熒光紙質傳感器在環境檢測的研究進展

王海倩，楊 帆，楊 亮，于少明，蔣長龍

(1.合肥工業大學，安徽 合肥 230009;.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031)

伴隨世界經濟與工業的快速發展，世界環境問題日益突出，在臨床診斷、環境監測、食品/藥物質量控制以及社會安全篩查等方面，化學/生物傳感器的應用越來越受到重視[1]。微型傳感器具有簡單、廉價、可操作性強、不需對樣品進行復雜的預處理等優點。因此，與傳統分析儀器相比，微型傳感器更傾向于不借助額外手段的情況下，實現對分析物直接可讀的現場實時檢測。其中，試紙傳感器具有重量輕、成本低、產量大等優點，成為解決當下經濟技術難題最有希望的候選產品[2]。

現代化學之父羅伯特·博伊爾在17世紀發明了第一種紙質傳感器-石蕊試紙，利用酸堿指示劑對pH值測量。隨后，Martin和Synge在1943年發現了紙色譜法分離有色化學物質，從而在1952年獲得諾貝爾獎[3]。妊娠試紙于1968年由Margaret Crane發明，這是第一個通過橫向流動檢測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合起來，采用比色法、電化學法、化學發光法進行生物測定[5]。以上的每一項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用。

本文介紹了本團隊研究的一系列新型納米熒光紙質傳感器及其在環境監測、爆炸物篩選、食品安全和生物分析等不同領域的可視化分析應用。首先簡要介紹熒光納米材料的篩選和納米探針的原理。隨后，描述本團隊根據不同的檢測策略在試紙制備方面的創新，展現熒光試紙在現場、實時檢測爆炸物、農藥殘留、重金屬、食品添加劑和生物分子等方面的檢測能力。最后，討論納米熒光紙質傳感器當前面臨的挑戰和對未來的展望。

1 熒光功能納米材料的篩選及在檢測中的應用

熒光納米材料的選取對樣品的檢測尤為重要。制備納米探針的納米材料應具有高熒光亮度、寬激發范圍、可調諧發射、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、發光碳納米材料、氧化石墨烯及上轉換材料等[6]。

量子點的高量子產率、大消光系數、寬吸收、尺寸/合成可調發射和大斯托克斯位移使得量子點在化學傳感領域的應用備受關注。發光碳納米材料具有低毒或者無毒、超強水溶性、表面修飾基團的豐富性、耐強酸強堿的化學惰性和環境友好等特征。氧化石墨烯有很大π-π共軛平面，承接了大量的酚羥基、環氧基和羧基，可經由各種與含氧官能團的反應而改善本身性質。

納米材料具有特殊的微觀尺寸，可展現出介觀、宏觀物質所不具備的獨特物理化學性能[7]。目前，功能納米材料的應用，主要通過不同敏感功能納米材料的獨特光學性質設計新的器件，實現現場、快速、低成本和便攜式檢測。根據熒光納米材料特有的性質，通過對納米材料的表面修飾、納米結構的有序組裝，再利用納米材料與分析物之間特異的敏感機制，基于光、電、磁、熱、聲、力以及它們的組合，對待測污染物進行檢測和跟蹤，建立可靠、實用的納米傳感分析方法實現優控污染物的目標，構建環境中污染物的快速檢測平臺。

2 熒光納米探針的設計及在檢測中的應用

熒光納米探針以納米材料為載體，具有合成簡單、經濟、檢測快速以及無需復雜前處理過程、靈敏度高等特點。伴隨著納米技術的迅速發展，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，用于發展特殊性質的納米探針，并通過將納米探針的識別單元與待測物質結合過程轉變為光學、電化學、拉曼等信號變化來進行檢測。由于對表面狀態的敏感性，納米熒光團表面的許多化學修飾都能極大地影響其輻射重組效率，導致熒光活化(開啟)或熒光猝滅(關閉)。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。根據熒光反應的不同，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計的三種類型納米探針。

2.1 “猝滅”型熒光納米探針的設計

典型的一個探針是用胺修飾錳摻雜的硫化鋅量子點，通過電荷轉移途徑獲得對微量三硝基甲苯(TNT)炸藥的“關閉”熒光響應[8]。除了常用的表面結合方法外，分析物表面配體剝離法也可以實現納米熒光團的熒光"關閉"。采用雙齒配體2-羥乙基二硫代氨基甲酸酯(HDTC)對CdSe-ZnS 量子點進行修飾，在汞離子存在的情況下，表面HDTC配體從CdSe/ZnS 量子點表面剝離，與汞離子螯合，淬滅CdSe/ZnS 量子點的熒光。同時，隨著汞離子濃度的增加，除了熒光亮度的降低，橙色熒光也逐漸變為紅色[9]。

