紙型便攜式金納米簇器件可視化檢測汞離子

張國 馮建軍 柴瑞濤 朱維晃 康倩文 李卉

摘 要 合成了谷胱甘肽（GSH）包覆的熒光金納米簇（AuNCs），基于Hg2+-Au+間的高親合作用實(shí)現(xiàn)對汞離子（Hg2+）的高靈敏性、高選擇性熒光檢測，線性檢測范圍為4～200 nmol/L，檢出限（LOD，S/N=3）為2.4 nmol/L。常見的金屬離子（Ni2+， Mn2+， Co2+， Na+， Ba2+， Cu2+， Zn2+， Mg2+， Cd2+， Ca2+， K+， Fe3+， Al3+， Pb2+）和陰離子（F， C2O24， Cl， H2PO4， NO3， SO24， HCOO， I， C5H7O5COO， CH3COO， Br， CO23）對檢測沒有干擾。基于GSH-AuNCs構(gòu)筑了兩種紙型便攜式AuNCs器件： 半定量試紙和紙型橫向流動檢驗(yàn)（LFA）試劑盒，并成功用于可視化檢測自來水樣中Hg2+。

關(guān)鍵詞 金納米簇; 紙型器件; 可視化檢測; 汞離子; 自來水

1 引 言

汞離子（Hg2+）與蛋白質(zhì)和酶分子中的巰基具有高親和力， 可產(chǎn)生累積毒性，對人體的皮膚、腎臟、肝臟、中樞神經(jīng)系統(tǒng)等有長期損害作用[1]。因此，檢測環(huán)境和人體中Hg2+的濃度具有重要意義。目前，檢測Hg2+的方法主要有原子吸收光譜（AAS）[2]、電感耦合等離子-原子發(fā)射光譜（ICP-AES）[3]、電化學(xué)傳感器[4]、比色分析[5]和電感耦合等離子-質(zhì)譜（ICP-MS）[6]等，但是這些方法常需要較長的測試時(shí)間、精密的儀器、復(fù)雜的過程，以及專業(yè)的操作技術(shù)人員。發(fā)展簡單、快捷、原位、在線檢測Hg2+的方法仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)[7～10]。熒光光譜法具有簡單、靈敏度高、較少的樣品消耗、可實(shí)時(shí)監(jiān)控和較快的響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，已成為金屬離子傳感和檢測的有力工具[11，12]，其中，基于水溶性和小尺寸的納米材料，如貴金屬熒光納米簇的Hg2+檢測體系引起了研究者的廣泛興趣。

金納米簇（AuNCs）是一種重要的貴金屬納米簇，它含有幾個(gè)原子，并具有離散性電子能級，表現(xiàn)出類似分子的吸收、發(fā)射的光學(xué)性質(zhì)和催化活性[13～18]。與傳統(tǒng)的量子點(diǎn)和染料相比，AuNCs具有超小的尺寸、較高的量子產(chǎn)率、出色的光穩(wěn)定性、較低的毒性和良好的生物相容性，已被用于生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域[19]。在AuNCs表面包覆不同的配體（如硫醇、聚合物、多肽和蛋白質(zhì)等[20]），可以調(diào)節(jié)發(fā)射波長、提高發(fā)光量子產(chǎn)率及改變表面的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對分析物的靈敏檢測。Xie等[21]合成了牛血清白蛋白（BSA）包覆的AuNCs，在365 nm紫外光下發(fā)射較強(qiáng)的紅色熒光; 并進(jìn)一步利用BSA-AuNCs發(fā)展了一種簡單、無標(biāo)記的方法檢測Hg2+，該方法具有較高的靈敏性和選擇性[22]。Liu等[23]同樣利用BSA-AuNCs作為熒光傳感器檢測CN

