甲基汞化学传感器研究进展

杨颖，梁秀清，胡梅，吴裕健，明双喜

（山东省食品药品检验研究院，山东 济南 250101）

汞是一种有毒的环境污染物，在自然界中主要是以元素汞、无机汞和有机汞3 种形态存在。所有形式的汞都有毒，但是其有机形式特别是甲基汞毒性最高[1]。甲基汞具有脂溶性，可以轻易穿过细胞膜，并对人的神经系统、心血管系统、免疫系统、听力及视力造成一定的危害，甚至引起死亡[2-3]，其危害主要见于甲基汞污染事件[4]。

在水生环境中无机汞可以通过生物和非生物甲基化作用生成毒性更强的甲基汞从而被动植物吸收[5]，甲基汞通过食物链进一步累积和放大，可从水体中的pg/mL 级富集至大型肉食性鱼类体内的mg/mL 级[6]。甲基汞可通过饮食进入人体，人类饮食中甲基汞的主要来源是鱼类和贝类，也包括汞污染严重地区种植的大米以及部分食用鱼粉的鸡和猪[2]。

鉴于甲基汞的毒性以及生物累积效应，许多国家制订了甲基汞暴露的风险评价指标。美国环保局规定甲基汞参考剂量为每人每天0.1 μg/kg；世界卫生组织（World Health Organization，WHO）和联合国粮食与农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）设定的甲基汞临时性周可承受摄入量为每人每周 1.6 μg/kg[7]。

无论从人类健康还是环境保护角度，都需要对食品以及环境中甲基汞的含量进行监测。色谱和光谱/质谱联用是目前检测甲基汞的主要方法，结合了色谱技术的高分离性和光谱/质谱技术的高灵敏度两方面的优点，通过各种分离手段如气相色谱[8]、高效液相色谱[9]、毛细管电泳[10]等，同选择性的检测系统如原子吸收光谱[11]、原子荧光光谱[12]、等离子体质谱[13]、微波诱导等离子体原子发射光谱[14]、炉原子化等离子体发射光谱[15]等结合起来，具有较高选择性、灵敏度。然而上述方法涉及样品的采集、运输、储藏、预处理以及仪器检测等多个环节，样品处理繁琐、操作费时，且所用的仪器设备费用昂贵，不能满足人们对于甲基汞检测方便、快捷、灵敏的要求。为此许多科研人员研究开发甲基汞含量现场快速检测方法，以期能够帮助人们及时掌握现场的环境及食品污染情况，快速制定相应的处理对策。

目前对甲基汞传感器的研究多数集中在化学传感领域，主要包括光化学传感器、电化学传感器等，本文介绍了目前使用化学传感器快速检测甲基汞含量的研究发展动态，并总结了目前甲基汞化学传感器存在问题以及发展方向。

1 光化学传感器

光化学传感器由识别基团、信号基团和两者的连接部分即连接基团组成。传感器通过识别基团与甲基汞相互作用或者发生化学反应后，通过荧光或者吸收光谱作为输出信号对甲基汞进行检测。本文根据传感器与甲基汞作用方式的不同将甲基汞化学传感器分为反应型化学传感器、结合型化学传感器、置换型传感器。

1.1 反应型化学传感器

反应型化学传感器是利用甲基汞同识别基团的化学反应，如脱硫反应、羟汞化反应、脱硒反应等，生成不同结构的化合物，使得传感体系光谱信号发生变化。

1.1.1 脱硫反应

甲基汞可以像汞离子一样与含硫化合物发生脱硫反应。部分甲基汞传感器以硫脲作为识别基团，以蒽、2，1，3-苯并噻二唑、菁类染料等作为信号基团[16-19]，利用硫脲脱硫生成胍类化合物的甲基汞传感器见表1。

表1 利用硫脲脱硫生成胍类化合物的甲基汞传感器Table 1 Methylmercury sensors based on thiourea unit to guanidine

