荧光纸质传感器在环境检测的研究进展

王海倩，杨 帆，杨 亮，于少明，蒋长龙

(1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009;.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031)

伴随世界经济与工业的快速发展，世界环境问题日益突出，在临床诊断、环境监测、食品/药物质量控制以及社会安全筛查等方面，化学/生物传感器的应用越来越受到重视[1]。微型传感器具有简单、廉价、可操作性强、不需对样品进行复杂的预处理等优点。因此，与传统分析仪器相比，微型传感器更倾向于不借助额外手段的情况下，实现对分析物直接可读的现场实时检测。其中，试纸传感器具有重量轻、成本低、产量大等优点，成为解决当下经济技术难题最有希望的候选产品[2]。

现代化学之父罗伯特·博伊尔在17世纪发明了第一种纸质传感器-石蕊试纸，利用酸碱指示剂对pH值测量。随后，Martin和Synge在1943年发现了纸色谱法分离有色化学物质，从而在1952年获得诺贝尔奖[3]。妊娠试纸于1968年由Margaret Crane发明，这是第一个通过横向流动检测尿液判断是否怀孕的试纸[4]。近年来，Whiteside和他的同事们将微流体通道与纸基传感器结合起来，采用比色法、电化学法、化学发光法进行生物测定[5]。以上的每一项成果都代表着分析方法的大革命，但是基于纸张的分析方法到目前为止还没有得到广泛应用。

本文介绍了本团队研究的一系列新型纳米荧光纸质传感器及其在环境监测、爆炸物筛选、食品安全和生物分析等不同领域的可视化分析应用。首先简要介绍荧光纳米材料的筛选和纳米探针的原理。随后，描述本团队根据不同的检测策略在试纸制备方面的创新，展现荧光试纸在现场、实时检测爆炸物、农药残留、重金属、食品添加剂和生物分子等方面的检测能力。最后，讨论纳米荧光纸质传感器当前面临的挑战和对未来的展望。

1 荧光功能纳米材料的筛选及在检测中的应用

荧光纳米材料的选取对样品的检测尤为重要。制备纳米探针的纳米材料应具有高荧光亮度、宽激发范围、可调谐发射、表面改性的柔韧性和高耐光漂白性能。在我们的研究中，最具有代表性的荧光纳米材料主要包括：量子点、发光碳纳米材料、氧化石墨烯及上转换材料等[6]。

量子点的高量子产率、大消光系数、宽吸收、尺寸/合成可调发射和大斯托克斯位移使得量子点在化学传感领域的应用备受关注。发光碳纳米材料具有低毒或者无毒、超强水溶性、表面修饰基团的丰富性、耐强酸强碱的化学惰性和环境友好等特征。氧化石墨烯有很大π-π共轭平面，承接了大量的酚羟基、环氧基和羧基，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

纳米材料具有特殊的微观尺寸，可展现出介观、宏观物质所不具备的独特物理化学性能[7]。目前，功能纳米材料的应用，主要通过不同敏感功能纳米材料的独特光学性质设计新的器件，实现现场、快速、低成本和便携式检测。根据荧光纳米材料特有的性质，通过对纳米材料的表面修饰、纳米结构的有序组装，再利用纳米材料与分析物之间特异的敏感机制，基于光、电、磁、热、声、力以及它们的组合，对待测污染物进行检测和跟踪，建立可靠、实用的纳米传感分析方法实现优控污染物的目标，构建环境中污染物的快速检测平台。

2 荧光纳米探针的设计及在检测中的应用

荧光纳米探针以纳米材料为载体，具有合成简单、经济、检测快速以及无需复杂前处理过程、灵敏度高等特点。伴随着纳米技术的迅速发展，各种各样的组成、尺寸、大小、维度及形状的纳米材料被可控的修饰上不同的分子，用于发展特殊性质的纳米探针，并通过将纳米探针的识别单元与待测物质结合过程转变为光学、电化学、拉曼等信号变化来进行检测。由于对表面状态的敏感性，纳米荧光团表面的许多化学修饰都能极大地影响其辐射重组效率，导致荧光活化(开启)或荧光猝灭(关闭)。通常，这些变化仅仅是由于与分析物直接相互作用而引起的，用于敏感和选择性的检测。根据荧光反应的不同，纳米探针可以分为三种类型：“猝灭”、“打开”和“比率”。下面分别描述本课题组设计的三种类型纳米探针。

2.1 “猝灭”型荧光纳米探针的设计

典型的一个探针是用胺修饰锰掺杂的硫化锌量子点，通过电荷转移途径获得对微量三硝基甲苯(TNT)炸药的“关闭”荧光响应[8]。除了常用的表面结合方法外，分析物表面配体剥离法也可以实现纳米荧光团的荧光"关闭"。采用双齿配体2-羟乙基二硫代氨基甲酸酯(HDTC)对CdSe-ZnS 量子点进行修饰，在汞离子存在的情况下，表面HDTC配体从CdSe/ZnS 量子点表面剥离，与汞离子螯合，淬灭CdSe/ZnS 量子点的荧光。同时，随着汞离子浓度的增加，除了荧光亮度的降低，橙色荧光也逐渐变为红色[9]。

2.2 “打开”型荧光纳米探针的设计

对于荧光纳米探针来说，溶剂、pH值、带电分子等多种因素都可能导致荧光的减弱或猝灭，因此“猝灭”纳米粒子通常表现出较差的选择性和可靠性。张奎等通过表面配体置换策略演示了对毒死蜱等有机磷硫硫酸盐农药的“开启”荧光检测[10]。双硫腙与CdTe量子点表面配位形成复合物，可以通过双硫腙-镉复合物吸收峰与CdTe量子点的发射光谱重叠来关闭CdTe量子点的绿色发射。毒死蜱加入后，CdTe量子点表面的二硫代配体被毒死蜱的水解物所取代，CdTe量子点的绿色荧光即刻恢复，实现对毒死蜱进行超灵敏、选择性的检测，检测限低至0.1nM。此纳米粒子对苹果皮上5.5 ppb的有机磷硫酸盐残留可以产生荧光响应。

