納米金的合成及其在重金屬離子檢測中的應用進展

劉豐源，辛嘉英,,*，孫立瑞，王 艷，夏春谷

（1.哈爾濱商業大學 省高校食品科學與工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150076；2.中國科學院蘭州化學物理研究所，羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

重金屬污染已對環境和人類健康構成嚴重威脅，成為全球最主要的環境問題之一。重金屬一般是指比重大于5的金屬[1]，美國環境保護署將對環境污染嚴重的重金屬進行了統一劃分，包括砷、汞、銅、鎳、鉛、鎘和鉻。一部分重金屬污染源于自然途徑（巖石、土壤的侵蝕和風化），但絕大部分重金屬污染是通過工業生產、生活污水的排放以及含重金屬農藥化肥的使用進入到環境當中的[2]。重金屬離子可通過食品、空氣和飲用水進入人體，它們半衰期長、不可降解、可在生物體中累積。汞一般以汞化合物和烷基汞兩種形態存在于食品中，它們毒性強，曾轟動一時的水俁病就是由于人們食入了被有機汞污染的魚和貝類，從而對神經系統和肢體造成了永久性的損傷。砷呈現多種存在形態，誤食可導致人的心血管和呼吸道系統紊亂。1955年，日本發生了森永奶粉事件，上百名新生兒因食用砷污染的奶粉而死亡。鎘通過食物進入人體后，主要損傷肝腎、骨骼和消化系統。鉛易在生產和儲存中進入食品，攝入人體后可干擾免疫系統的功能，并對神經及腎臟產生毒副作用[3]。研究表明，即便攝入濃度很低，這些重金屬也會導致許多嚴重的健康問題，包括癌癥、精神分裂、神經紊亂、腎衰竭、皮膚病和肺病，同時損害動脈、DNA和肝臟的功能[2]。故對食品、環境、飲用水及具體樣品中重金屬離子進行檢測的重要性不言而喻。

已經開發出許多檢測痕量重金屬離子的方法，包括原子吸收光譜、原子發射光譜、電感耦合等離子體質譜、毛細管電泳、X射線熒光光譜和微探針等[4-5]。這些傳統的檢測方法雖然靈敏度高、特異性好，但檢測成本高、樣品制備和預處理過程繁瑣、對檢測人員的操作要求嚴格。此外，由于對檢測設備的依賴，傳統檢測方法很難用于現場檢測，實用性差。納米材料催化效率高、表面活性好、比表面積大、吸附能力強，在重金屬離子的檢測中表現出巨大的應用前景。已經開發出不同類別的光學、電化學和生物學納米傳感器，用于檢測重金屬離子。在這其中，納米金（gold nanoparticles，GNPs）因其良好的生物相容性和獨特的光學性質，在重金屬離子的檢測中扮演著十分重要的角色。

在古代，人們對金的性質不是很了解，金在更多時候都作為貨幣和裝飾品使用。直到1857年Faraday發現膠體金后[6]，人們開始對GNPs的光學性質、物化特性、合成方法、功能化及應用展開了較為系統的科學研究。研究發現GNPs除了具有比表面效應及量子尺寸效應等一般納米粒子具有的特性之外，還具有良好的生物相容性和獨特的光學性質。GNPs溶液通常為紅色或粉紅色，當分析物與GNPs結合誘導GNPs發生聚集后，溶液顏色逐漸變為藍紫色，由于GNPs在可見光區能夠強烈的吸收和散射光，聚集過程伴隨著GNPs表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）峰的變寬移位和聚合物平均粒徑的變化[7]，這可以通過光吸收和光散射技術監測到，這為基于GNPs的SPR和動態光散射（dynamic light scattering，DLS）檢測重金屬離子奠定了基礎。此外，GNPs表面化學容易控制調節，可與各種生物和有機分子結合，形成功能化GNPs。利用GNPs與表面功能化物質特定的相互作用及功能化物質與重金屬離子的親和性也可用于分析檢測重金屬離子。最典型的就是表面增強拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）、表面增強熒光（surface-enhanced fluorescence，SEF）、金標試紙條和GNPs手性傳感在重金屬離子檢測中的應用。GNPs的這些光學特性使之成為用于檢測重金屬離子的理想探針。