续表1 利用硫脲脱硫生成胍类化合物的甲基汞传感器Continue table 1 Methylmercury sensors based on thiourea unit to guanidine

甲基汞与硫脲衍生物反应，诱导化合物分子内脱硫成环，生成胍类化合物，由于环化后的化合物引起的光诱导电子转移、发光共振能量转移、分子内电荷转移等发生变化，进而引起荧光以及吸收光谱变化。除了荧光单一的增强与减弱外，部分传感器两个不同波长处的荧光强度均发生变化，可以进行比率式荧光检测，后者可以消除传感器浓度、光漂白、仪器灵敏度等外在因素的影响，提高检测结果的准确性[20]。

将罗丹明进行修饰改造，利用甲基汞的脱硫反应使罗丹明由闭环至开环，荧光发生变化。例如将罗丹明修饰上氨基硫脲衍生物，甲基汞将氨基硫脲脱硫形成1，3，4-恶二唑类化合物，罗丹明开环，体系荧光强度增加，且该方法可以用于细胞及活体生物成像[21]。再如用硫原子替代罗丹明B 螺环上的氧原子，合成了罗丹明硫代内酯检测甲基汞。甲基汞通过脱硫作用使得罗丹明开环，进而表现出荧光增强[22]，且该探针具有频率上转换发光性质，在808 nm 激发下，表现出745 nm处近红外荧光增强，同样可应用于生物成像。

1.1.2 羟汞化反应

利用羟汞化反应生成物与原反应物荧光性质不同，合成了多种汞荧光传感器，见表2。

表2 利用羟汞化反应的甲基汞传感器Table 2 Methylmercury sensors based on oxymercuration reaction

芳基乙烯醚衍生物经汞离子或甲基汞水解生成相应的酚或进一步破碎生成荧光氨基化合物。其中文献[23-24]均试验应用在活细胞或斑马鱼体内成像。

1.1.3 脱硒反应

含硒内酯的罗丹明衍生物遇到汞或甲基汞后，发生脱硒反应，生成开环的罗丹明衍生物，溶液颜色由无色变为粉红色，荧光增强，因此该反应同时具有荧光增强及紫外可见光的变化。该方法也可用于细胞及斑马鱼中汞及甲基汞成像[3]。

反应型化学传感器虽然都可以快速检测甲基汞含量，且部分方法还可以用于细胞成像[3，17，21-23]，但是由于其反应机理均以汞离子、甲基汞引发的脱硫反应为基础，因此实际测定是总汞含量，无法区分汞离子及甲基汞离子，且由于汞离子的亲硫性要强于甲基汞，反应过程中汞离子响应要强于甲基汞。

1.2 结合型化学传感器

该类传感器识别基团与甲基汞之间通过静电、络合等相互作用结合，如硫、羧基、金等与甲基汞相互作用，形成新的结合体，使得受体的光谱信号发生变化[25-27]。

利用胆酸合成甲基汞传感器，蒽作为荧光基团通过连接基团连接到胆酸的C3 位，而胆酸的C7、C12 位则引入一对二硫代氨基甲酸酯作为识别基团[25]。该传感器的两个二硫代氨基甲酸酯可以形成一个三维半刚性孔洞，电子给体二硫代氨基甲酸酯与汞离子或甲基汞络合时，与荧光基团之间的光诱导电子转移过程受阻，荧光发射从关闭转至开启状态。该传感器对汞离子的响应大于甲基汞。

利用汞与巯基的强结合力，设计一种比色纳米传感器[28]，见图1。

其原理是用二乙基二硫代氨基甲酸酯（diethyldithiocarbamate，DDTC）与铜离子形成Cu-DDTC，汞加入体系后取代铜离子形成Hg-DDTC。Hg-DDTC含有巯基，可以取代金纳米颗粒的稳定剂柠檬酸盐离子，将Hg-DDTC 通过Au-S 键连接到金纳米颗粒的表面，并引发金纳米颗粒聚集，导致溶液颜色由红色变为蓝色。通过比色可以检测汞化合物的含量。添加乙二胺四乙酸（ethylenediaminetetraacetic acid，EDTA）可以螯合掩蔽汞离子，减少汞离子的干扰，并可以通过螯合铜离子，加速有机汞置换铜离子。该方法可以检测饮用水中的15 nmol/L 以上的甲基汞，但是其缺点是无法区分各种有机汞；金纳米颗粒在高盐环境、高蛋白质环境中不稳定，因此无法测定海水及高蛋白物质中甲基汞。

