汞離子傳感器的研究概況

崔榮偉

(濰坊職業學院 化學工程學院,山東 濰坊 262737)

重金屬污染物因其高毒性、刺激性、不可降解性,對生態系統和包括人類在內的生物健康構成嚴重威脅。因此,重金屬對水、土壤和環境的污染已引起全球關注[1]。Hg2+是毒性最大的重金屬,一旦進入體內,會對肝、腎、脾中樞神經系統等產生長期的有害損傷。Hg2+很容易被皮膚和呼吸道吸收,造成DNA損傷,阻礙細胞有絲分裂。Hg2+與生物體中蛋白質和酶的巰基結合,引起如免疫功能障礙、心血管和代謝疾病、神經障礙、神經發育缺陷、異常、生殖障礙、記憶喪失和語言障礙[2-3]。即使濃度很低,Hg2+也會導致聽力和視力喪失、失明和死亡。因此,探索環境與健康監測中汞離子檢測的可靠技術是全世界領域的研究熱點[4-5]。

汞濃度的監測可采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)、原子吸收光譜(AAS)、原子發射光譜法、氣相色譜-質譜(GC-MS)、反相高效液相色譜(RP-HPLC)等多種常規技術,但這些傳統分析技術具有非選擇性和復雜性,通常需要有機溶劑、大量的樣品制備、耗時的分析步驟和專業操作人員、復雜的儀器。據報道,分析時間的80%花在樣品制備和分析物提取上,盡管這些分析工具在靈敏度和特異性方面有所增強,但大多數都不能直接處理復雜的樣品。為了解決這些挑戰,近年來許多新興技術應用于汞檢測,以下部分概述了一些重要的汞檢測傳感器,即電化學傳感器、基于表面增強拉曼光譜(SERS)的傳感器、比色傳感器、熒光傳感器。

1 電化學傳感器

電化學技術通過測量含有分析物的電化學電池中的電荷(C)、電位(V)或電流(A)來確定分析物濃度。在典型的電化學反應中,通過測試電極的電位確定被分析物在電極表面的形態,測量電流來確定分析物的氧化或還原速率。電化學技術具有靈敏度高、選擇性強、快速可靠的特點。常用的電化學技術包括電位法、庫侖法、循環伏安法和計時安培法。其中,伏安法主要用在汞檢測,其中收集電流作為電壓隨時間變化的函數[6]。

Mahmoudian等[7]以L-半胱氨酸為還原劑,通過化學還原Pt (II)合成了Pt/g-C3N4/聚噻吩納米復合材料(Pt/g-C3N4/PTh NCs),研究了g-C3N4對傳感性能的影響。利用合成的納米復合材料作為檢測Hg2+的電化學傳感材料,采用電化學阻抗譜(EIS)、循環伏安法和差分脈沖伏安法對其進行了研究。機理研究表明,g-C3N4的存在使活性位點增加,顯著促進了Hg2+的吸收。PTh和Pt NPs的存在彌補了g-C3N4在納米復合材料中較低的導電性。Pt/g-C3N4/PTh NCs在Hg2+濃度為1～500 nmol/L范圍內具有線性伏安響應,檢出限(S/N=3)為0.009 nmol/L。

陳碧嬌等[8]開發了一種利用氯化血紅素(hemin)作為指示劑來檢測Hg2+的電化學適配體傳感器。適配體(aptamer)通過形成Au-S鍵自組裝在氮摻雜石墨烯和納米金修飾電極表面,當Hg2+存在時,胸腺嘧啶T堿基與Hg2+特異性結合成T-Hg2+-T結構,可改變aptamer的排列形式,使其形成多孔結構。Hemin能夠通過這些孔隙吸附在電極表面上產生電化學信號,用示差脈沖伏安法即可進行Hg2+檢測,Hg2+線性檢測范圍為5.0×10-8～5.0×10-6mol/L,檢測限為1.67×10-8mol/L,本方法成功用于水樣中Hg2+的測定。將所構建的適配體傳感器應用于微量Hg2+的檢測,具有良好的應用前景。

結果表明,電化學傳感器具有更高的靈敏度和選擇性,可以檢測水環境中的微量汞。然而,工作電極的可重用性仍然是一個巨大的挑戰,因為附著在電極表面的汞的去除非常復雜,這限制了實驗室中快速和常規的分析[9]。

2 基于表面增強拉曼光譜的傳感器

表面增強拉曼散射(SERS)是一種利用等離子體納米材料表面激發電磁場的納米級分析工具[10]。產生的表面等離子體共振在數量級上增強了分子散射,這種散射現象提高了SERS光譜的靈敏度和特異性。此外,基于SERS的便攜式傳感器的設計促進了該技術在實際環境中定量檢測分析物的應用。