，線性范圍為200 nmol/L～9.5 μmol/L，檢出限為200 nmol/L。Luo等[24]分別用還原型谷胱甘肽（L-GSH）和3種人工設(shè)計(jì)三肽包覆AuNCs，其熒光量子產(chǎn)率約為15%。Pyo等[25]用四辛基銨離子（TOA）修飾GSH-AuNCs的殼層，其量子產(chǎn)率超過60%。Zang等[26]合成了水溶性且發(fā)射強(qiáng)熒光的β-乳球蛋白包覆的AuNCs，對Hg2+的檢出限30 nmol/L。此外，研究者也開發(fā)了基于AuNCs的便攜式檢測器件。Fang等[27]制備了BSA-AuNCs紙型微流器件檢測Cu2+，檢出限約為5 μmol/L; Xu等[28]合成了羅丹明衍生物濾紙傳感器檢測Hg2+，響應(yīng)時(shí)間小于2 min; Yang等[29]構(gòu)建了BSA-AuNCs試紙檢測2，4，6-三硝基甲苯（TNT）和4-硝基苯酚的蒸氣，檢出限分別為10和1 pmol/L; Bian等[30]將熒光AuNCs制成可循環(huán)使用試紙檢測Hg2+，檢出限為5 μmol/L。但是，開發(fā)便攜式檢測Hg2+的AuNCs器件，如可以原位、實(shí)時(shí)＼，可視化檢測實(shí)際樣品的高靈敏性紙型器件，仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。

本研究合成了谷胱甘肽包覆的金納米簇（GSH-AuNCs），建立了熒光法檢測Hg2+，檢出限為2.4 nmol/L， 并制備了基于AuNCs的半定量試紙和紙型橫向流動檢驗(yàn)（LFA）試劑盒，用于可視化檢測自來水樣中Hg2+。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

Nicolet Evolution 300紫外可見分光光度計(jì)、Nicolet-iS50傅里葉紅外光譜儀（美國賽默飛公司）; F-7000熒光儀（日本日立公司）; Tecnai G2透射電子顯微鏡（美國FEI公司）; AXIS Ultrabld光電子能譜儀（英國Kratos公司）; XPSPEAK分峰軟件（4.1版）; STA 449 C熱重分析儀（德國耐馳公司）。

HAuCl4·3H2O、 L-GSH（上海國藥試劑公司）; 其它試劑均為國產(chǎn)分析純; 實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

2.2 GSH-包覆AuNCs的合成 參照文獻(xiàn)[23]的方法合成GSH-包覆AuNCs，步驟如下： 將新制備的HAuCl4溶液（20 mmol/L， 0.50 mL）、GSH溶液（100 mmol/L， 0.15 mL）和水（4.35 mL）在室溫下混合，緩慢攪拌，70℃下反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)液在超純水中透析48 h，以除去未反應(yīng)的離子。所制備的AuNCs（2.0 mmol/L）溶液于4℃保存，備用。

2.3 熒光檢測Hg2+

配制0.02 mol/L Hg（NO3）2儲備溶液，配制時(shí)加入適量HNO3抑制Hg2+水解，適當(dāng)稀釋儲備溶液， 配制成不同濃度Hg2+溶液（4、6、8、10、20、40、60、80、100、150和200 nmol/L）。將不同濃度Hg2+溶液與AuNCs 溶液 （20 μmol/L）混合，反應(yīng)10 min后，測量熒光光譜。

2.4 選擇性實(shí)驗(yàn)

選擇常見的金屬離子（Ni2+、 Mn2+、Co2+、 Na+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Cd2+、Ca2+、K+、Fe3+、Al3+和Pb2+）和陰離子（F、C2O24、Cl、H2PO4、 NO3、SO24、HCOO、 I、C5H7O5COO、CH3COO、Br和CO23）考察AuNCs傳感體系的選擇性。不同的金屬離子或者陰離子（20 μmol/L）與AuNCs 溶液 （20 μmol/L）混合，反應(yīng)10 min后，測量體系的熒光光譜。