图1 Hg-DDTC 复合物与金纳米颗粒的结合示意图Fig.1 Schematic illustration of Hg-DDTC complex attached to the surface of AU NPs

镧系簇合物具有较宽的激发光谱带和较窄的发射光谱带，荧光持续时间长，且荧光光谱的斯托克斯位移较大，这些光谱特性被应用到传感领域，利用双核铕簇复合物[Eu2（4-Msal）6（phen）2（H2O）2]（4-Msal=4-甲基水杨酸，phen=邻二氮菲）监测甲基汞的含量[29]。该复合物含有两个未配位的氧，甲基汞与铕簇中羧基的氧配位结合，由于甲基基团中的C-H 振动消耗了Eu3+的能量，从而导致荧光猝灭。该方法在10 倍其他离子共存的情况下不受干扰，但其线性范围仅为6.5 nmol/L～17.6 nmol/L，线性范围较窄。

利用甲基汞与吡啶基、叔胺基、羰基的络合作用合成甲基汞传感器见图2。

图2 传感器1 反应机理Fig.2 Illustration of the detection strategy of sensor 1

如图2，以 1 个吡啶基、4 个 1，8-萘酰亚胺合成传感器1 检测汞离子及甲基汞离子[26]。汞离子及甲基汞可以与吡啶基以及1，8-萘酰亚胺的叔胺基、羰基螯合，1，8-萘酰亚胺的旋转受到抑制，由于分子内旋转受限可以引起聚集诱导发光，体系荧光增强。汞离子对传感器的相应要大于甲基汞，通过加入富含胸腺嘧啶的DNA 可以掩蔽汞离子，进而专一性检测甲基汞，检测限为50 nmol/L。

金属有机骨架材料（metal-organic frameworks，MOFs）是由金属离子与有机配位体通过配位作用形成的多孔晶体材料，具有高度多孔、比表面积大、可协调性强、结构多样性等特点。通常MOFs 含有可以发出荧光或者可见光的芳香基团，因此可以做成光谱传感器，再加上其固有的拓扑结构、空腔限制作用等可以对特定大小、形状的分析物具有选择性，因此近年来被研究用于制造各种光谱传感器[30]。金属有机骨架结构材料ZIF-60 和MIL-53（Fe）便是利用上述原理选择性的检测甲基汞[31-32]。两种材料荧光均随着甲基汞浓度的增加而增强，分析其荧光增强的原因，可能是甲基汞进入金属有机骨架孔腔中，通过库伦力作用抑制了金属骨架材料连接处的原子活动（如振动、扭转位移等），进而减缓了非辐射衰变过程，增加了衰减的激发态分子数。利用该方法制作的传感器，可以专一性的检测甲基汞，不受其他金属离子干扰，但是目前仅在有机相或水中进行试验。

1.3 置换型化学传感器

利用甲基汞与识别基团的反应，将信号基团置换到溶液中，由于受体（识别基团-信号基团）与单独的信号基团的光谱性质不同，从而产生荧光或颜色变化。

以罗丹明6G、3-巯基丙酸修饰的金纳米颗粒合成荧光传感器，并加入牛血清蛋白以保护金纳米颗粒，防止在高盐溶液中聚集[33]。3-巯基丙酸和柠檬酸离子为负电，罗丹明染料为正电，它们之间的静电作用及π-π 作用控制着金纳米颗粒与罗丹明染料分子之间的反应，强静电作用使得体系的荧光背景低。汞与金纳米颗粒的金有较强的吸附力，且可以与纳米颗粒表面的3-巯基丙酸作用，释放出罗丹明6G，恢复了罗丹明6G 的荧光，溶液的荧光强度增加。使用EDTA 可以掩蔽汞离子，但银离子仍有干扰；使用锑可以掩蔽各种无机金属离子，但无法区分各种有机汞。使用该方法用于湖水、鱼肉等基质的检测，检测结果与标准参考值相吻合。