利用GNPs檢測重金屬離子選擇性高、靈敏度好、成本低、便攜，可實現現場檢測。本文綜述了幾種典型GNPs的合成方法，根據GNPs的光學性質分別綜述了其表面等離子體共振、動態光散射、表面增強拉曼散射、表面增強熒光、金標試紙條和GNPs手性傳感在重金屬離子檢測中的研究進展，對它們的檢測原理、應用及優缺點進行了分析，展望了未來的發展趨勢，為食品、環境、飲用水及具體樣品中重金屬離子的檢測提供借鑒。

1 GNPs的合成方法

常見的GNPs合成方法如圖1所示，包括（A）檸檬酸鈉還原法、（B）Brust-Schiffrin法、（C）晶種法和（D）綠色合成法。其中檸檬酸鈉還原法和Brust-Schiffrin法是應用最廣泛的兩種方法。表1對上述4 種方法進行了總結并比較了它們各自的特點。

圖1 幾種常見GNPs的合成方法[[88]]Fig. 1 Methods for the synthesis of several common GNPs[8]

1.1 檸檬酸鈉還原法

檸檬酸鈉還原法也叫Turkevich-Frens法，由Turkevich于1951年提出。具體操作是在沸騰的氯金酸溶液中加入少量檸檬酸鈉溶液，持續攪拌加熱，觀察到溶液顏色從淺黃色變為藍紫色，最后變為酒紅色。在該過程中Au3+被檸檬酸鈉還原為Au0。但該方法合成的GNPs粒徑范圍較窄，不能滿足研究要求。Frens[9]通過改變檸檬酸鈉和氯金酸的比例得到了粒徑范圍在16～147 nm的GNPs。在此基礎上，研究人員對合成尺寸可控、穩定性和應用性強的GNPs進行了大量研究。發現通過改變還原劑或控制還原劑和整個體系的pH值能提高GNPs的穩定性；Schulz等[10]通過添加檸檬酸鹽緩沖液代替檸檬酸鈉溶液作為穩定劑和還原劑來控制體系pH值；Shiba[11]通過調整氫氧化鈉和檸檬酸鈉加入氯金酸的時間間隔，得到了粒徑范圍在6～15 nm的GNPs。此外，可以采用其他具有還原性的生物分子代替檸檬酸鈉還原氯金酸直接一步合成生物分子修飾的功能化GNPs，用作傳感器。

1.2 Brust-Schiffrin法

GNPs可通過檸檬酸鈉還原法在水相中合成，也可以在有機相或液-液兩相體系中合成。受Faraday兩相體系中膠體金制備的啟發，Brust等[12]于1994年提出Brust-Schiffrin法，具體操作是在水-甲苯體系中，以四辛基溴化銨（tetraoctylammonium bromide，TOAB）作為相轉移劑，將AuC14－從水相轉移到甲苯相中，在烷硫醇存在下用硼氫化鈉溶液將Au3+還原為Au0。在加入還原劑后，有機相顏色在幾秒鐘內從橙色變為深棕色。Brust-Schiffrin法常用于巰基配體功能化GNPs的合成和應用，該方法制備的GNPs由密集的硫醇單層包裹，非常穩定，彌補了Turkevich-Frens法的不足。此外，GNPs的粒徑可通過反應條件（溫度、硫醇配體與金物質的量比S/Au和反應速率）調節[13]。Maye等[14]發現溫度對GNPs粒徑和形狀的影響取決于硫醇配體的鏈長，采用較大的S/Au物質的量比更容易得到小粒徑的GNPs。

1.3 晶種法

檸檬酸鈉還原法和Brust-Schiffrin法在一定程度上受到窄粒徑范圍的限制，Wiesner等[15]于1989年提出晶體種子生長法，也叫晶種法，是一種制備粒徑可控GNPs的常用方法。這種方法首先用強還原劑NaBH4或檸檬酸鈉還原金鹽得到小粒徑的GNPs，以小粒徑的GNPs為晶種向其中繼續加入金鹽溶液在弱還原劑（抗壞血酸）的作用下得到粒徑逐步增大的GNPs，最后加入結構導向劑，防止二次成核，促進生長。晶種法得到的GNPs物理性質得到改善，但常常混有少量雜質。為此，Jana等[16]使用抗壞血酸替代檸檬酸鹽作為還原劑，十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）作為穩定劑，得到了粒徑為40 nm的均勻GNPs，幾乎不含雜質。Kihyun等[17]采用相同的方法合成粒徑可控、范圍在10～90 nm的GNPs。發現反應條件會影響合成GNPs的粒徑。Piella等[18]通過調節溫度、pH值和檸檬酸鈉的濃度，精確合成了粒徑范圍在3.5～10.0 nm的GNPs。與其他方法相比，晶種法制得的GNPs其形狀和尺寸更容易控制，廣泛用于合成形狀和尺寸可控的GNPs。

