基于铈掺杂金纳米簇的多功能荧光酶对汞离子的高选择性检测

引言

汞离子（Hg²⁺）作为一种典型的重金属污染物，容易被植物吸收，通过食物链进入人体，严重威胁人体健康。因此，快速准确检测水体中Hg²⁺浓度对于保护水质和维护人类健康非常关键。现有的分析方法如电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、原子吸收光谱法和电化学法存在昂贵设备、复杂前处理、检测时间长以及灵敏度和选择性不佳等问题。相比之下，光学方法如荧光(FL)和比色法由于操作简便、检测效率高和成本低而受到广泛关注。这些方法主要依赖于检测过程中FL信号和颜色的可视化变化，无需昂贵的仪器设备即可直观地观察检测结果。因此，选择合适的荧光探针和比色材料对于实现高性能的FL特性和显著的高对比度颜色变化至关重要。金纳米簇（Au NCs）由金核和保护配体组成，由于合成简便和良好的生物相容性而广受关注，被广泛用于FL和比色分析。然而，大多数报道的Au NCs的FL量子产率（QY）很低（通常<1%），严重限制了其应用。基于聚集诱导发光(AIE)的各种方法已被用于提高Au NCs的FL效率。其中，金属离子诱导的聚集是最常见的一种Au NCs AIE形式，如Zn(II)、Cd(II)、Ce(III)。这些金属离子可以在溶液中引起纳米簇聚集从而实现高FL信号，但易受溶剂极性、pH等因素的影响。此外，除作为荧光探针外，Au NCs还可以通过其过氧化酶样活性作为天然酶的替代品实现比色传感。与天然酶相比，Au NCs酶样活性相对较低。重要的是，只有少数研究探讨了同时具有FL性能和过氧化酶样活性的Au NCs，其在光学分析中的应用潜力受到限制。此外，金属离子可以促进Au NCs的过氧化酶样活性，这为进一步提高酶模拟物的催化活性提供了启示。综上所述，本文首次报道了一种具有"三位一体"功能的铈掺杂金纳米簇(Ce-Au NCs)。具体而言，Ce的引入显著提高了Au NCs的FL性能和过氧化酶样活性。基于Ce-Au NCs构建了一种用于选择性检测Hg²⁺的双模式荧光-比色传感器。在Hg²⁺存在时，FL信号显著猝灭，过氧化酶样活性却明显增强。结合3D打印技术制备了一种便携式双模式传感装置，可实现Hg²⁺的现场可视化检测。这种设计提供了一种新颖的合成"三位一体"Ce-Au NCs的方法，可应用于环境中重金属离子的检测。

结果与讨论

1. 结构表征及性能分析

TEM表征显示，Ce-Au NCs呈网状结构，明显聚集形成由大量Au NCs组成的聚合物。HRTEM结果显示Ce-Au NCs的晶格间距为0.236 nm，对应于Au的(111)晶面。元素分布映射图进一步证实了Au和Ce元素的共存和掺杂。XPS分析发现，Ce-Au NCs中共存Au(0)和Au(I)态，而Ce主要以Ce⁴⁺和少量Ce³⁺的形式存在。FT-IR结果表明，Ce与Au NCs表面的羟基(-OH)配位。上述表征结果证实了Ce-Au NCs的成功合成。在FL性能方面，与纯Au NCs相比，掺杂Ce后Ce-Au NCs的FL强度大幅提高5.7倍。这主要归因于Ce³⁺诱导Au NCs聚集促进了AIE效应，以及限制了Au NCs内部运动导致的非辐射衰减降低。具体地，Ce-Au NCs的FL量子产率和寿命分别提高了5.91倍和2.73倍。与此同时，Ce-Au NCs表现出优异的过氧化酶样活性。在TMB和H₂O₂存在下，Ce-Au NCs对TMB的催化氧化产生的吸收峰强度是纯Ce(NO₃)₃·6H₂O和Au NCs的4.3倍和2.3倍。这是由于Ce和Au NCs组分之间存在协同效应,促进了电子转移过程。

2. Hg²⁺检测性能及机理探讨

基于Ce-Au NCs出色的FL性能和过氧化酶样活性,建立了一种双模式荧光-比色传感平台用于Hg²⁺检测。如图3A所示,Hg²⁺的加入明显猝灭了Ce-Au NCs的FL信号,降低约53%。与此同时,Hg²⁺诱导Ce-Au NCs的过氧化酶样活性提高了1.75倍。XPS进一步分析了检测机理。Hg²⁺的加入使Ce-Au NCs中Au 4f峰发生负移,说明Au与Hg²⁺间存在金属亲和相互作用。而Hg 4f峰的出现证实了Hg²⁺与Ce-Au NCs的结合。时间分辨荧光测试结果显示,Hg²⁺明显缩短了Ce-Au NCs的荧光寿命,表明Hg²⁺引起了能量跃迁通道的变化,从而导致荧光淬灭。同时,电子自旋共振(EPR)分析显示,Hg²⁺的加入显著提高了·OH自由基的产生,从而促进了过氧化酶样活性的增强。综上所述,Hg²⁺通过金属亲和相互作用与Ce-Au NCs结合,引发其光学性能的双重变化,即荧光猝灭和过氧化酶样活性增强。

3. 便携式双模式传感装置的构建

为实现Hg²⁺的现场可视化分析,我们基于Ce-Au NCs制备了一种便携式双模式荧光-比色传感装置。在荧光检测模式下,将预先制备的Ce-Au NCs纸基芯片放置于样品架上,滴加不同浓度的Hg²⁺标准溶液后,1分钟反应后即可通过手机拍摄获得荧光图像,利用Photoshop软件分析Lab值计算总色差ΔE以定量表征Hg²⁺含量。在比色检测模式下,也将Ce-Au NCs纸基芯片置于样品架上,滴加Hg²⁺标准溶液后,经过TMB和H₂O₂进一步反应,通过色差计测量Lab值并计算ΔE以获得Hg²⁺的定量结果。这种便携式双模式传感装置集成了荧光和比色两种光学信号的同步采集,可提供自验证功能,从而大幅提高检测的可靠性和准确性。

结论

本工作首次报道了一种具有"三位一体"功能的Ce-Au NCs,包括强荧光、优异的过氧化酶样活性以及对Hg²⁺的高选择性识别。基于Ce-Au NCs构建的双模式传感平台可以实现Hg²⁺的定性和定量分析,同时结合3D打印技术制备了一种集成荧光和比色信号采集的便携式检测装置,为环境中重金属离子的快速现场可视化分析提供了新的解决方案。该工作不仅展示了一种新颖的多功能纳米材料的合成策略,而且为今后基于金属离子调控的光学传感平台的构建提供了新的思路。

参考文献

Luo, L.; Li, J.; Bi, X.; Jiang, P.; Li, L.; Qiao, G.; You, T., Engineering “three-in-one” fluorescent nanozyme of Ce-Au NCs for on-site visual detection of Hg²⁺. J. Hazard. Mater. 2024, 476, 134967.