張夏紅　周廷堯　陳曦

摘 要 新型光學(xué)材料研究是環(huán)境分析中重要的研究課題和發(fā)展方向。金屬納米簇（Metal NCs）一般由101～102個(gè)金屬原子構(gòu)成，近年來備受關(guān)注。由于其超小的粒徑、強(qiáng)熒光發(fā)射、低毒性、良好的穩(wěn)定性以及獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)，金屬納米簇已成為構(gòu)建熒光傳感平臺(tái)的新型納米材料。本文綜述了近年來金屬納米簇在環(huán)境分析中的應(yīng)用研究進(jìn)展，主要包括pH值、重金屬離子、無機(jī)陰離子和硝基苯類爆炸物等物質(zhì)的檢測情況。

關(guān)鍵詞 金屬納米簇； 環(huán)境分析； 熒光傳感； 評述

1 引 言

社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出。工業(yè)、農(nóng)業(yè)與日常生活中使用的化學(xué)品在生產(chǎn)和使用過程中進(jìn)入環(huán)境，其中大部分污染物會(huì)在環(huán)境中長期存在，并易于在食物鏈中富集，對生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅。因此，開展常規(guī)的污染指標(biāo)檢測顯得尤為重要。目前，污染指標(biāo)檢測的常見方法主要有原子吸收法、紫外可見分光光度法、離子色譜法、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法和熒光分析法[1]。熒光分析法因其檢測靈敏，探頭易小型化，信號(hào)易遠(yuǎn)距離傳輸，特別適用于現(xiàn)場分析，已成為重要的環(huán)境檢測手段之一[2]。光學(xué)材料或探針是熒光分析法的不可或缺的組成部分，光學(xué)探針的選擇是熒光分析法性能好壞的關(guān)鍵。在過去的幾十年內(nèi)，多種類型的光學(xué)探針被應(yīng)用于構(gòu)建熒光傳感平臺(tái)，主要包括有機(jī)染料[3]、共軛聚合物[4]、半導(dǎo)體量子點(diǎn)[5，6]、稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒[7，8]、碳量子點(diǎn)[9]和金屬納米簇（金屬納米簇）[10，11]等。金屬納米簇由于具有超小的粒徑、強(qiáng)熒光和優(yōu)異的光穩(wěn)定性，已經(jīng)成為構(gòu)建熒光傳感平臺(tái)的新型材料，是近年環(huán)境檢測應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

金屬納米簇一般由101～102個(gè)金屬原子構(gòu)成，粒徑接近導(dǎo)帶中電子的費(fèi)米波長，是較大金屬納米顆粒與單個(gè)金屬原子間的重要過渡[12]，如圖1所示。較大的金屬納米顆粒（>2 nm）的導(dǎo)帶為準(zhǔn)連續(xù)能級，在光激發(fā)下，導(dǎo)帶中的自由電子來回相干振蕩，產(chǎn)生等離子體共振效應(yīng)。隨著金屬納米顆粒粒徑減小，物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。當(dāng)粒徑減小到接近導(dǎo)帶電子的費(fèi)米波長時(shí)，準(zhǔn)連續(xù)的電子能級變得離散，形成類分子的分裂能級，此時(shí)等離子體共振效應(yīng)消失。由于獨(dú)特的分裂能級和量子尺寸效應(yīng)，金屬納米簇呈現(xiàn)出與較大金屬納米顆粒顯著不同的光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)熒光、優(yōu)異的光穩(wěn)定性以及良好的生物兼容性。目前，已報(bào)道具有熒光性質(zhì)的金屬納米簇包括Au NCs， Ag NCs， Cu NCs， Pt NCs，及其兩種金屬原子構(gòu)成的合金納米簇[13]。其中，Au NCs和Ag NCs因超小粒徑、強(qiáng)熒光和低毒性的特點(diǎn)備受關(guān)注。最近，Cu NCs與其它金屬納米簇的研究和應(yīng)用逐漸引起人們的研究興趣。

已有多篇文獻(xiàn)對金屬納米簇的性質(zhì)、合成方法和應(yīng)用進(jìn)行了評述[10，11，13～19]，但通常僅針對一種金屬納米簇，或?qū)ζ鋺?yīng)用介紹的較籠統(tǒng)，缺乏對金屬納米簇在環(huán)境分析應(yīng)用中的專題研究。本文將對金屬納米簇的熒光性質(zhì)和合成方法進(jìn)行簡要概括，對其在環(huán)境檢測方面的研究進(jìn)展進(jìn)行詳細(xì)介紹，并探討了今后金屬納米簇在環(huán)境檢測研究的發(fā)展方向。

2 金屬納米簇的熒光性質(zhì)

大塊金屬的發(fā)光極其微弱，發(fā)光效率不高，一般為10

，主要是由于超快的非輻射躍遷和準(zhǔn)連續(xù)的能級所致[20]。當(dāng)金屬粒徑逐漸減小到納米級，發(fā)光效率顯著增強(qiáng)。當(dāng)粒徑減小到接近導(dǎo)帶電子的費(fèi)米波長時(shí)，金屬納米顆粒被認(rèn)為是金屬納米簇，表現(xiàn)出強(qiáng)熒光性質(zhì)，比大塊金屬的發(fā)光效率高7～9個(gè)數(shù)量級。金屬納米簇的發(fā)光通常歸因于d能帶與sp能帶間或者HOMO-LUMO能隙間的輻射躍遷[17]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，金屬納米簇的熒光主要有兩種來源：（1）與固有的量子尺寸效應(yīng)相關(guān)的金屬核；（2）由金屬核與表面配體間相互作用控制的納米簇表面[21]。