1.4 綠色合成法

上述3 種方法雖都可以制備GNPs，但在規模化生產期間有毒副產品會對環境造成嚴重污染。而且制備所使用的有毒溶劑可能會限制其在生物學研究中的應用。針對這些問題，以原核生物（細菌）、真核生物（真菌和植物提取物）和其他蛋白質和氨基酸等為原料的綠色合成法也已經成功制備出GNPs。

利用原核生物（細菌、藻類等）和真核生物（真菌和植物提取物）制備GNPs分為胞內合成和胞外合成兩部分。Konishi等[19]用嗜溫厭氧細菌Shewanella得到了粒徑范圍在10～20 nm的GNPs晶體。Husseiny[20]和Singaravelu[21]等分別用銅綠假單胞菌和海藻通過胞外合成制得了粒徑范圍在15～30 nm和8～12 nm的GNPs。Mukherjee等[22]用真菌Verticillium sp.還原AuCl4－成功制得粒徑約為20 nm的GNPs。迄今為止，大量的真菌物種如脈孢菌、臭曲霉、米曲霉等都已通過胞內或胞外合成成功制得GNPs。Nune等[23]采用茶中的植物化學物質得到茶生成的GNPs。一般來說，用真菌合成的GNPs表現出更強的環境耐受性，因為真菌對高濃度金屬耐受性更強且可以分泌大量的細胞外氧化還原蛋白還原金屬離子。

光化學法也是一種綠色合成方法，日光或紫外光的照射使體系產生自由基作為還原劑，將Au3+還原成Au0形成GNPs，整個過程僅在幾秒到幾分鐘內發生，反應時間大大縮短。由于其重現性、簡單性和溫和的合成條件，合成的GNPs品質大大提高。與光化學法類似，超聲波和微波輔助方法也已用于合成GNPs[24-25]，微波法將電磁輻射轉化為熱能。該過程快速且無任何毒副作用。雖然能量轉換方法不需要化學還原劑，但它需要能量投入。

表1 幾種典型GNPs合成方法的優缺點比較[8]Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of the methods for the synthesis of several typical GNPs[8]

2 GNPs的光學性質在重金屬離子檢測中的應用

2.1 GNPs的SPR檢測

GNPs的SPR效應是指GNPs在外光場的作用下，在表面會產生表面等離激元（surface plasmon polaritions，SPPs），這是GNPs表面的等離子體與光子相互作用形成的混合激發態，當入射光子的頻率與金屬內等離子體振蕩頻率相同時，GNPs表面的導帶電子在外光場作用下產生集體的簡諧振蕩，這就是SPR，宏觀表現為GNPs對入射光的選擇性吸收，在一個或多個波長處出現消光峰，這就是表面等離子體共振吸收峰[26]。GNPs對局部環境的變化非常敏感，當納米金的形狀、尺寸、納米顆粒間距離、周圍環境的介電常數發生變化時，GNPs的分散性都會發生變化，其SPR光譜也會發生變化。當納米顆粒間距離發生變化（GNPs發生聚集和解聚）時，由于粒子間表面等離子體共振耦合，導致吸收峰發生紅移或藍移，溶液分別呈現從紅色到藍色和藍色到紅色的顏色變化，這可以通過肉眼很容易地觀察到，基于此可實現對重金屬離子的可視化檢測（圖2）。