介孔材料也被应用于甲基汞传感器研究中。介孔材料检测甲基汞示意图见图3。

图3 介孔材料检测甲基汞示意图Fig.3 Schematic illustration of the determination of methylmercury using mesoporous materials

如图3所示，在介孔材料MCM-41 的孔中填充大量的碱性藏红分子，材料表面则覆盖有方酸染料与硫醇的反应物，由于该反应物体积庞大，将碱性藏红染料5 封在介孔材料的小孔中。甲基汞由于具有亲硫性可以与巯基结合，方酸染料分子6 被释放出来，尽管这个反应本身就能引起光学响应，但系统强烈的信号放大是由同时被释放出来的大量碱性藏红染料引起[34]。该反应既有显色变化，又有荧光变化，利用显色反应检测限为0.5 mg/mL，利用荧光方法检测限低于2 μg/mL。用此方法测定酸解并经甲苯提取的鱼肉，甲基汞的检测值与标准值相吻合。但是该方法仅适用于有机介质，不适合水相中的测定。

2 电化学传感器

2.1 伏安法电化学传感器

1974年，Heaton 和 Laitinen 在滴汞电极上研究甲基汞电化学还原行为并提出其反应机理[35]，即在酸性介质中首先在电极表面可逆的产生甲基汞自由基，然后不可逆的还原成元素汞及甲烷，其主要反应如下：

根据此原理许多科研工作者用伏安法对甲基汞进行检测，然而由于甲基汞氧化还原反应是一个相对复杂的过程，涉及多个反应及产物，因此利用常规的伏安法还无法准确测定甲基汞特别是痕量甲基汞的含量。为此使用流动注射快速扫描阳极溶出法[36]、多方波伏安法[37]、差分脉冲阳极溶出伏安法[38]、循环、方波、快速扫描伏安法[39]来优化甲基汞的电化学检测条件。在电极的选择上从最初污染大的汞电极[35]，又开发出环境友好型的玻璃电极[37]、碳糊电极[40]、碳微电极[39]、铂电极[36]、以及金膜电极[38，41-42]，并通过用巯基树脂[40]、全氟化的阳离子交换剂Nafion[37]、金纳米颗粒和还原氧化石墨烯[43-44]来修饰电极，以达到预富集甲基汞的目的。为了消除汞离子的影响，使用二乙基三胺五乙酸（diethylene triamine pentacetate acid，DTPA）掩蔽汞离子[41-42]、或测量前将氯化亚锡加到提取液中以还原汞离子[43-44]。

虽然使用伏安法检测甲基汞取得了一定的进展，部分方法如流动注射快速扫描伏安法[36]或使用金纳米颗粒剂还原氧化石墨烯修饰电极法[44]在消解的鱼肉产品中进行了验证。但目前研究的方法多数线性范围窄，如文献[44]线性范围仅为 3 μg/mL～24 μg/mL；溶液的基质如高浓度氯离子、其他金属阳离子等对检测造成的影响还有待进一步研究。

2.2 电导率法电化学传感器

利用金纳米颗粒制作了一种可以检测阳离子的固态电化学传感器[45]，通过测定电导率的变化来测定甲基汞的浓度。将金纳米颗粒表面覆盖正己硫醇（nhexanethiol，HT）、以 n 个乙二醇（ethylene glycol，EG）终止的烷硫醇，形成条纹结构，详见图4。

图4 试验设计条纹纳米颗粒理想模型，组合及尺寸，纳米颗粒膜的侧面图Fig.4 Experimental set-up an idealized scheme of a striped nanoparticle，the scheme and the dimensions of the device，the side view of the nanoparticle film

