基于納米金Core—satellites等離子體耦合增強效應的汞離子光纖傳感器的研究

賈朔+邊超+佟建華+孫楫舟+夏善紅

摘 要 以DNA雜交雙鏈為聯接， 構建納米金顆粒Coresatellites結構并激發等離子體耦合增強效應，利用Hg2+可與DNA中胸腺嘧啶T形成THg2+T特異性結構，研制了用于檢測水中Hg2+的局域等離子體共振（LSPR）光纖傳感器。待測溶液中的Hg2+能夠引起富含T的DNA單鏈折疊，抑制DNA雜交反應，降低等離子體耦合強度，改變LSPR諧振波長。通過檢測諧振波長紅移變化，實現對Hg2+濃度的定量檢測。本方法檢測Hg2+的線性范圍為5～150 nmol/L， 檢出限為3.4 nmol/L （3σ）。 Zn2+、Mg2+、Pb2+等重金屬離子對Hg2+檢測無明顯干擾作用。實際水樣中Hg2+加樣回收率為94.2%～105.4%，相對標準偏差<4.8%。

關鍵詞 局域等離子體共振； 納米金Coresatellites結構； 脫氧核糖核酸； 汞離子； 光纖傳感器

1 引 言

汞離子（Hg2+）具有高毒性和污染性，在水質檢測中備受關注[1，2]。Hg2+常規檢測方法主要包括冷原子熒光法、電感耦合等離子質譜法、冷原子吸收光譜法等[3～6]，這些方法雖然比較準確，但是存在設備昂貴、制樣過程復雜、步驟繁瑣等缺點。近年來，陸續報道了利用金屬納米顆粒作為傳感元件，基于比色法、熒光法和表面增強拉曼光譜法用于Hg2+檢測的研究報道[7～10]。其中，比色法檢測靈敏度較低，熒光法需要標記，容易受到環境因素的干擾[11，12]， 表面增強拉曼光譜法對儀器設備要求高。因此，研發體積小、無標記、易于制備、靈敏度高的傳感器具有重要的應用價值。

納米貴金屬顆粒受光激發能夠產生局域等離子體共振效應（LSPR），基于LSPR的生化傳感器無需標記、檢測速度快、傳感區域小[13]，已被用于Hg2+檢測，但目前仍存在檢測靈敏度較低的缺點[14～16]。研究表明，受光激發的兩個貴金屬顆粒接近時，其表面電磁場耦合產生等離子體增強效應[17，18]，并隨距離存在紅移和衰減特性[19]，該研究需要暗場顯微鏡和高精度光學系統，僅適用于實驗室檢測。Mucic等[20]提出了由一個核心納米顆粒 （Auc）和多個外圍納米顆粒 （Aus）構成的Coresatellites 納米結構，多個Aus使得耦合強度大幅提高，并適用于采用光譜儀檢測，提高了實際應用能力。隨后，其他研究者對該結構的材料組成、粒徑尺寸等進行仿真優化[21～23]，并初步實現DNA、抗原抗體等的增敏檢測[24，25]。

本研究以石英光纖纖芯為傳感基底，以富含胸腺嘧啶（T）的互補DNA雙鏈為聯接，構建納米金顆粒Coresatllites結構，并實現等離子體耦合增強效應。利用Hg2+能夠形成THg2+T結構使DNA單鏈折疊[26，27]，減弱互補DNA雜交強度，降低等離子體耦合增強效應的特性，研制出一種體積小、結構簡單、無標記、特異性、靈敏的檢測Hg2+的光纖傳感器。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

S4800掃描電子顯微鏡（日本Hitachi公司）； QE65PRO型光纖光譜儀和DTMINI2GS寬帶光源（美國Ocean Optics公司）； 傳感光纖（直徑600 μm，數值孔徑為0.37，美國Thorlabs公司）； HC3018高速離心機（中科中佳公司）。磷酸鹽緩沖液（PBS）、牛血清蛋白 （BSA）、聚烯丙基胺鹽酸鹽（PAH）、巰基己醇（MCH），三（2羧乙基）膦（TCEP），購于SigmaAldrich公司。不同粒徑納米金溶液（Gold nanoparticles colloids，美國Ted Pella公司）。重金屬離子標樣購于環保部標準樣品研究所； 其它試劑購自北京試劑廠。所用試劑均為分析純，實驗用水為去離子水。DNA序列由上海生物工程有限公司合成，如表1所示。