金屬納米簇的熒光性質(zhì)與周圍的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，如金屬核的尺寸和組分、表面配體以及溶劑等。Dickson課題組[22]通過合成一系列由聚酰胺-胺型樹枝狀分子（PAMAM）穩(wěn)定的Au NCs（PAMAM-Au NCs）研究了金屬核的尺寸對熒光性質(zhì)的影響。研究表明，通過調(diào)節(jié)金屬核含有Au原子的個(gè)數(shù)，可獲得熒光發(fā)射從紫光到近紅外波長的Au NCs。Xie等[23]發(fā)現(xiàn)，Ag+可沉積在牛血清蛋白（BSA）穩(wěn)定的Au NCs（BSA-Au NCs）金屬核表面形成AuAg合金的金屬核，熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。Diez等[24]發(fā)現(xiàn)，聚甲基丙烯酸（PMAA）穩(wěn)定的Ag NCs（PMAA-Ag NCs）具有一定的溶劑效應(yīng)，通過改變?nèi)軇ㄋ?甲醇體系）的極性，發(fā)射峰移動(dòng)80 nm。隨后，其它配體穩(wěn)定的Ag NCs被報(bào)道也具有相似的溶劑極性可調(diào)節(jié)發(fā)射光譜的性質(zhì)，如DNA[25]、聚苯乙烯-PMAA嵌段共聚物[26]和聚乙烯亞胺（PEI）[27]。除上述金屬核的尺寸和組分、溶劑對金屬納米簇的熒光性質(zhì)有影響外，表面配體的給電子能力也是金屬納米簇量子產(chǎn)率的重要決定因素。不同配體穩(wěn)定的Au25 NCs為例，配體對其熒光性質(zhì)的影響非常明顯[28]。[Au25（SC6H13）18]

，[Au25（SC12H25）18]

和[Au25（SC2H4Ph）18]

的量子產(chǎn)率分別為2×10

，5×10

和1×10

。3種配體的給電子能力的順序?yàn)镃6H13

3 金屬納米簇的合成方法

由于金屬納米簇的粒徑非常小，一般小于2 nm，表面能非常大，易團(tuán)聚成不發(fā)光的大顆粒，因此，穩(wěn)定性好、強(qiáng)熒光金屬納米簇的制備是當(dāng)前相關(guān)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前已有多篇綜述對其合成方法進(jìn)行了較為全面的總結(jié)[11，13，17，19]，本文僅對其合成方法進(jìn)行簡要介紹。目前，依據(jù)使用的前驅(qū)體，金屬納米簇的制備方法大體可分為“自下而上”法和“自上而下”法[19]，如圖2所示。

3.1 “自下而上”法“自下而上”法通常以金屬離子為前驅(qū)體，在溶液中進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)條件獲得不同粒徑和性質(zhì)的金屬納米簇，如配體的類別、還原劑的種類、金屬鹽與配體的摩爾比、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度和pH值等。用于穩(wěn)定金屬納米簇的常見配體主要有PAMAM、聚合物、DNA、多肽、蛋白質(zhì)以及含巰基有機(jī)小分子[11]。常見的還原劑主要包括NaBH4、水合肼、抗壞血酸、四羥甲基氯化膦（THPC）以及具有一定還原性的配體。如Link等[29]以GSH為配體，利用NaBH4還原Au3+制得了量子產(chǎn)率為3.5%的Au NCs。為了避免使用毒性大、對環(huán)境和人體不友好的強(qiáng)還原劑NaBH4，Shang等[30]以D-青霉胺（DPA）為穩(wěn)定劑，利用溫和還原劑THPC，制備了發(fā)射強(qiáng)黃色熒光的Au NCs。除上述Brust-Schiffrin合成法外，新型合成方法為金屬納米簇的制備提供了多種選擇，如模板合成法、光還原法、超聲輔助合成法、微波輔助合成法、固相合成法、電化學(xué)合成法以及微乳液合成法等[17]。模板合成法被認(rèn)為是制備金屬納米簇的高效合成技術(shù)，模板分子可提供特定的構(gòu)型和空間，使獲得的金屬納米簇具有形態(tài)和尺寸可調(diào)性。如Xie等[31]首次利用商品化的BSA，既作為穩(wěn)定劑，又作為還原劑，合成了發(fā)射紅色熒光的Au NCs。在37℃和pH為12條件下，BSA將Au3+還原制得含有25個(gè)Au原子的Au NCs。BSA具有豐富的結(jié)合位點(diǎn)，可有效結(jié)合并還原Au3+，提供了優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)Au NCs形成的支架。光還原法是一種簡單而有效制備尺寸可控的金屬納米簇的方法。Shang等[32]提出利用商品化的PMAA為穩(wěn)定劑，UV光還原Ag+制備熒光Ag NCs的方法。該方法不僅操作過程簡單，而且獲得的Ag NCs的量子產(chǎn)率高達(dá)18.6%。由于UV光對環(huán)境和人體有危害性，Diez等[24]將可見光取代UV光，報(bào)道合成了強(qiáng)熒光的PMAA-Ag NCs。微波輻射可提供均勻快速的熱源，非常有利于均勻單分散金屬納米簇的合成，近幾年，微波輔助合成法在金屬納米簇的合成備受關(guān)注。Shang等[33]提出了利用此方法合成二氫硫辛酸穩(wěn)定的Au NCs的方法，發(fā)現(xiàn)利用微波輔助合成的Au NCs的量子產(chǎn)率增加了5倍，合成時(shí)間從數(shù)小時(shí)縮短到幾分鐘。Liu等[34]利用微波輻射一鍋法合成了發(fā)生紅色熒光的PMAA-Ag NCs，與直接加熱相比，制得的PMAA-Ag NCs的粒徑分布均一，量子產(chǎn)率大大提高，合成時(shí)間僅用70 s。