Logan等[11]設計了一種基于SERS的Hg2+傳感器。利用金納米星(AuNSt)在H2O2存在下氧化3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)產生氧化產物(oxTMB),oxTMB是一種高拉曼活性產物。AuNSt具有獨特的形態,即尖銳的尖端,可以產生有效的拉曼增強作用。然而,實驗分析表明,在AuNSt和Hg2+離子的存在下,oxTMB的拉曼強度降低。電子顯微鏡和元素分析進一步顯示,Hg2+的存在破壞性地截斷了AuNSt的尖端,改變了它們的大小、形狀和元素組成。oxTMB在1 190 cm-1處的拉曼峰隨Hg2+離子濃度的增加呈反比線性關系。該方法在海水中實現了0.2×10-9的檢測極限,并在0.1×10-9～1 000×10-9實現了線性響應。該SERS傳感器具有醫療診斷、食品分析和環境保護的生物傳感潛在應用。

Sarfo等[12]提出了一種可檢測水介質中Hg2+離子新型SERS納米傳感器。實驗中,氨基二苯并-18-冠-6與巰基丙酸偶聯,由此產生的冠醚衍生物(TCE)自組裝為Hg2+的識別表面層,覆蓋在納米結構的金基板表面。Hg2+與TCE的氧原子配位,導致金屬離子自發結合到冠醚層的空腔中。這使得冠醚在1 501 cm-1處的拉曼峰強度隨著Hg2+在1×10-11～1×10-6mol/L范圍內濃度的增加而增加。這種納米傳感器即使在含有Cd2+和Pb2+的自來水中也能高選擇性地檢測到Hg2+離子。該技術可在短時間內篩選Hg2+離子,不需要在分析之前進行大量的樣品制備和提取程序。

然而,為了適應實際應用,基于SERS的Hg2+檢測必須克服汞的小散射問題。開發用于實際環境中,對汞物種具有超高的敏感性和特異性,基于SERS的便攜式和高性價比的商用傳感器的研究正在進行。

3 基于比色法的傳感器

比色法技術[13]通過比較分析物溶液的顏色變化來測量分析物成分的濃度。比色傳感器是根據外部輸入改變顏色的光學傳感器。目標分析物的定性、定量分析可以通過肉眼快速進行,而不需要使用復雜的儀器。

Infant等[14]設計了一種納米銀Hg2+比色傳感器。實驗中,使用硝酸銀作為前體,以葫蘆巴葉提取物中存在的植物化學物質作為覆蓋劑,以一種更綠色、可持續的生物合成方式合成了銀納米顆粒。以往的研究只對液體分散介質中的重金屬進行了檢測,由于需要紫外光譜分析,比色檢測變得復雜。在這種方法中,該低成本的銀納米顆粒紙襯底,不需要任何分光光度計來確認樣品中汞的存在。它可作為汞的初步檢測裝置,確認方便快捷。當銀納米顆粒與汞離子結合時,會失去其紫外-可見吸收強度,實現汞離子(Hg2+)非常敏感和特異性的比色檢測。

Hong等[15]報道了一種超靈敏構象依賴比色法用于檢測Hg2+。使用金納米顆粒(AuNPs)和核酸外切酶III (Exo III)輔助靶標進行了Hg2+檢測的比色技術。該基于AuNPs的比色傳感器可以通過其未修飾和功能化的AuNPs的聚集或去團聚機制來表征。在比色感知過程中,AuNPs發生聚集后溶液從紅色變為藍色,解聚得到紅色。該方法靈敏度高,選擇性強。它在10 pmol/L～100 nmol/L 的Hg2+濃度范圍內具有線性響應,檢出限低至3.2 pmol/L。將該方法應用于加標環境水樣中Hg2+的檢測,回收率為92%～106%。該系統的優點是快速、簡單、易于檢測。

Song等[16]報道了一種通過胸腺嘧啶-汞-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)配位檢測Hg2+離子的比色生物傳感器。在循環放大過程中,通過T-Hg2+-T的AuNPs團聚引起了由紅色到紫色的顏色變化(圖1)。在最佳條件下,該分析比色法的檢測限為-0.9 nmol/L,動態范圍為1 nmol/L Hg2+～10 μmol/L。

圖1 比色法測定Hg2+原理圖[16]

比色傳感方法具有靈敏度高、制作簡單、成本低、檢測速度快等優點。然而,比色傳感器存在選擇性低、重現性差、穩定性差、檢測限和pH敏感性等限制。因此,研究人員正在努力開發在寬線性動態范圍內提高選擇性和再現性的比色傳感器,使其有希望用于便攜式汞檢測。

4 基于熒光技術的傳感器

熒光是一種基于分析物的熒光屬性來測量其熒光信號的光譜技術[17]。由入射輻射的吸收,熒光團的一個電子被激發到激發態。當被激發的電子回到基態時,會發射出一個光子,從而產生熒光。激發能級和基態之間的能量間距決定了所發射的光的波長。熒光物質或熒光團具有特征的熒光光譜,由它們的發射光譜表示。發射光譜變化取決于熒光團的化學結構和環境。熒光傳感器具有檢測靈敏度高和選擇性好,重現性良好,可重用性等優勢,基于熒光的傳感器是檢測不同介質中的污染物的最有效工具。近幾十年來,小分子熒光探針因其結構多樣、修飾簡單、響應機制清晰、節約成本、重復性好等優點,被認為是檢測復雜生物基質中重金屬的最有前途的方法之一。在此背景下,一些研究小組致力于設計Hg2+響應的小分子熒光探針,以實現食品和食品中Hg2+的精確檢測。

