甲基汞化學傳感器研究進展

楊穎，梁秀清，胡梅，吳裕健，明雙喜

（山東省食品藥品檢驗研究院，山東 濟南 250101）

汞是一種有毒的環境污染物，在自然界中主要是以元素汞、無機汞和有機汞3 種形態存在。所有形式的汞都有毒，但是其有機形式特別是甲基汞毒性最高[1]。甲基汞具有脂溶性，可以輕易穿過細胞膜，并對人的神經系統、心血管系統、免疫系統、聽力及視力造成一定的危害，甚至引起死亡[2-3]，其危害主要見于甲基汞污染事件[4]。

在水生環境中無機汞可以通過生物和非生物甲基化作用生成毒性更強的甲基汞從而被動植物吸收[5]，甲基汞通過食物鏈進一步累積和放大，可從水體中的pg/mL 級富集至大型肉食性魚類體內的mg/mL 級[6]。甲基汞可通過飲食進入人體，人類飲食中甲基汞的主要來源是魚類和貝類，也包括汞污染嚴重地區種植的大米以及部分食用魚粉的雞和豬[2]。

鑒于甲基汞的毒性以及生物累積效應，許多國家制訂了甲基汞暴露的風險評價指標。美國環保局規定甲基汞參考劑量為每人每天0.1 μg/kg；世界衛生組織（World Health Organization，WHO）和聯合國糧食與農業組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）設定的甲基汞臨時性周可承受攝入量為每人每周 1.6 μg/kg[7]。

無論從人類健康還是環境保護角度，都需要對食品以及環境中甲基汞的含量進行監測。色譜和光譜/質譜聯用是目前檢測甲基汞的主要方法，結合了色譜技術的高分離性和光譜/質譜技術的高靈敏度兩方面的優點，通過各種分離手段如氣相色譜[8]、高效液相色譜[9]、毛細管電泳[10]等，同選擇性的檢測系統如原子吸收光譜[11]、原子熒光光譜[12]、等離子體質譜[13]、微波誘導等離子體原子發射光譜[14]、爐原子化等離子體發射光譜[15]等結合起來，具有較高選擇性、靈敏度。然而上述方法涉及樣品的采集、運輸、儲藏、預處理以及儀器檢測等多個環節，樣品處理繁瑣、操作費時，且所用的儀器設備費用昂貴，不能滿足人們對于甲基汞檢測方便、快捷、靈敏的要求。為此許多科研人員研究開發甲基汞含量現場快速檢測方法，以期能夠幫助人們及時掌握現場的環境及食品污染情況，快速制定相應的處理對策。

目前對甲基汞傳感器的研究多數集中在化學傳感領域，主要包括光化學傳感器、電化學傳感器等，本文介紹了目前使用化學傳感器快速檢測甲基汞含量的研究發展動態，并總結了目前甲基汞化學傳感器存在問題以及發展方向。

1 光化學傳感器

光化學傳感器由識別基團、信號基團和兩者的連接部分即連接基團組成。傳感器通過識別基團與甲基汞相互作用或者發生化學反應后，通過熒光或者吸收光譜作為輸出信號對甲基汞進行檢測。本文根據傳感器與甲基汞作用方式的不同將甲基汞化學傳感器分為反應型化學傳感器、結合型化學傳感器、置換型傳感器。

1.1 反應型化學傳感器

反應型化學傳感器是利用甲基汞同識別基團的化學反應，如脫硫反應、羥汞化反應、脫硒反應等，生成不同結構的化合物，使得傳感體系光譜信號發生變化。

1.1.1 脫硫反應

甲基汞可以像汞離子一樣與含硫化合物發生脫硫反應。部分甲基汞傳感器以硫脲作為識別基團，以蒽、2，1，3-苯并噻二唑、菁類染料等作為信號基團[16-19]，利用硫脲脫硫生成胍類化合物的甲基汞傳感器見表1。

表1 利用硫脲脫硫生成胍類化合物的甲基汞傳感器Table 1 Methylmercury sensors based on thiourea unit to guanidine

