表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)Hg2+的研究進(jìn)展

李夢(mèng)婷，李鵬程，林大杰

(溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，浙江 溫州325000)

汞是環(huán)境中最危險(xiǎn)的污染物之一，會(huì)滲入土壤，流入海洋，最終通過(guò)食物鏈累積在人體內(nèi)，損害人類的心血管、泌尿、腸胃和神經(jīng)系統(tǒng)[1]。特別是水溶性汞( Hg2+)，因其會(huì)對(duì)人類健康造成嚴(yán)重?fù)p害而一直備受關(guān)注[2]。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)規(guī)定，飲用水中Hg2+的限值為2 μg·L-1(10 nmol·L-1)，如此微量的濃度對(duì)檢測(cè)方法的敏感度要求很高。傳統(tǒng)的Hg2+檢測(cè)方法包括原子熒光光譜法(AFS)、冷原子吸收光譜法(CVAAS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICPMS)和酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定法(ELISA)等。這些檢測(cè)方法大部分都需要高度精確的樣品制備、昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和較長(zhǎng)的檢測(cè)時(shí)間，使得它們不適合遠(yuǎn)程或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)便可靠、快速靈敏地測(cè)定Hg2+的方法。表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光譜為Hg2+的快速測(cè)定提供了另一種方法。SERS可用于檢測(cè)目標(biāo)分子而不需要任何標(biāo)記或樣品預(yù)處理，這使得SERS特別適合用于現(xiàn)場(chǎng)分析[3]。

根據(jù)SERS增強(qiáng)機(jī)制，SERS的增強(qiáng)程度取決于很多因素，比如基底SERS活性、信號(hào)分子(拉曼染料)與底物之間的距離以及分子結(jié)構(gòu)[4]等。因此，改變這些因素，即可將基于SERS的Hg2+檢測(cè)分為兩類，即SERS信號(hào)開(kāi)啟模式(SERS signal turn-on mode)和SERS信號(hào)關(guān)閉模式(SERS signal turn-off mode)[5]。這兩種檢測(cè)模式都是將拉曼染料添加到檢測(cè)系統(tǒng)中。信號(hào)開(kāi)啟模式是指樣品中沒(méi)有汞離子時(shí)，幾乎檢測(cè)不到拉曼信號(hào)，一旦樣品中存在汞離子，就可以得到拉曼染料的SERS信號(hào)，其強(qiáng)度隨著汞離子濃度的增加而增加。信號(hào)關(guān)閉模式則是指在不存在分析物的情況下獲得最強(qiáng)的拉曼信號(hào)，隨著汞離子濃度增加，信號(hào)減弱。最近，表面增強(qiáng)拉曼散射光譜檢測(cè)Hg2+的研究成果被大量報(bào)道，同時(shí)引用數(shù)量也在顯著增加。本文綜述了SERS 在Hg2+分析中的最新應(yīng)用，評(píng)估了SERS技術(shù)用于Hg 離子等污染環(huán)境樣品的快速篩選和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的潛力，并簡(jiǎn)要討論了前景和挑戰(zhàn)。

1 SERS信號(hào)開(kāi)啟模式(SERS signal turn-on mode)

如上所述，可通過(guò)幾種方式實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼散射，最常用的方法之一是使拉曼染料更接近SERS底物[6]。拉曼染料與SERS活性基底之間的距離可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)控制，比如分子-底物距離在原始狀態(tài)下最大，加入汞離子后，距離會(huì)隨著汞離子與傳感器之間的相互作用而縮短，因此，拉曼染料更接近SERS基底，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的SERS信號(hào)。Sun 和同事[7]報(bào)道了信號(hào)開(kāi)啟模式的Hg2+的SERS傳感器。他們首先用Si納米線陣列(SiNWAr)作為基礎(chǔ)，然后在陣列表面修飾Au納米顆粒，構(gòu)建了一個(gè)SERS活性基底。之后，將單鏈DNA-Cy5(ss DNA-Cy5)滴在SiNWAr@AuNPs底物上，通過(guò)S-Au 鍵將ss-DNA-Cy5固定到AuNPs上。原則上，由于固定ss-DNA-Cy5在液體中處于開(kāi)放構(gòu)象，因此Cy5 與SERS底物之間的平均距離相對(duì)較長(zhǎng)。然而，在Hg2+存在的情況下，單鏈DNA形成T-Hg2+-T 堿基對(duì)，轉(zhuǎn)化為發(fā)夾結(jié)構(gòu)，使得原本在5 端的Cy5 靠近位于金納米粒子附近的3 端，這明顯縮短了信標(biāo)分子Cy5 和SERS基底之間的距離。因此，即使?jié)舛葹? pmol·L-1的Hg2+離子也可檢測(cè)到強(qiáng)烈的SERS信號(hào)。