圖2 SPR檢測重金屬離子示意圖Fig. 2 Schematic diagram of SPR detection of heavy metal ions

已經有很多根據功能化GNPs的SPR效應檢測重金屬離子的報道。根據重金屬離子識別分子的不同，這些功能化分子可分為氨基酸、肽、蛋白質、適配體、核酸酶和有機酸、炔烴及相關衍生物等幾類。為簡化分類，將這些功能化分子分為生物分子和非生物分子兩大類。生物分子包括氨基酸、肽、蛋白質、適配體和核酸酶等。其中氨基酸、肽、蛋白質可通過靜電作用、疏水作用和形成S-Au附著在GNPs表面形成功能化GNPs，重金屬離子的加入可誘導功能化GNPs聚集和解聚，以此實現對重金屬離子的可視化檢測。利用氨基酸、肽、蛋白質功能化GNPs的SPR效應已經實現了對水生蔬菜（蓮藕、荸薺）、大米等眾多食品和血液、不同水樣中重金屬離子的檢測[27-34]。Hg2+可與胸腺嘧啶能夠形成穩定的T-Hg2+-T復合物，以寡核苷酸和DNA等適配體功能化的GNPs常見于檢測Hg2+[35-36]。DNA酶功能化GNPs常用于檢測Pb2+[37-41]。基于適配體和核酸酶功能化GNPs的檢測手段選擇性高、檢出限低，但核酸價格昂貴，檢測過程需要精確加熱和溫度監測，因此實用性并不高。非生物分子（硫氰尿酸、馬來酸、沒食子酸等）因為成本低、易于控制、官能團種類豐富易于功能化，已經實現了對食品、土壤、水樣等不同樣品中重金屬離子的檢測[42-51]。生物分子和非生物分子功能化GNPs檢測重金屬離子見表2。

基于非功能化GNPs的SPR效應也可用于檢測重金屬離子。檸檬酸鈉還原法制得的GNPs表面包裹著一層帶負電的檸檬酸根，由于靜電排斥作用穩定的分散在溶液體系中，但當這種排斥力被破壞時GNPs就會發生聚集，溶液顏色和共振吸收峰都會發生變化。Yang Juanhua等[52]發現向檸檬酸鈉還原法得到的GNPs中加入鄰苯二胺（o-phenylenediamine，OPDA）會導致GNPs的聚集，溶液顏色發生紅色至藍色的變化。加入Hg2+、Cu2+或Ag+后，金屬離子被還原并不斷形成小的HgNPs、CuNPs和AgNPs。這些NPs反過來催化Hg2+、Cu2+和Ag+與OPDA之間的氧化還原反應，OPDA被這些金屬離子氧化變成OPDA聚合物和2,3-二氨基吩嗪（2,3-diamino phenazine）。OPDA的減少使GNPs解聚，溶液顏色又從藍色逐漸變為紅色。Hg2+、Cu2+和Ag+的檢測限（limit of detection，LOD）分別為2.7、1.2、1.1 nmol/L。3 種離子的檢測差異可能歸因于它們對OPDA不同的氧化能力。這種比色方法可通過加入一種或兩種合適的掩蔽劑（EDTA、NH4OH、NaCl、CaC2O4）來消除其他兩種離子的干擾。通過對池塘水中Hg2+、Cu2+和Ag+的檢測證明了該方法的可靠性。Liu Yi等[53]基于抗壞血酸（ascorbic acid，AA）和多巰基官能化聚乙烯亞胺（multi-sulfhydryl functionalized hyperbranched polyethylenimine，SH-HPEI）存在下GNPs的顏色變化，開發了一種可以觀察到3 種顏色變化的Hg2+檢測法。在AA的存在下，Hg2+被還原為Hg0，其可以沉積在GNPs表面上，導致Hg-Au合金的形成使溶液發生紅色至淺褐色的顏色變化。SH-HPEI不僅具有大量的胺基，而且還具有多個硫醇基，汞具有很高的親硫性，可通過Hg-S與SH-HPEI結合。加入SH-HPEI后，Hg-Au合金聚集在一起，形成更大的Hg-Au合金。溶液顏色從淺褐色變成淺灰綠色，發現400 nm波長處吸光度與Hg2+濃度在8.76×10－9～1.27×10－4mol/L呈良好的線性關系，相關系數為0.989，LOD為8.76×10－9mol/L，低于世界衛生組織30 nmol/L的規定值。該方法已成功應用于檢測實際水樣中的Hg2+。

表2 生物分子和非生物分子功能化GNPs檢測重金屬離子總結Table 2 Summary of the applications of functionalized GNPs with biomolecules and non-biomolecules to the detection of heavy metal ions

與其他技術相比，GNPs的SPR檢測具有許多優點，首先，檢測在均相溶液分析體系中進行，可通過簡單的儀器（光譜儀）甚至肉眼進行檢測，成本低，易于觀察和記錄。此外，GNPs易于合成和功能化，并且可以結合到小型便攜式設備中，可以對重金屬離子進行簡便可靠的現場檢測。在未來，應著力于發展可再生的SPR芯片，開發高通量多組分檢測的SPR傳感器，擴大GNPs的SPR檢測在重金屬檢測中的應用范圍。然而，該檢測方法也有一些缺點，GNPs在外部環境條件（離子強度、pH值和溫度）改變下傾向于發生聚集，有時這會對檢測造成干擾。