2.5 自來水樣品中Hg2+的檢測

在自來水樣品中添加不同濃度Hg2+（6、10、15和20 nmol/L），加入AuNCs 溶液（20 μmol/L）中，反應(yīng) 10 min后進(jìn)行熒光檢測。將濾紙（1.0 cm × 1.5 cm）浸入到AuNCs 溶液（2 mmol/L）中，取出自然晾干，制得半定量試紙。將制備好的濾紙浸入含不同濃度Hg2+ （0.01、0.1、1、10和100 μmol/L ）的自來水樣品中，取出自然晾干，在365 nm紫外光下觀察熒光。

3 結(jié)果與討論

3.1 AuNCs的合成與表征

GSH和HAuCl4在70°C下反應(yīng)24 h制得GSH包覆的AuNCs，其中GSH既是還原劑也是包覆劑。AuNCs的合成過程如圖 1A所示。AuNCs固體呈亮黃色，水溶液為淺黃色（圖1B插圖c）; 而在365 nm紫外光照射下，均發(fā)出桔色熒光（圖1B插圖d）。AuNCs在520 nm處無明顯吸收峰（圖1B曲線a），表明沒有形成較大的Au納米粒子 [21]; AuNCs在330 nm激發(fā)下發(fā)射較強(qiáng)熒光，最大發(fā)射峰位于566 nm處（圖1B，曲線b）。

3.2 Hg2+對AuNCs的熒光猝滅

閉殼層重金屬離子之間，如Hg2+ （4f145d10） 和Au+ （4f145d10）， 有很強(qiáng)且特異性的色散力。Xie等[22]基于Hg2+ （5d10） 和Au+ （5d10）之間特異性作用猝滅AuNCs熒光的免標(biāo)記方法檢測Hg2+。XPS 結(jié)果表明，AuNCs中含有大量Au（圖2C），表明AuNCs通過Au與Hg2+反應(yīng)。將Hg2+加入AuNCs中，平衡10 min后，F(xiàn)0/F比值及熒光強(qiáng)度均保持不變（圖3A）; 而不同批次AuNCs加入Hg2+后對傳感體系靈敏度幾乎沒有影響（圖3B）。加入1 μmol/L Hg2+，AuNCs在566 nm處熒光發(fā)射峰強(qiáng)度急劇下降（圖4A，曲線a和b）。盡管AuNCs溶液固有的淺黃色保持不變，但是在365 nm紫外燈照射下

3.3 AuNCs傳感體系對不同濃度Hg2+的響應(yīng)

如圖4B所示，AuNCs傳感體系在566 nm處熒光發(fā)射峰強(qiáng)度隨Hg2+濃度的增加而逐漸減弱。相對強(qiáng)度F0/F與Hg2+濃度之間的關(guān)系見圖4B插圖，二者關(guān)系符合Stern-Volmer方程式： F0/F=1+Ksv[Q]，（F0和F分別表示不含Hg2+和含有Hg2+時(shí)在566 nm處的熒光強(qiáng)度，KSV是熒光猝滅常數(shù)（表示猝滅效率），[Q]是猝滅劑濃度（[Hg2+]）[21]）。 F0/F與Hg2+濃度在4～200 nmol/L范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系（R2=0.99），KSV為7.7×106 L/mol，檢出限為2.4 nmol/L。此檢出限低于美國環(huán)保署所允許飲用水中Hg2+限量水平（10 nmol/L）[32]，也低于我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)對Hg2+的限量水平（5 nmol/L） [32]。與文獻(xiàn)報(bào)道的檢測Hg2+的方法相比（表1），本方法具有較低的檢出限。

3.4 AuNCs傳感體系的選擇性

3.5 AuNCs傳感體系對自來水樣品中Hg2+的檢測

為了考察AuNCs傳感體系的實(shí)用性，選取自來水樣品進(jìn)行測試。AuNCs傳感體系對自來水無明顯熒光響應(yīng)，即自來水中未檢出Hg2+。不同添加濃度下Hg2+的加標(biāo)回收率為92.5%～105.3%（表2），表明建立的AuNCs傳感體系可用于定量分析自來水中Hg2+。

