汞离子传感器的研究概况

崔荣伟

(潍坊职业学院 化学工程学院,山东 潍坊 262737)

重金属污染物因其高毒性、刺激性、不可降解性,对生态系统和包括人类在内的生物健康构成严重威胁。因此,重金属对水、土壤和环境的污染已引起全球关注[1]。Hg2+是毒性最大的重金属,一旦进入体内,会对肝、肾、脾中枢神经系统等产生长期的有害损伤。Hg2+很容易被皮肤和呼吸道吸收,造成DNA损伤,阻碍细胞有丝分裂。Hg2+与生物体中蛋白质和酶的巯基结合,引起如免疫功能障碍、心血管和代谢疾病、神经障碍、神经发育缺陷、异常、生殖障碍、记忆丧失和语言障碍[2-3]。即使浓度很低,Hg2+也会导致听力和视力丧失、失明和死亡。因此,探索环境与健康监测中汞离子检测的可靠技术是全世界领域的研究热点[4-5]。

汞浓度的监测可采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、原子吸收光谱(AAS)、原子发射光谱法、气相色谱-质谱(GC-MS)、反相高效液相色谱(RP-HPLC)等多种常规技术,但这些传统分析技术具有非选择性和复杂性,通常需要有机溶剂、大量的样品制备、耗时的分析步骤和专业操作人员、复杂的仪器。据报道,分析时间的80%花在样品制备和分析物提取上,尽管这些分析工具在灵敏度和特异性方面有所增强,但大多数都不能直接处理复杂的样品。为了解决这些挑战,近年来许多新兴技术应用于汞检测,以下部分概述了一些重要的汞检测传感器,即电化学传感器、基于表面增强拉曼光谱(SERS)的传感器、比色传感器、荧光传感器。

1 电化学传感器

电化学技术通过测量含有分析物的电化学电池中的电荷(C)、电位(V)或电流(A)来确定分析物浓度。在典型的电化学反应中,通过测试电极的电位确定被分析物在电极表面的形态,测量电流来确定分析物的氧化或还原速率。电化学技术具有灵敏度高、选择性强、快速可靠的特点。常用的电化学技术包括电位法、库仑法、循环伏安法和计时安培法。其中,伏安法主要用在汞检测,其中收集电流作为电压随时间变化的函数[6]。

Mahmoudian等[7]以L-半胱氨酸为还原剂,通过化学还原Pt (II)合成了Pt/g-C3N4/聚噻吩纳米复合材料(Pt/g-C3N4/PTh NCs),研究了g-C3N4对传感性能的影响。利用合成的纳米复合材料作为检测Hg2+的电化学传感材料,采用电化学阻抗谱(EIS)、循环伏安法和差分脉冲伏安法对其进行了研究。机理研究表明,g-C3N4的存在使活性位点增加,显著促进了Hg2+的吸收。PTh和Pt NPs的存在弥补了g-C3N4在纳米复合材料中较低的导电性。Pt/g-C3N4/PTh NCs在Hg2+浓度为1～500 nmol/L范围内具有线性伏安响应,检出限(S/N=3)为0.009 nmol/L。

陈碧娇等[8]开发了一种利用氯化血红素(hemin)作为指示剂来检测Hg2+的电化学适配体传感器。适配体(aptamer)通过形成Au-S键自组装在氮掺杂石墨烯和纳米金修饰电极表面,当Hg2+存在时,胸腺嘧啶T碱基与Hg2+特异性结合成T-Hg2+-T结构,可改变aptamer的排列形式,使其形成多孔结构。Hemin能够通过这些孔隙吸附在电极表面上产生电化学信号,用示差脉冲伏安法即可进行Hg2+检测,Hg2+线性检测范围为5.0×10-8～5.0×10-6mol/L,检测限为1.67×10-8mol/L,本方法成功用于水样中Hg2+的测定。将所构建的适配体传感器应用于微量Hg2+的检测,具有良好的应用前景。

结果表明,电化学传感器具有更高的灵敏度和选择性,可以检测水环境中的微量汞。然而,工作电极的可重用性仍然是一个巨大的挑战,因为附着在电极表面的汞的去除非常复杂,这限制了实验室中快速和常规的分析[9]。

2 基于表面增强拉曼光谱的传感器

表面增强拉曼散射(SERS)是一种利用等离子体纳米材料表面激发电磁场的纳米级分析工具[10]。产生的表面等离子体共振在数量级上增强了分子散射,这种散射现象提高了SERS光谱的灵敏度和特异性。此外,基于SERS的便携式传感器的设计促进了该技术在实际环境中定量检测分析物的应用。

