納米金的合成及其在重金屬離子檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

劉豐源，辛嘉英,,*，孫立瑞，王 艷，夏春谷

（1.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 省高校食品科學(xué)與工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150076；2.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

重金屬污染已對環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，成為全球最主要的環(huán)境問題之一。重金屬一般是指比重大于5的金屬[1]，美國環(huán)境保護(hù)署將對環(huán)境污染嚴(yán)重的重金屬進(jìn)行了統(tǒng)一劃分，包括砷、汞、銅、鎳、鉛、鎘和鉻。一部分重金屬污染源于自然途徑（巖石、土壤的侵蝕和風(fēng)化），但絕大部分重金屬污染是通過工業(yè)生產(chǎn)、生活污水的排放以及含重金屬農(nóng)藥化肥的使用進(jìn)入到環(huán)境當(dāng)中的[2]。重金屬離子可通過食品、空氣和飲用水進(jìn)入人體，它們半衰期長、不可降解、可在生物體中累積。汞一般以汞化合物和烷基汞兩種形態(tài)存在于食品中，它們毒性強(qiáng)，曾轟動一時的水俁病就是由于人們食入了被有機(jī)汞污染的魚和貝類，從而對神經(jīng)系統(tǒng)和肢體造成了永久性的損傷。砷呈現(xiàn)多種存在形態(tài)，誤食可導(dǎo)致人的心血管和呼吸道系統(tǒng)紊亂。1955年，日本發(fā)生了森永奶粉事件，上百名新生兒因食用砷污染的奶粉而死亡。鎘通過食物進(jìn)入人體后，主要損傷肝腎、骨骼和消化系統(tǒng)。鉛易在生產(chǎn)和儲存中進(jìn)入食品，攝入人體后可干擾免疫系統(tǒng)的功能，并對神經(jīng)及腎臟產(chǎn)生毒副作用[3]。研究表明，即便攝入濃度很低，這些重金屬也會導(dǎo)致許多嚴(yán)重的健康問題，包括癌癥、精神分裂、神經(jīng)紊亂、腎衰竭、皮膚病和肺病，同時損害動脈、DNA和肝臟的功能[2]。故對食品、環(huán)境、飲用水及具體樣品中重金屬離子進(jìn)行檢測的重要性不言而喻。

已經(jīng)開發(fā)出許多檢測痕量重金屬離子的方法，包括原子吸收光譜、原子發(fā)射光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳、X射線熒光光譜和微探針等[4-5]。這些傳統(tǒng)的檢測方法雖然靈敏度高、特異性好，但檢測成本高、樣品制備和預(yù)處理過程繁瑣、對檢測人員的操作要求嚴(yán)格。此外，由于對檢測設(shè)備的依賴，傳統(tǒng)檢測方法很難用于現(xiàn)場檢測，實用性差。納米材料催化效率高、表面活性好、比表面積大、吸附能力強(qiáng)，在重金屬離子的檢測中表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。已經(jīng)開發(fā)出不同類別的光學(xué)、電化學(xué)和生物學(xué)納米傳感器，用于檢測重金屬離子。在這其中，納米金（gold nanoparticles，GNPs）因其良好的生物相容性和獨特的光學(xué)性質(zhì)，在重金屬離子的檢測中扮演著十分重要的角色。

在古代，人們對金的性質(zhì)不是很了解，金在更多時候都作為貨幣和裝飾品使用。直到1857年Faraday發(fā)現(xiàn)膠體金后[6]，人們開始對GNPs的光學(xué)性質(zhì)、物化特性、合成方法、功能化及應(yīng)用展開了較為系統(tǒng)的科學(xué)研究。研究發(fā)現(xiàn)GNPs除了具有比表面效應(yīng)及量子尺寸效應(yīng)等一般納米粒子具有的特性之外，還具有良好的生物相容性和獨特的光學(xué)性質(zhì)。GNPs溶液通常為紅色或粉紅色，當(dāng)分析物與GNPs結(jié)合誘導(dǎo)GNPs發(fā)生聚集后，溶液顏色逐漸變?yōu)樗{(lán)紫色，由于GNPs在可見光區(qū)能夠強(qiáng)烈的吸收和散射光，聚集過程伴隨著GNPs表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）峰的變寬移位和聚合物平均粒徑的變化[7]，這可以通過光吸收和光散射技術(shù)監(jiān)測到，這為基于GNPs的SPR和動態(tài)光散射（dynamic light scattering，DLS）檢測重金屬離子奠定了基礎(chǔ)。此外，GNPs表面化學(xué)容易控制調(diào)節(jié)，可與各種生物和有機(jī)分子結(jié)合，形成功能化GNPs。利用GNPs與表面功能化物質(zhì)特定的相互作用及功能化物質(zhì)與重金屬離子的親和性也可用于分析檢測重金屬離子。最典型的就是表面增強(qiáng)拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）、表面增強(qiáng)熒光（surface-enhanced fluorescence，SEF）、金標(biāo)試紙條和GNPs手性傳感在重金屬離子檢測中的應(yīng)用。GNPs的這些光學(xué)特性使之成為用于檢測重金屬離子的理想探針。

