等特点。除此之外,该比色传感器通过使用Cl

O 4 -

阴离子作为洗脱液,可以得以重复利用(图19)。对于汞离子的检测限为10^-9mol/L。

Zhang等^[106]报道了以聚烯丙胺盐酸盐(PAH)为颗粒物模板,用铜的硒化物Cu_2-_xSe纳米颗粒比色检测汞离子的方法。向Cu_2-_xSe纳米颗粒的溶液中加入汞离子,由于汞离子与硒离子(Se^2-)之间具有超强的亲合力,汞离子取代了Cu_2-_xSe纳米颗粒的Cu²⁺/Cu⁺,在Cu_2-_xSe纳米颗粒的表面形成一层硒化汞(HgSe)合金。这使得Cu_2-_xSe纳米颗粒在400~600 nm处的吸收增加,近红外局域表面等离子体共振明显减弱并且发生红移,溶液颜色也发生明显变化。从而实现对于汞离子的定量检测。该传感器检测汞离子的浓度范围为0~800 nM,检出限为2.7 nM。

基于金汞齐(AuHg)纳米颗粒,结合级联催化反应实现信号放大,Li等^[107]报道了一种汞离子纳米比色传感器。汞离子原位催化合成具类氧化酶活性的AuHg纳米颗粒,随后AuHg纳米颗粒自动催化3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的氧化反应,生成TMB的蓝色氧化物oxTMB,并伴随着溶液颜色从无色变为蓝色。这种基于级联催化反应的信号放大策略显著提高了传感器的灵敏度。该汞离子比色传感器对于汞离子的检出限为2 nM。

7 总结与展望

在金属离子中,汞离子因其对人体和其他生物系统的高毒性而引起了广泛的关注。近年来许多用于汞离子检测的新型传感器取得了迅猛的发展。研制基于纳米材料的汞离子荧光、比色传感器成为了一个新的研究方向。因此,我们对近年来所报道的一些汞离子纳米荧光、比色传感器进行了综述。并按照纳米材料的不同,对这些汞离子传感器进行了分类。

纳米材料由于其特殊的光学性质、结构稳定性和易于合成的特点,基于纳米材料的传感器引起了科学家们越来越多的关注。与一些检测汞离子的传统方法以及分子传感器相比,汞离子纳米荧光、比色传感器实现了灵敏度、选择性、便携性、现场检测能力和整体性能的提高。利用纳米材料传感器实现对汞离子的检测,是汞离子检测领域的主要发展方向。

纳米材料作为汞离子传感材料的应用虽然已经取得了很大的进步和创新,越来越多不同类型的纳米材料被用于汞离子的检测。但是这些纳米传感器对汞离子的检测仍然面临着巨大的挑战。上述大多数的传感器都需要在有机溶剂或含水的有机溶剂中对汞离子进行检测,在纯水介质中进行汞离子检测的报道仍然较少。而实际上,对海水、废水、食品、食品添加剂、土壤、生物样品等复杂样品中的汞离子检测也是十分有必要的^{[33, 108]}。纳米材料的高活性和弱自稳定性导致其对复杂的实际系统的适用性有限^[16]。在复杂样品基质中,实现对于汞离子的检测仍然是汞离子纳米传感器研究的重点和难点。为了满足对复杂样品中汞离子检测的要求,研究人员应该更加重视对于新型稳定纳米传感器的开发,并设计新的传感策略,以提高纳米传感器在复杂实际样品中的适用性。此外,提高汞离子纳米传感器的灵敏度和选择性也是迫切需要解决的问题。上述大多数传感器的检出限都在10 nM以下,低于美国环境保护署规定的饮用水中汞离子限值^[109]。然而,由于一些食品、生物样品等汞离子含量较少且检测干扰因素多,因此,合成新型纳米材料以及设计新的传感机制以提高检测的灵敏度和选择性尤为重要。

近年来,基于分子印迹技术以及离子印迹技术的汞离子纳米荧光传感器的开发取得了良好的进展^{[60, 110, 111]}。分子、离子印迹技术的使用提高了汞离子传感器的传感性能,能满足对复杂样品中目标物的高选择性、高灵敏度检测。将分子、离子印迹技术与纳米材料结合起来,开发新型汞离子纳米传感器,并研制出便携式传感器复合微器件,比如微流纸基芯片^[59]、测试带^[112,113]等,以满足汞离子的现场检测,是今后汞离子纳米传感器的一个发展方向。

开发出稳定性好、灵敏度高、选择性好、具有便携性、可以实现现场检测以及能在复杂介质中进行检测的汞离子比色、荧光传感器是汞离子检测领域的发展趋势,具有广泛的应用前景。相信随着相关研究的不断深入,传感器综合性能的不断提高,纳米光学传感器用于检测汞离子的研究将会取得突破性进展。

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Received	Published
2018-09-28	2019-01-15
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2019-01-14

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