不同阳离子的大小不同，与纳米颗粒的结合常数不同，使得金纳米颗粒表面的配体壳可以选择性的结合阳离子。n=3 时，甲基汞可以与该纳米颗粒表面的巯基结合，通过纳米颗粒/阳离子/纳米颗粒分子桥进行电子转移，纳米膜的隧道电流增加、电导增强。电导的改变同甲基汞浓度相关。该方法的灵敏度可以达到1 pmol/L，且可以方便快速的检测溶液中甲基汞含量，但是汞离子和铯离子会对检测结果有一定干扰。

3 其他化学传感器

微悬臂梁由于其体积小、成本低、灵敏度高等特点引起了广泛的关注，近年来被应用到传感器领域。微悬臂梁可以将悬臂梁表面的生化反应转化为纳米机械运动或者将表面的质量变化转变为频率变化，从而达到检测目的[46]。由于甲基汞易于同巯基作用形成复合物，以1，6-己二醇硫单分子层作为识别单元，以覆盖金的微悬臂作为转换器检测甲基汞浓度[47]。甲基汞与巯基结合后微悬臂梁表面应力发生变化，从而使悬臂发生弯曲，根据弯曲的程度可以检测甲基汞的含量。该方法首次将微悬臂梁应用于甲基汞的检测，检测限可以达到0.01 pmol/L，但是其缺点也很明显：由于汞离子也可以同巯基作用且可以沉淀到金膜的表面，因此无法区分汞离子及甲基汞，锌离子等阳离子与巯基作用也可能会影响检测结果。

碳点是一种具有强荧光、低毒性、荧光波长可调、光稳定性好、水溶性好、易于合成等特性的新型荧光纳米粒子[48]。用果糖（碳源）、聚乙二醇、乙醇、氢氧化钠合成碳点。甲基汞的疏水性使得其穿过聚乙二醇与碳点碰撞，通过电子转移过程促进非辐射电子/空穴复合湮灭，造成荧光猝灭。汞离子具有亲水性，且在pH 13的反应条件下是以Hg（OH）2的形式存在，无法像甲基汞一样与碳点发生作用。该方法可以在一分钟内完成碳点的合成以及甲基汞的检测，检测限可以达到5.9 nmol/L，且不受其他金属离子以及汞离子的干扰；用于鱼肉甲基汞含量检测，结果与标准值相吻合。

4 结论与展望

科研工作者对甲基汞传感器的研究涉及光化学、电化学等各个领域。然而相对于汞离子传感器来讲，甲基汞传感器目前尚处于起步研究阶段，真正商业化的传感器极少。其存在的主要问题包括：多数选择性较差，无法区分甲基汞与汞离子；目前研究主要在甲基汞溶液中开展试验，仅有少部分应用于湖水、鱼肉等实际样品中；部分方法检出限较高、线性范围窄，无法满足实际样品甲基汞含量检测需求；部分传感器仅适用于有机基质，不能在水相中进行；多数方法未对检出数值的准确性进行验证。

针对多数传感器无法区分汞离子及甲基汞的问题，部分研究使用螯合剂EDTA、NaS2、DTPA 等来掩蔽汞离子，或使用特定的DNA 来吸附甲基汞，或设计出大小形状适合甲基汞的金属有机骨架材料，通过上述方式在一定程度上提高了甲基汞检测的选择性。随着纳米技术的发展，纳米材料如金纳米颗粒、银纳米颗粒、金纳米簇、荧光碳点、稀土上转化纳米颗粒等也被广泛的应用到甲基汞传感器研究上来，其检测的灵敏度、选择性要优于其他检测材料，在甲基汞传感器发展方面具有一定的前景。

综上所述，目前发明出选择性强、灵敏度高、适用于实际样品检测的便携式甲基汞传感器仍有一定的挑战，如何利用甲基汞的专一性反应完成对甲基汞的有效识别是提高甲基汞传感器选择性与灵敏度的关键。