纳米材料技术在水环境重金属检测中的应用与发展

刘晔 胡敬芳 李玥琪 邹小平 高国伟,

1.北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192；2.北京信息科技大学 传感器重点实验室，北京 100101

一、引言

随着我国经济的不断高速发展，水环境重金属污染问题日益严重。重金属污染不仅造成了大量人员伤亡和巨额财产损失，同时也扰乱了社会正常发展秩序，极大地冲击了公众心理，甚至引发群体性事件，影响国家政治与社会安定[1]。

水环境重金属污染一方面可以通过直接饮用对人体造成伤害，另一方面可以间接污染水产品、农产品对人体构成威胁。比如，人类摄入过量的重金属锌（Zn）会引起急性肠胃炎症状，甚至导致休克而死亡；重金属镉（Cd）容易在人体肾脏蓄积，形成镉硫蛋白，影响酶的功能，导致蛋白尿和糖尿等；重金属铅（Pb）易被人体吸收，通过血液影响酶和细胞的新陈代谢，导致贫血症、神经机能失调和肾损伤。

我国先后制定多种水环境质量标准如《生活饮用水卫生标准》，《地表水环境质量标准》、《地下水环境质量标准》和《污水综合排放标准》等，其中分别对水体常见的重金属离子砷（As3+、As5+）、镉（Cd2+）、铬（Cr3+、Cr6+）、铅（Pb2+）、汞（Hg2+）、硒（Se4+、Se6+）做出了明确的浓度含量限制，因此如何准确、快速、高灵敏的检测水环境中重金属离子具有重要的现实意义。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料[2]。纳米材料因为其特殊的尺度使它具备独特的物理、化学和光学性质，并且因为其表面原子具有不饱和性，很容易与其他的金属离子结合，对许多金属离子具有较强的吸附作用。

许多研究人员在认识到纳米材料独特的性质之后，对纳米材料在水环境重金属检测中的应用展开了深入的研究。纳米材料其灵敏的粒子间距离和较大的消光系数，可以极大的增强拉曼散射信号，还具有很好的荧光猝灭性质等一些独特的光学性质，使其在水环境重金属光学检测方面，例如，分光光度法[3]、比色分析法[4]、表面增强拉曼散射法[5]和荧光分析法[6]等方法中得到了广泛的应用。纳米材料具有极佳的比表面积可以增加固定的分子量，加快电子传递效率对许多化学反应都具有很高电催化活性[7]，作为电极修饰材料，能够很好的增强电极表面敏感效应，提高传感器性能，所以许多研究人员将其作为电极修饰材料应用在水环境重金属的电化学检测领域中[8]。

本文从纳米材料技术在水环境重金属光学检测和电化学检测两方面出发，介绍纳米材料技术在水环境重金属检测中的应用，并对该领域的发展做出展望。

二、纳米材料技术在水环境重金属光学检测中的应用

水环境重金属光学检测方法主要包括比色分析法与表面增强拉曼散射法。纳米材料因为其特殊的光学特性、优秀的比表面积和优良的生物分子兼容性使其在水环境重金属光学检测中得到了广泛的应用。

1、比色分析法检测水环境重金属

比色分析法的原理是在检测过程中会产生显色反应，将产生的显色反应与已知不同浓度的标准溶液的颜色进行对比，最后可以确定待测物质的浓度[9]。比色分析法是基于溶液对光的选择性吸收而建立起来的一种分析方法，在早期的比色分析法中使用的是有机染料，有机染料可以与金属离子形成有色化合物，可以实现金属离子的比色检测，这种方法具有操作简便，成本低的特点，然而灵敏度较低，准确性较差。

纳米材料技术出现以后，利用一些纳米粒子的高摩尔消光系数，极低浓度的目标检测物就可以使金属纳米粒子吸收光谱发生改变，其原理是改变纳米粒子特有的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）[10]吸收来实现分析检测。

