基于SERS技术的汞离子“开-关”双模传感器，采用银腔阵列基底

《Talanta》：SERS-based mercury ion "on-off" dual-mode sensor using a silver cavity array substrate

基于银腔阵列的双模式SERS汞离子检测技术，采用电沉积法制备高密度均匀银纳米颗粒阵列基底，通过汞合金化反应实现关模式检测（检测限0.027 nM），利用谷胱甘肽功能化探针构建开模式检测（检测限0.3 nM），建立Hg2?浓度与SERS信号强度正比关系，在模拟及真实样品中验证其快速、高灵敏特性，为环境监测提供新方法。

　　在当今环境与食品安全领域，重金属污染问题日益受到关注。其中，汞离子（Hg2?）因其高毒性而成为危害生态和人类健康的重点污染物之一。汞离子在自然条件下具有极强的稳定性，难以通过生物或化学途径降解，但在水体环境中，容易被微生物转化为有机汞，如甲基汞（MeHg），并通过食物链进行生物累积，最终进入人体。这种转化过程使得汞离子在环境中的存在形式更加复杂，增加了其检测的难度。因此，开发一种能够快速、高灵敏度、高选择性地检测Hg2?的技术显得尤为重要。

传统检测方法，如原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）以及冷蒸气原子荧光光谱（CV-AFS）等，虽然在检测灵敏度方面表现出色，能够实现超痕量检测（达到皮克浓度级别），但这些方法也存在一定的局限性。首先，它们通常需要昂贵的仪器设备，对实验条件和操作人员的专业技能要求较高。其次，样品前处理过程较为复杂，不仅耗时，还可能引入干扰因素，影响检测结果的准确性。此外，这些方法在面对复杂基质样品时，如生物样本或污水，其抗干扰能力相对较弱，难以满足实际应用的需求。

近年来，随着检测技术的不断进步，出现了一些创新性的检测手段。例如，比色分析技术主要依赖于Hg2?诱导的纳米颗粒聚集或催化比色反应，通过颜色变化来实现检测。荧光检测技术则利用了胸腺嘧啶与Hg2?形成的T-Hg2?-T结构，以及有机分子或量子点的荧光增强或猝灭效应，从而实现对Hg2?的识别。电化学传感技术则通过修饰电极（如石墨烯、金属有机框架等）来促进Hg2?的富集或氧化还原反应，结合信号放大策略，建立了浓度与电化学信号之间的定量关系。然而，这些方法在实际应用中仍然面临诸多挑战，包括抗干扰能力不足、探针合成过程复杂以及信号稳定性差等问题。

表面增强拉曼光谱（SERS）作为一种新兴的检测技术，因其独特的信号增强效应而受到广泛关注。SERS是指目标分子在粗糙金属表面或纳米结构上吸附时，其拉曼信号被显著增强的现象。这种增强效应主要来源于电磁增强（EM）和化学增强（CE）机制的协同作用。其中，电磁增强主要由表面等离子体共振（SPR）引起的局部电磁场集体振荡产生，导致金属表面电场的重新分布，形成多个具有强烈增强效应的“热点区域”。当分子接近或结合到这些热点区域时，其拉曼信号会被显著增强，信号强度与总增强电场的四次方成正比。相较于传统的检测方法，SERS在汞离子检测方面具有明显优势，包括更高的灵敏度和选择性、更低的检测限以及更简便的操作流程。此外，由于SERS对水分子的响应较弱，因此非常适合直接分析生物和环境样品，无需复杂的样品前处理步骤。

在SERS技术中，汞离子检测主要采用两种模式：开启模式（turn-on）和关闭模式（turn-off）。开启模式的核心机制在于Hg2?能够诱导拉曼信号的产生（从无到可检测）或显著增强SERS信号。例如，Sun等人的研究中，采用Cy5标记的富含胸腺嘧啶的单链DNA（ssDNA）固定在金纳米颗粒修饰的硅纳米线阵列上，当Hg2?加入后，会引发T-Hg2?-T配对的形成，使ssDNA从伸展状态转变为发夹结构。这种构象变化显著缩短了Cy5标记与SERS基底之间的空间距离，从而将原本无响应的探针转化为具有显著拉曼活性的复合物。通过引入桥接分子（如4-巯基吡啶、巯基苯甲酸、亚甲蓝、L-半胱氨酸、4,4′-二吡啶等）来特异性结合Hg2?，并随后引入与该复合物相互作用的拉曼探针，从而建立浓度与SERS强度之间的定量关系，实现Hg2?的检测。此外，通过纳米颗粒聚集来生成新的“热点”也是常用的检测方法之一。

关闭模式的机制则相反，即通过Hg2?的引入来减弱或消除原有的信号，主要通过探针脱离或基底解离，以及反应活性的降低来实现。例如，Du等人利用二吡啶（Dpy）分子中的氮原子诱导金-银纳米颗粒（Au@Ag NPs）的聚集，从而增强来自吡啶环的SERS信号。当Hg2?加入后，Hg2?-Dpy复合物的形成会将二吡啶从Au@Ag纳米颗粒表面移除，导致原本聚集的纳米颗粒重新分散。这一过程显著降低了SERS信号强度，最终使信号被猝灭。Wang等人则开发了一种双模式比色/SERS传感平台，利用Au@AgPt纳米颗粒作为SERS活性基底和TMB氧化的催化剂。在这一过程中，氧化后的TMB会引起显著的颜色变化，同时生成强SERS信号。Hg2?的加入会抑制Au@AgPt纳米颗粒的催化活性，导致TMB氧化效率下降，从而引起溶液吸光度（比色信号）和对应的SERS强度的同步下降。

尽管SERS在汞离子检测方面展现出独特的优势，但在实际应用中仍面临一些关键挑战，尤其是在SERS基底的制备和优化方面。检测性能受到基底形貌和Hg2?吸附位点等因素的影响，这使得在实际操作中实现一致的可重复性成为难题。因此，本研究提出了一种新的SERS基底制备方法，即通过使用紧密排列的二维聚苯乙烯（PS）微球作为模板，并结合多电流步骤技术，在微球之间的间隙中电沉积大量的银纳米颗粒（AgNPs）。这种技术能够精确控制电沉积过程，确保形成大小均匀且紧密连接的AgNPs，从而在基底表面实现高密度、均匀分布的“热点”区域。这种基底的结构特性不仅提高了检测效率，还最大化了信号的可重复性。

本研究构建的基于SCA基底的汞离子SERS传感器，通过开启和关闭两种模式，实现了对Hg2?的高灵敏度检测，检测限低至0.027 nM。该方法在实际样品分析中表现出快速、准确和高灵敏度的定量检测能力，证实了其在环境监测、食品安全评估和污染预警等领域的显著应用价值。此外，该研究还为其他金属离子的检测提供了实用的分析框架，展示了SERS技术在重金属检测领域的广阔前景。通过这一创新性的基底设计和检测策略，不仅提升了汞离子检测的性能，也为相关领域的研究和应用提供了新的思路和方法。