高灵敏度水凝胶光流控微腔用于重金属离子检测

原创

来源：龚茂雪

2025-10-10 09:44:44

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核心提示：基于适配体交联水凝胶与回音壁模式（WGM）微腔构建的光流控传感器，通过强光-物质相互作用，实现对中药中Pb²⁺、Hg²⁺等重金属离子的高灵敏度、高特异性检测，检测限可达10nM，能在复杂中药提取液中稳定工作，为中药安全检测及重金属离子监测提供了高效实用的解决方案。

引言

中药被广泛用于疾病治疗，但全球需求增长使其安全性问题凸显，其中重金属（如铅、汞、铜）污染是主要问题。这些重金属毒性高且易生物累积，过量接触会严重危害健康，如铅离子可损害神经功能。为此，中、美、欧等国监管机构制定了严格的中药重金属限量标准，因此高灵敏度、特异性地检测痕量重金属离子对保障中药安全与质量至关重要。传统检测方法存在检测周期长、设备昂贵等局限，水凝胶传感器虽受关注但仍有不足，亟需改进。

本研究开发了适配体交联水凝胶光流体微腔，以微气泡腔形成的WGM共振为框架，将目标响应性适配体集成到水凝胶基质中。功能化水凝胶可捕获特定重金属离子，离子结合引发适配体构象变化，导致水凝胶收缩、折射率增加，使光谱共振波长红移，通过监测波长变化可分析离子浓度。经优化水凝胶厚度提升灵敏度后，该传感器成功检测出Pb²⁺和Hg²⁺，并定量检测了当归、甘草等多种中草药中的Pb和Hg含量，为相关领域提供了有效解决方案。

结果与讨论

水凝胶光流体微腔检测重金属离子的原理：传感器以WGM微气泡腔为基础，内部水凝胶功能化适配体捕获重金属离子，引发构象变化和水凝胶收缩，导致折射率改变及共振波长红移，实现高灵敏检测。

图1.适配体交联水凝胶光流体微腔传感器的示意图。(a)响应性适配体功能化水凝胶被涂覆在光流体微腔的内表面，用于检测重金属离子。WGM光谱作为转导方法，而光纤锥用于耦合倏逝场进行光学信号检测。(b)在暴露于重金属离子（以Pb2+为例）时，水凝胶中的适配体构象从随机卷曲结构（上）转变为G-四链体结构（下），导致水凝胶收缩，并在共振波长上引起可测量的光谱红移。

图2.(a)传感系统的光学设置，其中可调谐激光器作为光源，使用功率计测量获得的WGM光谱。SMF：单模光纤。(b)FITC标记的水凝胶光流体微腔的亮场（上）和荧光发射（下）图像。标尺：100μm。(c)从水凝胶WGM谐振器获得的WGM光谱，显示FSR为2.480nm。(d)用于RI（随NaCl溶液变化）检测的WGM微谐振器示意图（未装饰水凝胶）。(e)注入不同RI溶液的WGM谐振器的归一化透射光谱。(f)说明共振波长偏移与RI值之间关系的校准曲线。

水凝胶厚度对传感性能的影响：水凝胶厚度影响检测灵敏度，thicker层保留更多光子能量，光谱响应更强。0.79μm厚度时灵敏度最佳，40s内光谱稳定，故选择该厚度用于后续检测。

图3.评估水凝胶厚度对光流体微腔平台传感性能的影响。(a)水凝胶光流体微腔的平面视图和光场能量分布。(b)不同水凝胶厚度（0.05、0.14、0.30、0.64和0.79μm）微腔在暴露于300nMPb2+时的WGM光谱轨迹和(c)相应的波长偏移。

用于检测Pb2+和Hg2+的高灵敏水凝胶光流体微腔：传感器对Pb²⁺、Hg²⁺有浓度依赖性响应，检测限低，拟合度高。适配体特异性结合引发水凝胶变化，pH7-8为最佳检测范围，可区分不同离子。

图4.水凝胶光流体微腔传感器对Pb2+和Hg2+离子的检测性能。(a)在加入150nMPb2+后，记录的水凝胶微腔的WGM光谱随时间间隔（0-45s）的变化，展示了动态光谱响应。(b)从WGM光谱中提取的波长偏移随Pb2+浓度变化的关系，显示出明显的浓度依赖性响应。(c)用于Hg2+检测的适配体交联水凝胶平台的示意图。在Hg2+暴露下，适配体（Apt2）从随机卷曲结构（顶部）转变为发夹状结构（T-Hg2+-T复合物，底部），导致水凝胶收缩并引起相应的光谱偏移。(d)从WGM光谱中提取的波长偏移随Hg2+浓度变化的关系。

水凝胶微腔的特异性和重复性检测能力：传感器对Pb²⁺特异性强，其他离子干扰小。经HCl处理可再生，多次循环检测信号稳定，重复性和可靠性优异。

图5.(a)在控制实验（0MPb2+）中，水凝胶微腔在0秒和45秒时记录的WGM频谱信号。(b)暴露于不同重金属离子（300nM的Mg2+、Cu2+、Hg2+和Ca2+）的Apt1功能化水凝胶光流体微腔传感器相对频谱响应。(c)水凝胶传感器在循环暴露于不同Pb2+浓度（0、200和300nM）期间的频谱响应。