2.3 “比率”型荧光纳米探针的设计

荧光“关”或“开”纳米探针采用单一响应发射信号，容易受到探针浓度波动和背景荧光等实验因素的干扰。比值荧光法则使用内部标准探针和响应探针结合进行更精确的测量，通过两种发射强度比提供自参照确定分析物含量。本团队采用羧基修饰的红色CdTe量子点和氨基修饰的蓝色碳点作为双发射组合，设计了一种双发射的比率荧光探针，在340 nm波长激发下分别发射出437 nm和654 nm的光。量子点红色荧光能够选择性地被铜离子淬灭，而蓝色荧光保持不变，在不同浓度Cu2+作用下从而显示出由粉红色到蓝色的颜色演变，由此实现对Cu2+的痕量可视化检测[11]。

纳米探针不仅实用而且应用极为广泛，不但用于污染物的检测，还在精准生物标记以及高级防伪中都有潜在的应用。面对现代社会的快速发展，人们对检测的要求也大大增加，即时、快速、准确成为检测的主导方向。把纳米探针准确检测与即时检测的优势相结合，形成高效的检测手段势在必行。

3 可视化试纸在检测中的应用

由于纸张背景影响低和所需样品体积小，被视为一种很好的比色分析介质。通常，试纸的制备是利用纸张的三维网状结构，浸入纳米粒子溶液中直接吸附纳米粒子，然后进行干燥。然而，纳米粒子的上载量不能定量，且受溶液亲和平衡的限制。在最近的研究中，我们使用了一种喷墨印刷的方法来制备高质量的荧光试纸[12]。荧光墨水的纳米探针溶液被注射到与计算机相连的喷墨打印机的空墨盒中(如图1)。将荧光纳米探针打印在一张纸上，反复多次，直到获得理想的荧光强度。纳米粒子在整张纸上足够均匀的覆盖，使得荧光亮度均匀度高，具有良好的视觉/比色效果，在定量分析中尤其有利。此外，还可以通过计算机实现纳米粒子在纸张上的图案设计。

图1 喷墨打印制备可视化试纸

图2 多色比率荧光试纸对自来水、湖水等实样水中砷离子的检测

通常情况下，人眼对颜色变化的敏感性远大于对亮度变化的敏感性，因此一个理想的定量可视化试纸应该具有颜色响应的能力。然而，获得剂量敏感的宽范围荧光颜色的连续演变一直是荧光比色试纸难以逾越的障碍。在该项研究中，我们利用敏感的碲化镉红色量子点作为检测探针，青色碳点作为内标探针，通过非等比例的混合，有效避免了中间色的生成，获得了“红绿蓝”三基色的比率荧光探针，使探针产生了从红色到青色的宽颜色范围变化。将探针混合溶液通过喷墨打印的方法印刷到滤纸上，制备出了一种高质量的荧光比色试纸，可实现对环境中砷离子的定性定量检测。该试纸在不同剂量的砷离子存在下，呈现出宽且连续的荧光颜色变化(从最初的桃红色逐渐变成粉红色、橘黄色、卡其色、淡黄色、黄绿色，最终至青色)。即使低至5 ppb的As(III)溶液滴在试纸上也可以用肉眼清晰地辨别出其荧光颜色改变，低于世界健康组织规定的饮用水中10 ppb的As(III)检测限，并验证了该试纸在湖水、自来水等实样的检测中依然有效[13]。

在水体环境检测中，微量氟离子的实时、现场检测仍然是环境保护与监测的一大挑战。本团队基于发光氧化石墨烯和银纳米粒子之间发生荧光共振能量转移的原理发展了一种新的对氟离子的检测方法，在此基础上制备了高质量的荧光试纸，从而实现了对水中痕量氟离子的敏感可视化检测。这种可视化检测对氟离子的检测极限可以达到9.07pM，实现了对水中痕量氟离子的即时现场检测[14]。

图3 发光氧化石墨烯试纸对氟离子的敏感可视化检测

Fig.3 Sensitive Visual Detection of Fluoride Ion in Luminescent Graphene Oxide Test Paper

4 结论与展望

从筛选具有优良传感性能的功能纳米材料到合成灵敏的荧光纳米探针，再喷墨打印至试纸上，完成了便捷、快速、准确、灵敏度高的可视化试纸的设计。荧光试纸的创造为在环境、医药、食品、疾病诊断及公共安全等领域中应用提供了新的思路和方法。目前虽然已经取得了许多进展，但试纸结合功能性纳米材料的应用仍不够广泛，传感器在精度、灵敏度和多路复用分析方面还存在一定的局限性。迄今为止，各种荧光传感方法以提高灵敏度、选择性和动态工作为目标已被广泛研究。为扩大荧光试纸在可视化分析中的实际应用，还需在荧光纳米材料、传感机制和微加工方法方面进行更大的努力。

上述功能纳米材料的制备及荧光传感方法的发展突破了制约环境检测的技术瓶颈，降低了检测成本，使监管从事后处理变为现场反应，为提高公共安全水平奠定了技术基础。未来还需针对生态环境中的痕量污染物，以发现新的敏感机制和方法为导向，寻找纳米分子识别与敏感信号输出的规律，构建对环境中痕量污染物快速检测的平台。