續表1 利用硫脲脫硫生成胍類化合物的甲基汞傳感器Continue table 1 Methylmercury sensors based on thiourea unit to guanidine

甲基汞與硫脲衍生物反應，誘導化合物分子內脫硫成環，生成胍類化合物，由于環化后的化合物引起的光誘導電子轉移、發光共振能量轉移、分子內電荷轉移等發生變化，進而引起熒光以及吸收光譜變化。除了熒光單一的增強與減弱外，部分傳感器兩個不同波長處的熒光強度均發生變化，可以進行比率式熒光檢測，后者可以消除傳感器濃度、光漂白、儀器靈敏度等外在因素的影響，提高檢測結果的準確性[20]。

將羅丹明進行修飾改造，利用甲基汞的脫硫反應使羅丹明由閉環至開環，熒光發生變化。例如將羅丹明修飾上氨基硫脲衍生物，甲基汞將氨基硫脲脫硫形成1，3，4-惡二唑類化合物，羅丹明開環，體系熒光強度增加，且該方法可以用于細胞及活體生物成像[21]。再如用硫原子替代羅丹明B 螺環上的氧原子，合成了羅丹明硫代內酯檢測甲基汞。甲基汞通過脫硫作用使得羅丹明開環，進而表現出熒光增強[22]，且該探針具有頻率上轉換發光性質，在808 nm 激發下，表現出745 nm處近紅外熒光增強，同樣可應用于生物成像。

1.1.2 羥汞化反應

利用羥汞化反應生成物與原反應物熒光性質不同，合成了多種汞熒光傳感器，見表2。

表2 利用羥汞化反應的甲基汞傳感器Table 2 Methylmercury sensors based on oxymercuration reaction

芳基乙烯醚衍生物經汞離子或甲基汞水解生成相應的酚或進一步破碎生成熒光氨基化合物。其中文獻[23-24]均試驗應用在活細胞或斑馬魚體內成像。

1.1.3 脫硒反應

含硒內酯的羅丹明衍生物遇到汞或甲基汞后，發生脫硒反應，生成開環的羅丹明衍生物，溶液顏色由無色變為粉紅色，熒光增強，因此該反應同時具有熒光增強及紫外可見光的變化。該方法也可用于細胞及斑馬魚中汞及甲基汞成像[3]。

反應型化學傳感器雖然都可以快速檢測甲基汞含量，且部分方法還可以用于細胞成像[3，17，21-23]，但是由于其反應機理均以汞離子、甲基汞引發的脫硫反應為基礎，因此實際測定是總汞含量，無法區分汞離子及甲基汞離子，且由于汞離子的親硫性要強于甲基汞，反應過程中汞離子響應要強于甲基汞。

1.2 結合型化學傳感器

該類傳感器識別基團與甲基汞之間通過靜電、絡合等相互作用結合，如硫、羧基、金等與甲基汞相互作用，形成新的結合體，使得受體的光譜信號發生變化[25-27]。

利用膽酸合成甲基汞傳感器，蒽作為熒光基團通過連接基團連接到膽酸的C3 位，而膽酸的C7、C12 位則引入一對二硫代氨基甲酸酯作為識別基團[25]。該傳感器的兩個二硫代氨基甲酸酯可以形成一個三維半剛性孔洞，電子給體二硫代氨基甲酸酯與汞離子或甲基汞絡合時，與熒光基團之間的光誘導電子轉移過程受阻，熒光發射從關閉轉至開啟狀態。該傳感器對汞離子的響應大于甲基汞。

利用汞與巰基的強結合力，設計一種比色納米傳感器[28]，見圖1。

其原理是用二乙基二硫代氨基甲酸酯（diethyldithiocarbamate，DDTC）與銅離子形成Cu-DDTC，汞加入體系后取代銅離子形成Hg-DDTC。Hg-DDTC含有巰基，可以取代金納米顆粒的穩定劑檸檬酸鹽離子，將Hg-DDTC 通過Au-S 鍵連接到金納米顆粒的表面，并引發金納米顆粒聚集，導致溶液顏色由紅色變為藍色。通過比色可以檢測汞化合物的含量。添加乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）可以螯合掩蔽汞離子，減少汞離子的干擾，并可以通過螯合銅離子，加速有機汞置換銅離子。該方法可以檢測飲用水中的15 nmol/L 以上的甲基汞，但是其缺點是無法區分各種有機汞；金納米顆粒在高鹽環境、高蛋白質環境中不穩定，因此無法測定海水及高蛋白物質中甲基汞。