3.2 “自上而下”法

“自上而下”法主要是基于配體誘導(dǎo)刻蝕的尺寸聚焦法，以粒徑較大的納米顆?；騈Cs為前驅(qū)體，利用配體與金屬原子間強(qiáng)相互作用，過量的配體將金屬核刻蝕。已被用于尺寸聚集法合成金屬納米簇的配體主要有PEI、巰基丁二酸（MSA）、巰基十一烷酸（MUA）、巰基己醇、GSH和BSA等。 Duan等[35]建立了利用聚合物PEI誘導(dǎo)刻蝕制備強(qiáng)熒光的Au8 NCs的方法。首先合成粒徑為8 nm的十二胺穩(wěn)定的Au NPs，然后引入多超支化多價(jià)配位聚合物PEI進(jìn)行核刻蝕，制得PEI-Au8 NCs。 Muhammed等[36]利用過量GSH刻蝕MSA-Au NPs，獲得了熒光Au NCs。研究表明，刻蝕作用的產(chǎn)物與pH值相關(guān)，當(dāng)pH=3時(shí)，產(chǎn)生Au25 NCs；而pH=7～8，則生成Au8 NCs。該刻蝕過程可用兩種可能途徑進(jìn)行解釋。第一種刻蝕路徑為：過量GSH將Au原子從Au NPs表面剝離，形成Au （I）-GSH復(fù)合物，通過強(qiáng)親金作用形成發(fā)光的Au團(tuán)簇；另外一種刻蝕路徑為：GSH可能刻蝕Au NPs表面的Au原子，使得Au NPs的粒徑逐漸減小，形成發(fā)射熒光的Au團(tuán)簇。由于特定粒徑的金屬納米簇具有非常良好的穩(wěn)定性，尺寸聚焦法可能提供了一種選擇性制備單分散粒徑金屬納米簇的簡易合成方法。

圖2 金屬納米簇不同的制備方法[19]

Fig.2 Various routes for the synthesis of metal NCs[19]

4 金屬納米簇在環(huán)境分析中的應(yīng)用

近年來，由于具有超小尺寸、強(qiáng)熒光、良好的穩(wěn)定性以及獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)，金屬納米簇已成為構(gòu)建化學(xué)生物傳感平臺(tái)的新型熒光探針。尤其是，超小的粒徑和高反應(yīng)活性使金屬納米簇裝配的化學(xué)傳感器極大改善了分析物檢測的靈敏度和選擇性。本文將詳細(xì)介紹金屬納米簇在環(huán)境檢測方面的研究進(jìn)展。

4.1 pH值的檢測

基于金屬納米簇的pH傳感主要利用金屬納米簇本身對pH具有響應(yīng)的性質(zhì)。Qu等[37]利用PEI-Ag NCs作為pH敏感探針，報(bào)道了一種高靈敏的熒光和比色pH傳感器。該傳感器對pH波動(dòng)響應(yīng)非常迅速，隨著pH值升高，PEI-Ag NCs溶液逐漸由淡黃色變成無色，而相應(yīng)的熒光信號(hào)逐漸增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，在pH 5.02～7.96范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與pH值呈良好的線性響應(yīng)，其響應(yīng)的機(jī)理為：在酸性條件下，PEI的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，相互間斥力較小，NCs聚集導(dǎo)致熒光的猝滅。最近研究發(fā)現(xiàn)，Cu NCs和AuCu NCs是有效的、可逆的熒光pH指示材料[38～40]。其對pH值的響應(yīng)行為恰與Qu等[37]報(bào)道的相反，隨著pH值增大，熒光信號(hào)逐漸降低。如Wang等[38]利用水合肼為還原劑合成的BSA-Cu NCs，在pH 6.0～12.0范圍內(nèi)，隨著pH值升高，熒光強(qiáng)度逐漸降低。他們對pH值的響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)既不是殼層的降解，也不是配體不可逆的丟失而引起聚集造成的，可能是由于在不同pH條件下，配體BSA的構(gòu)象發(fā)生變化所致。

4.2 重金屬離子的檢測

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，多種行業(yè)的生產(chǎn)廢水含有大量的重金屬離子，排放到水體中引起水質(zhì)污染，重金屬離子能與蛋白質(zhì)、酶和核酸等多種細(xì)胞組分發(fā)生作用，導(dǎo)致它們的生物功能發(fā)生改變，會(huì)引起一系列疾病，對生態(tài)環(huán)境和人體健康危害性極大。美國環(huán)保署（EPA）規(guī)定：飲用水中Hg2+， Pb2+和Cu2+允許的最大濃度分別為10， 72 nmol/L和21 μmol/L。因此，快速檢測環(huán)境中重金屬離子濃度尤為重要。目前，許多研究小組先后利用金屬納米簇為敏感探針構(gòu)建了簡便的檢測重金屬離子的化學(xué)傳感平臺(tái)，包括Hg2+， Cu2+， Ag+， Cr3+， Cr6+， Fe3+及As3+等。