3.6 AuNCs半定量試紙和紙型橫向流動檢驗(yàn)（LFA）試劑盒可視化檢測自來水樣中的Hg2+利用合成的AuNCs，制備了一種簡單、便攜的半定量試紙，用于檢測自來水樣品中的Hg2+（圖1A）。將試紙浸泡在不同Hg2+濃度的自來水樣中， 并取出自然晾干，在365 nm紫外燈照射下觀察熒光。4 結(jié) 論

制備了GSH-包覆的AuNCs，建立了檢測Hg2+的熒光方法，本方法具有高靈敏性、高選擇性。 進(jìn)一步發(fā)展了半定量試紙和紙型LFA試劑盒兩種紙型便攜式AuNCs傳感器，用于可視化檢測自來水中Hg2+， 效果良好， 證明本方法具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

References

1 Clarkson T W， Magos L. Crit. Rev. Toxicol.， 2006， 36（8）： 609-662

2 Erxleben H， Ruzicka J. Anal. Chem.， 2005， 77 （16）： 5124-5128

3 Luis G， Rubio C， Revert C， Espinosa A， González-Weller D， Gutiérrez A J， Hardisson A. J. Food Compos. Anal.， 2015， 39： 48-54

4 Shih T T， Hsu I H， Chen S N， Chen P H， Deng M J， Chen Y， Lin Y W， Sun Y C.? Analyst， 2015， 140 （2）： 600-608

5 Zhu Z Q， Su Y Y， Li J， Li D， Zhang J， Song S P， Zhao Y， Li G X， Fan C H. Anal. Chem.， 2009，? 81（18）： 7660-7666

6 Sun Z Z， Zhang N， Si Y M， Li S， Wen J W， Zhu X B， Wang H. Chem. Commun.， 2014，? 50（65）： 9196-9199

7 Niu C X， Liu Q L， Shang Z H， Zhao L， Ouyang J. Nanoscale， 2015，? 7（18）： 8457-8465

8 Shang L， Yang L X， Stockmar F， Popescu R， Trouillet V， Bruns M， Gerthsenb D， Nienhaus G U. Nanoscale， 2012，? 4（14）： 4155-4160

9 Li Y X， Chen Y T， Huang L， Ma L， Lin Q， Chen G N. Anal. Methods， 2015， 7（10）： 4123-4129

10 Zhai Q F， Xing H H， Zhang X W， Li J， Wang E K. Anal. Chem.， 2017， 89（14）： 7788-7794

11 Mhetaer Tuerhong， XU Yang， YIN Xue-Bo. Chinese J. Anal. Chem.， 2017，? 45（1）： 139-150

木合塔爾·吐爾洪， 徐 陽， 尹學(xué)博. 分析化學(xué)， 2017，? 45（1）： 139-150

12 PENG Tao， WANG Jian-Yi， XIE San-Lei， YAO Kai， SUN Shu-Juan， ZENG Yu-Yang， JIANG Hai-Yang. Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46（3）： 373-378