金属纳米材料因为其优异的光学性能可以在比色分析法中作为良好的光学信号传导单元，再通过与一些对待测重金属有特异性识别作用的分子相结合，可以实现对待测重金属高灵敏度以及高选择性的检测。Zhao L等[11]通过使用诱导功能化的金纳米颗粒（Au Nanoparticle, AuNP）聚集的比色分析法来检测Cr3+和Cr6+的方法。他们将AuNP与N-苄基-N-4-（吡啶基亚甲基）苯基二硫代氨基甲酸盐（N-benzyl-4-（pyridin-4-ylmethyl）aniline ligand, BP-DTC）连接，从而得到功能化AuNP，检测限可以达到31ppb。Huang D[12]等通过使用亚氨基二乙酸（Iminodiacetic acid, IDA）改性AuNP开发了用于Cr3+检测的高灵敏度、选择性和快速的比色测定。IDA- AuNP的制备方法如图1所示，该方法是通过沸腾的氯金酸（HAuCl4）和IDA的水溶液进行IDA- AuNP的制备，通过IDA将Au3+还原为Au0+，随后Au0+聚集形成AuNP，其与过量的IDA结合形成IDA-AuNP，并且这些AuNP在室温下可以稳定三个月以上。

另外有一些研究人员使用纳米片或者纳米探针来检测水环境重金属离子。He L等[13]提出了一种基于谷胱甘肽（Glutathione-SH, GSH）介导的MnO2纳米片的测定银离子（Ag+）的比色法。他们使用GSH介导的MnO2纳米片作为人造氧化酶用来定量检测Ag+的快速和高灵敏度的比色法，Ag+的线性响应范围为10nM至800nM。比色测定的操作与测定如图2所示，在不存在Ag+时，MnO2纳米片上的GSH不会与Mn2+发生反应，所以底物还是无色；在有Ag+存在时，Ag+会与GSH结合使底物由无色变为蓝色，从而测定出Ag+的浓度。刘兴奋[14]等制备了巯基修饰的DNA序列与AuNP组合成的纳米探针来检测Hg2+。当检测Hg2+时AuNP之间距离被拉近，导致AuNP的团聚，使得颜色由红色变为蓝紫色，检测限可以低至5μmol/L。

2、表面增强拉曼散射法检测水环境重金属

表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering, SERS）是通过吸附在粗糙金属表面或金属纳米结构上的分子与金属表面发生的等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）相互作用而引起的拉曼散射增强现象，是一种高灵敏的探测界面特性和分子间相互作用的光谱手段[15]。相比于其他传统的水环境重金属光学检测方法（原子吸收光谱，紫外-可见光谱法等），SERS可以实现无损、原位和时间分辨测量检测，不需要预处理实验样品，光谱谱峰尖锐清晰适合定量分析，这些是SERS技术相对于传统检测方法所具有的优势[16～17]。

在该检测方法中，纳米材料技术应用方向之一是SERS增强基底，因为SERS信号的获取需要纳米级粗糙的金属基底，其基底的物理性质对SERS信号有很大的影响。在水环境重金属检测中，基底的重现性、稳定性与均一性对获得的SERS信号强度有重要的影响，而增强基底可以增强需要检测的水环境重金属离子的SERS信号。贵金属纳米溶胶的制备简单，成本低廉，颗粒形状可控，聚集状态下具有很高的SERS增强效果，这些特点使得贵金属纳米溶胶得到了快速的发展，是目前主要商品化SERS增强基底[18]。

Tan E等[19]以2-巯基异烟酸（2MNA）改性的AuNP的形式开发了一种新颖的、有效且简单的SERS纳米传感器。2MNA-AuNP可以识别多种重金属离子，尤其是对Hg2+和Pb2+离子的检测灵敏度与选择性最高，检测限分别可以低至3.4×10-8mol和1.0×10-7mol。

Zhang H等[20]在通过组合静电纺丝和受控二氧化硅（SiO2）涂层首次制备具有PEF活性的聚丙烯腈（PAN）/贵金属/SiO2纳米纤维垫的一般和简便的方法。最后通过实验验证出金属纳米粒子的距离依赖性荧光增强性能与共轭聚电解质（CPE）溶液的离子特性的组合使得聚合物/贵金属纳米纤维的底物，提高了对大部分重金属离子的检测灵敏度。