2.2 GNPs的DLS檢測

基于GNPs的光散射特性進行檢測通常分為兩種形式：一種是根據散射光強度或波長變化進行檢測，常見于檢測DNA分子；一種是根據DLS進行檢測，可用于檢測重金屬離子。在這里，我們對GNPs的DLS在重金屬離子檢測中的應用進行闡述。

DLS指通過監測溶液中顆粒布朗運動引起的散射光強度波動來測量納米顆粒溶液的流體力學半徑。DLS是在均相反應體系中對物質聚集狀態的一種監測，不涉及復雜的分離步驟，可以快速、準確地測量溶液或懸浮液中生物分子和納米顆粒的平均粒徑和粒度分布[54]。基于DLS開發了兩種主要的測定形式：一種是分析物與GNPs結合誘導GNPs團簇或聚集體的形成，利用聚集體的平均粒度變化進行檢測；第二種是通過與分析物結合導致單個GNPs的粒度變化進行檢測。第一種檢測形式可用于檢測重金屬離子。第二種檢測形式常見于檢測蛋白質等生物大分子。下面對第一種檢測形式在水稻等具體樣品中重金屬離子的檢測應用進行闡述。

As3+對水稻及飲用水的污染已對人類健康構成嚴重威脅，實驗室的分析檢測技術依賴于一系列濃縮步驟，過程繁瑣且實用性差。Kalluri等[55]報道了一種谷胱甘肽（glutathione，GSH）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol，DTT）和半胱氨酸（cysteine，Cys）功能化GNPs測定As3+的方法，以吡啶二羧酸（pyridine dicarboxylic acid，PDCA）為掩蔽劑，加入As3+后，As3+可與GSH、DTT、Cys結合進而誘導功能化GNPs形成二聚體、三聚體和更大的聚集體，通過DLS技術可以檢測到顆粒尺寸的變化，進而實現As3+的檢測。結果表明，DLS檢測可以快速（不到10 min）準確地在ng/L水平檢測到As3+，LOD為10 ng/L，比普通比色方法靈敏度高出2 個數量級，比WHO規定的標準限值高3 個數量級。用該檢測方法對水稻中常見的有機砷化合物二甲基胂酸（dimethylarsenic acid，DMA）、單甲基胂酸（monomethylarsinic acid，MMA）及瓶裝飲用水進行檢測取得了非常好的效果。DNA分子穩定性強，在多次變性和復性循環后仍可以保持它們的結合能力和催化活性，這使它們被廣泛應用于重金屬離子的傳感檢測中。Miao Xiangmin等[56]根據可與Pb2+響應的DNA酶的切割性質，用寡核苷酸修飾的GNPs構建了用于Pb2+檢測的DLS傳感器。當將寡核苷酸修飾的納米金GNPs-Oligo1和GNPs-Oligo2添加到酶和底物鏈的混合物中時，它們之間將發生雜交并誘導GNPs的聚集。在不存在Pb2+的情況下，聚集體表現出良好的穩定性，引入Pb2+后，Pb2+特異性的DNA酶可以催化底物鏈的水解裂解，可以通過DLS技術檢測不同質量濃度Pb2+條件下聚集體的平均粒徑變化。結果表明，在800 nmol/L底物、2.0 mmol/L酶、400 mmol/L NaCl和30 ℃孵育的優化條件下，混合物的平均粒徑隨著Pb2+濃度從0.1～1.0 nmol/L線性降低，LOD為35.0 nmol/L。雖然基于DNA酶的傳感器顯示出良好的選擇性，但復雜的樣品制備過程和成本限制了其進一步應用。Pb2+離子與谷胱甘肽羧酸根離子結合比其他重金屬離子強得多，Beqa等[57]基于此報道了一種谷胱甘肽修飾GNPs的DLS探針，在pH 8條件下，向溶液中加入不同質量濃度的Pb2+會使Cys-GNPs發生不同程度的聚集，發現聚集體粒徑變化與Pb2+質量濃度在50～25 000 ng/L呈良好的線性關系，LOD為100 ng/L，比EPA規定的標準限值高出2 個數量級。該方法快速（時間不到20 min）靈敏且特異性強，對塑料玩具、油漆和水樣等樣品進行檢測均取得了不錯的效果。