圖1 Hg-DDTC 復合物與金納米顆粒的結合示意圖Fig.1 Schematic illustration of Hg-DDTC complex attached to the surface of AU NPs

鑭系簇合物具有較寬的激發光譜帶和較窄的發射光譜帶，熒光持續時間長，且熒光光譜的斯托克斯位移較大，這些光譜特性被應用到傳感領域，利用雙核銪簇復合物[Eu2（4-Msal）6（phen）2（H2O）2]（4-Msal=4-甲基水楊酸，phen=鄰二氮菲）監測甲基汞的含量[29]。該復合物含有兩個未配位的氧，甲基汞與銪簇中羧基的氧配位結合，由于甲基基團中的C-H 振動消耗了Eu3+的能量，從而導致熒光猝滅。該方法在10 倍其他離子共存的情況下不受干擾，但其線性范圍僅為6.5 nmol/L～17.6 nmol/L，線性范圍較窄。

利用甲基汞與吡啶基、叔胺基、羰基的絡合作用合成甲基汞傳感器見圖2。

圖2 傳感器1 反應機理Fig.2 Illustration of the detection strategy of sensor 1

如圖2，以 1 個吡啶基、4 個 1，8-萘酰亞胺合成傳感器1 檢測汞離子及甲基汞離子[26]。汞離子及甲基汞可以與吡啶基以及1，8-萘酰亞胺的叔胺基、羰基螯合，1，8-萘酰亞胺的旋轉受到抑制，由于分子內旋轉受限可以引起聚集誘導發光，體系熒光增強。汞離子對傳感器的相應要大于甲基汞，通過加入富含胸腺嘧啶的DNA 可以掩蔽汞離子，進而專一性檢測甲基汞，檢測限為50 nmol/L。

金屬有機骨架材料（metal-organic frameworks，MOFs）是由金屬離子與有機配位體通過配位作用形成的多孔晶體材料，具有高度多孔、比表面積大、可協調性強、結構多樣性等特點。通常MOFs 含有可以發出熒光或者可見光的芳香基團，因此可以做成光譜傳感器，再加上其固有的拓撲結構、空腔限制作用等可以對特定大小、形狀的分析物具有選擇性，因此近年來被研究用于制造各種光譜傳感器[30]。金屬有機骨架結構材料ZIF-60 和MIL-53（Fe）便是利用上述原理選擇性的檢測甲基汞[31-32]。兩種材料熒光均隨著甲基汞濃度的增加而增強，分析其熒光增強的原因，可能是甲基汞進入金屬有機骨架孔腔中，通過庫倫力作用抑制了金屬骨架材料連接處的原子活動（如振動、扭轉位移等），進而減緩了非輻射衰變過程，增加了衰減的激發態分子數。利用該方法制作的傳感器，可以專一性的檢測甲基汞，不受其他金屬離子干擾，但是目前僅在有機相或水中進行試驗。

1.3 置換型化學傳感器

利用甲基汞與識別基團的反應，將信號基團置換到溶液中，由于受體（識別基團-信號基團）與單獨的信號基團的光譜性質不同，從而產生熒光或顏色變化。

以羅丹明6G、3-巰基丙酸修飾的金納米顆粒合成熒光傳感器，并加入牛血清蛋白以保護金納米顆粒，防止在高鹽溶液中聚集[33]。3-巰基丙酸和檸檬酸離子為負電，羅丹明染料為正電，它們之間的靜電作用及π-π 作用控制著金納米顆粒與羅丹明染料分子之間的反應，強靜電作用使得體系的熒光背景低。汞與金納米顆粒的金有較強的吸附力，且可以與納米顆粒表面的3-巰基丙酸作用，釋放出羅丹明6G，恢復了羅丹明6G 的熒光，溶液的熒光強度增加。使用EDTA 可以掩蔽汞離子，但銀離子仍有干擾；使用銻可以掩蔽各種無機金屬離子，但無法區分各種有機汞。使用該方法用于湖水、魚肉等基質的檢測，檢測結果與標準參考值相吻合。

