纸型便携式金纳米簇器件可视化检测汞离子

张国 冯建军 柴瑞涛 朱维晃 康倩文 李卉

摘 要 合成了谷胱甘肽（GSH）包覆的荧光金纳米簇（AuNCs），基于Hg2+-Au+间的高亲合作用实现对汞离子（Hg2+）的高灵敏性、高选择性荧光检测，线性检测范围为4～200 nmol/L，检出限（LOD，S/N=3）为2.4 nmol/L。常见的金属离子（Ni2+， Mn2+， Co2+， Na+， Ba2+， Cu2+， Zn2+， Mg2+， Cd2+， Ca2+， K+， Fe3+， Al3+， Pb2+）和阴离子（F， C2O24， Cl， H2PO4， NO3， SO24， HCOO， I， C5H7O5COO， CH3COO， Br， CO23）對检测没有干扰。基于GSH-AuNCs构筑了两种纸型便携式AuNCs器件： 半定量试纸和纸型横向流动检验（LFA）试剂盒，并成功用于可视化检测自来水样中Hg2+。

关键词 金纳米簇; 纸型器件; 可视化检测; 汞离子; 自来水

1 引 言

汞离子（Hg2+）与蛋白质和酶分子中的巯基具有高亲和力， 可产生累积毒性，对人体的皮肤、肾脏、肝脏、中枢神经系统等有长期损害作用[1]。因此，检测环境和人体中Hg2+的浓度具有重要意义。目前，检测Hg2+的方法主要有原子吸收光谱（AAS）[2]、电感耦合等离子-原子发射光谱（ICP-AES）[3]、电化学传感器[4]、比色分析[5]和电感耦合等离子-质谱（ICP-MS）[6]等，但是这些方法常需要较长的测试时间、精密的仪器、复杂的过程，以及专业的操作技术人员。发展简单、快捷、原位、在线检测Hg2+的方法仍然面临巨大的挑战[7～10]。荧光光谱法具有简单、灵敏度高、较少的样品消耗、可实时监控和较快的响应时间等优点，已成为金属离子传感和检测的有力工具[11，12]，其中，基于水溶性和小尺寸的纳米材料，如贵金属荧光纳米簇的Hg2+检测体系引起了研究者的广泛兴趣。

金纳米簇（AuNCs）是一种重要的贵金属纳米簇，它含有几个原子，并具有离散性电子能级，表现出类似分子的吸收、发射的光学性质和催化活性[13～18]。与传统的量子点和染料相比，AuNCs具有超小的尺寸、较高的量子产率、出色的光稳定性、较低的毒性和良好的生物相容性，已被用于生物医学和环境监测领域[19]。在AuNCs表面包覆不同的配体（如硫醇、聚合物、多肽和蛋白质等[20]），可以调节发射波长、提高发光量子产率及改变表面的性质，实现对分析物的灵敏检测。Xie等[21]合成了牛血清白蛋白（BSA）包覆的AuNCs，在365 nm紫外光下发射较强的红色荧光; 并进一步利用BSA-AuNCs发展了一种简单、无标记的方法检测Hg2+，该方法具有较高的灵敏性和选择性[22]。Liu等[23]同样利用BSA-AuNCs作为荧光传感器检测CN

，线性范围为200 nmol/L～9.5 μmol/L，检出限为200 nmol/L。Luo等[24]分别用还原型谷胱甘肽（L-GSH）和3种人工设计三肽包覆AuNCs，其荧光量子产率约为15%。Pyo等[25]用四辛基铵离子（TOA）修饰GSH-AuNCs的壳层，其量子产率超过60%。Zang等[26]合成了水溶性且发射强荧光的β-乳球蛋白包覆的AuNCs，对Hg2+的检出限30 nmol/L。此外，研究者也开发了基于AuNCs的便携式检测器件。Fang等[27]制备了BSA-AuNCs纸型微流器件检测Cu2+，检出限约为5 μmol/L; Xu等[28]合成了罗丹明衍生物滤纸传感器检测Hg2+，响应时间小于2 min; Yang等[29]构建了BSA-AuNCs试纸检测2，4，6-三硝基甲苯（TNT）和4-硝基苯酚的蒸气，检出限分别为10和1 pmol/L; Bian等[30]将荧光AuNCs制成可循环使用试纸检测Hg2+，检出限为5 μmol/L。但是，开发便携式检测Hg2+的AuNCs器件，如可以原位、实时＼，可视化检测实际样品的高灵敏性纸型器件，仍然面临较大的挑战。

本研究合成了谷胱甘肽包覆的金纳米簇（GSH-AuNCs），建立了荧光法检测Hg2+，检出限为2.4 nmol/L， 并制备了基于AuNCs的半定量试纸和纸型横向流动检验（LFA）试剂盒，用于可视化检测自来水样中Hg2+。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

Nicolet Evolution 300紫外可见分光光度计、Nicolet-iS50傅里叶红外光谱仪（美国赛默飞公司）; F-7000荧光仪（日本日立公司）; Tecnai G2透射电子显微镜（美国FEI公司）; AXIS Ultrabld光电子能谱仪（英国Kratos公司）; XPSPEAK分峰软件（4.1版）; STA 449 C热重分析仪（德国耐驰公司）。

HAuCl4·3H2O、 L-GSH（上海国药试剂公司）; 其它试剂均为国产分析纯; 实验用水为超纯水。

2.2 GSH-包覆AuNCs的合成 参照文献[23]的方法合成GSH-包覆AuNCs，步骤如下： 将新制备的HAuCl4溶液（20 mmol/L， 0.50 mL）、GSH溶液（100 mmol/L， 0.15 mL）和水（4.35 mL）在室温下混合，缓慢搅拌，70℃下反应24 h。反应结束后，反应液在超纯水中透析48 h，以除去未反应的离子。所制备的AuNCs（2.0 mmol/L）溶液于4℃保存，备用。