Logan等[11]设计了一种基于SERS的Hg2+传感器。利用金纳米星(AuNSt)在H2O2存在下氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)产生氧化产物(oxTMB),oxTMB是一种高拉曼活性产物。AuNSt具有独特的形态,即尖锐的尖端,可以产生有效的拉曼增强作用。然而,实验分析表明,在AuNSt和Hg2+离子的存在下,oxTMB的拉曼强度降低。电子显微镜和元素分析进一步显示,Hg2+的存在破坏性地截断了AuNSt的尖端,改变了它们的大小、形状和元素组成。oxTMB在1 190 cm-1处的拉曼峰随Hg2+离子浓度的增加呈反比线性关系。该方法在海水中实现了0.2×10-9的检测极限,并在0.1×10-9～1 000×10-9实现了线性响应。该SERS传感器具有医疗诊断、食品分析和环境保护的生物传感潜在应用。

Sarfo等[12]提出了一种可检测水介质中Hg2+离子新型SERS纳米传感器。实验中,氨基二苯并-18-冠-6与巯基丙酸偶联,由此产生的冠醚衍生物(TCE)自组装为Hg2+的识别表面层,覆盖在纳米结构的金基板表面。Hg2+与TCE的氧原子配位,导致金属离子自发结合到冠醚层的空腔中。这使得冠醚在1 501 cm-1处的拉曼峰强度随着Hg2+在1×10-11～1×10-6mol/L范围内浓度的增加而增加。这种纳米传感器即使在含有Cd2+和Pb2+的自来水中也能高选择性地检测到Hg2+离子。该技术可在短时间内筛选Hg2+离子,不需要在分析之前进行大量的样品制备和提取程序。

然而,为了适应实际应用,基于SERS的Hg2+检测必须克服汞的小散射问题。开发用于实际环境中,对汞物种具有超高的敏感性和特异性,基于SERS的便携式和高性价比的商用传感器的研究正在进行。

3 基于比色法的传感器

比色法技术[13]通过比较分析物溶液的颜色变化来测量分析物成分的浓度。比色传感器是根据外部输入改变颜色的光学传感器。目标分析物的定性、定量分析可以通过肉眼快速进行,而不需要使用复杂的仪器。

Infant等[14]设计了一种纳米银Hg2+比色传感器。实验中,使用硝酸银作为前体,以葫芦巴叶提取物中存在的植物化学物质作为覆盖剂,以一种更绿色、可持续的生物合成方式合成了银纳米颗粒。以往的研究只对液体分散介质中的重金属进行了检测,由于需要紫外光谱分析,比色检测变得复杂。在这种方法中,该低成本的银纳米颗粒纸衬底,不需要任何分光光度计来确认样品中汞的存在。它可作为汞的初步检测装置,确认方便快捷。当银纳米颗粒与汞离子结合时,会失去其紫外-可见吸收强度,实现汞离子(Hg2+)非常敏感和特异性的比色检测。

Hong等[15]报道了一种超灵敏构象依赖比色法用于检测Hg2+。使用金纳米颗粒(AuNPs)和核酸外切酶III (Exo III)辅助靶标进行了Hg2+检测的比色技术。该基于AuNPs的比色传感器可以通过其未修饰和功能化的AuNPs的聚集或去团聚机制来表征。在比色感知过程中,AuNPs发生聚集后溶液从红色变为蓝色,解聚得到红色。该方法灵敏度高,选择性强。它在10 pmol/L～100 nmol/L 的Hg2+浓度范围内具有线性响应,检出限低至3.2 pmol/L。将该方法应用于加标环境水样中Hg2+的检测,回收率为92%～106%。该系统的优点是快速、简单、易于检测。

Song等[16]报道了一种通过胸腺嘧啶-汞-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)配位检测Hg2+离子的比色生物传感器。在循环放大过程中,通过T-Hg2+-T的AuNPs团聚引起了由红色到紫色的颜色变化(图1)。在最佳条件下,该分析比色法的检测限为-0.9 nmol/L,动态范围为1 nmol/L Hg2+～10 μmol/L。

图1 比色法测定Hg2+原理图[16]

比色传感方法具有灵敏度高、制作简单、成本低、检测速度快等优点。然而,比色传感器存在选择性低、重现性差、稳定性差、检测限和pH敏感性等限制。因此,研究人员正在努力开发在宽线性动态范围内提高选择性和再现性的比色传感器,使其有希望用于便携式汞检测。

4 基于荧光技术的传感器

荧光是一种基于分析物的荧光属性来测量其荧光信号的光谱技术[17]。由入射辐射的吸收,荧光团的一个电子被激发到激发态。当被激发的电子回到基态时,会发射出一个光子,从而产生荧光。激发能级和基态之间的能量间距决定了所发射的光的波长。荧光物质或荧光团具有特征的荧光光谱,由它们的发射光谱表示。发射光谱变化取决于荧光团的化学结构和环境。荧光传感器具有检测灵敏度高和选择性好,重现性良好,可重用性等优势,基于荧光的传感器是检测不同介质中的污染物的最有效工具。近几十年来,小分子荧光探针因其结构多样、修饰简单、响应机制清晰、节约成本、重复性好等优点,被认为是检测复杂生物基质中重金属的最有前途的方法之一。在此背景下,一些研究小组致力于设计Hg2+响应的小分子荧光探针,以实现食品和食品中Hg2+的精确检测。