因为重金属离子本身的SERS光谱很弱，直接检测重金属离子的SERS信号比较困难，所以使用纳米探针来间接测量水环境重金属浓度也得到了广泛的应用。Y Kang等[21]在2014年制备了基于二芴基1,4-二乙炔基苯（DEB）改性的银纳米粒子（AgNP）的SERS探针，用于选择性测定水环境中Hg2+离子。Hg2+与末端乙炔基进行化学反应，形成-C≡C-Hg-C≡C-键，从而触发AgNP的聚集，检测限为0.8nmol。

Liang A等[22]制备了维多利亚蓝B（Victoria Blue B, VBB）作为探针来检测Hg2+。检测原理如图3所示，首先，Hg2+被次亚磷酸钠（NaH2PO2）还原为Hg纳米颗粒（HgNP），然后加入的HAuCl4被NaH2PO2还原为AuNP形成粗糙表面的AuNP。当Hg2+浓度增加时可以形成更多具有粗糙表面的AuNP，混合溶液的颜色迅速的从蓝色变为红色，最后加入VBB探针使其吸附在AuNP表面可以得到很强的SERS信号，从而测出Hg2+的浓度，检测限为0.8nmol/L。

三、纳米材料技术在水环境重金属电化学检测中的应用

电化学分析一般是由三电极体系（工作电极、参比电极、对电极）和待测试液作为电解质溶液构成的一个电化学电池。而纳米材料因为其量子尺寸效应与表面效应在电化学体系中主要是应用在对工作电极的修饰，通过对纳米材料的结构、尺寸进行调控、对纳米材料进行进一步的修饰有机或生物配体或将纳米材料与其他材料复合构造出纳米复合材料，不仅可以提高修饰电极检测重金属离子的灵敏度和选择性，而且可以很好的消除共存组分的干扰和降低检测限[23]。根据纳米材料结构的不同将纳米材料分为零维、一维、二维、三维纳米材料，不同结构的纳米材料具有不同的特点，在水环境重金属电化学检测中有着不同程度的应用。

1、零维纳米材料在电化学方法检测水环境重金属中的应用

零维纳米材料一般指的是纳米微粒，其独特的化学性质使它在电化学检测中具有广泛的应用。随着纳米技术的发展，如金属纳米粒子、量子点、磁性纳米粒子等越来越多的纳米微粒也被众多研究者应用在电化学检测水环境重金属中。

金属纳米材料，尤其是贵金属纳米材料因为其极佳的比表面积，对很多化学反应都有很好的催化作用，其优秀的电子传导性可以促进电子传递，所以金属纳米材料被广泛的应用在电化学方法检测水环境重金属之中。Yang D等[24]制备了铋纳米粒子（BiNP）修饰的玻碳电极（Glassy Carbon Electrode, GCE），实现了水环境中Pb2+和Cd2+的同时测定，Pb2+和Cd2+的检测限分别为0.8μg/L和0.4μg/L。该电极已经成功的应用在实际水样中对Pb2+和Cd2+的检测。Mafa P J等[25]使用BiNP对去角质的石墨电极进行修饰来检测水中重金属离子—As3+、Hg2+和Pb2+，最终As3+、Hg2+和Pb2+的检测限分别为 0.047μg/L、0.27μg/L 和 0.18μg/L。

金属纳米粒子与其他材料的复合来进行对电极的修饰，将两者的性能有机地结合可以得到新的特性，将其修饰在工作电极上可以得到比使用单一纳米粒子修饰工作电极检测水环境重金属更高的检测灵敏度以及更好的选择性。现在研究比较多的纳米粒子复合材料主要是与壳聚糖、导电聚合物和活性分子等组成的复合材料。比如，Wang J F等[26]提出了使用L-天冬氨酸/ L-半胱氨酸/金纳米粒子修饰的微电极芯片，对Pb2+和Cu2+的检测限都为1μg/L，并且相对于Hg电极等一些有毒电极，该电极绿色无污染，可重复使用。Zhou L等[27]研制了一种基于Au-TiO2纳米粒子/壳聚糖/金修饰电极的电化学传感器，用于检测Hg2+，检测限为1.0nmol。并且还利用电子显微镜和X射线衍射对Au-TiO2纳米颗粒的形貌和微观结构进行了表征，结果表明平均尺寸为5nm～1502nm的Au-TiO2纳米颗粒良好的分散在电极表面。