SERS信號(hào)開(kāi)啟模式還可以采用其他思路。例如，NaH2PO2可將汞離子還原成納米汞，進(jìn)一步催化NaH2PO2和HAuCl4之間的還原反應(yīng)，生成Au 納米顆粒作為SERS活性底物[8]。隨著Hg2+濃度增加，將會(huì)生成更多的Au 納米顆粒，提高Vitoria blue B 的拉曼信號(hào)，可使汞離子的檢測(cè)限達(dá)到0.8nmol·L-1。

Wu 及同事[9]報(bào)道了一種可直接定量檢測(cè)無(wú)機(jī)金屬汞的新型檢測(cè)探針。Azathioether 和azathiacrown 分子中含有硫原子，可與汞共軛形成Hg-S鍵，而Hg-S鍵能產(chǎn)生拉曼信號(hào)。4-(溴甲基)苯甲酸的連接作用，可將Azathioether 和azathiacrown 修飾在Au@SiO2納米粒子表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)的有效距離內(nèi)[10]，實(shí)現(xiàn)Hg-S鍵的高靈敏SERS信號(hào)檢測(cè)。由于Hg-S鍵產(chǎn)生的SERS信號(hào)，可能會(huì)受到儀器不穩(wěn)定等因素的影響，或者SERS活性Au@SiO2納米顆粒表面的電磁熱點(diǎn)分布不均勻的影響[11]，所以4-(溴甲基)苯甲酸同時(shí)可作為一個(gè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)(IS)，來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化所測(cè)定的SERS信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的基于SERS光譜對(duì)Hg (Ⅱ)的定量檢測(cè)。

Olga Guselinikova 等 人[12]在 金 光 柵(gold gratings)表面修飾4-乙基苯二氮磺酸鹽，又通過(guò)可見(jiàn)光誘導(dǎo)，促使修飾在金光柵表面的4-乙基苯基分子層與巰基乙二酸(Mercaptosuccinic acid，MSA)發(fā)生反應(yīng)。最后，MSA捕獲Hg2+，使得MSA原本在1633cm-1的拉曼特征峰消失，形成另一個(gè)新的位于1594 cm-1的特征峰。當(dāng)濃度在10-6～10-10M之間時(shí)，1594 cm-1處的拉曼信號(hào)強(qiáng)度隨Hg2+濃度的增加而增加，檢測(cè)限(LOD)為0.049μg·L-1。

2 SERS信號(hào)關(guān)閉模式(SERS signal turn-off mode)

SERS信號(hào)關(guān)閉模式是檢測(cè)汞離子的常用策略。在這種模式下，拉曼信號(hào)強(qiáng)度隨著汞離子濃度的增加而降低[13]。信號(hào)關(guān)閉模式通過(guò)拉曼染料或SERS基底的作用影響拉曼信號(hào)強(qiáng)度。許多拉曼染料不僅可以與SERS基底結(jié)合，也可以與汞離子結(jié)合，但拉曼染料與汞離子的結(jié)合能力比SERS基底強(qiáng)，因此，當(dāng)存在汞離子時(shí)，染料優(yōu)先與汞離子結(jié)合，這破壞了之前染料與SERS基底之間的吸附，導(dǎo)致染料的拉曼信號(hào)衰減。Ma 和同事[14]在銀納米顆粒表面修飾了甲巰咪唑和環(huán)糊精，制成了一種高靈敏度的SERS傳感器用于汞離子檢測(cè)。由于Hg2+優(yōu)先與甲巰咪唑結(jié)合，使得甲巰咪唑分子從AgNPs表面解吸，SERS信號(hào)成比例降低。