與其它重金屬離子相比，Hg2+傳感器的研究最多。目前，利用金屬納米簇為敏感探針的Hg2+傳感器主要是基于Hg2+對熒光猝滅的原理。Huang等[41]首次將MUA-Au NCs應(yīng)用于Hg2+傳感，Hg2+與表面配體的羧基發(fā)生作用，誘導(dǎo)Au NCs聚集而引起熒光的猝滅，檢出限為5.0 nmol/L。加入螯合劑2，6-吡啶二羧酸（PDCA）可排除Pb2+和Cd2+的干擾，增強(qiáng)了MUA-Au NCs對Hg2+檢測的選擇性。但MUA-Au NCs易受環(huán)境因素的干擾，在500 mmol/L NaCl條件下，其熒光強(qiáng)度降低55%，難以應(yīng)用于復(fù)雜的環(huán)境體系中。為了增強(qiáng)其在高離子強(qiáng)度下的穩(wěn)定性， Chen等[42]建立了在聚異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝膠中原位制備Au NCs的方法，如圖3所示。獲得的Au NCs-PNIPAM水凝膠具有與裸露的Au NCs相似的光學(xué)性質(zhì)。在500 mmol/L NaCl條件下，這種水凝膠中的Au NCs熒光強(qiáng)度僅增加了9%，說明具有良好的抗鹽度干擾性。在500 mmol/L NaCl存在和不存在的條件下，其對Hg2+的檢出限分別為1.9和1.7 nmol/L，并被成功應(yīng)用于魚類樣品中Hg2+的檢測。該課題組隨后發(fā)現(xiàn)這種水凝膠中的Au NCs具有良好的溫敏特性，將其設(shè)計(jì)成基于熒光強(qiáng)度變化的溫度傳感器[43]。另外一種檢測Hg2+的原理是基于金屬間強(qiáng)親和作用導(dǎo)致熒光猝滅。Xie等[23]首次利用此原理將BSA-Au NCs應(yīng)用于Hg2+的高選擇性和高靈敏度的檢測。發(fā)射紅色熒光的BSA-Au表面含有約17%的Au+，Hg2+通過Hg2+-Au+間獨(dú)特的金屬親和作用，幾秒鐘內(nèi)將BSA-Au NCs的熒光猝滅，檢出限為0.5 nmol/L。為進(jìn)一步增強(qiáng)對Hg2+檢測的靈敏度，Tseng等[44]報(bào)道了一種合成表面含有41% Au+的溶菌酶（Lys）穩(wěn)定Au NCs的制備方法?；谙嗤脑恚訪ys-Au NCs為敏感探針進(jìn)行水體中Hg2+和CH3Hg+的檢測，檢出限分別為3 pmol/L和4 nmol/L，并成功應(yīng)用于海水中Hg2+和CH3Hg+的檢測。Cai等[45]報(bào)道了一種在BSA/聚乙二醇（PEO）納米纖維薄膜中原位合成熒光Au NCs的方法，并應(yīng)用于Hg2+的檢測。在可見光激發(fā)下，被固定在BSA/PEO納米纖維內(nèi)部和表面的Au NCs發(fā)射出明亮的紅色熒光，當(dāng)加入Hg2+后，由于納米纖維相對巨大的比表面和Hg2+-Au+金屬間強(qiáng)親和作用，紅色熒光信號(hào)迅速被Hg2+猝滅。該方法的線性范圍為0.5～75 nmol/L，檢出限為57 pmol/L。最近，Wu等[46]將合成獲得的D-Au NCs/石墨烯（GO）復(fù)合物作為Hg2+的新型熒光探針，大大增強(qiáng)了其檢測靈敏度和速度。他們首先將氨基通過化學(xué)鍵鏈的方式修飾在GO片層上，形成帶正電的GO片層，然后將Lys-Au NCs與BSA-Au NCs混合形成帶負(fù)電的D-Au NCs，最后D-Au NCs與帶正電的GO混合制得D-Au NCs/石墨烯（GO）復(fù)合物?；谠搹?fù)合物的熒光探針對Hg2+的檢測具有超快的響應(yīng)速度和超高的靈敏度，其響應(yīng)速度是單一BSA-Au NCs響應(yīng)速度的9倍以上，線性范圍為0.5 pmol/L～10 μmol/L，檢出限為0.18 pmol/L，該方法被成功應(yīng)用于河水、湖水和雨水等實(shí)際水樣的Hg2+檢測。除了Au NCs外，基于熒光猝滅的原理，也出現(xiàn)了Ag NCs和Cu NCs進(jìn)行Hg2+檢測的研究報(bào)道[47～50]。基于Ag+-Hg2+金屬親和作用導(dǎo)致熒光猝滅的原理，Guo等[47]提出dBSA-Ag NCs可裝配成檢測Hg2+的化學(xué)傳感器，檢出限為10 nmol/L。最近，Wang等[51]利用碳納米管和DNA-Ag NCs制備了新型熒光增強(qiáng)型Hg2+傳感器。如圖4所示，以富含胸腺嘧啶（T）DNA單鏈穩(wěn)定的Ag NCs為信號(hào)報(bào)告單元，以碳納米管為猝滅劑，利用T-Hg2+-T特殊的相互作用和碳納米管對DNA單鏈和雙鏈作用力的不同，構(gòu)建了對Hg2+檢測的熒光增強(qiáng)型傳感器，通過核酸外切酶（Exo III）將信號(hào)循環(huán)放大，使得檢測靈敏度大大提高，檢出限為33 pmol/L，并將此傳感方法應(yīng)用于河水、湖水等實(shí)際水樣的分析。

Cu2+是重要的環(huán)境污染物，同時(shí)也是人體的必需微量元素。目前，利用金屬納米簇作為Cu2+敏感探針多基于熒光猝滅原理。Shang等[52]發(fā)現(xiàn)，Cu2+能與配體PMAA上的羧基發(fā)生配位作用，進(jìn)而導(dǎo)致PMAA-Ag NCs熒光猝滅?；诖嗽?，他們提出了一種簡單靈敏檢測Cu2+的方法，檢出限為8 nmol/L。Chen等[53]基于聚集導(dǎo)致熒光猝滅的原理，將GSH-Au NCs應(yīng)用于Cu2+的高靈敏度和高選擇性的檢測，檢出限為3.6 nmol/L。最近，基于Cu2+與穩(wěn)定劑間配位作用而導(dǎo)致熒光猝滅的原理，賴氨酸穩(wěn)定的Au NCs和甲硫氨酸穩(wěn)定的Au NCs分別成功用于水體和土壤中Cu2+的檢測[54，55]。Yuan等[56]合成了一種對Cu2+響應(yīng)靈敏的PEI-Ag NCs。Cu2+可與表面配體PEI形成銅氨絡(luò)合物，與PEI-Ag NCs間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光猝滅。由于獲得的PEI-Ag NCs在復(fù)雜環(huán)境中仍保持良好的穩(wěn)定性，他們將PEI-Ag NCs包埋在瓊脂糖水凝膠中，構(gòu)建了一種對環(huán)境友好、可重復(fù)使用的Cu2+可視化方法，并應(yīng)用于河水、湖水、自來水和溫泉等實(shí)際水體中Cu2+的檢測，取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。為了避免猝滅性的傳感器受環(huán)境因素的干擾，產(chǎn)生“假陽性”信號(hào)，Lan等[57]利用DNA-Ag NCs構(gòu)建了一種熒光增強(qiáng)型的Cu2+傳感器。熒光信號(hào)的增強(qiáng)主要源于加入的Cu2+會(huì)形成結(jié)構(gòu)更縝密的DNA-Cu/Ag NCs。該傳感器對Cu2+的檢出限為8 nmol/L，并應(yīng)用于土壤和池塘水體的Cu2+檢測。隨后，該課題組利用DNA-Cu/Ag NC設(shè)計(jì)出另外一種熒光增強(qiáng)型的Cu2+傳感器[58]。首先，加入巰基丙酸將DNA-Cu/Ag NC的熒光猝滅，再加入Cu2+氧化巰基丙酸使DNA-Cu/Ag NC的熒光信號(hào)得到恢復(fù)，檢出限為2.7 nmol/L。