彭 濤， 王見一， 謝三磊， 姚 凱， 孫淑娟， 曾于洋， 江海洋. 分析化學(xué)， 2018， 46（3）： 373-378

13 Yang X M， Yang L， Dou Y， Zhu S S. J. Mater. Chem. C， 2013，? 1（41）： 6748-6751

14 Xing H H， Zhang X W， Zhai Q F， Li J， Wang E K. Anal. Chem.，? 2017，? 89（7）： 3867-3872

15 Li L L， Liu H Y， Shen Y Y， Zhang J R， Zhu J J. Anal. Chem.，? 2011，? 83（3）： 661-665

16 Sun J， Yang F， Zhao D， Chen C X， Yang X R. ACS Appl. Mater. Interfaces，? 2015，? 7（12）： 6860-6866

17 Shang L， Dong S J. Chem. Commun.，? 2008，? 44（9）： 1088-1090

18 GU Qiao-Rong， AI Jun-Jie， ZHANG Qian-Yun， DONG Ya-Nan， GAO Qiang. Chinese J. Anal. Chem.，? 2017，? 45（9）： 1278-1283

谷巧榮， 艾俊杰， 張倩云， 董雅男， 高 強(qiáng).? 分析化學(xué)， 2017，? 45（9）： 1278-1283

19 Chen L Y， Wang C W， Yuan Z Q， Chang H T. Anal. Chem.? 2015，? 87（1）： 216-229

20 Shang L， Dong S J， Nienhausa G U. Nano Today，? 2011，? 6（4）： 401-418

21 Xie J P， Zheng Y G， Ying J Y. J. Am. Chem. Soc.，? 2009，? 131（3）： 888-889

22 Xie J P， Zheng Y G， Ying J Y. Chem. Commun.，? 2010，? 46（6）： 961-963

23 Liu Y L， Ai K L， Cheng X L， Huo L H， Lu L H. Adv. Funct. Mater.，? 2010，? 20（6）： 951-956

24 Luo Z T， Yuan X， Yu Y， Zhang Q B， Leong D T， Lee J Y. Xie J P. J. Am. Chem. Soc.，? 2012，? 134（40）： 16662-16670

25 Pyo K， Thanthirige V D， Kwak K， Pandurangan P， Ramakrishna G， Lee D. J. Am. Chem. Soc.，? 2015，? 137（25）： 8244-8250

26 Zang J C， Li C A， Zhou K， Dong H S， Chen B， Wang F D， Zhao G H. Anal. Chem.，? 2016，? 88（20）： 10275-10283

27 Fang X E， Zhao Q Q， Cao H M， Liu J， Guan M， Kong J L. Analyst，? 2015，? 140（22）： 7823-7826

28 Xu L Q， Neoh K G， Kang E T， Fu G D. J. Mater. Chem. A，? 2013，? 1（7）： 2526-2532

29 Yang X， Wang J H， Su D Y， Xia Q D， Chai F， Wang C G， Qu F Y. Dalton Trans.，? 2014，? 43（26）： 10057-10063

30 Bian R X， Wu X T， Chai F， Li L， Zhang L Y， Wang T T， Wang C G， Su Z M. Sens. Actuators B，? 2017，? 241： 592-600

31 Negishi Y， Nobusada K， Tsukuda T. J. Am. Chem. Soc.，? 2005，? 127（14）： 5261-5270

32 EPA 816-F-02-013， National Primary Drinking Water Regulations， USA

33 GB/5749-2006， Standards for Drinking Water Quality. National Standards of the People's Republic of China

生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn). 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB/5749-2006

34 Huang L J， Zhu Q R， Zhu J， Luo L P， Pu S H， Zhang W T， Zhu W X， Sun J， Wang J L. Inorg. Chem.，? 2019，? 58（2）： 1638-1646

35 Gu S Y， Hsieh C T， Tsai Y Y， Gandomi Y A， Yeom S， Kihm K D， Fu C C， Juang R S. ACS Appl. Nano Mater.，? 2019，? DOI： 10.1021/acsanm.8b02010

36 Yuan X， Yeow T J， Zhang Q B， Lee J Y， Xie J P. Nanoscale，? 2012，? 4（6）： 1968-1971

37 Zhai Q F， Xing H H， Zhang X W， Li J， Wang E K. Anal. Chem.，? 2017，? 89（14）： 7788-7794

38 Mark D， Haeberle S， Roth G， Stetten F V， Zengerle R. Chem. Soc. Rev.，? 2010，? 39（3）： 1153-1182

39 Yager P， Edwards T， Fu E， Helton K， Nelson K， Tam M R， Weigl B H. Nature，? 2006，? 442（7101）： 412-418

40 Wang Y， Pei H W， Jia Y， Liu J H， Li Z L， Ai K L， Lu Z Y， Lu L H. J. Am. Chem. Soc.，? 2017，? 139（33）： 11616-11621