中草药在全球广泛应用，但重金属污染（如Pb、Hg）因其高毒性和生物富集性，对人类健康构成重大威胁，各国监管机构已制定严格标准限制其含量。传统检测方法如电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）虽精准，但存在检测耗时、设备昂贵等问题。水凝胶传感器因三维网络结构利于重金属离子吸附，在检测领域受关注，然而现有光学生物传感器存在主观性强、信噪比低等局限，难以应对中草药提取液复杂环境中的微量检测需求。基于此，本文将水凝胶与高灵敏度的WGM微腔结合，开发出兼具高灵敏度与选择性的检测平台，以解决复杂体系中重金属离子的痕量检测难题。

研究内容

图1.适配体交联水凝胶光流控微腔传感器的示意图。

该传感器以微气泡WGM腔为结构框架，内表面涂覆适配体功能化水凝胶。

图2.用于重金属离子检测的水凝胶光流控微腔原理

当重金属离子（如Pb²⁺、Hg²⁺）与适配体结合，适配体构象改变（Pb²⁺诱导形成G-四聚体，Hg²⁺形成T-Hg²⁺-T复合物），引发水凝胶收缩，导致微腔界面折射率变化，使WGM共振波长红移。通过可调谐激光器与光纤锥耦合检测光谱偏移，实现定量分析。实验显示，传感器对折射率变化灵敏度达216.888nm/RIU，线性拟合度R²=0.996，为高灵敏检测奠定基础。

图3.水凝胶厚度对光流控微腔平台传感性能影响的评估。

水凝胶厚度显著影响检测灵敏度，厚度范围0.05-0.79μm时，较厚水凝胶在300nMPb²⁺作用下光谱响应更强。因厚水凝胶层能保留更多光子能量，与消逝场相互作用更充分。40秒内光谱稳定，选择45秒作为平衡检测点。0.79μm厚度时灵敏度最优，故后续实验采用该参数，确保检测性能最大化。

图4.水凝胶光流控微腔传感器对Pb²⁺和Hg²⁺离子的检测性能。

对Pb²⁺检测，适配体Apt1功能化水凝胶在10-300nM浓度范围内，共振波长红移与浓度呈正相关，检测限10nM，R²=0.9971，最优pH7-8。对Hg²⁺，适配体Apt2通过形成发夹结构响应，浓度与光谱偏移正相关，R²=0.9964，同样在pH7-8时性能最佳。两种离子检测均体现高灵敏度，适配体特异性确保对目标离子的精准响应。

图5.水凝胶微腔的特异性和重复性检测能力

特异性实验中，300nM的Mg²⁺、Cu²⁺等干扰离子未引起显著波长偏移，而Pb²⁺导致明显红移，证明传感器特异性强。重复性方面，经HCl处理再生后，传感器在多次循环检测0、200、300nMPb²⁺时，光谱响应稳定，显示良好的重复使用性，为长期监测提供可能。

图6.中草药样品中重金属离子的检测

对当归、甘草等5种中草药样品检测，水凝胶光流控微腔测得的Pb²⁺和Hg²⁺含量与ICP-MS结果一致性高，相对误差≤7.88%。加标回收实验中，Pb²⁺回收率97.90%-104.03%，Hg²⁺回收率99.47%-104.77%，验证了方法的准确性和实际应用价值，表明该传感器可用于复杂中草药基质中的重金属检测。

本研究开发的适配体交联水凝胶WGM微腔传感器，借助水凝胶与重金属离子结合后的收缩效应，通过WGM共振波长红移实现高灵敏检测，成功量化中草药中Pb²⁺和Hg²⁺。其检测限低、特异性强、重复性好，与ICP-MS结果一致性高。未来可通过引入功能材料、优化传感器设计等提升性能，有望拓展至化学健康监测、环境监测等领域，为重金属离子检测提供有力工具。

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 原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.5c001032.