目前，Ag+傳感器主要利用熒光Au NCs。Sun等[59]利用THPC和MUA為還原劑和穩(wěn)定劑，報(bào)道了一種一鍋合成發(fā)射綠色熒光Au NCs的方法，研究發(fā)現(xiàn)，除了Hg2+需要加入乙二胺四乙酸鈉（EDTA）掩蔽外，獲得的Au NCs對Ag+的檢測具有高靈敏度和高選擇性，檢出限為9 nmol/L，并應(yīng)用于湖水樣品的Ag+檢測。Wu等[60]利用GSH-Au25 NCs檢測Ag+含量，Ag+通過沉積在NCs金屬核表面， Au NCs熒光信號(hào)大大增強(qiáng)。該方法對Ag+的檢測具有良好的選擇性，檢出限為200 nmol/L，低于EPA允許的飲用水中Ag+最高濃度（460 nmol/L）。Li等[61]以BSA-Au16 NCs為例，詳細(xì)研究了Ag+對Au NCs熒光增強(qiáng)的傳感原理。借助于熒光光譜、MALDI-TOF質(zhì)譜和電子能譜等技術(shù)手段，BSA-Au16 NCs作為還原劑，將Ag+還原為Ag0，形成Au@Ag NCs。該機(jī)理的發(fā)現(xiàn)為Au@Ag NCs的合成提供了一種簡便、溫和的制備方法。

利用金屬納米簇對其它金屬離子的檢測也多有報(bào)道?；跓晒忖缭?，Yuan[62]與Goswami等[63]分別利用GSH-Au NCs和BSA-Au NCs，實(shí)現(xiàn)了對Pb2+的檢測。Ho等[64]發(fā)現(xiàn)，合成的L-3，4-二羥基苯基丙氨酸甲酯鹽酸穩(wěn)定的Au NCs對Fe3+具有較好的響應(yīng)，基于團(tuán)聚導(dǎo)致熒光猝滅的原理構(gòu)建了簡單靈敏的Fe3+熒光傳感方法。Liu等[34]利用微波輔助的方法合成了發(fā)射紅色熒光的PMAA-Ag NCs，并發(fā)現(xiàn)其熒光能被Cr3+特異性的猝滅，檢出限為28 nmol/L。最近，Zhang等[65]基于目標(biāo)物誘導(dǎo)GSH-Au NCs熒光猝滅的原理，報(bào)道了一種新穎的選擇性測定水體中Cr3+和Cr的方法，測定Cr3+和Cr的檢出限分別為2.5和0.5 μg/L。Roy等[66]利用二肽穩(wěn)定的Au NCs報(bào)道一種熒光信號(hào)增強(qiáng)的檢測As3+的熒光傳感器。研究發(fā)現(xiàn)，As3+能增強(qiáng)Au NCs熒光的原因是帶正電荷的As3+與帶負(fù)電的Au NCs發(fā)生作用，電子從富含電子的Au NCs體系流向缺電子的As3+，導(dǎo)致Au NCs輻射躍遷的速率加快。該傳感器對As3+的檢出限為53.7 nmol/L，低于EPA允許的飲用水中As3+最高濃度（133 nmol/L）。

4.3 無機(jī)陰離子的檢測

CN

是一種劇毒物質(zhì)，因?yàn)樗芤种凭€粒體中細(xì)胞色素C氧化酶的活性而妨礙細(xì)胞的呼吸。目前，用于檢測CN

的金屬納米簇主要為Au NCs，檢測原理是在氧氣存在的條件下，CN

可將Au原子轉(zhuǎn)化成水溶性的Au（CN）

，導(dǎo)致Au NCs熒光猝滅?；诖嗽?，Liu等[67]首次將BSA-Au NCs應(yīng)用于CN

檢測。在該研究中，BSA-Au NCs溶液呈深棕色，在UV燈下發(fā)射紅色熒光。當(dāng)加入CN

后，溶液的顏色逐漸變成無色，熒光信號(hào)也逐漸消失。該方法具有良好的選擇性和靈敏度，檢出限為200 nmol/L，遠(yuǎn)低于世界衛(wèi)生組織允許飲用水中CN

最高濃度（2.7 μmol/L）?；谙嗨频脑恚琇ys-Au NCs也被應(yīng)用于CN

高選擇性的檢測，檢出限為190 nmol/L [68]。由于CN

刻蝕的速度較慢，且需要較高的CN

濃度，因此，靈敏度和響應(yīng)速度受到一定的限制。最近，Zong等[69]報(bào)道了一種在聚合物多孔膜原位合成Au NCs的方法，可應(yīng)用于CN

的裸眼檢測，如圖5所示。聚合物膜的多孔結(jié)構(gòu)被認(rèn)為可增強(qiáng)它們的相互作用，促進(jìn)目標(biāo)物的擴(kuò)散，進(jìn)而增強(qiáng)CN

檢測的靈敏度和響應(yīng)速度。在檢測過程中，濕潤的多孔膜可方便即時(shí)地捕獲和濃縮揮發(fā)出的CN

，達(dá)到信號(hào)放大的作用。另外，藍(lán)色熒光的聚丙烯腈（PAN）可作為內(nèi)參比信號(hào)，得到可靠的比色測定結(jié)果，并將該檢測體系應(yīng)用于紅葡萄酒、果汁和咖啡等實(shí)際樣品中的CN

的測定以及木薯加工中CN

釋放的實(shí)時(shí)檢測。

圖5 在封閉的體系中多孔膜測定CN

的示意圖[69]

Fig.5 Scheme illustration of the porous film toward CN

detection in the chosen systems [69]