2.2 光纖傳感器的制備

光纖經去除包層、端面拋光和清洗烘干后，浸入Piranha洗液（濃 H2SO4H2O2（30%），7∶3， V/V）中，65℃水浴1 h，使纖芯表面羥基化[28]； 浸入2 mg/mL

陽離子聚電解質PAH（1 mol/L NaCl）溶液中30 min，PAH通過靜電作用吸附在纖芯表面； 浸入表面帶負電的Auc溶液中1 h，Auc通過靜電吸附形成自組裝單層； 利用銀鏡反應在光纖端面形成銀反光鏡[29]； 將光纖浸入DNAp溶液中12 h，使巰基化DNAp通過AuS鍵固定在Auc表面； 浸入1 mmol/L MCH溶液中自組裝2 h； 將光纖浸入BSA（2 mg/mL，0.01 mol/L PBS，pH 7.4）溶液中，封閉PAH表面吸附位點，減少非特異性吸附。

2.3 DNAT在液相Aus表面的修飾

取粒徑20 nm 的Aus溶液，與DNAT以摩爾比1∶200混合，振蕩24 h。加入TAE和NaCl老化，繼續振蕩24 h， 9000 r/min離心15 min，將沉淀物分散到40 mmol/L TrisHCl （pH 6.8， 0.1 mol/L NaCl）溶液中，獲得DNAT修飾Aus（DNATAus）溶液。

2.4 Hg2+檢測

將Hg2+標樣稀釋為0～1000 nmol/L待測溶液。按2.2節制備的光纖傳感器，浸入Hg2+的TrisHCl溶液中30 min，用TrisHCl 緩沖液和去離子水清洗，吹干，室溫下置于DNATAus溶液中1 h，并檢測LSPR光譜諧振波長移動量（Δλp），通過加權質心算法（Weighted centroid algorithm）計算λp位置[30]。

3 結果和討論

3.1 實驗原理

如圖1所示，光纖光在纖芯中以全反射方式傳輸，并在纖芯和周圍媒介的固液界面產生倏逝波，倏逝波透過纖芯表面進入周圍媒介激發Auc單層產生LSPR效應并返回纖芯，經光纖端面銀反光鏡反射，進入光纖光譜儀獲得LSPR光譜。Auc表面DNAp與液相Aus表面DNAT發生雜交反應，使Aus結合在Auc表面，形成Coresatellites結構并激發等離子體耦合效應，導致λp紅移。由于Hg2+能與T形成THg2+T結構，Hg2+存在時，DNAp通過THg2+T形成發卡結構，降低雜交反應強度，造成Aus結合量減少，降低Δλp。通過計算Δλp，實現對Hg2+濃度的定量檢測。

3.2 Auc粒徑優化

取粒徑40、60 和80 nm的金顆粒作為Auc，按2.2節制備由不同Auc修飾的光纖傳感器，并在表面固定DNAp，浸入DNATAus溶液檢測Δλp變化情況。如圖2A所示，80 nm Auc修飾光纖傳感器產生的Δλp最大，故選擇80 nm作為Auc。圖2B和2C分別是80 nm 單層Auc和結合Aus形成Coresatellites結構后的SEM圖。