利用GNPs檢測重金屬離子選擇性高、靈敏度好、成本低、便攜，可實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。本文綜述了幾種典型GNPs的合成方法，根據(jù)GNPs的光學(xué)性質(zhì)分別綜述了其表面等離子體共振、動態(tài)光散射、表面增強(qiáng)拉曼散射、表面增強(qiáng)熒光、金標(biāo)試紙條和GNPs手性傳感在重金屬離子檢測中的研究進(jìn)展，對它們的檢測原理、應(yīng)用及優(yōu)缺點進(jìn)行了分析，展望了未來的發(fā)展趨勢，為食品、環(huán)境、飲用水及具體樣品中重金屬離子的檢測提供借鑒。

1 GNPs的合成方法

常見的GNPs合成方法如圖1所示，包括（A）檸檬酸鈉還原法、（B）Brust-Schiffrin法、（C）晶種法和（D）綠色合成法。其中檸檬酸鈉還原法和Brust-Schiffrin法是應(yīng)用最廣泛的兩種方法。表1對上述4 種方法進(jìn)行了總結(jié)并比較了它們各自的特點。

圖1 幾種常見GNPs的合成方法[[88]]Fig. 1 Methods for the synthesis of several common GNPs[8]

1.1 檸檬酸鈉還原法

檸檬酸鈉還原法也叫Turkevich-Frens法，由Turkevich于1951年提出。具體操作是在沸騰的氯金酸溶液中加入少量檸檬酸鈉溶液，持續(xù)攪拌加熱，觀察到溶液顏色從淺黃色變?yōu)樗{(lán)紫色，最后變?yōu)榫萍t色。在該過程中Au3+被檸檬酸鈉還原為Au0。但該方法合成的GNPs粒徑范圍較窄，不能滿足研究要求。Frens[9]通過改變檸檬酸鈉和氯金酸的比例得到了粒徑范圍在16～147 nm的GNPs。在此基礎(chǔ)上，研究人員對合成尺寸可控、穩(wěn)定性和應(yīng)用性強(qiáng)的GNPs進(jìn)行了大量研究。發(fā)現(xiàn)通過改變還原劑或控制還原劑和整個體系的pH值能提高GNPs的穩(wěn)定性；Schulz等[10]通過添加檸檬酸鹽緩沖液代替檸檬酸鈉溶液作為穩(wěn)定劑和還原劑來控制體系pH值；Shiba[11]通過調(diào)整氫氧化鈉和檸檬酸鈉加入氯金酸的時間間隔，得到了粒徑范圍在6～15 nm的GNPs。此外，可以采用其他具有還原性的生物分子代替檸檬酸鈉還原氯金酸直接一步合成生物分子修飾的功能化GNPs，用作傳感器。

1.2 Brust-Schiffrin法

GNPs可通過檸檬酸鈉還原法在水相中合成，也可以在有機(jī)相或液-液兩相體系中合成。受Faraday兩相體系中膠體金制備的啟發(fā)，Brust等[12]于1994年提出Brust-Schiffrin法，具體操作是在水-甲苯體系中，以四辛基溴化銨（tetraoctylammonium bromide，TOAB）作為相轉(zhuǎn)移劑，將AuC14－從水相轉(zhuǎn)移到甲苯相中，在烷硫醇存在下用硼氫化鈉溶液將Au3+還原為Au0。在加入還原劑后，有機(jī)相顏色在幾秒鐘內(nèi)從橙色變?yōu)樯钭厣?。Brust-Schiffrin法常用于巰基配體功能化GNPs的合成和應(yīng)用，該方法制備的GNPs由密集的硫醇單層包裹，非常穩(wěn)定，彌補(bǔ)了Turkevich-Frens法的不足。此外，GNPs的粒徑可通過反應(yīng)條件（溫度、硫醇配體與金物質(zhì)的量比S/Au和反應(yīng)速率）調(diào)節(jié)[13]。Maye等[14]發(fā)現(xiàn)溫度對GNPs粒徑和形狀的影響取決于硫醇配體的鏈長，采用較大的S/Au物質(zhì)的量比更容易得到小粒徑的GNPs。

1.3 晶種法

檸檬酸鈉還原法和Brust-Schiffrin法在一定程度上受到窄粒徑范圍的限制，Wiesner等[15]于1989年提出晶體種子生長法，也叫晶種法，是一種制備粒徑可控GNPs的常用方法。這種方法首先用強(qiáng)還原劑NaBH4或檸檬酸鈉還原金鹽得到小粒徑的GNPs，以小粒徑的GNPs為晶種向其中繼續(xù)加入金鹽溶液在弱還原劑（抗壞血酸）的作用下得到粒徑逐步增大的GNPs，最后加入結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，防止二次成核，促進(jìn)生長。晶種法得到的GNPs物理性質(zhì)得到改善，但常?；煊猩倭侩s質(zhì)。為此，Jana等[16]使用抗壞血酸替代檸檬酸鹽作為還原劑，十六烷基三甲基溴化銨（cetyltrimethylammonium bromide，CTAB）作為穩(wěn)定劑，得到了粒徑為40 nm的均勻GNPs，幾乎不含雜質(zhì)。Kihyun等[17]采用相同的方法合成粒徑可控、范圍在10～90 nm的GNPs。發(fā)現(xiàn)反應(yīng)條件會影響合成GNPs的粒徑。Piella等[18]通過調(diào)節(jié)溫度、pH值和檸檬酸鈉的濃度，精確合成了粒徑范圍在3.5～10.0 nm的GNPs。與其他方法相比，晶種法制得的GNPs其形狀和尺寸更容易控制，廣泛用于合成形狀和尺寸可控的GNPs。