S2

是一種常見的環(huán)境污染物，也是一種重要的氣體信號(hào)發(fā)射器。與CN

的毒性相似，S2

與線粒體細(xì)胞色素氧化酶中的鐵發(fā)生螯合作用，抑制細(xì)胞的呼吸作用?；赟2

與Au或Ag原子強(qiáng)相互作用，Chen等[70]成功地將DNA-AuAg NCs用于溫泉和海水中S2

的測定。研究發(fā)現(xiàn)，S2

猝滅熒光信號(hào)是由于S2

與Au或Ag原子強(qiáng)作用導(dǎo)致配體DNA發(fā)生構(gòu)型變化?；谙嗨频脑恚珺SA-Au NCs也被應(yīng)用于河流樣品中S2

的高選擇性和高靈敏度檢測，檢出限為29 nmol/L[71]?；赟2

誘導(dǎo)熒光猝滅的特性，本課題組[72]利用GSH-Ag NCs構(gòu)建了一種S2

熒光傳感器，并探討了檢測機(jī)理。隨著S2

濃度增加， GSH-Ag NCs溶液顏色逐漸變成黃色，說明產(chǎn)生了Ag2S或大顆粒Ag NPs，同時(shí)紫外可見吸收光譜中出現(xiàn)一個(gè)寬吸收帶的，而沒有出現(xiàn)Ag NPs的表面等離子體共振吸收峰，證明加入S2

后形成了Ag2S。基于I

與Au原子間強(qiáng)結(jié)合能力，Wang等[73]報(bào)道了一種基于GSH-Au NCs的I

傳感方法。

NO

雖然在自然界中處于痕量，但在廢水中含量很高。在酸性條件下，它能與二級胺反應(yīng)生成致癌的亞硝胺。基于NO

導(dǎo)致熒光的猝滅，BSA-Au NCs被成功地應(yīng)用于自來水、井水以及溫泉等實(shí)際水樣中NO

2的靈敏檢測，檢出限為1 nmol/L [74]。其猝滅的原因是由于NO

與配體BSA發(fā)生作用導(dǎo)致BSA-Au NCs聚集所致。隨后，Unnikrishnan 等[75]通過一系列表征手段對NO

導(dǎo)致BSA-Au NCs熒光猝滅的原因進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)加入NO

后，BSA-Au NCs中的Au 4f7/2電子結(jié)合能變大，說明NO

的加入會(huì)導(dǎo)致BSA-Au NCs中Au原子氧化態(tài)增高。最近，Xu等[76]利用帶正電的GO與BSA-Au NCs間靜電和氫鍵作用，合成了一種發(fā)射雙波長的納米復(fù)合材料。BSA-Au NCs的紅色熒光信號(hào)對NO

具有特異性響應(yīng)，而GO的藍(lán)色熒光信號(hào)保持恒定，導(dǎo)致熒光信號(hào)顏色從紅色到藍(lán)色的演變。基于此現(xiàn)象，作者構(gòu)建了一種熒光比率檢測NO

傳感器，檢出限為46 nmol/L。

4.4 硝基苯類爆炸物的檢測

硝基苯類爆炸物是一類對安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅的化學(xué)物質(zhì)，尤其是2，4，6-三硝基甲苯（TNT），常用于恐怖襲擊、軍事生產(chǎn)和工業(yè)爆破。同時(shí)，硝基苯類爆炸物也是一類高毒性致癌物，對環(huán)境和人體構(gòu)成嚴(yán)重危害。快速檢測硝基苯類爆炸物對維持社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定顯得尤為重要。Mathew等[77]報(bào)道了一種雙熒光發(fā)射、超靈敏測定TNT的探針。如圖6所示，該熒光探針首先制備鍵合異硫氰根熒光素（FITC）的Au納米花，然后將BSA-Ag NCs修飾在Au納米花表面。

發(fā)射紅色熒光的BSA-Ag NCs作為TNT的敏感探針，發(fā)射綠色熒光的FITC作為TNT測定的參比熒光團(tuán)，當(dāng)該探針暴露于10 mg/m3 TNT時(shí)，由于邁森海默爾配合物的生成，Ag NCs的紅色熒光信號(hào)被迅速完全猝滅，而FITC的綠色熒光信號(hào)仍能保持一定的強(qiáng)度。該探針提供了一種高選擇性、超痕量可視化測定TNT的檢測方法。Yang等[78]利用BSA-Au NCs報(bào)道了一種同時(shí)測定TNT和4-硝基酚的熒光分析方法，并將其制成試紙， 仍保持對TNT和4-硝基酚蒸氣的高靈敏度和選擇性檢測，檢出限分別為10 和1 pmol/L。隨后，借助于簡單便捷的靜電紡絲法，Senthamizhan等[79]將BSA-Au NCs與聚乙二醇納米纖維結(jié)合，制備了一種超快、實(shí)時(shí)、可視化檢測TNT的納米纖維膜。當(dāng)加入TNT后，顏色產(chǎn)生明顯變化。這種優(yōu)異性質(zhì)主要?dú)w因于納米纖維膜超大的比表面積和對TNT強(qiáng)吸附能力。

5 結(jié)論與展望

由于獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，金屬納米簇近年來在眾多領(lǐng)域備受人們的廣泛關(guān)注。金屬納米簇具有超小的尺寸、強(qiáng)熒光發(fā)射和低毒性的特點(diǎn)，使其成為構(gòu)建化學(xué)生物傳感平臺(tái)的新型熒光探針。本文介紹了金屬納米簇的熒光性質(zhì)和合成方法，著重總結(jié)了近年來其在環(huán)境檢測方面的研究進(jìn)展情況，包括pH值、重金屬離子、無機(jī)陰離子和硝基苯類爆炸物等物質(zhì)的檢測。獨(dú)特的核殼結(jié)構(gòu)增加了基于NCs的傳感器檢測目標(biāo)物的多樣性，金屬納米簇的金屬內(nèi)核和表面配體為目標(biāo)物的檢測提供了豐富的作用位點(diǎn)，在環(huán)境分析中具有廣闊的應(yīng)用前景。金屬納米簇與其它基質(zhì)材料進(jìn)行組裝制得了復(fù)合材料，不僅保持了金屬納米簇原有的優(yōu)異性質(zhì)，而且具有新的特性，如復(fù)合材料可增強(qiáng)金屬納米簇的穩(wěn)定性，增強(qiáng)對目標(biāo)物的響應(yīng)速度等。金屬納米簇與特定基質(zhì)材料組裝復(fù)合材料的研究將是金屬納米簇在環(huán)境分析方面的重要發(fā)展方向。