Sarkar等[18]报道了一种芘-噻吩偶联物作为Hg2+和半胱胺(一种治疗遗传疾病的重要药物)的双传感器。图2为基于芘-噻吩偶联物的荧光传感器检测Hg2+和半胱胺的机制示意图。Hg2+检测的荧光响应在[L-Hg2+]化学计量比为2∶1时被开启,检测限低至30.6 nmol/L。该设计中受体的发射特性随pH值和含水量变化,在实际水样分析中验证了该传感器的传感能力。因此,该传感器可作为一种高效、可重复使用的荧光传感器用于水中Hg2+的识别。

图2 基于芘-噻吩共轭传感器双检测汞(Hg2+)和半胱胺的机制示意图[19]

Tonsomboon等[19]报道了基于新型有机染料(NFO6)的Hg2+荧光传感器。实验中,使用螺烯(5H)和罗丹明6G硫代肼(thio-R6 GH)合成了一种有机染料(NFO6),由于Hg2+对NF06中N和S原子的良好静电相互作用,生成了一种新的NFO6-Hg2+配合物,使硫代R6 GH从闭环状态转变为开环螺旋内酯形式,供体5H与受体thio-R6 GH间发生共振能量转移,从而观察到在560 nm处有明显的荧光增强。NF06染料表现出较大的Stokes位移,能够有效地减少来自自吸收和背景的干扰。新开发的Hg2+测试带由于其显著的灵敏度(检测限为0.697 nmol/L)、制作成本低以及易于操作等优势,具有很大的前景,可以作为监管和认证机构对消费品进行安全评估的标准方法。

尽管利用小分子荧光染料作为Hg2+荧光传感的设计取得了重大进展,但这些小分子存在荧光寿命较短、光稳定性相对较差、易受干扰等缺点,影响了它们在食品和农业中的实际应用。相比之下,荧光纳米材料是最有希望有效克服荧光染料在重金属检测中缺陷的材料,包括量子点、碳基纳米材料、金属纳米团簇、硅基纳米材料等[20]。

Abdolmohammad-Zadeh等[21]利用荧光碳量子点(CDs)和银纳米颗粒(AgNPs)构建了一种新型的用于Hg2+离子定量的关/开荧光传感器。新合成的量子产率为84%的CDs作为供体,AgNPs作为受体,两者发生共振能量转移导致CDs的荧光猝灭。在Hg2+离子存在时,AgNPs被Hg2+离子氧化,从而恢复了CDs-Ag NPs体系的荧光发射,因此荧光开启,强度与Hg2+离子浓度成正比。在0.5～500.0 nmol/L浓度范围内,校正曲线呈线性关系,检测限为0.10 nmol/L。将该方法成功应用于湖水、废水和茶叶样品中Hg2+离子的测定(图3)。该方法具有较高的灵敏度和重复性,可用于实际样品中痕量汞离子的诊断。

图3 基于CQD-AgNPs荧光测定湖水、绿茶和红茶中Hg2+的原理示意图[20]

Sojdeh等[22]开发了一种精确的纳米级生物传感器,用于检测水介质中的Hg2+。通过缩聚反应对三聚氰胺甲醛树脂热解制备了氮掺杂碳纳米球(NCS)。该NCS对室温下Hg2+具有较高的选择性和灵敏度。在350 nm激发波长下,Hg2+存在时,NCS探针的荧光发射光谱被显著猝灭。在0.013～0.046 μmol/L范围内,荧光响应与Hg2+浓度成线性响应,检测限为9.58 nmol/L。该荧光探针可以在几种金属离子存在的情况下测量Hg2+,具有较高的灵敏度和选择性。体外和体内测试结果也表明该纳米探针是生物相容性的,可以用于安全的环境应用。因此,这种纳米探针可以检测水、水果、蔬菜等材料中的Hg2+,并且对不同的细胞/器官/组织没有明显的毒性。

5 结论与展望

重金属的检测是目前科学界的一个热门话题。传感器技术的最新进展已成为重金属检测的关键推手。汞排放到环境中,即使是微量的,也会威胁到地球上的生物和非生物生命。应监测工业废物和自然来源,以减少Hg2+的排放。回顾了近年来基于电化学传感器、表面增强拉曼光谱的传感器、比色传感器、荧光传感器等多项技术,用于检测水生介质中的无机汞(Hg2+)。汞含量的分析技术应在成本、稳定性、检出限以及在恶劣环境中的选择性/特异性方面得到改进。尽管这些挑战已经在文献中取得了进展,但高选择性、稳定、经济的识别元素仍有待在未来的研究中开发。用于环境监测、食品和农业领域重金属现场监测的新型便携式的即时检测设备将在未来实现商业化。在这方面,重金属的高通量即时检测分析是有前景的,最终将保障环境及食品安全和公共卫生。