1.4 綠色合成法

上述3 種方法雖都可以制備GNPs，但在規(guī)模化生產(chǎn)期間有毒副產(chǎn)品會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。而且制備所使用的有毒溶劑可能會限制其在生物學(xué)研究中的應(yīng)用。針對這些問題，以原核生物（細(xì)菌）、真核生物（真菌和植物提取物）和其他蛋白質(zhì)和氨基酸等為原料的綠色合成法也已經(jīng)成功制備出GNPs。

利用原核生物（細(xì)菌、藻類等）和真核生物（真菌和植物提取物）制備GNPs分為胞內(nèi)合成和胞外合成兩部分。Konishi等[19]用嗜溫厭氧細(xì)菌Shewanella得到了粒徑范圍在10～20 nm的GNPs晶體。Husseiny[20]和Singaravelu[21]等分別用銅綠假單胞菌和海藻通過胞外合成制得了粒徑范圍在15～30 nm和8～12 nm的GNPs。Mukherjee等[22]用真菌Verticillium sp.還原AuCl4－成功制得粒徑約為20 nm的GNPs。迄今為止，大量的真菌物種如脈孢菌、臭曲霉、米曲霉等都已通過胞內(nèi)或胞外合成成功制得GNPs。Nune等[23]采用茶中的植物化學(xué)物質(zhì)得到茶生成的GNPs。一般來說，用真菌合成的GNPs表現(xiàn)出更強(qiáng)的環(huán)境耐受性，因為真菌對高濃度金屬耐受性更強(qiáng)且可以分泌大量的細(xì)胞外氧化還原蛋白還原金屬離子。

光化學(xué)法也是一種綠色合成方法，日光或紫外光的照射使體系產(chǎn)生自由基作為還原劑，將Au3+還原成Au0形成GNPs，整個過程僅在幾秒到幾分鐘內(nèi)發(fā)生，反應(yīng)時間大大縮短。由于其重現(xiàn)性、簡單性和溫和的合成條件，合成的GNPs品質(zhì)大大提高。與光化學(xué)法類似，超聲波和微波輔助方法也已用于合成GNPs[24-25]，微波法將電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱能。該過程快速且無任何毒副作用。雖然能量轉(zhuǎn)換方法不需要化學(xué)還原劑，但它需要能量投入。

表1 幾種典型GNPs合成方法的優(yōu)缺點比較[8]Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of the methods for the synthesis of several typical GNPs[8]

2 GNPs的光學(xué)性質(zhì)在重金屬離子檢測中的應(yīng)用

2.1 GNPs的SPR檢測

GNPs的SPR效應(yīng)是指GNPs在外光場的作用下，在表面會產(chǎn)生表面等離激元（surface plasmon polaritions，SPPs），這是GNPs表面的等離子體與光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)，當(dāng)入射光子的頻率與金屬內(nèi)等離子體振蕩頻率相同時，GNPs表面的導(dǎo)帶電子在外光場作用下產(chǎn)生集體的簡諧振蕩，這就是SPR，宏觀表現(xiàn)為GNPs對入射光的選擇性吸收，在一個或多個波長處出現(xiàn)消光峰，這就是表面等離子體共振吸收峰[26]。GNPs對局部環(huán)境的變化非常敏感，當(dāng)納米金的形狀、尺寸、納米顆粒間距離、周圍環(huán)境的介電常數(shù)發(fā)生變化時，GNPs的分散性都會發(fā)生變化，其SPR光譜也會發(fā)生變化。當(dāng)納米顆粒間距離發(fā)生變化（GNPs發(fā)生聚集和解聚）時，由于粒子間表面等離子體共振耦合，導(dǎo)致吸收峰發(fā)生紅移或藍(lán)移，溶液分別呈現(xiàn)從紅色到藍(lán)色和藍(lán)色到紅色的顏色變化，這可以通過肉眼很容易地觀察到，基于此可實現(xiàn)對重金屬離子的可視化檢測（圖2）。