量子点（Quantum Dot, QD）又被称为半导体纳米微晶体，其尺寸一般在2nm～20nm之间。Li L等[28]使用了N掺杂碳量子点-石墨烯氧化物（NCQD-GO）的复合物同时对Cd2+和Pb2+的测定。NCQD和GO都具有很大的比表面积和丰富的含氧官能团，其通过静电相互作用为重金属离子的有效吸附提供了有效位点，提高了灵敏度。NCQD均匀的分布在GO表面，NCQD-GO/GCE的制作工艺如图4所示。Cd2+的检测限可以达到7.45μg/L，Pb2+的检测限是1.17μg/L。

磁性Fe3O4纳米颗粒是在水环境重金属检测之中研究和使用最多的一种，因为它具有很多优异的性质：化学稳定性以及生物相容性，大表面积、低毒性和易于制备和分离。Zhang Y等[29]研发了高灵敏的基于磁性Fe3O4@金和壳纳米粒子（Fe3O4@AuNP）的电化学传感器用于检测水环境中的Ag+。硫化寡核苷酸（S1）要首先通过Au-S化学键固定在Fe3O4@AuNP的表面上，在Ag+存在的情况下，富含胞嘧啶的DNA寡核苷酸S2与S1杂交形成分子内双链体，其中Ag+可以形成C-Ag+-C复合物的胞嘧啶-胞嘧啶错配，之后引发HCR在Fe3O4@AuNP的表面上形成标准DNA结构，最后将HCR产物修饰的Fe3O4@AuNP带到磁性金电极表面进行电化学测量。

2、一维纳米材料在水环境重金属电化学检测中的应用

一维纳米材料一般指的是纳米线、纳米带、纳米棒和纳米管，在这些纳米材料被相继发现之后，因为其独特的结构和性质对电化学检测有很好的提升效果，所以许多研究者将其应用在电化学检测水环境重金属之中。其中对电化学检测水环境重金属方面来说使用最广泛，并且研究最热门的是碳纳米管（CNT），使用CNT来修饰电极可以增加分子负载量，提高化学反应效率，从而提高灵敏度，并且将其与其他材料复合还能提高对重金属离子的检测的选择性[30]。

Afkhami A等[31]制备了基于多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT） 和 3-（4-甲氧基亚苄基氨基）-2-硫代噻唑并噻吩-4-酮作为新的合成希夫碱修饰的碳糊电极用来同时测定痕量Hg2+和 Pb2+。Hg2+和 Pb2+的检测限分别为 9.0×10-4μmol/L和 6.0×10-4μmol/L。

Moyo M等[32]制备了基于辣根过氧化物酶固定在棒状流苏- MWCNT修饰的玻璃碳电极，用于测定水溶液中的Pb2+和Cu2+重金属离子。该电极化学反应的原理是基于在微量重金属溶液中测定固定化辣根过氧化物对H2O2的阴极响应。Pb2+和Cu2+的检测限分别为2.5μg/L和4.2μg/L，并且显示出了优异的稳定性、选择性和重复性。

Ghaedi M等[33]构建了一种新型的碳糊电极用来检测Cu2+离子。其引用了新的CPE在石墨基质上构建了化学修饰多壁碳纳米管（Chemically Modif i ed Multiwalled Carbon Nanotube, CMMWCNT）。MWCNT的表面是通过进行三甲氧基甲硅烷基丙基二十二胺（TMSPEDA）与2-羟基苯甲醛（2-HBA）之间的偶联反应来进行修饰，检测限可以达到2.5×10-7mol/L。

