《Journal of Hazardous Materials》：Visualized Accurate Determination of Ultra-trace Hg2+ Using Aptamer-conjugated Electrochemiluminescence Device
编辑推荐：
汞离子检测：本研究开发了一种基于aptamer修饰的聚合物纳米颗粒（Pdots）的电化学发光（ECL）装置，通过共振能量转移（RET）实现超痕量（0.3 fg/g）汞离子的可视化检测，具有高灵敏度、选择性和环境适应性，适用于水体、水产品及食品医药材料中的汞污染监测。
王成|裴阳|张嘉兴|李成琦|李玉林|陈绍清|王子宇
中国江苏省常州市常州大学药学院
摘要
汞离子（Hg2?）是一种普遍存在且毒性极高的污染物，对生态完整性和人类健康构成严重威胁。然而，传统的检测技术往往难以同时实现超痕量灵敏度、现场可视化和对复杂基质的适应性。在这项研究中，我们开发了一种新型适配体偶联的电化学发光（ECL）装置，用于准确、可视化地检测超痕量的Hg2?。该装置通过将特异性Hg2?双链DNA（dsDNA）修饰到基于聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-交替连接-(1,4-苯并{2,1,3}-噻二唑)]（PFBT）的聚合物点（Pdots）上作为高效ECL发射体，并加载罗丹明B（RhB）作为通过共振能量转移（RET）机制的淬灭剂来实现这一目标。Hg2?的结合会诱导稳定的T-Hg2?-T对的形成，选择性释放RhB并恢复Pdots的淬灭ECL信号以进行检测。该装置对Hg2?的线性响应范围广泛，浓度从1 ng/L到10 μg/L，水样中的检测限（LOD）为1.6 pg/L，固体样品中的检测限低至0.3 fg/g。该装置对多种干扰离子（K?、Na?、Cd2?、Pb2?、CH?Hg?等）具有很强的选择性，并且在常温储存条件下可保持长达3个月的长期稳定性。实际验证表明，该装置能够在多种真实基质中准确检测Hg2?，包括天然水体（甘河、秦岭泉水、杜树湖等）、水产品（如Culter alburnus、Mytilus edulis、Macrobrachium nipponense）以及食品/药材（如甘草根、滑石等）。这种结合了超痕量灵敏度和现场可视化的工具能够实现可靠的环境监测和食品/药品监管，其模块化设计为检测其他痕量污染物提供了广泛的应用潜力，有助于推进公共卫生和生态风险管理。
引言
目前，汞作为一种全球分布的重金属，具有长期生物毒性，其对自然水体、水产品和食品/药材的污染已成为一个严重的环境安全问题，对可持续生态发展和公共健康产生显著负面影响[1]、[2]。即使在痕量浓度下，Hg2?仍会在环境中持续积累并对野生动物产生明显的不利影响[1]。根据中国国家标准（GB2726-2022），水产品中的汞含量限值为0.5 μg/g，这要求对环境中的汞进行准确检测，也凸显了准确测定环境样品中Hg2?的重要性。
近年来，已经报道了多种汞离子（Hg2?）的检测方法。比色传感器[3]、电化学方法[4]、[5]、荧光探针[6]等的检测限（LOD）通常在nM到μM范围内。原子荧光光谱（AFS）、原子吸收光谱（AAS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等常用方法在中国国家标准中的检测限（LOD）较高，可达ng/g级别。尽管水产品中的Hg2?限值为0.5 μg/g，但仍有很多情况下需要检测低于ng/g水平的Hg2?。具体来说，这些需求包括追踪低营养级生物（如浮游植物、鱼苗）中的汞生态迁移（fg/g级别的积累会触发食物链生物放大效应）、对敏感生物（如浮游动物、濒危鲟鱼）的早期生态风险预警（对亚ng/g水平Hg2?具有毒理学敏感性）、高风险人群（如婴儿、孕妇）的食品安全监测，以及需要超严格汞阈值的专业产品（如水基婴儿辅食），还有长期低剂量摄入人群的暴露评估，以及符合国际标准的要求。因此，这些方法的检测限不足以满足不同样品中超痕量Hg2?精确检测的严格需求。此外，这些分析方法通常需要昂贵的仪器和繁琐的样品预处理步骤，无法满足快速、现场和即时检测汞的要求[6]。因此，开发便捷的超痕量（fg/g级别）Hg2?检测装置可以填补多尺度汞监测中的关键空白，从环境源头追踪到人类健康保护。
