基于碳点/金纳米酶上醌氮极化的无机汞与有机汞的光调制鉴别方法

《Biosensors and Bioelectronics》：Light-Modulated Discrimination of Inorganic and Organic Mercury via Quinone Nitrogen Polarization on Carbon Dot/Gold Nanozymes

　　

摘要

无机汞和有机汞化合物都具有极高的生物毒性。它们在环境中共存，容易在检测过程中造成严重的相互干扰。因此，在复杂体系中快速识别并精确区分不同形态的重金属仍是分析领域亟需解决的关键问题。本文设计了一种光响应型智能碳点-纳米酶（AN-CDs/AuNPs），结合光控调控与表面增强拉曼光谱技术，能够选择性区分Hg²⁺和甲基汞（MeHg⁺）。实验研究及理论计算表明，AN-CDs/AuNPs中的醌型氮结构可被光照极化，进而与Hg²⁺/MeHg⁺发生作用，形成不同形态的汞齐。这种极化作用还能产生热电子，增强过氧化物酶样活性，并通过捕获电子导致空穴积累，从而通过非自由基途径实现H₂O₂中O?O键的异裂。该方法的MeHg⁺和Hg²⁺检测限分别为0.62 μg·L^-1和4.2 μg·L^-1。这项工作为调控纳米酶的表面结构以及选择性检测无机和有机金属化合物提供了新策略。

引言

具有与天然酶类似活性的纳米酶在无机金属离子（如Hg²⁺、Pb²⁺和Cr³⁺）的分析中取得了显著进展，同时也有大量研究致力于探讨金属离子对纳米酶活性的调控机制（Veedu等人，2025；Wu等人，2025）。Hg²⁺和MeHg⁺都具有极高的生物毒性，其中MeHg⁺是环境中危害最大的汞化合物之一。然而，目前关于纳米酶在有机金属化合物分析中的应用研究还十分有限，这严重限制了其在实际复杂体系中的应用潜力（Guo等人，2024）。在检测过程中，无机金属离子与有机金属化合物的共存会导致严重的相互干扰，使得同时检测甚至单独检测都变得困难（Cai等人，2024）。更重要的是，目前尚未系统研究并揭示无机金属离子与有机金属化合物对纳米酶催化活性影响机制的差异。

有机汞是最具代表性的有机金属化合物，包括甲基汞（MeHg⁺）和乙基汞等种类（Y. Huang等人，2025；Poulin等人，2025）。对于MeHg⁺的检测，人们已经开发出了衍生反应、功能化纳米颗粒以及适配体等方法，这些方法在MeHg⁺检测方面展现出巨大潜力（Guo等人，2025）。金纳米颗粒（AuNPs）是纳米技术中最常用的材料之一，它兼具催化性能和类酶活性等多种功能（Singh等人，2025）。由于汞和金可以形成汞齐，因此针对汞检测的纳米酶研究主要围绕如何调控其类酶活性展开。Donati等人提出，甲酸作为MeHg⁺还原的弱还原剂，能够促进AuNPs与MeHg⁺之间形成汞齐，从而构建出比色检测方法（Donati等人，2019）。我们则提出利用碳点作为还原剂，制备基于碳点的金纳米酶，使其与MeHg⁺形成金汞齐，进而构建出比色和表面增强拉曼光谱检测方法用于MeHg⁺的检测（Q. Li等人，2023）。因此，合理设计并精确调控金纳米材料的酶活性，对于实现上述目标具有重要意义，也有助于推动有机金属分析技术的发展。不过，不同汞化合物对AuNPs活性的调控机制，以及AuNPs的可控修饰方法，仍然相当复杂且难以掌握（T. Li等人，2025；Saqlain等人，2026）。

