王海倩，楊 帆，楊 亮，于少明，蔣長(zhǎng)龍

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009;.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031)

伴隨世界經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的快速發(fā)展，世界環(huán)境問題日益突出，在臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品/藥物質(zhì)量控制以及社會(huì)安全篩查等方面，化學(xué)/生物傳感器的應(yīng)用越來越受到重視[1]。微型傳感器具有簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可操作性強(qiáng)、不需對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)。因此，與傳統(tǒng)分析儀器相比，微型傳感器更傾向于不借助額外手段的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)分析物直接可讀的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。其中，試紙傳感器具有重量輕、成本低、產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，成為解決當(dāng)下經(jīng)濟(jì)技術(shù)難題最有希望的候選產(chǎn)品[2]。

現(xiàn)代化學(xué)之父羅伯特·博伊爾在17世紀(jì)發(fā)明了第一種紙質(zhì)傳感器-石蕊試紙，利用酸堿指示劑對(duì)pH值測(cè)量。隨后，Martin和Synge在1943年發(fā)現(xiàn)了紙色譜法分離有色化學(xué)物質(zhì)，從而在1952年獲得諾貝爾獎(jiǎng)[3]。妊娠試紙于1968年由Margaret Crane發(fā)明，這是第一個(gè)通過橫向流動(dòng)檢測(cè)尿液判斷是否懷孕的試紙[4]。近年來，Whiteside和他的同事們將微流體通道與紙基傳感器結(jié)合起來，采用比色法、電化學(xué)法、化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行生物測(cè)定[5]。以上的每一項(xiàng)成果都代表著分析方法的大革命，但是基于紙張的分析方法到目前為止還沒有得到廣泛應(yīng)用。

本文介紹了本團(tuán)隊(duì)研究的一系列新型納米熒光紙質(zhì)傳感器及其在環(huán)境監(jiān)測(cè)、爆炸物篩選、食品安全和生物分析等不同領(lǐng)域的可視化分析應(yīng)用。首先簡(jiǎn)要介紹熒光納米材料的篩選和納米探針的原理。隨后，描述本團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同的檢測(cè)策略在試紙制備方面的創(chuàng)新，展現(xiàn)熒光試紙?jiān)诂F(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)爆炸物、農(nóng)藥殘留、重金屬、食品添加劑和生物分子等方面的檢測(cè)能力。最后，討論納米熒光紙質(zhì)傳感器當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和對(duì)未來的展望。

1 熒光功能納米材料的篩選及在檢測(cè)中的應(yīng)用

熒光納米材料的選取對(duì)樣品的檢測(cè)尤為重要。制備納米探針的納米材料應(yīng)具有高熒光亮度、寬激發(fā)范圍、可調(diào)諧發(fā)射、表面改性的柔韌性和高耐光漂白性能。在我們的研究中，最具有代表性的熒光納米材料主要包括：量子點(diǎn)、發(fā)光碳納米材料、氧化石墨烯及上轉(zhuǎn)換材料等[6]。

量子點(diǎn)的高量子產(chǎn)率、大消光系數(shù)、寬吸收、尺寸/合成可調(diào)發(fā)射和大斯托克斯位移使得量子點(diǎn)在化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注。發(fā)光碳納米材料具有低毒或者無毒、超強(qiáng)水溶性、表面修飾基團(tuán)的豐富性、耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿的化學(xué)惰性和環(huán)境友好等特征。氧化石墨烯有很大π-π共軛平面，承接了大量的酚羥基、環(huán)氧基和羧基，可經(jīng)由各種與含氧官能團(tuán)的反應(yīng)而改善本身性質(zhì)。

納米材料具有特殊的微觀尺寸，可展現(xiàn)出介觀、宏觀物質(zhì)所不具備的獨(dú)特物理化學(xué)性能[7]。目前，功能納米材料的應(yīng)用，主要通過不同敏感功能納米材料的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)新的器件，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)、快速、低成本和便攜式檢測(cè)。根據(jù)熒光納米材料特有的性質(zhì)，通過對(duì)納米材料的表面修飾、納米結(jié)構(gòu)的有序組裝，再利用納米材料與分析物之間特異的敏感機(jī)制，基于光、電、磁、熱、聲、力以及它們的組合，對(duì)待測(cè)污染物進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，建立可靠、實(shí)用的納米傳感分析方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)控污染物的目標(biāo)，構(gòu)建環(huán)境中污染物的快速檢測(cè)平臺(tái)。