Zhao G等[34]制备了多壁碳纳米管（MWCNT）-茂氨基聚苯胺（EBP）-全氟璜酸（Naf i on, NA）复合修饰玻碳电极（MWCNT-EBP-NA/GCE）将其用于检测痕量Pb2+和Cd2+离子。其中复合膜中形成的MWCNT扩大了电极的比表面积，促进了电子转移；形成的聚苯胺（PANI）提高了离子交换的容量，防止了实际样品中的大分子吸收到电极表面。NA的存在则是有效地提高了稳定性与粘附性，提高阳离子交换能力，并且还通过扫描电子显微镜（SEM）对修饰电极的形貌进行了表征，SEM图如图5所示。

Majidian M等[35]采用Sb2O3修饰的MWCNT糊状电极（Sb2O3/CNTPE）来检测水中Cu2+离子。其中CNT显著增强了电化学反应中离子在电极表面的电子转移率，促进了Sb2O3对Cu2+的特异性选择，实验结果表明该传感器对Cu2+离子检测限达0.39ppb。

3、二维纳米材料在水环境重金属电化学检测中的应用

二维纳米材料是伴随着2004年曼彻斯特大学Geim等[36]成功制备出单原子层的石墨材料——石墨烯而提出的。纳米薄膜、超晶格、量子阱等都属于二维纳米材料，其中纳米薄膜是最具代表性的二维纳米材料。因为其具有优良的机械性能、大的比表面积、电化学稳定性高、快速的电子传递速率和良好的生物相容性等独特的性能，而广受研究人员的青睐[37]。在重金属电化学检测方面，石墨烯常被用来与其它纳米材料复合形成复合纳米材料作为电极修饰材料实现对重金属离子的特异性检测。

最近一些研究人员尝试将石墨烯与有机聚合物（染料、聚苯胺、壳糖体）的复合，制备出纳米复合材料薄膜，并将其应用在电化学检测水环境重金属之中。比如，Ruecha N等[38]制备了石墨烯-聚苯胺（G/PANI）纳米复合电极同时测量Zn2+、Cd2+和Pb2+离子，其中，Zn2+的检测限为1.0mg/L，Cd2+和Pb2+的检测限为0.1mg/L。Liu F M等[39]开发了由Fe3O4@ TiO2@NG（氮掺杂石墨烯）@ETBD（2，2'-（1E）-（（4-（（2-巯基乙基）硫基）1,2-亚苯基）双（氮杂亚基））双（甲基-二烯）二苯酚）制成的电化学传感器来检测水环境下Pb2+，与传统的检测技术电极相比，该传感器可以实现从4×10-13mol/L到2×10-8mol/L的宽线形范围，并且Pb2+的检测限可以达到7.5×10-13mol/L。Arulraj A D等[40]提出来一种高灵敏度的电化学传感器，他们使用聚吡咯、果胶与石墨烯复合形成的复合纳米材料对GCE进行修饰，来测定水环境中的Hg2+，该传感器表现出了非常低的检测限，检测限只有4fmol/L。

石墨烯除了与有机聚合物的复合之外，与其它无机金属纳米粒子和CNT的复合也吸引了较多的关注。石墨烯与纳米粒子、CNT的复合所形成的石墨烯复合膜应用在修饰电极上可以起到提高检测水环境重金属离子的灵敏度，降低检测限以及加快化学反应速度等作用。Lee S等[41]提出并制备了铋活化石墨烯（AG-NA/Bi）复合膜电极，并用于水环境中Zn2+、Cd2+和Pb2+的电化学测定，测得Zn2+的检测限为0.57μg/L，Cd2+为0.07μg/L，Pb2+为0.05μg/L。Xing X 等[42]用还原氧化石墨烯（rGO）与CNT进行复合，将其修饰在金基底上，最后通过原位镀铋膜做成的Au/rGOCNT/Bi修饰电极来对水环境Cd2+和Pt4+进行电化学测定，检测灵敏度分别为262nA/ppb cm2和926 nA/ppb cm2，检测限分别为0.6ppb、0.2ppb。