圖2 SPR檢測重金屬離子示意圖Fig. 2 Schematic diagram of SPR detection of heavy metal ions

已經(jīng)有很多根據(jù)功能化GNPs的SPR效應(yīng)檢測重金屬離子的報道。根據(jù)重金屬離子識別分子的不同，這些功能化分子可分為氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、適配體、核酸酶和有機(jī)酸、炔烴及相關(guān)衍生物等幾類。為簡化分類，將這些功能化分子分為生物分子和非生物分子兩大類。生物分子包括氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、適配體和核酸酶等。其中氨基酸、肽、蛋白質(zhì)可通過靜電作用、疏水作用和形成S-Au附著在GNPs表面形成功能化GNPs，重金屬離子的加入可誘導(dǎo)功能化GNPs聚集和解聚，以此實現(xiàn)對重金屬離子的可視化檢測。利用氨基酸、肽、蛋白質(zhì)功能化GNPs的SPR效應(yīng)已經(jīng)實現(xiàn)了對水生蔬菜（蓮藕、荸薺）、大米等眾多食品和血液、不同水樣中重金屬離子的檢測[27-34]。Hg2+可與胸腺嘧啶能夠形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T復(fù)合物，以寡核苷酸和DNA等適配體功能化的GNPs常見于檢測Hg2+[35-36]。DNA酶功能化GNPs常用于檢測Pb2+[37-41]。基于適配體和核酸酶功能化GNPs的檢測手段選擇性高、檢出限低，但核酸價格昂貴，檢測過程需要精確加熱和溫度監(jiān)測，因此實用性并不高。非生物分子（硫氰尿酸、馬來酸、沒食子酸等）因為成本低、易于控制、官能團(tuán)種類豐富易于功能化，已經(jīng)實現(xiàn)了對食品、土壤、水樣等不同樣品中重金屬離子的檢測[42-51]。生物分子和非生物分子功能化GNPs檢測重金屬離子見表2。

基于非功能化GNPs的SPR效應(yīng)也可用于檢測重金屬離子。檸檬酸鈉還原法制得的GNPs表面包裹著一層帶負(fù)電的檸檬酸根，由于靜電排斥作用穩(wěn)定的分散在溶液體系中，但當(dāng)這種排斥力被破壞時GNPs就會發(fā)生聚集，溶液顏色和共振吸收峰都會發(fā)生變化。Yang Juanhua等[52]發(fā)現(xiàn)向檸檬酸鈉還原法得到的GNPs中加入鄰苯二胺（o-phenylenediamine，OPDA）會導(dǎo)致GNPs的聚集，溶液顏色發(fā)生紅色至藍(lán)色的變化。加入Hg2+、Cu2+或Ag+后，金屬離子被還原并不斷形成小的HgNPs、CuNPs和AgNPs。這些NPs反過來催化Hg2+、Cu2+和Ag+與OPDA之間的氧化還原反應(yīng)，OPDA被這些金屬離子氧化變成OPDA聚合物和2,3-二氨基吩嗪（2,3-diamino phenazine）。OPDA的減少使GNPs解聚，溶液顏色又從藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色。Hg2+、Cu2+和Ag+的檢測限（limit of detection，LOD）分別為2.7、1.2、1.1 nmol/L。3 種離子的檢測差異可能歸因于它們對OPDA不同的氧化能力。這種比色方法可通過加入一種或兩種合適的掩蔽劑（EDTA、NH4OH、NaCl、CaC2O4）來消除其他兩種離子的干擾。通過對池塘水中Hg2+、Cu2+和Ag+的檢測證明了該方法的可靠性。Liu Yi等[53]基于抗壞血酸（ascorbic acid，AA）和多巰基官能化聚乙烯亞胺（multi-sulfhydryl functionalized hyperbranched polyethylenimine，SH-HPEI）存在下GNPs的顏色變化，開發(fā)了一種可以觀察到3 種顏色變化的Hg2+檢測法。在AA的存在下，Hg2+被還原為Hg0，其可以沉積在GNPs表面上，導(dǎo)致Hg-Au合金的形成使溶液發(fā)生紅色至淺褐色的顏色變化。SH-HPEI不僅具有大量的胺基，而且還具有多個硫醇基，汞具有很高的親硫性，可通過Hg-S與SH-HPEI結(jié)合。加入SH-HPEI后，Hg-Au合金聚集在一起，形成更大的Hg-Au合金。溶液顏色從淺褐色變成淺灰綠色，發(fā)現(xiàn)400 nm波長處吸光度與Hg2+濃度在8.76×10－9～1.27×10－4mol/L呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.989，LOD為8.76×10－9mol/L，低于世界衛(wèi)生組織30 nmol/L的規(guī)定值。該方法已成功應(yīng)用于檢測實際水樣中的Hg2+。

表2 生物分子和非生物分子功能化GNPs檢測重金屬離子總結(jié)Table 2 Summary of the applications of functionalized GNPs with biomolecules and non-biomolecules to the detection of heavy metal ions

與其他技術(shù)相比，GNPs的SPR檢測具有許多優(yōu)點，首先，檢測在均相溶液分析體系中進(jìn)行，可通過簡單的儀器（光譜儀）甚至肉眼進(jìn)行檢測，成本低，易于觀察和記錄。此外，GNPs易于合成和功能化，并且可以結(jié)合到小型便攜式設(shè)備中，可以對重金屬離子進(jìn)行簡便可靠的現(xiàn)場檢測。在未來，應(yīng)著力于發(fā)展可再生的SPR芯片，開發(fā)高通量多組分檢測的SPR傳感器，擴(kuò)大GNPs的SPR檢測在重金屬檢測中的應(yīng)用范圍。然而，該檢測方法也有一些缺點，GNPs在外部環(huán)境條件（離子強(qiáng)度、pH值和溫度）改變下傾向于發(fā)生聚集，有時這會對檢測造成干擾。