2.2 “打開”型熒光納米探針的設計

對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致熒光的減弱或猝滅，因此“猝滅”納米粒子通常表現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毒死蜱等有機磷硫硫酸鹽農藥的“開啟”熒光檢測[10]。雙硫腙與CdTe量子點表面配位形成復合物，可以通過雙硫腙-鎘復合物吸收峰與CdTe量子點的發射光譜重疊來關閉CdTe量子點的綠色發射。毒死蜱加入后，CdTe量子點表面的二硫代配體被毒死蜱的水解物所取代，CdTe量子點的綠色熒光即刻恢復，實現對毒死蜱進行超靈敏、選擇性的檢測，檢測限低至0.1nM。此納米粒子對蘋果皮上5.5 ppb的有機磷硫酸鹽殘留可以產生熒光響應。

2.3 “比率”型熒光納米探針的設計

熒光“關”或“開”納米探針采用單一響應發射信號，容易受到探針濃度波動和背景熒光等實驗因素的干擾。比值熒光法則使用內部標準探針和響應探針結合進行更精確的測量，通過兩種發射強度比提供自參照確定分析物含量。本團隊采用羧基修飾的紅色CdTe量子點和氨基修飾的藍色碳點作為雙發射組合，設計了一種雙發射的比率熒光探針，在340 nm波長激發下分別發射出437 nm和654 nm的光。量子點紅色熒光能夠選擇性地被銅離子淬滅，而藍色熒光保持不變，在不同濃度Cu2+作用下從而顯示出由粉紅色到藍色的顏色演變，由此實現對Cu2+的痕量可視化檢測[11]。

納米探針不僅實用而且應用極為廣泛，不但用于污染物的檢測，還在精準生物標記以及高級防偽中都有潛在的應用。面對現代社會的快速發展，人們對檢測的要求也大大增加，即時、快速、準確成為檢測的主導方向。把納米探針準確檢測與即時檢測的優勢相結合，形成高效的檢測手段勢在必行。

3 可視化試紙在檢測中的應用

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。通常，試紙的制備是利用紙張的三維網狀結構，浸入納米粒子溶液中直接吸附納米粒子，然后進行干燥。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量的熒光試紙[12]。熒光墨水的納米探針溶液被注射到與計算機相連的噴墨打印機的空墨盒中(如圖1)。將熒光納米探針打印在一張紙上，反復多次，直到獲得理想的熒光強度。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，還可以通過計算機實現納米粒子在紙張上的圖案設計。

圖1 噴墨打印制備可視化試紙

圖2 多色比率熒光試紙對自來水、湖水等實樣水中砷離子的檢測

通常情況下，人眼對顏色變化的敏感性遠大于對亮度變化的敏感性，因此一個理想的定量可視化試紙應該具有顏色響應的能力。然而，獲得劑量敏感的寬范圍熒光顏色的連續演變一直是熒光比色試紙難以逾越的障礙。在該項研究中，我們利用敏感的碲化鎘紅色量子點作為檢測探針，青色碳點作為內標探針，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”三基色的比率熒光探針，使探針產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，制備出了一種高質量的熒光比色試紙，可實現對環境中砷離子的定性定量檢測。該試紙在不同劑量的砷離子存在下，呈現出寬且連續的熒光顏色變化(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定的飲用水中10 ppb的As(III)檢測限，并驗證了該試紙在湖水、自來水等實樣的檢測中依然有效[13]。

在水體環境檢測中，微量氟離子的實時、現場檢測仍然是環境保護與監測的一大挑戰。本團隊基于發光氧化石墨烯和銀納米粒子之間發生熒光共振能量轉移的原理發展了一種新的對氟離子的檢測方法，在此基礎上制備了高質量的熒光試紙，從而實現了對水中痕量氟離子的敏感可視化檢測。這種可視化檢測對氟離子的檢測極限可以達到9.07pM，實現了對水中痕量氟離子的即時現場檢測[14]。

圖3 發光氧化石墨烯試紙對氟離子的敏感可視化檢測

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

4 結論與展望

從篩選具有優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、準確、靈敏度高的可視化試紙的設計。熒光試紙的創造為在環境、醫藥、食品、疾病診斷及公共安全等領域中應用提供了新的思路和方法。目前雖然已經取得了許多進展，但試紙結合功能性納米材料的應用仍不夠廣泛，傳感器在精度、靈敏度和多路復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、選擇性和動態工作為目標已被廣泛研究。為擴大熒光試紙在可視化分析中的實際應用，還需在熒光納米材料、傳感機制和微加工方法方面進行更大的努力。

上述功能納米材料的制備及熒光傳感方法的發展突破了制約環境檢測的技術瓶頸，降低了檢測成本，使監管從事后處理變為現場反應，為提高公共安全水平奠定了技術基礎。未來還需針對生態環境中的痕量污染物，以發現新的敏感機制和方法為導向，尋找納米分子識別與敏感信號輸出的規律，構建對環境中痕量污染物快速檢測的平臺。