2 熒光納米探針的設(shè)計(jì)及在檢測(cè)中的應(yīng)用

熒光納米探針以納米材料為載體，具有合成簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、檢測(cè)快速以及無需復(fù)雜前處理過程、靈敏度高等特點(diǎn)。伴隨著納米技術(shù)的迅速發(fā)展，各種各樣的組成、尺寸、大小、維度及形狀的納米材料被可控的修飾上不同的分子，用于發(fā)展特殊性質(zhì)的納米探針，并通過將納米探針的識(shí)別單元與待測(cè)物質(zhì)結(jié)合過程轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈱W(xué)、電化學(xué)、拉曼等信號(hào)變化來進(jìn)行檢測(cè)。由于對(duì)表面狀態(tài)的敏感性，納米熒光團(tuán)表面的許多化學(xué)修飾都能極大地影響其輻射重組效率，導(dǎo)致熒光活化(開啟)或熒光猝滅(關(guān)閉)。通常，這些變化僅僅是由于與分析物直接相互作用而引起的，用于敏感和選擇性的檢測(cè)。根據(jù)熒光反應(yīng)的不同，納米探針可以分為三種類型：“猝滅”、“打開”和“比率”。下面分別描述本課題組設(shè)計(jì)的三種類型納米探針。

2.1 “猝滅”型熒光納米探針的設(shè)計(jì)

典型的一個(gè)探針是用胺修飾錳摻雜的硫化鋅量子點(diǎn)，通過電荷轉(zhuǎn)移途徑獲得對(duì)微量三硝基甲苯(TNT)炸藥的“關(guān)閉”熒光響應(yīng)[8]。除了常用的表面結(jié)合方法外，分析物表面配體剝離法也可以實(shí)現(xiàn)納米熒光團(tuán)的熒光"關(guān)閉"。采用雙齒配體2-羥乙基二硫代氨基甲酸酯(HDTC)對(duì)CdSe-ZnS 量子點(diǎn)進(jìn)行修飾，在汞離子存在的情況下，表面HDTC配體從CdSe/ZnS 量子點(diǎn)表面剝離，與汞離子螯合，淬滅CdSe/ZnS 量子點(diǎn)的熒光。同時(shí)，隨著汞離子濃度的增加，除了熒光亮度的降低，橙色熒光也逐漸變?yōu)榧t色[9]。

2.2 “打開”型熒光納米探針的設(shè)計(jì)

對(duì)于熒光納米探針來說，溶劑、pH值、帶電分子等多種因素都可能導(dǎo)致熒光的減弱或猝滅，因此“猝滅”納米粒子通常表現(xiàn)出較差的選擇性和可靠性。張奎等通過表面配體置換策略演示了對(duì)毒死蜱等有機(jī)磷硫硫酸鹽農(nóng)藥的“開啟”熒光檢測(cè)[10]。雙硫腙與CdTe量子點(diǎn)表面配位形成復(fù)合物，可以通過雙硫腙-鎘復(fù)合物吸收峰與CdTe量子點(diǎn)的發(fā)射光譜重疊來關(guān)閉CdTe量子點(diǎn)的綠色發(fā)射。毒死蜱加入后，CdTe量子點(diǎn)表面的二硫代配體被毒死蜱的水解物所取代，CdTe量子點(diǎn)的綠色熒光即刻恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)毒死蜱進(jìn)行超靈敏、選擇性的檢測(cè)，檢測(cè)限低至0.1nM。此納米粒子對(duì)蘋果皮上5.5 ppb的有機(jī)磷硫酸鹽殘留可以產(chǎn)生熒光響應(yīng)。

2.3 “比率”型熒光納米探針的設(shè)計(jì)

熒光“關(guān)”或“開”納米探針采用單一響應(yīng)發(fā)射信號(hào)，容易受到探針濃度波動(dòng)和背景熒光等實(shí)驗(yàn)因素的干擾。比值熒光法則使用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)探針和響應(yīng)探針結(jié)合進(jìn)行更精確的測(cè)量，通過兩種發(fā)射強(qiáng)度比提供自參照確定分析物含量。本團(tuán)隊(duì)采用羧基修飾的紅色CdTe量子點(diǎn)和氨基修飾的藍(lán)色碳點(diǎn)作為雙發(fā)射組合，設(shè)計(jì)了一種雙發(fā)射的比率熒光探針，在340 nm波長(zhǎng)激發(fā)下分別發(fā)射出437 nm和654 nm的光。量子點(diǎn)紅色熒光能夠選擇性地被銅離子淬滅，而藍(lán)色熒光保持不變，在不同濃度Cu2+作用下從而顯示出由粉紅色到藍(lán)色的顏色演變，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)Cu2+的痕量可視化檢測(cè)[11]。

納米探針不僅實(shí)用而且應(yīng)用極為廣泛，不但用于污染物的檢測(cè)，還在精準(zhǔn)生物標(biāo)記以及高級(jí)防偽中都有潛在的應(yīng)用。面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)檢測(cè)的要求也大大增加，即時(shí)、快速、準(zhǔn)確成為檢測(cè)的主導(dǎo)方向。把納米探針準(zhǔn)確檢測(cè)與即時(shí)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，形成高效的檢測(cè)手段勢(shì)在必行。