2.2 GNPs的DLS檢測

基于GNPs的光散射特性進(jìn)行檢測通常分為兩種形式：一種是根據(jù)散射光強(qiáng)度或波長變化進(jìn)行檢測，常見于檢測DNA分子；一種是根據(jù)DLS進(jìn)行檢測，可用于檢測重金屬離子。在這里，我們對GNPs的DLS在重金屬離子檢測中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

DLS指通過監(jiān)測溶液中顆粒布朗運動引起的散射光強(qiáng)度波動來測量納米顆粒溶液的流體力學(xué)半徑。DLS是在均相反應(yīng)體系中對物質(zhì)聚集狀態(tài)的一種監(jiān)測，不涉及復(fù)雜的分離步驟，可以快速、準(zhǔn)確地測量溶液或懸浮液中生物分子和納米顆粒的平均粒徑和粒度分布[54]。基于DLS開發(fā)了兩種主要的測定形式：一種是分析物與GNPs結(jié)合誘導(dǎo)GNPs團(tuán)簇或聚集體的形成，利用聚集體的平均粒度變化進(jìn)行檢測；第二種是通過與分析物結(jié)合導(dǎo)致單個GNPs的粒度變化進(jìn)行檢測。第一種檢測形式可用于檢測重金屬離子。第二種檢測形式常見于檢測蛋白質(zhì)等生物大分子。下面對第一種檢測形式在水稻等具體樣品中重金屬離子的檢測應(yīng)用進(jìn)行闡述。

As3+對水稻及飲用水的污染已對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，實驗室的分析檢測技術(shù)依賴于一系列濃縮步驟，過程繁瑣且實用性差。Kalluri等[55]報道了一種谷胱甘肽（glutathione，GSH）、二硫蘇糖醇（dithiothreitol，DTT）和半胱氨酸（cysteine，Cys）功能化GNPs測定As3+的方法，以吡啶二羧酸（pyridine dicarboxylic acid，PDCA）為掩蔽劑，加入As3+后，As3+可與GSH、DTT、Cys結(jié)合進(jìn)而誘導(dǎo)功能化GNPs形成二聚體、三聚體和更大的聚集體，通過DLS技術(shù)可以檢測到顆粒尺寸的變化，進(jìn)而實現(xiàn)As3+的檢測。結(jié)果表明，DLS檢測可以快速（不到10 min）準(zhǔn)確地在ng/L水平檢測到As3+，LOD為10 ng/L，比普通比色方法靈敏度高出2 個數(shù)量級，比WHO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值高3 個數(shù)量級。用該檢測方法對水稻中常見的有機(jī)砷化合物二甲基胂酸（dimethylarsenic acid，DMA）、單甲基胂酸（monomethylarsinic acid，MMA）及瓶裝飲用水進(jìn)行檢測取得了非常好的效果。DNA分子穩(wěn)定性強(qiáng)，在多次變性和復(fù)性循環(huán)后仍可以保持它們的結(jié)合能力和催化活性，這使它們被廣泛應(yīng)用于重金屬離子的傳感檢測中。Miao Xiangmin等[56]根據(jù)可與Pb2+響應(yīng)的DNA酶的切割性質(zhì)，用寡核苷酸修飾的GNPs構(gòu)建了用于Pb2+檢測的DLS傳感器。當(dāng)將寡核苷酸修飾的納米金GNPs-Oligo1和GNPs-Oligo2添加到酶和底物鏈的混合物中時，它們之間將發(fā)生雜交并誘導(dǎo)GNPs的聚集。在不存在Pb2+的情況下，聚集體表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，引入Pb2+后，Pb2+特異性的DNA酶可以催化底物鏈的水解裂解，可以通過DLS技術(shù)檢測不同質(zhì)量濃度Pb2+條件下聚集體的平均粒徑變化。結(jié)果表明，在800 nmol/L底物、2.0 mmol/L酶、400 mmol/L NaCl和30 ℃孵育的優(yōu)化條件下，混合物的平均粒徑隨著Pb2+濃度從0.1～1.0 nmol/L線性降低，LOD為35.0 nmol/L。雖然基于DNA酶的傳感器顯示出良好的選擇性，但復(fù)雜的樣品制備過程和成本限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。Pb2+離子與谷胱甘肽羧酸根離子結(jié)合比其他重金屬離子強(qiáng)得多，Beqa等[57]基于此報道了一種谷胱甘肽修飾GNPs的DLS探針，在pH 8條件下，向溶液中加入不同質(zhì)量濃度的Pb2+會使Cys-GNPs發(fā)生不同程度的聚集，發(fā)現(xiàn)聚集體粒徑變化與Pb2+質(zhì)量濃度在50～25 000 ng/L呈良好的線性關(guān)系，LOD為100 ng/L，比EPA規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值高出2 個數(shù)量級。該方法快速（時間不到20 min）靈敏且特異性強(qiáng)，對塑料玩具、油漆和水樣等樣品進(jìn)行檢測均取得了不錯的效果。