介孔材料也被應用于甲基汞傳感器研究中。介孔材料檢測甲基汞示意圖見圖3。

圖3 介孔材料檢測甲基汞示意圖Fig.3 Schematic illustration of the determination of methylmercury using mesoporous materials

如圖3所示，在介孔材料MCM-41 的孔中填充大量的堿性藏紅分子，材料表面則覆蓋有方酸染料與硫醇的反應物，由于該反應物體積龐大，將堿性藏紅染料5 封在介孔材料的小孔中。甲基汞由于具有親硫性可以與巰基結合，方酸染料分子6 被釋放出來，盡管這個反應本身就能引起光學響應，但系統強烈的信號放大是由同時被釋放出來的大量堿性藏紅染料引起[34]。該反應既有顯色變化，又有熒光變化，利用顯色反應檢測限為0.5 mg/mL，利用熒光方法檢測限低于2 μg/mL。用此方法測定酸解并經甲苯提取的魚肉，甲基汞的檢測值與標準值相吻合。但是該方法僅適用于有機介質，不適合水相中的測定。

2 電化學傳感器

2.1 伏安法電化學傳感器

1974年，Heaton 和 Laitinen 在滴汞電極上研究甲基汞電化學還原行為并提出其反應機理[35]，即在酸性介質中首先在電極表面可逆的產生甲基汞自由基，然后不可逆的還原成元素汞及甲烷，其主要反應如下：

根據此原理許多科研工作者用伏安法對甲基汞進行檢測，然而由于甲基汞氧化還原反應是一個相對復雜的過程，涉及多個反應及產物，因此利用常規的伏安法還無法準確測定甲基汞特別是痕量甲基汞的含量。為此使用流動注射快速掃描陽極溶出法[36]、多方波伏安法[37]、差分脈沖陽極溶出伏安法[38]、循環、方波、快速掃描伏安法[39]來優化甲基汞的電化學檢測條件。在電極的選擇上從最初污染大的汞電極[35]，又開發出環境友好型的玻璃電極[37]、碳糊電極[40]、碳微電極[39]、鉑電極[36]、以及金膜電極[38，41-42]，并通過用巰基樹脂[40]、全氟化的陽離子交換劑Nafion[37]、金納米顆粒和還原氧化石墨烯[43-44]來修飾電極，以達到預富集甲基汞的目的。為了消除汞離子的影響，使用二乙基三胺五乙酸（diethylene triamine pentacetate acid，DTPA）掩蔽汞離子[41-42]、或測量前將氯化亞錫加到提取液中以還原汞離子[43-44]。

雖然使用伏安法檢測甲基汞取得了一定的進展，部分方法如流動注射快速掃描伏安法[36]或使用金納米顆粒劑還原氧化石墨烯修飾電極法[44]在消解的魚肉產品中進行了驗證。但目前研究的方法多數線性范圍窄，如文獻[44]線性范圍僅為 3 μg/mL～24 μg/mL；溶液的基質如高濃度氯離子、其他金屬陽離子等對檢測造成的影響還有待進一步研究。

2.2 電導率法電化學傳感器

利用金納米顆粒制作了一種可以檢測陽離子的固態電化學傳感器[45]，通過測定電導率的變化來測定甲基汞的濃度。將金納米顆粒表面覆蓋正己硫醇（nhexanethiol，HT）、以 n 個乙二醇（ethylene glycol，EG）終止的烷硫醇，形成條紋結構，詳見圖4。

圖4 試驗設計條紋納米顆粒理想模型，組合及尺寸，納米顆粒膜的側面圖Fig.4 Experimental set-up an idealized scheme of a striped nanoparticle，the scheme and the dimensions of the device，the side view of the nanoparticle film