GNPs與DLS檢測相結合是一種非常有前景的分析檢測技術，根據與分析物分子相互作用時GNPs的粒徑變化來檢測目標分析物，不涉及復雜的分離步驟，靈敏度比其他許多現有技術好1～5 個數量級，廣泛用于金屬離子、核酸和蛋白質的檢測。在今后的研究中，可嘗試將GNPs與其他納米材料（量子點、磁珠等）相結合進行探索研究，進一步放大檢測信號，實現被檢測物的超靈敏檢測。

2.3 GNPs的SERS檢測

拉曼散射是指一定頻率的光照射到物質表面時，物質中的分子吸收了部分能量，發生了不同方式和不同程度的振動，散射出較低頻率的光。通常，拉曼散射光強度很弱，僅為瑞利散射的千分之一。但研究發現，當拉曼散射發生在粗糙金屬納米結構的表面或近表面時，其表面吸附分子的散射光強度顯著增強，這種現象被稱為SERS。一般認為，電磁增強和化學增強共同影響著SERS。電磁增強源于金屬納米顆粒表面等離子體共振效應，這使金屬納米顆粒表面電磁場強度顯著增加。在化學增強中，吸附在金屬納米顆粒表面上的分子與金屬納米顆粒發生特定的相互作用（電子耦合、電荷轉移等），導致產生新的振動激發態[58-59]。相對于正常的拉曼散射，SERS可將光信號強度增強104～1014倍。以納米金為基底的SERS檢測已被廣泛用于檢測有機污水中的重金屬離子。

Frost等[60]基于SERS采用檸檬酸鹽穩定的GNPs檢測水中的Pb2+。由于金屬親和性質，包裹在GNPs表面的檸檬酸根分子通過羧酸鹽基團與Pb2+相互作用，SERS光譜顯示，加入Pb2+后，νas（COO—）帶和νs（COO—）帶的強度發生變化，ν（C—OH）帶的強度變化與Pb2+質量濃度在50～1 000 ng/L間呈良好的線性關系，相關系數為0.998 2，LOD為25 ng/L。Tan Enzhong等[61]發現吸附在GNPs上的2-巰基異煙酸（2-mercaptoisonicotinic acid，2MNA）的SERS光譜對重金屬離子非常敏感，可用SERS光譜中的相對峰強度比直接定量檢測Hg2+和Pb2+。實驗發現在沒有掩蔽劑時，2MNA-GNPs傳感器對Hg2+具有高選擇性，SERS光譜中1 160 cm－1帶和1 230 cm－1帶的強度比1 160 cm－1/1 230 cm－1隨Hg2+濃度在1.0×10－7～1.0×10－6mol/L間呈良好的線性關系，LOD為3.4×10－8mol/L。用該方法對池水中的Hg2+進行檢測，LOD為1.0×10－7mol/L。當使用硫代硫酸鈉和L-半胱氨酸作為掩蔽劑時，2MNA-GNPs傳感器對Pb2+也具有高選擇性，用SERS光譜中815 cm－1/1 392 cm－1或861 cm－1/815 cm－1的帶強度比可實現Pb2+的濃度檢測，LOD均為1.0×10－7mol/L。Zeng Yi等[62]制備了聚腺嘌呤DNA和炔烴修飾的GNPs用于檢測Hg2+和Ag+，這種配體在與Hg2+和Ag+作用時會形成cysteine（C）-Ag+-C和thymidine（T）-Hg2+-T結構，同時產生SERS信號，該方法已成功用于有機污水中Hg2+和Ag+的快速檢測。

作為一種快速無損檢測技術，SERS靈敏度高、特異性好、無需預處理，可直接用于現場檢測。SERS同時還克服了傳統熒光有機染料的光漂白和復雜樣品基底引起的猝滅等不利影響。此外，由于拉曼光譜的特征峰更窄，它還具有進行多組分分析的潛力。SERS的這些優勢使其在檢測領域具有廣闊的應用前景。未來，推動GNPs的SERS檢測應致力于研究和開發應用范圍更廣的復合柔性基底，確立可靠的檢測標準，為實現現場大規模檢測奠定基礎。