GNPs與DLS檢測相結(jié)合是一種非常有前景的分析檢測技術(shù)，根據(jù)與分析物分子相互作用時GNPs的粒徑變化來檢測目標(biāo)分析物，不涉及復(fù)雜的分離步驟，靈敏度比其他許多現(xiàn)有技術(shù)好1～5 個數(shù)量級，廣泛用于金屬離子、核酸和蛋白質(zhì)的檢測。在今后的研究中，可嘗試將GNPs與其他納米材料（量子點、磁珠等）相結(jié)合進(jìn)行探索研究，進(jìn)一步放大檢測信號，實現(xiàn)被檢測物的超靈敏檢測。

2.3 GNPs的SERS檢測

拉曼散射是指一定頻率的光照射到物質(zhì)表面時，物質(zhì)中的分子吸收了部分能量，發(fā)生了不同方式和不同程度的振動，散射出較低頻率的光。通常，拉曼散射光強(qiáng)度很弱，僅為瑞利散射的千分之一。但研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉曼散射發(fā)生在粗糙金屬納米結(jié)構(gòu)的表面或近表面時，其表面吸附分子的散射光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，這種現(xiàn)象被稱為SERS。一般認(rèn)為，電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)共同影響著SERS。電磁增強(qiáng)源于金屬納米顆粒表面等離子體共振效應(yīng)，這使金屬納米顆粒表面電磁場強(qiáng)度顯著增加。在化學(xué)增強(qiáng)中，吸附在金屬納米顆粒表面上的分子與金屬納米顆粒發(fā)生特定的相互作用（電子耦合、電荷轉(zhuǎn)移等），導(dǎo)致產(chǎn)生新的振動激發(fā)態(tài)[58-59]。相對于正常的拉曼散射，SERS可將光信號強(qiáng)度增強(qiáng)104～1014倍。以納米金為基底的SERS檢測已被廣泛用于檢測有機(jī)污水中的重金屬離子。

Frost等[60]基于SERS采用檸檬酸鹽穩(wěn)定的GNPs檢測水中的Pb2+。由于金屬親和性質(zhì)，包裹在GNPs表面的檸檬酸根分子通過羧酸鹽基團(tuán)與Pb2+相互作用，SERS光譜顯示，加入Pb2+后，νas（COO—）帶和νs（COO—）帶的強(qiáng)度發(fā)生變化，ν（C—OH）帶的強(qiáng)度變化與Pb2+質(zhì)量濃度在50～1 000 ng/L間呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.998 2，LOD為25 ng/L。Tan Enzhong等[61]發(fā)現(xiàn)吸附在GNPs上的2-巰基異煙酸（2-mercaptoisonicotinic acid，2MNA）的SERS光譜對重金屬離子非常敏感，可用SERS光譜中的相對峰強(qiáng)度比直接定量檢測Hg2+和Pb2+。實驗發(fā)現(xiàn)在沒有掩蔽劑時，2MNA-GNPs傳感器對Hg2+具有高選擇性，SERS光譜中1 160 cm－1帶和1 230 cm－1帶的強(qiáng)度比1 160 cm－1/1 230 cm－1隨Hg2+濃度在1.0×10－7～1.0×10－6mol/L間呈良好的線性關(guān)系，LOD為3.4×10－8mol/L。用該方法對池水中的Hg2+進(jìn)行檢測，LOD為1.0×10－7mol/L。當(dāng)使用硫代硫酸鈉和L-半胱氨酸作為掩蔽劑時，2MNA-GNPs傳感器對Pb2+也具有高選擇性，用SERS光譜中815 cm－1/1 392 cm－1或861 cm－1/815 cm－1的帶強(qiáng)度比可實現(xiàn)Pb2+的濃度檢測，LOD均為1.0×10－7mol/L。Zeng Yi等[62]制備了聚腺嘌呤DNA和炔烴修飾的GNPs用于檢測Hg2+和Ag+，這種配體在與Hg2+和Ag+作用時會形成cysteine（C）-Ag+-C和thymidine（T）-Hg2+-T結(jié)構(gòu)，同時產(chǎn)生SERS信號，該方法已成功用于有機(jī)污水中Hg2+和Ag+的快速檢測。

作為一種快速無損檢測技術(shù)，SERS靈敏度高、特異性好、無需預(yù)處理，可直接用于現(xiàn)場檢測。SERS同時還克服了傳統(tǒng)熒光有機(jī)染料的光漂白和復(fù)雜樣品基底引起的猝滅等不利影響。此外，由于拉曼光譜的特征峰更窄，它還具有進(jìn)行多組分分析的潛力。SERS的這些優(yōu)勢使其在檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。未來，推動GNPs的SERS檢測應(yīng)致力于研究和開發(fā)應(yīng)用范圍更廣的復(fù)合柔性基底，確立可靠的檢測標(biāo)準(zhǔn)，為實現(xiàn)現(xiàn)場大規(guī)模檢測奠定基礎(chǔ)。