3 可視化試紙?jiān)跈z測(cè)中的應(yīng)用

由于紙張背景影響低和所需樣品體積小，被視為一種很好的比色分析介質(zhì)。通常，試紙的制備是利用紙張的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，浸入納米粒子溶液中直接吸附納米粒子，然后進(jìn)行干燥。然而，納米粒子的上載量不能定量，且受溶液親和平衡的限制。在最近的研究中，我們使用了一種噴墨印刷的方法來制備高質(zhì)量的熒光試紙[12]。熒光墨水的納米探針溶液被注射到與計(jì)算機(jī)相連的噴墨打印機(jī)的空墨盒中(如圖1)。將熒光納米探針打印在一張紙上，反復(fù)多次，直到獲得理想的熒光強(qiáng)度。納米粒子在整張紙上足夠均勻的覆蓋，使得熒光亮度均勻度高，具有良好的視覺/比色效果，在定量分析中尤其有利。此外，還可以通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)納米粒子在紙張上的圖案設(shè)計(jì)。

圖1 噴墨打印制備可視化試紙

圖2 多色比率熒光試紙對(duì)自來水、湖水等實(shí)樣水中砷離子的檢測(cè)

通常情況下，人眼對(duì)顏色變化的敏感性遠(yuǎn)大于對(duì)亮度變化的敏感性，因此一個(gè)理想的定量可視化試紙應(yīng)該具有顏色響應(yīng)的能力。然而，獲得劑量敏感的寬范圍熒光顏色的連續(xù)演變一直是熒光比色試紙難以逾越的障礙。在該項(xiàng)研究中，我們利用敏感的碲化鎘紅色量子點(diǎn)作為檢測(cè)探針，青色碳點(diǎn)作為內(nèi)標(biāo)探針，通過非等比例的混合，有效避免了中間色的生成，獲得了“紅綠藍(lán)”三基色的比率熒光探針，使探針產(chǎn)生了從紅色到青色的寬顏色范圍變化。將探針混合溶液通過噴墨打印的方法印刷到濾紙上，制備出了一種高質(zhì)量的熒光比色試紙，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中砷離子的定性定量檢測(cè)。該試紙?jiān)诓煌瑒┝康纳殡x子存在下，呈現(xiàn)出寬且連續(xù)的熒光顏色變化(從最初的桃紅色逐漸變成粉紅色、橘黃色、卡其色、淡黃色、黃綠色，最終至青色)。即使低至5 ppb的As(III)溶液滴在試紙上也可以用肉眼清晰地辨別出其熒光顏色改變，低于世界健康組織規(guī)定的飲用水中10 ppb的As(III)檢測(cè)限，并驗(yàn)證了該試紙?jiān)诤?、自來水等?shí)樣的檢測(cè)中依然有效[13]。

在水體環(huán)境檢測(cè)中，微量氟離子的實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)仍然是環(huán)境保護(hù)與監(jiān)測(cè)的一大挑戰(zhàn)。本團(tuán)隊(duì)基于發(fā)光氧化石墨烯和銀納米粒子之間發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移的原理發(fā)展了一種新的對(duì)氟離子的檢測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上制備了高質(zhì)量的熒光試紙，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中痕量氟離子的敏感可視化檢測(cè)。這種可視化檢測(cè)對(duì)氟離子的檢測(cè)極限可以達(dá)到9.07pM，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水中痕量氟離子的即時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[14]。

圖3 發(fā)光氧化石墨烯試紙對(duì)氟離子的敏感可視化檢測(cè)

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

4 結(jié)論與展望

從篩選具有優(yōu)良傳感性能的功能納米材料到合成靈敏的熒光納米探針，再噴墨打印至試紙上，完成了便捷、快速、準(zhǔn)確、靈敏度高的可視化試紙的設(shè)計(jì)。熒光試紙的創(chuàng)造為在環(huán)境、醫(yī)藥、食品、疾病診斷及公共安全等領(lǐng)域中應(yīng)用提供了新的思路和方法。目前雖然已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但試紙結(jié)合功能性納米材料的應(yīng)用仍不夠廣泛，傳感器在精度、靈敏度和多路復(fù)用分析方面還存在一定的局限性。迄今為止，各種熒光傳感方法以提高靈敏度、選擇性和動(dòng)態(tài)工作為目標(biāo)已被廣泛研究。為擴(kuò)大熒光試紙?jiān)诳梢暬治鲋械膶?shí)際應(yīng)用，還需在熒光納米材料、傳感機(jī)制和微加工方法方面進(jìn)行更大的努力。

上述功能納米材料的制備及熒光傳感方法的發(fā)展突破了制約環(huán)境檢測(cè)的技術(shù)瓶頸，降低了檢測(cè)成本，使監(jiān)管從事后處理變?yōu)楝F(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)，為提高公共安全水平奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。未來還需針對(duì)生態(tài)環(huán)境中的痕量污染物，以發(fā)現(xiàn)新的敏感機(jī)制和方法為導(dǎo)向，尋找納米分子識(shí)別與敏感信號(hào)輸出的規(guī)律，構(gòu)建對(duì)環(huán)境中痕量污染物快速檢測(cè)的平臺(tái)。