2.3 荧光检测Hg2+

配制0.02 mol/L Hg（NO3）2储备溶液，配制时加入适量HNO3抑制Hg2+水解，适当稀释储备溶液， 配制成不同浓度Hg2+溶液（4、6、8、10、20、40、60、80、100、150和200 nmol/L）。将不同浓度Hg2+溶液与AuNCs 溶液 （20 μmol/L）混合，反应10 min后，测量荧光光谱。

2.4 选择性实验

选择常见的金属离子（Ni2+、 Mn2+、Co2+、 Na+、Ba2+、Cu2+、Zn2+、Mg2+、Cd2+、Ca2+、K+、Fe3+、Al3+和Pb2+）和阴离子（F、C2O24、Cl、H2PO4、 NO3、SO24、HCOO、 I、C5H7O5COO、CH3COO、Br和CO23）考察AuNCs传感体系的选择性。不同的金属离子或者阴离子（20 μmol/L）与AuNCs 溶液 （20 μmol/L）混合，反应10 min后，測量体系的荧光光谱。

2.5 自来水样品中Hg2+的检测

在自来水样品中添加不同浓度Hg2+（6、10、15和20 nmol/L），加入AuNCs 溶液（20 μmol/L）中，反应 10 min后进行荧光检测。将滤纸（1.0 cm × 1.5 cm）浸入到AuNCs 溶液（2 mmol/L）中，取出自然晾干，制得半定量试纸。将制备好的滤纸浸入含不同浓度Hg2+ （0.01、0.1、1、10和100 μmol/L ）的自来水样品中，取出自然晾干，在365 nm紫外光下观察荧光。

3 结果与讨论

3.1 AuNCs的合成与表征

GSH和HAuCl4在70°C下反应24 h制得GSH包覆的AuNCs，其中GSH既是还原剂也是包覆剂。AuNCs的合成过程如图 1A所示。AuNCs固体呈亮黄色，水溶液为浅黄色（图1B插图c）; 而在365 nm紫外光照射下，均发出桔色荧光（图1B插图d）。AuNCs在520 nm处无明显吸收峰（图1B曲线a），表明没有形成较大的Au纳米粒子 [21]; AuNCs在330 nm激发下发射较强荧光，最大发射峰位于566 nm处（图1B，曲线b）。

3.2 Hg2+对AuNCs的荧光猝灭

闭壳层重金属离子之间，如Hg2+ （4f145d10） 和Au+ （4f145d10）， 有很强且特异性的色散力。Xie等[22]基于Hg2+ （5d10） 和Au+ （5d10）之间特异性作用猝灭AuNCs荧光的免标记方法检测Hg2+。XPS 结果表明，AuNCs中含有大量Au（图2C），表明AuNCs通过Au与Hg2+反应。将Hg2+加入AuNCs中，平衡10 min后，F0/F比值及荧光强度均保持不变（图3A）; 而不同批次AuNCs加入Hg2+后对传感体系灵敏度几乎没有影响（图3B）。加入1 μmol/L Hg2+，AuNCs在566 nm处荧光发射峰强度急剧下降（图4A，曲线a和b）。尽管AuNCs溶液固有的浅黄色保持不变，但是在365 nm紫外灯照射下

3.3 AuNCs传感体系对不同浓度Hg2+的响应

如图4B所示，AuNCs传感体系在566 nm处荧光发射峰强度随Hg2+浓度的增加而逐渐减弱。相对强度F0/F与Hg2+浓度之间的关系见图4B插图，二者关系符合Stern-Volmer方程式： F0/F=1+Ksv[Q]，（F0和F分别表示不含Hg2+和含有Hg2+时在566 nm处的荧光强度，KSV是荧光猝灭常数（表示猝灭效率），[Q]是猝灭剂浓度（[Hg2+]）[21]）。 F0/F与Hg2+浓度在4～200 nmol/L范围内有良好的线性关系（R2=0.99），KSV为7.7×106 L/mol，检出限为2.4 nmol/L。此检出限低于美国环保署所允许饮用水中Hg2+限量水平（10 nmol/L）[32]，也低于我国生活饮用水卫生标准对Hg2+的限量水平（5 nmol/L） [32]。与文献报道的检测Hg2+的方法相比（表1），本方法具有较低的检出限。

3.4 AuNCs传感体系的选择性

3.5 AuNCs传感体系对自来水样品中Hg2+的检测

为了考察AuNCs传感体系的实用性，选取自来水样品进行测试。AuNCs传感体系对自来水无明显荧光响应，即自来水中未检出Hg2+。不同添加浓度下Hg2+的加标回收率为92.5%～105.3%（表2），表明建立的AuNCs传感体系可用于定量分析自来水中Hg2+。

3.6 AuNCs半定量试纸和纸型横向流动检验（LFA）试剂盒可视化检测自来水样中的Hg2+利用合成的AuNCs，制备了一种简单、便携的半定量试纸，用于检测自来水样品中的Hg2+（图1A）。将试纸浸泡在不同Hg2+浓度的自来水样中， 并取出自然晾干，在365 nm紫外灯照射下观察荧光。4 结 论

制备了GSH-包覆的AuNCs，建立了检测Hg2+的荧光方法，本方法具有高灵敏性、高选择性。 进一步发展了半定量试纸和纸型LFA试剂盒两种纸型便携式AuNCs传感器，用于可视化检测自来水中Hg2+， 效果良好， 证明本方法具有潜在的应用价值。

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