2.4 GNPs的SEF檢測

熒光檢測是醫(yī)學(xué)診斷和生物檢測中的主要傳感技術(shù)，但熒光檢測通常受基底量子產(chǎn)率、光穩(wěn)定性和樣品自發(fā)熒光的限制。將熒光與金屬納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合有望突破這些限制。SEF是指具有特殊構(gòu)型及形貌的金屬納米粒子能夠使其近表面熒光分子的熒光發(fā)射強(qiáng)度較之自由態(tài)熒光發(fā)射強(qiáng)度大大增加的現(xiàn)象。對SEF的解釋包括近場效應(yīng)和輻射特性的改變兩個部分[63-64]。由于激發(fā)光的誘導(dǎo)，金屬納米粒子附近局域電磁場得到增強(qiáng)，這使其附近熒光分子的光吸收截面大幅增加，激發(fā)效率大幅提高，表現(xiàn)為表面熒光的增強(qiáng)。同時，根據(jù)Jablonski能級圖，當(dāng)熒光分子附近存在距離適當(dāng)?shù)慕饘偌{米顆粒時，熒光分子的輻射特性改變，量子產(chǎn)率顯著增加，熒光壽命降低，綜合表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度的提高。SEF作為一種無損檢測技術(shù)，特異性高、靈敏度好、成本低，能夠提高熒光分子的光學(xué)穩(wěn)定性，同時克服了傳統(tǒng)熒光易發(fā)生光漂白、自猝滅現(xiàn)象等不利影響[65]，已有以GNPs為基底的SEF檢測牛奶中Hg2+的報道。

聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone，PVP）作為一種水溶性高分子化合物，常被用作納米金等膠體的穩(wěn)定劑。Dong Kailong等[66]合成了一種PVP-GNPs表面增強(qiáng)熒光Hg2+檢測傳感器，PVP酰胺基團(tuán)的熒光本身很弱，但與GNPs結(jié)合后，PVP-GNPs的熒光強(qiáng)度比PVP單獨存在時的熒光強(qiáng)度強(qiáng)得多。特異性分析顯示，合成后的PVP-GNPs對Hg2+的特異性顯著提高，引入Hg2+后，可以在幾秒鐘內(nèi)立即猝滅PVP-GNPs的熒光。當(dāng)將PVP-GNPs稀釋100 倍后，其熒光強(qiáng)度隨Hg2+濃度在0～60 mmol/L內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，LOD為100 nmol/L。作為一種新型傳感器，水溶性PVP-GNPs可在幾秒鐘內(nèi)對Hg2+實現(xiàn)有效響應(yīng)，在環(huán)境和健康監(jiān)測中具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。核殼納米粒子（core-shell nanoparticles，CSN）是一種等離子體納米結(jié)構(gòu)，由于其表面積的增加和LSPR波長在很寬范圍內(nèi)的可調(diào)諧性，與普通納米粒子相比具有更加優(yōu)異的光學(xué)和催化性能。Li Huanhuan等[67]采用晶種法，合成了一種基于羅丹明衍生物（Rhodamine derivatives，RhD）接枝的GNPs@Ag核殼納米立方體傳感器，傳感器顯示出對Hg2+的SEF和SERS雙重檢測能力。在優(yōu)化條件下加入RhD，CSN-RhD的SEF和SERS信號較CSN本身提高明顯，Hg2+的加入后，其與RhD的單電子對結(jié)合，RhD的螺內(nèi)酰胺環(huán)打開，進(jìn)一步增強(qiáng)了混合物的SEF和SERS信號。觀察到所得混合物的SEF和SERS信號分別與Hg2+質(zhì)量濃度在0.001～1 000 mg/L和0.01～1 000 mg/L呈良好的線性關(guān)系，LOD分別為0.94 μg/L和5.16 μg/L。該方法操作簡單、靈敏度高，且從添加Hg2+到獲得最終結(jié)果不超過3 min，不會受到RhD光漂白特性的影響。對摻有Hg2+牛奶樣品進(jìn)行檢測進(jìn)一步證實了傳感器對Hg2+的檢測效果。

目前，關(guān)于SEF增強(qiáng)機(jī)理的研究已經(jīng)取得了顯著成果，基于GNPs的SEF檢測已經(jīng)成功應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域，但在未來仍有許多問題值得深入研究：1）如何減少理論模擬計算值與實驗數(shù)據(jù)之間的誤差，建立普適性更為廣泛的增強(qiáng)光譜機(jī)理模型；2）在實驗方面，實現(xiàn)最優(yōu)光譜增強(qiáng)需要統(tǒng)籌考慮入射光頻率和金屬的固有頻率、熒光物種的發(fā)射波段三者之間的完美匹配；3）制備廉價高靈敏金屬增強(qiáng)基底的工藝優(yōu)化，這直接決定了熒光增強(qiáng)效果[68]。

2.5 GNPs標(biāo)試紙條檢測

近年來，金標(biāo)試紙條作為一種典型的快檢方法，已廣泛用于臨床醫(yī)學(xué)、食品安全及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。這種快檢方法在免疫檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用金標(biāo)抗體與抗原的特異性及納米金的示蹤放大效應(yīng)，實現(xiàn)對檢測物質(zhì)的定性或半定量測定。Liu Xi等[69]建立了一種重金屬鉻金標(biāo)試紙條檢測法，可用于檢測血清樣品中的鉻離子。Guo Zhiyong等[70]基于T-Hg2+-T配位化學(xué)及鏈霉親和素和生物素的相互作用開發(fā)出一種DNA功能化的GNPs標(biāo)試紙條用于檢測水樣中的Hg2+，檢出限低至3 nmol/L。蘇芳等[71]研制出一種快速檢測稻米中重金屬鎘的金標(biāo)試紙條，將完全抗原Cd-iEDTA-BSA作為T線，羊抗鼠二抗作為C線，包被于硝酸纖維素膜上，GNPs標(biāo)記的7E8G9單克隆抗體包被于金標(biāo)墊上，組裝成定性檢測金標(biāo)試紙條，將試紙條用于檢測稻米中的鎘含量，檢測限為0.2 mg/kg，檢測結(jié)果與GFAAS結(jié)果基本一致。這對提高我國食品的現(xiàn)場檢測水平具有非常重要的現(xiàn)實意義。