盡管金屬納米簇在環(huán)境分析應(yīng)用方面有了一些進(jìn)展，但其進(jìn)一步發(fā)展面臨著一些挑戰(zhàn)。目前，面臨最大的瓶頸問題是缺少一種通用而有效的方法，應(yīng)用于合成不同類型的熒光金屬納米簇?，F(xiàn)有的合成方法僅局限于很少種類的金屬納米簇的合成，基于配體誘導(dǎo)刻蝕的尺寸聚焦法的深入研究將是解決該問題重要的突破口。與常見的有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，已報(bào)道的金屬納米簇量子產(chǎn)率較低（<10%），這將限制其在環(huán)境分析中的靈敏度。環(huán)境樣品中的成分比較復(fù)雜，金屬納米簇的熒光信號(hào)易受其它物質(zhì)的干擾，導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。另外，金屬納米簇檢測目標(biāo)物的機(jī)理需要進(jìn)一步研究，如Hg2+-Au+間金屬親和作用導(dǎo)致熒光猝滅而Ag+沉積作用導(dǎo)致熒光的增強(qiáng)，深入研究其響應(yīng)機(jī)理對改善傳感器的性能至關(guān)重要。這些挑戰(zhàn)不僅需要進(jìn)一步改進(jìn)合成方法，更需要?jiǎng)?chuàng)新合成方法以及其他學(xué)科的融入。堅(jiān)信金屬納米簇將為環(huán)境檢測提供新的分析方法，為解決當(dāng)前環(huán)境污染問題開拓新的途徑。

References

1 Editors Committee of Environmental Protection Agency. Water and Wastewater Monitoring Analysis Method， Beijing： Environmental Sciencs Press， 2002： 132-369

國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會(huì). 水和廢水監(jiān)測分析方法， 北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2002： 132-369

2 Lakowicz J R. Principles of Fluorescence Spectroscopy， New York： Springer Press， 2007： 623-673

3 Du J J， Hu M M， Fan J L， Peng X J. Chem. Soc. Rev.， 2012， 41（12）： 4511-4535

4 Wu C， Chiu D T. Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（11）： 3086-3109

5 Li J， Zhu J J. Analyst， 2013， 138（9）： 2506-2515

6 Kuang H， Zhao Y， Ma W， Xu L， Wang L， Xu C. TrAC-Trend. Anal. Chem.， 2011， 30： 1620-1636

7 Chen G， Qiu H， Prasad P N， Chen X. Chem. Rev.， 2014， 114（10）： 5161-5214

8 Wang G F， Peng Q， Li Y D. Accounts Chem. Res.， 2011， 44（5）： 322-332

9 Baker S N， Baker G A. Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49（38）： 6726-6744

10 Yuan X， Luo Z， Yu Y， Yao Q， Xie J. Chem.-Asian J.， 2013， 8（5）： 858-871

11 Nienhaus G U， Shang L， Dong S J. Nano Today， 2011， 6（4）： 401-418

12 Jin R C. Nanoscale， 2010， 2（3）： 343-362

13 Zhang L， Wang E. Nano Today， 2014， 9（1）： 132-157

14 Xu H X， Suslick K S. Adv. Mater.， 2010， 22（10）： 1078-1082

15 Qian H， Zhu M， Wu Z， Jin R. Accounts. Chem. Res.， 2012， 45（9）： 1470-1479

16 Choi S， Dickson R M， Yu J. Chem. Soc. Rev.， 2012， 41（5）： 1867-1891

17 Lu Y， Chen W. Chem. Soc. Rev.， 2012， 41（9）： 3594-3623

18 Diez I， Ras R H A. Nanoscale， 2011， 3（5）： 1963-1970

19 Mathew A， Pradeep T. Part. Part. Syst. Charact.， 2014， 31（10）： 1017-1053

20 Mooradian A. Phys. Rev. Lett.， 1969， 22（5）： 185-187

21 Yau S H， Varnavski O， Gilbertson J D， Chandler B， Ramakrishna G， Goodson T. J. Phys. Chem. C， 2010， 114（38）： 15979-15985

22 Zheng J， Zhang C， Dickson R M. Phys. Rev. Lett.， 2004， 93（7）： 077402

23 Xie J， Zheng Y， Ying J Y. Chem. Commun.， 2010， 46（6）： 961-963

24 Diez I， Pusa M， Kulmala S， Jiang H， Walther A， Goldmann A S， Muller A H E， Ikkala O， Ras R H A. Angew. Chem. Int. Ed.， 2009， 48（12）： 2122-2125

25 Patel S A， Cozzuol M， Hales J M， Richards C I， Sartin M， Hsiang J-C， Vosch T， Perry J W， Dickson R M. J. Phys. Chem. C， 2009， 113（47）： 20264-20270

26 Diez I， Kanyuk M I， Demchenko A P， Walther A， Jiang H， Ikkala O， Ras R H A. Nanoscale， 2012， 4（15）： 4434-4437

27 Qu F， Dou L L， Li N B， Luo H Q. J. Mater. Chem. C， 2013， 1（25）： 4008-4013

28 Jin R C， Wu Z K. Nano Lett.， 2010， 10（7）： 2568-2573

29 Link S， Beeby A， Fitzgerald S， El-Sayed M A， Schaaff T G， Whetten R L. J. Phys. Chem. B， 2002， 106（13）： 3410-3415

30 Shang L， Drlich R M， Brandholt S， Schneider R， Trouillet V， Bruns M， Gerthsen D， Nienhaus G U. Nanoscale， 2011， 3（5）： 2009-2014

31 Xie J P， Zheng Y G， Ying J Y. J. Am. Chem. Soc.， 2009， 131（3）： 888-889

32 Shang L， Dong S J. Chem. Commun.， 2008， 9： 1088-1090

33 Shang L， Yang L， Stockmar F， Popescu R， Trouillet V， Bruns M， Gerthsen D， Nienhaus G U. Nanoscale， 2012， 4（14）： 4155-4160