2.4 GNPs的SEF檢測

熒光檢測是醫學診斷和生物檢測中的主要傳感技術，但熒光檢測通常受基底量子產率、光穩定性和樣品自發熒光的限制。將熒光與金屬納米結構相結合有望突破這些限制。SEF是指具有特殊構型及形貌的金屬納米粒子能夠使其近表面熒光分子的熒光發射強度較之自由態熒光發射強度大大增加的現象。對SEF的解釋包括近場效應和輻射特性的改變兩個部分[63-64]。由于激發光的誘導，金屬納米粒子附近局域電磁場得到增強，這使其附近熒光分子的光吸收截面大幅增加，激發效率大幅提高，表現為表面熒光的增強。同時，根據Jablonski能級圖，當熒光分子附近存在距離適當的金屬納米顆粒時，熒光分子的輻射特性改變，量子產率顯著增加，熒光壽命降低，綜合表現為熒光強度的提高。SEF作為一種無損檢測技術，特異性高、靈敏度好、成本低，能夠提高熒光分子的光學穩定性，同時克服了傳統熒光易發生光漂白、自猝滅現象等不利影響[65]，已有以GNPs為基底的SEF檢測牛奶中Hg2+的報道。

聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone，PVP）作為一種水溶性高分子化合物，常被用作納米金等膠體的穩定劑。Dong Kailong等[66]合成了一種PVP-GNPs表面增強熒光Hg2+檢測傳感器，PVP酰胺基團的熒光本身很弱，但與GNPs結合后，PVP-GNPs的熒光強度比PVP單獨存在時的熒光強度強得多。特異性分析顯示，合成后的PVP-GNPs對Hg2+的特異性顯著提高，引入Hg2+后，可以在幾秒鐘內立即猝滅PVP-GNPs的熒光。當將PVP-GNPs稀釋100 倍后，其熒光強度隨Hg2+濃度在0～60 mmol/L內呈良好的線性關系，LOD為100 nmol/L。作為一種新型傳感器，水溶性PVP-GNPs可在幾秒鐘內對Hg2+實現有效響應，在環境和健康監測中具有很強的應用潛力。核殼納米粒子（core-shell nanoparticles，CSN）是一種等離子體納米結構，由于其表面積的增加和LSPR波長在很寬范圍內的可調諧性，與普通納米粒子相比具有更加優異的光學和催化性能。Li Huanhuan等[67]采用晶種法，合成了一種基于羅丹明衍生物（Rhodamine derivatives，RhD）接枝的GNPs@Ag核殼納米立方體傳感器，傳感器顯示出對Hg2+的SEF和SERS雙重檢測能力。在優化條件下加入RhD，CSN-RhD的SEF和SERS信號較CSN本身提高明顯，Hg2+的加入后，其與RhD的單電子對結合，RhD的螺內酰胺環打開，進一步增強了混合物的SEF和SERS信號。觀察到所得混合物的SEF和SERS信號分別與Hg2+質量濃度在0.001～1 000 mg/L和0.01～1 000 mg/L呈良好的線性關系，LOD分別為0.94 μg/L和5.16 μg/L。該方法操作簡單、靈敏度高，且從添加Hg2+到獲得最終結果不超過3 min，不會受到RhD光漂白特性的影響。對摻有Hg2+牛奶樣品進行檢測進一步證實了傳感器對Hg2+的檢測效果。

目前，關于SEF增強機理的研究已經取得了顯著成果，基于GNPs的SEF檢測已經成功應用于相關領域，但在未來仍有許多問題值得深入研究：1）如何減少理論模擬計算值與實驗數據之間的誤差，建立普適性更為廣泛的增強光譜機理模型；2）在實驗方面，實現最優光譜增強需要統籌考慮入射光頻率和金屬的固有頻率、熒光物種的發射波段三者之間的完美匹配；3）制備廉價高靈敏金屬增強基底的工藝優化，這直接決定了熒光增強效果[68]。

2.5 GNPs標試紙條檢測

近年來，金標試紙條作為一種典型的快檢方法，已廣泛用于臨床醫學、食品安全及環境監測等領域。這種快檢方法在免疫檢測技術的基礎上，利用金標抗體與抗原的特異性及納米金的示蹤放大效應，實現對檢測物質的定性或半定量測定。Liu Xi等[69]建立了一種重金屬鉻金標試紙條檢測法，可用于檢測血清樣品中的鉻離子。Guo Zhiyong等[70]基于T-Hg2+-T配位化學及鏈霉親和素和生物素的相互作用開發出一種DNA功能化的GNPs標試紙條用于檢測水樣中的Hg2+，檢出限低至3 nmol/L。蘇芳等[71]研制出一種快速檢測稻米中重金屬鎘的金標試紙條，將完全抗原Cd-iEDTA-BSA作為T線，羊抗鼠二抗作為C線，包被于硝酸纖維素膜上，GNPs標記的7E8G9單克隆抗體包被于金標墊上，組裝成定性檢測金標試紙條，將試紙條用于檢測稻米中的鎘含量，檢測限為0.2 mg/kg，檢測結果與GFAAS結果基本一致。這對提高我國食品的現場檢測水平具有非常重要的現實意義。