金標(biāo)試紙條快檢法快捷（1～2 min）、簡便、無需專業(yè)培訓(xùn)和笨重昂貴的檢測設(shè)備，實用性強(qiáng)。但其同時也存在重復(fù)率不高、會出現(xiàn)假陽性和假陰性、不能同時檢測多份樣品等局限。為解決這些問題，未來應(yīng)致力于：1）研究開發(fā)相應(yīng)軟件，進(jìn)行在線定量檢測，自動化記錄測定結(jié)果，減少人為因素帶來的假陰性和假陽性；2）實現(xiàn)多樣品同時檢測，通過使多種受體包被于同一張膜上或使多張膜合一，實現(xiàn)一次檢測得到多個結(jié)果，省時又節(jié)約成本[71]。

2.6 GNPs手性傳感檢測

近年來，手性無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展極大地促進(jìn)了納米科學(xué)中的手性研究，大量的人工手性納米結(jié)構(gòu)已經(jīng)合成并顯示出良好的光學(xué)活性。Gautier等[72]綜述了手性GNPs的制備及其手性特性，并對相關(guān)模型及潛在應(yīng)用進(jìn)行了討論。由于金屬納米材料誘導(dǎo)的手性協(xié)同相互作用和等離子體圓二色性的改變，手性分子和納米結(jié)構(gòu)的手性活性被大大放大。Govorov[73]引入了等離子體機(jī)制理論模型來描述由等離子體納米顆粒組成手性納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)活性。Xu Zhou等[74]基于此制備了兩種不同尺寸（10、25 nm）的GNPs，其末端涂覆有硫醇官能化的DNA，兩種DNA功能化的GNPs探針在與Ag+溶液混合時，Ag+通過（胞嘧啶-Ag+-胞嘧啶）驅(qū)動兩種GNPs探針組裝成異二聚體，這可以很容易地通過CD光譜檢測到。通過測量不同Ag+濃度下形成異二聚體的產(chǎn)率來統(tǒng)計分析525 nm波長處的CD強(qiáng)度與異二聚體形成之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)異二聚體的產(chǎn)率隨著Ag+濃度的增加而增加，線性范圍為0.005～10 nmol/L，LOD為2 pmol/L。Zhu Yingyue等[75]基于Hg2+誘導(dǎo)DNA修飾的金納米棒組裝成梯形超結(jié)構(gòu)，通過監(jiān)測金納米棒并排組裝形成手性納米探針的CD光譜變化，建立了一種高靈敏和高選擇性的Hg2+手性擴(kuò)增檢測方法。發(fā)現(xiàn)CD光譜強(qiáng)度與Hg2+濃度在0.05～10 ng/mL呈良好的線性關(guān)系，LOD為0.03 ng/mL。用該方法對自來水中的Hg2+進(jìn)行檢測取得了不錯的效果。

利用GNPs形成一些手性傳感器是目前研究的熱點和前沿，未來推動GNPs手性傳感研究應(yīng)致力于尋找合適的手性配體，開發(fā)環(huán)保型納米手性傳感器。依托現(xiàn)有模型加強(qiáng)納米粒子與手性配體相互作用的機(jī)理研究，進(jìn)一步挖掘和擴(kuò)展納米手性傳感器在重金屬和生物分子檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 結(jié) 語

GNPs生物相容性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、易于功能化。與傳統(tǒng)檢測重金屬離子的手段相比，無論是在靈敏度、選擇性，還是在便攜程度和檢測成本上優(yōu)勢都更明顯，但目前來看，基于GNPs檢測重金屬離子的理論研究居多，對實際樣品的檢測多見于檢測不同水體，其在食品重金屬離子檢測中的應(yīng)用還相對較少，未來推動GNPs在重金屬離子檢測中的應(yīng)用應(yīng)著眼于以下幾個方面：1）GNPs對重金屬離子的檢測仍面臨著在具體樣品（各類食品、制品、飲用水等）和具體環(huán)境（水體、生物體和其他環(huán)境）中的適用性問題，為實現(xiàn)對各類食品、復(fù)雜樣品和環(huán)境中重金屬離子的檢測，需對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行改進(jìn)并不斷研究開發(fā)新的功能化及改性策略，提高適用性；2）拓寬研究思路，將GNPs與電化學(xué)、生物學(xué)等其他學(xué)科相結(jié)合，開發(fā)新型復(fù)合重金屬離子檢測傳感器；3）將GNPs檢測技術(shù)與微流體、紙芯片等其他相關(guān)技術(shù)結(jié)合，開發(fā)檢測食品中重金屬離子的便攜式檢測產(chǎn)品，早日實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)及商品化應(yīng)用。