不同陽離子的大小不同，與納米顆粒的結合常數不同，使得金納米顆粒表面的配體殼可以選擇性的結合陽離子。n=3 時，甲基汞可以與該納米顆粒表面的巰基結合，通過納米顆粒/陽離子/納米顆粒分子橋進行電子轉移，納米膜的隧道電流增加、電導增強。電導的改變同甲基汞濃度相關。該方法的靈敏度可以達到1 pmol/L，且可以方便快速的檢測溶液中甲基汞含量，但是汞離子和銫離子會對檢測結果有一定干擾。

3 其他化學傳感器

微懸臂梁由于其體積小、成本低、靈敏度高等特點引起了廣泛的關注，近年來被應用到傳感器領域。微懸臂梁可以將懸臂梁表面的生化反應轉化為納米機械運動或者將表面的質量變化轉變為頻率變化，從而達到檢測目的[46]。由于甲基汞易于同巰基作用形成復合物，以1，6-己二醇硫單分子層作為識別單元，以覆蓋金的微懸臂作為轉換器檢測甲基汞濃度[47]。甲基汞與巰基結合后微懸臂梁表面應力發生變化，從而使懸臂發生彎曲，根據彎曲的程度可以檢測甲基汞的含量。該方法首次將微懸臂梁應用于甲基汞的檢測，檢測限可以達到0.01 pmol/L，但是其缺點也很明顯：由于汞離子也可以同巰基作用且可以沉淀到金膜的表面，因此無法區分汞離子及甲基汞，鋅離子等陽離子與巰基作用也可能會影響檢測結果。

碳點是一種具有強熒光、低毒性、熒光波長可調、光穩定性好、水溶性好、易于合成等特性的新型熒光納米粒子[48]。用果糖（碳源）、聚乙二醇、乙醇、氫氧化鈉合成碳點。甲基汞的疏水性使得其穿過聚乙二醇與碳點碰撞，通過電子轉移過程促進非輻射電子/空穴復合湮滅，造成熒光猝滅。汞離子具有親水性，且在pH 13的反應條件下是以Hg（OH）2的形式存在，無法像甲基汞一樣與碳點發生作用。該方法可以在一分鐘內完成碳點的合成以及甲基汞的檢測，檢測限可以達到5.9 nmol/L，且不受其他金屬離子以及汞離子的干擾；用于魚肉甲基汞含量檢測，結果與標準值相吻合。

4 結論與展望

科研工作者對甲基汞傳感器的研究涉及光化學、電化學等各個領域。然而相對于汞離子傳感器來講，甲基汞傳感器目前尚處于起步研究階段，真正商業化的傳感器極少。其存在的主要問題包括：多數選擇性較差，無法區分甲基汞與汞離子；目前研究主要在甲基汞溶液中開展試驗，僅有少部分應用于湖水、魚肉等實際樣品中；部分方法檢出限較高、線性范圍窄，無法滿足實際樣品甲基汞含量檢測需求；部分傳感器僅適用于有機基質，不能在水相中進行；多數方法未對檢出數值的準確性進行驗證。

針對多數傳感器無法區分汞離子及甲基汞的問題，部分研究使用螯合劑EDTA、NaS2、DTPA 等來掩蔽汞離子，或使用特定的DNA 來吸附甲基汞，或設計出大小形狀適合甲基汞的金屬有機骨架材料，通過上述方式在一定程度上提高了甲基汞檢測的選擇性。隨著納米技術的發展，納米材料如金納米顆粒、銀納米顆粒、金納米簇、熒光碳點、稀土上轉化納米顆粒等也被廣泛的應用到甲基汞傳感器研究上來，其檢測的靈敏度、選擇性要優于其他檢測材料，在甲基汞傳感器發展方面具有一定的前景。

綜上所述，目前發明出選擇性強、靈敏度高、適用于實際樣品檢測的便攜式甲基汞傳感器仍有一定的挑戰，如何利用甲基汞的專一性反應完成對甲基汞的有效識別是提高甲基汞傳感器選擇性與靈敏度的關鍵。