34 Liu S， Lu F， Zhu J J. Chem. Commun.， 2011， 47（9）： 2661-2663

35 Duan H， Nie S. J. Am. Chem. Soc.， 2007， 129（9）： 2412-2413

36 Muhammed M A H， Ramesh S， Sinha S S， Pal S K， Pradeep T. Nano Res.， 2008， 1（4）： 333-340

37 Qu F， Li N B， Luo H Q. Langmuir， 2013， 29（4）： 1199-1205

38 Wang C， Wang C， Xu L， Cheng H， Lin Q， Zhang C. Nanoscale， 2014， 6（3）： 1775-1781

39 Chen P C， Ma J Y， Chen L Y， Lin G L， Shih C C， Lin T Y， Chang H T. Nanoscale， 2014， 6（7）： 3503-3507

40 Wang W， Leng F， Zhan L， Chang Y， Yang X X， Lan J， Huang C Z. Analyst， 2014， 139（12）： 2990-2993

41 Huang C C， Yang Z， Lee K H， Chang H T. Angew. Chem. Int. Ed.， 2007， 46（36）： 6824-6828

42 Chen L Y， Ou C M， Chen W Y， Huang C C， Chang H T. ACS Appl. Mater. Inter.， 2013， 5（10）： 4383-4388

43 Wang Y Q， Zhang Y Y， Wu X G， He X W， Li W Y. Mater. Lett.， 2015， 143： 326-329

44 Tseng W L， Lin Y H. Anal .Chem.， 2010， 82（22）： 9194-9200

45 Cai Y， Yan L， Liu G， Yuan H， Xiao D. Biosens. Bioelectron.， 2013， 41： 875-879

46 Wu X， Li R， Li Z， Liu J， Wang G， Gu Z. RSC Adv.， 2014， 4（48）： 24978-24985

47 Guo C L， Irudayaraj J. Anal. Chem.， 2011， 83（8）： 2883-2889

48 Adhikari B， Banerjee A. Chem. Mater.， 2010， 22（15）： 4364-4371

49 Zhou T， Huang Y， Li W， Cai Z， Luo F， Yang C J， Chen X. Nanoscale， 2012， 4（17）： 5312-5315

50 Yang X， Feng Y， Zhu S， Luo Y， Zhuo Y， Dou Y. Anal. Chim. Acta， 2014， 847： 49-54

51 Wang G， Xu G， Zhu Y， Zhang X. Chem. Commun.， 2014， 50（6）： 747-750

52 Shang L， Dong S. J. Mater. Chem.， 2008， 18（39）： 4636-4640

53 Chen W B， Tu X J， Guo X Q. Chem. Commun.， 2009， （13）： 1736-1738

54 Xu Y， Yang X， Zhu S， Dou Y. Colloid Surface A， 2014， 450： 115-120

55 Deng H H， Zhang L N， He S B， Liu A L， Li G W， Lin X H， Xia X H， Chen W. Biosens. Bioelectron.， 2015， 65： 397-403

56 Yuan Z， Cai N， Du Y， He Y， Yeung E S. Anal. Chem.， 2014， 86（1）： 419-426

57 Lan G Y， Huang C C， Chang H T. Chem. Commun.， 2010， 46（8）： 1257-1259

58 Su Y T， Lan G Y， Chen W Y， Chang H T. Anal. Chem.， 2010， 82（20）： 8566-8572

59 Sun J， Yue Y， Wang P， He H， Jin Y. J. Mater. Chem. C， 2013， 1（5）： 908-913

60 Wu Z， Wang M， Yang J， Zheng X， Cai W， Meng G， Qian H， Wang H， Jin R. Small， 2012， 8（13）： 2028-2035

61 Li H W， Yue Y， Liu T Y， Li D， Wu Y. J. Phys. Chem. C， 2013， 117（31）： 16159-16165

62 Yuan Z， Peng M， He Y， Yeung E S. Chem. Commun.， 2011， 47（43）： 11981-11983

63 Goswami N， Giri A， Bootharaju M S， Xavier P L， Pradeep T， Pal S K. Anal. Chem.， 2011， 83（24）： 9676-9680

64 Ho J A， Chang H C， Su W T. Anal. Chem.， 2012， 84（7）： 3246-3253

65 Zhang H， Liu Q， Wang T， Yun Z， Li G， Liu J， Jiang G. Anal. Chim. Acta， 2013， 770： 140-146

66 Roy S， Palui G， Banerjee A. Nanoscale， 2012， 4（8）： 2734-2740

67 Liu Y L， Ai K L， Cheng X L， Huo L H， Lu L H. Adv. Funct. Mater.， 2010， 20（6）： 951-956

68 Lu D， Liu L， Li F， Shuang S， Li Y， Choi M M F， Dong C. Spectrochim. Acta Part A， 2014， 121： 77-80

69 Zong C， Zheng L R， He W， Ren X， Jiang C， Lu L. Anal. Chem.， 2014， 86（3）： 1687-1692

70 Chen W Y， Lan G Y， Chang H T. Anal. Chem.， 2011， 83（24）： 9450-9455

71 Cui M L， Liu J M， Wang X X， Lin L P， Jiao L， Zheng Z Y， Zhang L H， Jiang S L. Sens. Actuators B， 2013， 188： 53-58

72 Zhou T， Rong M， Cai Z， Yang C J， Chen X. Nanoscale， 2012， 4（14）： 4103-4106

73 Wang M， Wu Z， Yang J， Wang G， Wang H， Cai W. Nanoscale， 2012， 4（14）： 4087-4090

74 Liu H， Yang G， Abdel-Halim E S， Zhu J J. Talanta， 2013， 104： 135-139

75 Unnikrishnan B， Wei S C， Chiu W J， Cang J， Hsu P-H， Huang C C. Analyst， 2014， 139（9）： 2221-2228

76 Xu H， Zhu H， Sun M， Yu H， Li H， Ma F， Wang S. Analyst， 2015， 140（5）： 1678-1685

77 Mathew A， Sajanlal P， Pradeep T. Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（38）： 9596-9600

78 Yang X， Wang J， Su D， Xia Q， Chai F， Wang C， Qu F. Dalton. T.， 2014， 43（26）： 10057-10063

79 Senthamizhan A， Celebioglu A， Uyar T. Chem. Commun.， 2015， 51（26）： 5590-5593