金標試紙條快檢法快捷（1～2 min）、簡便、無需專業培訓和笨重昂貴的檢測設備，實用性強。但其同時也存在重復率不高、會出現假陽性和假陰性、不能同時檢測多份樣品等局限。為解決這些問題，未來應致力于：1）研究開發相應軟件，進行在線定量檢測，自動化記錄測定結果，減少人為因素帶來的假陰性和假陽性；2）實現多樣品同時檢測，通過使多種受體包被于同一張膜上或使多張膜合一，實現一次檢測得到多個結果，省時又節約成本[71]。

2.6 GNPs手性傳感檢測

近年來，手性無機納米結構的發展極大地促進了納米科學中的手性研究，大量的人工手性納米結構已經合成并顯示出良好的光學活性。Gautier等[72]綜述了手性GNPs的制備及其手性特性，并對相關模型及潛在應用進行了討論。由于金屬納米材料誘導的手性協同相互作用和等離子體圓二色性的改變，手性分子和納米結構的手性活性被大大放大。Govorov[73]引入了等離子體機制理論模型來描述由等離子體納米顆粒組成手性納米結構的光學活性。Xu Zhou等[74]基于此制備了兩種不同尺寸（10、25 nm）的GNPs，其末端涂覆有硫醇官能化的DNA，兩種DNA功能化的GNPs探針在與Ag+溶液混合時，Ag+通過（胞嘧啶-Ag+-胞嘧啶）驅動兩種GNPs探針組裝成異二聚體，這可以很容易地通過CD光譜檢測到。通過測量不同Ag+濃度下形成異二聚體的產率來統計分析525 nm波長處的CD強度與異二聚體形成之間的關系，發現異二聚體的產率隨著Ag+濃度的增加而增加，線性范圍為0.005～10 nmol/L，LOD為2 pmol/L。Zhu Yingyue等[75]基于Hg2+誘導DNA修飾的金納米棒組裝成梯形超結構，通過監測金納米棒并排組裝形成手性納米探針的CD光譜變化，建立了一種高靈敏和高選擇性的Hg2+手性擴增檢測方法。發現CD光譜強度與Hg2+濃度在0.05～10 ng/mL呈良好的線性關系，LOD為0.03 ng/mL。用該方法對自來水中的Hg2+進行檢測取得了不錯的效果。

利用GNPs形成一些手性傳感器是目前研究的熱點和前沿，未來推動GNPs手性傳感研究應致力于尋找合適的手性配體，開發環保型納米手性傳感器。依托現有模型加強納米粒子與手性配體相互作用的機理研究，進一步挖掘和擴展納米手性傳感器在重金屬和生物分子檢測領域的應用。

3 結 語

GNPs生物相容性好、穩定性強、比表面積大、易于功能化。與傳統檢測重金屬離子的手段相比，無論是在靈敏度、選擇性，還是在便攜程度和檢測成本上優勢都更明顯，但目前來看，基于GNPs檢測重金屬離子的理論研究居多，對實際樣品的檢測多見于檢測不同水體，其在食品重金屬離子檢測中的應用還相對較少，未來推動GNPs在重金屬離子檢測中的應用應著眼于以下幾個方面：1）GNPs對重金屬離子的檢測仍面臨著在具體樣品（各類食品、制品、飲用水等）和具體環境（水體、生物體和其他環境）中的適用性問題，為實現對各類食品、復雜樣品和環境中重金屬離子的檢測，需對現有的研究成果進行改進并不斷研究開發新的功能化及改性策略，提高適用性；2）拓寬研究思路，將GNPs與電化學、生物學等其他學科相結合，開發新型復合重金屬離子檢測傳感器；3）將GNPs檢測技術與微流體、紙芯片等其他相關技術結合，開發檢測食品中重金屬離子的便攜式檢測產品，早日實現規模化生產及商品化應用。