电化学发光（ECL）是一种涉及电极表面电子转移的过程，通常能够实现pM到fM量级的超低LOD值，这可以被视为实现水样中超痕量Hg2?高灵敏度检测的潜在有效策略[7]、[8]。迄今为止，已有几项研究专注于Hg2? ECL传感器，这些传感器能够提供pM到nM量级的低LOD[9]、[10]、[11]、[12]。然而，这些研究尚未实现Hg2?的可视化检测，无法以便捷直观的方式监测环境样品中的Hg2?。为了解决这个问题，将彩色电荷耦合器件（CCD）与ECL系统结合，实现了快速肉眼监测的成像功能[13]。由于这一优势，ECL成像已在多个领域得到广泛应用，包括放射性元素的可视化[14]、[15]、生物成像[16]、[17]、[18]、生物分子测定[19]等，展示了其在众多领域的多功能性和实用性。然而，目前尚无基于可视化ECL的快速监测不同环境样品中Hg2?的研究。
在这项工作中，我们假设基于高发射聚合物点（Pdots）的适配体偶联、共振能量转移（RET）可切换平台可以将微量Hg2?转化为放大的、可视化的电化学发光（ECL）信号[21]。为了验证这一假设，我们计划：（i）合成具有强ECL输出的基于聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-交替连接-(1,4-苯并{2,1,3}-噻二唑)]（PFBT）的Pdots；（ii）设计一种特异性Hg2?适配体（dsDNA）桥接物，加载罗丹明B（RhB）作为RET淬灭剂；（iii）制备一种低成本的一次性氧化铟锡（ITO）支撑装置，其ECL恢复严格依赖于微量Hg2?的结合（方案1）。
材料与仪器
在本研究中，所有使用的化学溶剂和试剂均为经过认证的分析级产品，购自商业供应商（Aladdin，中国）。使用Thermo Nanodrop 2000c分光光度计测量了RhB和预处理过或未预处理过的Pdots@dsDNA的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱。寡核苷酸序列由Sangon Biotech（上海，中国）合成。电化学和ECL分析使用与CHI-660E集成的ECL分析仪进行。
Pdots@dsDNA的制备与优化
Pdots是通过PFBT聚合物制备的，形成平均直径约为50 nm的均匀纳米粒子分散体（图1A）。这里采用的纳米沉淀法相比传统的乳液基合成方法具有多个优势，包括更好的尺寸均匀性、消除了表面活性剂污染物，并保留了聚合物的固有光电性能[25]、[26]。将疏水性聚合物溶液快速注入水相会触发即时反应
结论
本研究开发了一种高灵敏度且可视化的ECL装置，用于超痕量Hg2?的检测，解决了传统Hg2?分析中灵敏度与可视化之间的长期矛盾。主要进展包括：（1）将Pdots（强ECL发射）与特异性Hg2?适配体和基于RET的淬灭机制（通过RhB）相结合，实现了选择性信号调节，克服了比色/荧光方法的低灵敏度和传统ECL的非可视化限制
环境意义
所开发的电化学发光（ECL）装置为各种环境样品中超痕量Hg2?的准确检测提供了一种可视化且高灵敏度的方法，包括水、水产品和食品/药材。凭借超低的检测限（固体样品中为0.3 fg/g），该技术有望通过快速便捷地监测远低于监管标准的汞污染水平，为环境安全做出重要贡献
CRediT作者贡献声明
王子宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、方法论设计、概念构思。李玉林：方法论设计、实验研究。陈绍清：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、资金获取、概念构思。张嘉兴：实验研究、数据分析。李成琦：可视化处理、验证、实验研究、数据分析、数据管理。王成：初稿撰写、可视化处理、验证
致谢