Sarkar等[18]報道了一種芘-噻吩偶聯物作為Hg2+和半胱胺(一種治療遺傳疾病的重要藥物)的雙傳感器。圖2為基于芘-噻吩偶聯物的熒光傳感器檢測Hg2+和半胱胺的機制示意圖。Hg2+檢測的熒光響應在[L-Hg2+]化學計量比為2∶1時被開啟,檢測限低至30.6 nmol/L。該設計中受體的發射特性隨pH值和含水量變化,在實際水樣分析中驗證了該傳感器的傳感能力。因此,該傳感器可作為一種高效、可重復使用的熒光傳感器用于水中Hg2+的識別。

圖2 基于芘-噻吩共軛傳感器雙檢測汞(Hg2+)和半胱胺的機制示意圖[19]

Tonsomboon等[19]報道了基于新型有機染料(NFO6)的Hg2+熒光傳感器。實驗中,使用螺烯(5H)和羅丹明6G硫代肼(thio-R6 GH)合成了一種有機染料(NFO6),由于Hg2+對NF06中N和S原子的良好靜電相互作用,生成了一種新的NFO6-Hg2+配合物,使硫代R6 GH從閉環狀態轉變為開環螺旋內酯形式,供體5H與受體thio-R6 GH間發生共振能量轉移,從而觀察到在560 nm處有明顯的熒光增強。NF06染料表現出較大的Stokes位移,能夠有效地減少來自自吸收和背景的干擾。新開發的Hg2+測試帶由于其顯著的靈敏度(檢測限為0.697 nmol/L)、制作成本低以及易于操作等優勢,具有很大的前景,可以作為監管和認證機構對消費品進行安全評估的標準方法。

盡管利用小分子熒光染料作為Hg2+熒光傳感的設計取得了重大進展,但這些小分子存在熒光壽命較短、光穩定性相對較差、易受干擾等缺點,影響了它們在食品和農業中的實際應用。相比之下,熒光納米材料是最有希望有效克服熒光染料在重金屬檢測中缺陷的材料,包括量子點、碳基納米材料、金屬納米團簇、硅基納米材料等[20]。

Abdolmohammad-Zadeh等[21]利用熒光碳量子點(CDs)和銀納米顆粒(AgNPs)構建了一種新型的用于Hg2+離子定量的關/開熒光傳感器。新合成的量子產率為84%的CDs作為供體,AgNPs作為受體,兩者發生共振能量轉移導致CDs的熒光猝滅。在Hg2+離子存在時,AgNPs被Hg2+離子氧化,從而恢復了CDs-Ag NPs體系的熒光發射,因此熒光開啟,強度與Hg2+離子濃度成正比。在0.5～500.0 nmol/L濃度范圍內,校正曲線呈線性關系,檢測限為0.10 nmol/L。將該方法成功應用于湖水、廢水和茶葉樣品中Hg2+離子的測定(圖3)。該方法具有較高的靈敏度和重復性,可用于實際樣品中痕量汞離子的診斷。

圖3 基于CQD-AgNPs熒光測定湖水、綠茶和紅茶中Hg2+的原理示意圖[20]

Sojdeh等[22]開發了一種精確的納米級生物傳感器,用于檢測水介質中的Hg2+。通過縮聚反應對三聚氰胺甲醛樹脂熱解制備了氮摻雜碳納米球(NCS)。該NCS對室溫下Hg2+具有較高的選擇性和靈敏度。在350 nm激發波長下,Hg2+存在時,NCS探針的熒光發射光譜被顯著猝滅。在0.013～0.046 μmol/L范圍內,熒光響應與Hg2+濃度成線性響應,檢測限為9.58 nmol/L。該熒光探針可以在幾種金屬離子存在的情況下測量Hg2+,具有較高的靈敏度和選擇性。體外和體內測試結果也表明該納米探針是生物相容性的,可以用于安全的環境應用。因此,這種納米探針可以檢測水、水果、蔬菜等材料中的Hg2+,并且對不同的細胞/器官/組織沒有明顯的毒性。

5 結論與展望

重金屬的檢測是目前科學界的一個熱門話題。傳感器技術的最新進展已成為重金屬檢測的關鍵推手。汞排放到環境中,即使是微量的,也會威脅到地球上的生物和非生物生命。應監測工業廢物和自然來源,以減少Hg2+的排放。回顧了近年來基于電化學傳感器、表面增強拉曼光譜的傳感器、比色傳感器、熒光傳感器等多項技術,用于檢測水生介質中的無機汞(Hg2+)。汞含量的分析技術應在成本、穩定性、檢出限以及在惡劣環境中的選擇性/特異性方面得到改進。盡管這些挑戰已經在文獻中取得了進展,但高選擇性、穩定、經濟的識別元素仍有待在未來的研究中開發。用于環境監測、食品和農業領域重金屬現場監測的新型便攜式的即時檢測設備將在未來實現商業化。在這方面,重金屬的高通量即時檢測分析是有前景的,最終將保障環境及食品安全和公共衛生。