Kang 等人[15]介紹了一種在濾紙上原位光還原AgNO3快速制備表面增強(qiáng)拉曼散射基底用于Hg2+拉曼檢測(cè)的方法。在這項(xiàng)工作中，同時(shí)在濾紙上滴加對(duì)氨基噻吩酚(para-aminothiopheno,PATP)和AgNO3，以PATP 作為拉曼染料，然后通過(guò)激光誘導(dǎo)，AgNO3在1s內(nèi) 還 原 成AgNPs。PATP 在1435 cm-1處的拉曼信號(hào)強(qiáng)度在4～150 nM之間，隨Hg2+濃度的增加而減小，檢測(cè)限(LOD)為2 nM。在最佳條件下，該方法可用于檢測(cè)水溶液中濃度為4 nM的可檢測(cè)水平的Hg2+。此外，拉曼圖譜表明，實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于7%，具有良好的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)重復(fù)性。

Song 等人[16]制備了一種銀介導(dǎo)選擇沉積Pt 在六面體金納米顆粒邊緣的材料(Au@AgPt NPs)，用于Hg2+的拉曼檢測(cè)。利用Au 和Pt 的催化活性，將Au@AgPt NPs作為一種類過(guò)氧化物酶。在不存在Hg2+的條件下，TMB在類過(guò)氧化物酶Au@AgPt NPs的作用下生成藍(lán)色的oxTMB。由于oxTMB具有拉曼特征峰，可以得到明顯的拉曼信號(hào)。但存在Hg2+時(shí)，TMB不會(huì)被氧化，不能得到拉曼信號(hào)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濃度在10 nM～1μM之間時(shí)，oxTMB在1608 cm-1處的拉曼信號(hào)強(qiáng)度，隨Hg2+濃度的增加而減小，檢測(cè)限(LOD)為0.28 nM。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

由于汞污染嚴(yán)重，人們迫切渴望開(kāi)發(fā)一種快速、超敏感、可靠的汞離子的檢測(cè)方法。SERS被認(rèn)為是一種新型的光學(xué)技術(shù)，在汞離子檢測(cè)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力。本文綜述了近年來(lái)基于SERS的汞離子檢測(cè)的研究進(jìn)展。根據(jù)SERS 信號(hào)的強(qiáng)度變化，檢測(cè)方法可以分為兩類，即信號(hào)開(kāi)啟模式和關(guān)閉模式。對(duì)于開(kāi)啟模式，SERS信號(hào)隨著汞離子濃度的增大而增強(qiáng)，主要是誘導(dǎo)金屬納米粒子形成聚集體，以產(chǎn)生更多的熱點(diǎn)或促使拉曼染料更接近SERS基底，以獲得更強(qiáng)的表面增強(qiáng)效果。關(guān)閉模式主要是利用金屬離子解離拉曼信標(biāo)分子或形成汞合金，對(duì)SERS基底的表面增強(qiáng)效應(yīng)產(chǎn)生干擾。SERS在汞離子檢測(cè)方面取得了很大的進(jìn)展，然而，大多數(shù)信號(hào)開(kāi)啟模式檢測(cè)方法使用貴金屬納米粒子作為SERS活性基底，易受低pH值或高溫等環(huán)境因素的影響，會(huì)非特異性地聚集SERS活性基底[17]。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠適應(yīng)復(fù)雜測(cè)試環(huán)境、高穩(wěn)定性的SERS傳感器非常重要。此外，還需要開(kāi)發(fā)具有強(qiáng)烈而均勻的表面增強(qiáng)作用且穩(wěn)定的固體SERS基底，以用于高度可重復(fù)的SERS信號(hào)檢測(cè)。由于污染物會(huì)涉及多種有毒重金屬離子，所以同時(shí)進(jìn)行多元素分析是迫切的需求[18]。因此，開(kāi)發(fā)新穎的多元檢測(cè)策略也是一個(gè)非常重要和挑戰(zhàn)性的課題。目前，SERS檢測(cè)汞離子的技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，因此未來(lái)的工作應(yīng)著重于SERS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用?？傊琒ERS檢測(cè)汞離子技術(shù)已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展，并有望開(kāi)發(fā)出一系列便宜簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)、超靈敏和可靠的檢測(cè)策略。