许多AuNPs缺乏特异性，因此在基于金纳米颗粒的比色、荧光等检测方法中表现出不具备选择性的特点，同时通过产生活性氧物种来发挥类酶活性的能力也相对较弱。碳点作为一种著名的零维碳纳米材料，因其独特的电学、光学和热学性质而备受关注（Sharma等人，2025）。通过修饰前体材料，可以在碳点表面引入大量的含氧基团（如羰基、羧基和羟基），从而为其赋予出色的功能化潜力（Zhao等人，2025）。先前的研究表明，那些以含有酚羟基为前体合成的碳点具有还原性，因此可以替代柠檬酸钠和硼氢化钠等试剂，用于制备基于碳点的金纳米颗粒（Xu等人，2023）。我们的前期研究也发现，碳点表面基团的数量、类型、手性以及掺杂元素，都会显著影响基于碳点的纳米材料的检测选择性（Xie等人，2025）。不过，现有研究主要集中在碳点基金纳米颗粒表面的羰基、羟基和羧基，以及杂原子和金属掺杂方面，而关于如何通过其他类型的基团以及非自由基途径利用光照来调控类酶活性的研究则相对较少。

在本研究中，我们利用苯胺基碳点（AN-CDs）的光控表面功能基团和还原特性，设计了具有过氧化物酶样活性的基于碳点的金纳米颗粒（即AN-CDs/AuNPs），并阐明了它们光控检测Hg²⁺和MeHg⁺的机制（见图1）。值得注意的是，AN-CDs/AuNPs在光照条件下表现出增强的过氧化物酶样活性，这一现象源于AN-CDs表面醌型氮结构的极化效应。有趣的是，即使在没有光照的情况下，AN-CDs/AuNPs也能与MeHg⁺选择性结合形成汞齐；而在光照条件下，光生热电子可以促进Hg²⁺的还原，进而形成汞齐，其形成机制与MeHg⁺诱导的形成机制有所不同。这种能够实现光控检测的功能转变，主要得益于醌型氮结构的极化效应以及不同类型汞齐形成机制的差异。此外，理论计算（见图S1）以及对表面醌型氮结构的研究表明，AN-CDs/AuNPs的过氧化物酶样活性依赖于H₂O₂在光照条件下的O?O异裂反应。因此，光控下的醌型氮结构极化为选择性识别不同形态的金属提供了新途径，同时也有助于深入理解经碳点修饰的金属纳米颗粒的固有类酶活性，还为设计高选择性的纳米酶提供了指导。

章节节选

AN-CDs的表征及光照对其结构的影响

现有研究表明，纳米材料表面的基团不仅是调控类酶催化活性的关键因素，也是决定它们与目标分析物之间特异性相互作用的核心位点。根据我们之前的研究结果（Q. Li等人，2023；Xie等人，2025），碳点表面的硫醇基、羟基和氨基与无机Hg²⁺和MeHg⁺的识别过程密切相关，这些基团的类型、数量以及

结论

总之，AN-CDs/AuNPs实现了对汞化合物的光控选择性检测。在黑暗条件下，这种材料会优先吸附MeHg⁺，在其表面形成金-汞合金，从而导致拉曼信号减弱。而在光照条件下，醌型氮结构会被极化，产生大量的热电子和热空穴，进而显著增强其过氧化物酶样催化活性。其中，光生电子能够促进

CRediT作者贡献说明

彭阳：方法学。 耿海荣：方法学。 杨雅玲：指导、方法学。 李红：指导、方法学、资金获取。 王华：指导、方法学、资金获取。 谢少鹏：写作——初稿、软件应用、方法学。 杨德志：写作——审稿与编辑、写作——初稿、资源准备、项目管理、资金获取、正式分析。 李秋兰：方法学

未引用参考文献

Huang等人，2025；Li等人，2023。

利益声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

数据可用性

本研究的相关数据均保存在补充信息文件中。如需获取原始数据，可向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC项目编号32302210）、云南省冶金节能降耗领军团队（编号202405AS350028）以及云南省博士后科研项目的大力支持。此外，本研究还得到了云南省高校服务重点产业科技项目（FWCY-ZD2024007）、云南省咖啡重点实验室（202449CE340030）以及相关高层次专项项目的部分资助。

谢少鹏|杨德志|李秋兰|彭阳|耿海荣|杨雅玲|李红|王华

中国云南省昆明市650500，昆明科技大学生命科学与技术学院