3.3 Auc表面DNAp的密度優化

Auc表面DNAp的密度是影響檢測靈敏度的重要因素。采用不同濃度DNAp溶液對光纖表面Auc進行修飾，測試了光纖在DNATAus溶液中Δλp及對Hg2+的響應。如圖3A所示，曲線a為不同光纖的初始λp位置； 曲線b顯示不同濃度DNAp溶液修飾的光纖在DNATAus溶液中的λp隨DNAp濃度的增加而增大； 當修飾DNAp濃度大于 150 nmol/L時，λp波長位置趨于穩定，表明此時Auc表面結合Aus已經趨于飽和。不同濃度DNAp溶液修飾的光纖用于檢測50 nmol/L Hg2+，由曲線c可見，隨DNAp濃度增加，λp逐漸增大； 圖3B表明，Δλp先增大后減少； 在DNAp為200 nmol/L時Δλp達最大值，之后隨DNAp濃度的增加而減小。這可能是當DNAp密度增加到一定量時，DNAp對Hg2+的結合能力達到最大； 繼續增大DNAp濃度，受空間位阻的影響，DNAp對Hg2+結合量下降，降低了Δλp。 因此本研究采用200 nmol/L DNAp進行Auc表面修飾。

3.4 傳感器對Hg2+的檢測性能

采用本傳感器檢測不同濃度Hg2+的標準溶液。如圖4所示，LSPR光譜的Δλp隨著Hg2+濃度增高而降低，當Hg2+濃度高于150 nmol/L時，Δλp趨于穩定，這是因為通過THg2+T作用形成的發卡結構探針DNA開始逐漸趨于飽和。采用本方法檢測Hg2+線性范圍為5～150 nmol/L，線性方程為y=0.372x+94.143， 檢出限為3.4 nmol/L （3σ）。

每次測量后，將本光纖傳感器浸入95℃去離子水中10 min，使DNAp和DNAT解鏈，實現傳感器的再生。以再生6次后的傳感器檢測100 nmol/L Hg2+，響應值的相對標準偏差（RSD）為3.9%，表明本傳感器具有良好的可重復使用性，至少可重復使用6次。取6支光纖傳感器檢測50 nmol/L Hg2+。每支傳感器重復測量3次的RSD為1.5%～3.1%； 6支傳感器測量平均值的RSD為4.9%，表明此傳感器具有良好的制備重現性。

本檢測方法與文獻報道的Hg2+檢測方法，如比色法、熒光法、拉曼光譜法、電化學、石英晶振微天平等方法[31～35]相比，具有無需標記、體積小、易于集成的優點。

3.5 實際水樣分析

取清華大學校內荷塘水樣，靜置過濾后去除懸浮物，利用譜尼公司原子熒光法進行水中Hg2+含量檢測，結果表明，水樣中未檢測出Hg2+。利用標準加入法在實際水樣中分別加入不同濃度Hg2+，測定加標回收率。結果如表2所示，回收率為94.2%～105.4%，RSD<4.8%，表明本方法適用于環境水樣中Hg2+檢測。

4 結 論

基于石英光纖基底，以互補DNA雜交做聯接，構建納米金Coresatellites結構，利用Hg2+對雜交反應的抑制作用構建了一種新型Hg2+檢測的光纖傳感器，Hg2+檢測線性范圍5～150 nmol/L，檢出限3.4 nmol/L。此傳感器微型便攜， 具有良好的應用潛力。

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Abstract Based on the plasmon coupling effect in gold nanoparticles coresatellite nanostructures linked by thymine（T）rich DNA hybridization and the specific Hg2+mediated THg2+T base pair， a novel localized surface plasmon resonance （LSPR） optical fiber sensor was proposed and developed for Hg2+ detection in water. The Hg2+induced conformational change in Trich DNA sequence inhibited the DNA hybridization reaction， weakened the plasmon coupling effect and leaded to the change of LSPR resonance wavelength. The concentration of Hg2+ was quantitatively determined by the resonance wavelength redshift. The linear range of Hg2+ detection was about 5-150 nmol/L with LOD about 3.4 nmol/L. The specificity of the sensor was proved great by evaluating the response to other heavy metal ions such as Zn2+， Mg2+， Pb2+ and so on. This sensor was applied in environmental water detection by standard addition method，with the RSD less than 4.8% and recoveries of 94.2%-105.4%.

Keywords Localized surface plasmon resonance； Gold nanoparticles coresatellites structure； Deoxyribonucleic acid； Mercury ion ； Optical fiber sensor

（Received 25 October 2016； accepted 12 February 2017）

This work was supported by the Major State Basic Research Development Program （No.2015CB352100） and the National Natural Science Foundation of China （No.61501100）.