4、三维纳米材料在水环境重金属电化学方检测中的应用

三维纳米结构材料因其超高的比表面积和超高的电子转移效率在电极修饰材料中受到越来越多的关注[43～44]，在水环境重金属电化学检测中的应用研究也得到了快速发展。一些研究人员尝试将二维石墨烯片层材料组装成三维具有空间结构的石墨烯材料，发现石墨烯的特殊性质再加上三维多孔结构使其具有更大的比表面积、更多的活性位点和更快的电子转移速度。许多文献报道了关于三维石墨烯及其复合材料在水环境重金属检测中的应用，如白杰[45]使用3D多孔石墨烯修饰碳纤维制成新的工作电极，使用3D多孔石墨烯材料可以使化学反应速度更加快速，拥有更大的比表面积，该电极的形态如图6所示。

Yang Y等[46]通过原位化学氧化聚合法合成了三维还原氧化石墨烯和聚苯胺纳米棒的复合材料（3D-rGO@PANI），然后作为DNA吸附剂的敏感层检测水环境中的Hg2+。使用该复合材料的电化学生物传感器对在0.1nmol～100nmol的浓度范围内的Hg2+具有很高的灵敏度和选择性，检测限为0.035nmol。

Yuan X等[47]使用三维活化石墨烯网络（Threedimensional Activated Graphene Network, 3DAGN）与磺酸盐封端的聚合物（Silane Terminated Polymer,STP）进行复合，制备出3DAGN -STP纳米复合材料，并且将其修饰在GCE表面来测定Cd2+和Pb2+，得到Cd2+和Pb2+的检测限分别为0.2μg/L和0.1μg/L。

除了三维石墨烯，金属纳米多孔材料因为其金属纳米材料本身的性质再加上多孔结构，在水环境重金属电化学检测领域也受到了一部分研究者的关注。比如Lin Y等[48]将多孔金纳米粒子（np-AuNP）分散在氧化铟锡（Indium tin oxide, ITO）膜上，制备了检测Hg2+的高灵敏传感界面，np-AuNP集多孔纳米粒子的特性和金纳米材料对汞的高亲和力，提高了检测灵敏度和重现性，检测限为0.03μg/L。

四、纳米材料技术在水环境重金属检测中的发展

目前纳米材料技术在水环境重金属检测中的研究取得一定的进展，然而相关研究仍旧存在许多问题有待解决。在水环境重金属光学检测领域，表面等离子共振是光学检测重金属的重要增强机理[49]，表面等离子体共振吸收光谱峰值处的吸收波长取决于纳米材料的微观结构（如组成、形状、大小等），所以如何大规模、批量制备实验所需合适的纳米材料尺寸与形状是未来研究的方向。

纳米材料在水环境重金属电化学检测领域的研究近年来发展十分迅速，尤其是在灵敏度、检测的选择性和检测限等方面，但是目前纳米材料修饰电极仍然存在一些问题[50]，比如纳米材料修饰电极对特定重金属离子的特异选择性与重复性方面需要进一步提高；复合纳米材料的机理以及特性需要深入的研究；有些纳米材料具有一定的毒性，对一些有毒纳米材料的处理并且研究无毒绿色的纳米材料修饰电极十分重要；如何很好的兼顾检测的灵敏度与选择性也是未来研究的方向。

五、总结

本文根据纳米材料技术在水环境重金属的光学检测与电化学检测中的应用，综述了纳米材料技术在水环境重金属检测中的应用与发展。纳米材料独特的光学效应使其替代了以前传统的材料应用在比色分析法与表面增强拉曼散射之中。在比色分析法中，利用纳米材料高摩尔消光系数可以很容易使原子吸收光谱发生改变，用来测定浓度极低的重金属离子；在表面增强拉曼散射法检测水环境重金属中，纳米材料的使用增强了拉曼信号的强度，使得灵敏度得到提高，检测限更低。在电化学检测重金属中，纳米材料优异的电子传导性、大比表面积、表面效应等特性应用电极表面不仅可以提高检测重金属离子的灵敏度和选择性，还可以降低检测限和使检测结果更加精确。在未来，纳米材料技术在水环境重金属检测中会得到更加广泛的应用与发展。