1 引言
随着社会和经济的高速发展,人类生产和生活水平得到极大提高的同时,也带来了严重的环境污染问题。工农业与日常生活中残留的化学污染物大量进入环境,其中大部分污染物因难以降解会在环境中长期存在,或通过生物富集作用对生态环境和人类健康造成巨大威胁,因此对环境污染物分析检测技术的研究极其重要。荧光分析方法因灵敏度高、选择性好、可进行实时和便携式检测等优点,在环境检测领域得到了较广泛的应用。传统的荧光探针传感机制,如静态猝灭效应(SQE)、动态猝灭效应(DQE)、光诱导电子转移( PET)、分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移( FRET)等,均对荧光探针的荧光特性和选择性等具有较高的要求,通常使探针的制备和检测过程复杂且耗时,限制了它们的实际应用[1⇓~3]。
荧光内滤效应(inner filter effect,IFE)是指吸收体对荧光体激发光或发射光(或对两者同时)的吸收,造成荧光体的荧光强度降低的现象[2]。与FRET等技术相比,IFE无需考虑荧光体与吸收体之间的特定作用距离和共价连接,避免了许多繁琐的表面修饰或标记过程,所以IFE作为一种简单有效、灵活方便的荧光猝灭机制逐渐引起人们的研究兴趣。IFE的产生需要吸收体的吸收光谱与荧光体的激发或发射光谱存在有效的重叠,由于吸收体的吸光度变化可以转化为荧光体荧光信号的指数型变化,从而增强了分析检测的灵敏度[2,3]。吸收体的消光系数越高,与荧光体之间的光谱重叠区域越大,IFE的猝灭效率就越高。由于传统的吸收体消光系数较小,荧光物质本身固定的激发或发射光谱也难以与吸收体的吸收光谱完全匹配,因此限制了基于 IFE 的荧光分析方法的发展。如今随着纳米技术的高速发展,一大批具有独特光学特性的新型发光纳米材料不断涌现,如半导体量子点(QDs)、二维材料量子点(2D QDs)、碳点(CDs)、金属有机骨架材料(MOFs)、上转换发光纳米颗粒(UCNPs)、金属纳米簇(MNCs)等,它们可以通过改变粒径大小或掺杂元素等方法来调节吸收体-荧光体之间的光谱重叠程度,所以被广泛运用在基于IFE的传感体系中。此外,贵金属纳米颗粒和二氧化锰纳米片等纳米材料通常比传统的生色团和催化产物等具有更高的消光系数,所以它们作为光学特性可调的荧光吸收体,在IFE传感领域具有巨大的应用潜力。
本文总结了近三年来IFE在环境检测中的研究进展,包括重金属离子、阴离子和小分子环境污染物等物质的检测,并分析了纳米材料在IFE传感体系中的重要作用,最后探讨了基于IFE的荧光分析方法所面临的挑战及发展方向。
2 IFE应用于环境检测
基于IFE的荧光分析方法具有操作简单灵活和灵敏度高等优点,在环境分析和生化分析等领域具有广泛的应用前景。由于荧光体和吸收体是组成IFE传感体系的两个主要单元,两者的光学特性和谱带重叠程度直接影响着IFE的猝灭效率,从而间接影响检测的灵敏度。所以不断发掘新型纳米材料,探索合适的吸收体-荧光体组合既能有效增强IFE传感体系的检测效果,又有利于开辟新的应用领域,促进基于 IFE 的荧光分析方法的发展。本文旨在介绍IFE在环境检测方面的最新研究进展,并分析纳米材料在其中的重要作用。
2.1 重金属离子检测
重金属离子的毒性具有长期持续性,经生物放大作用进入人体后会严重破坏人体器官或造成慢性中毒。水体重金属污染问题己引起人们的高度重视和深入研究,近年来已经开发了许多基于IFE的荧光分析方法来实现重金属离子的检测,所检测的重金属离子主要包括Cr6+、Fe3+、Hg2+和Cu2+等。
Cr6+因具有较宽而强的吸收带,可直接用作吸收体并猝灭荧光探针的荧光,在基于IFE的重金属离子检测领域受到了最多关注。作为IFE传感体系中常见的荧光供体,碳点具有荧光强度高、激发和发射波长可调、耐光漂白、水溶性好、生物相容性好等优点,有利于满足IFE的光谱重叠条件,在重金属离子检测方面得到了广泛的研究[4⇓⇓~7]。当Cr6+的吸收峰与碳点的激发峰存在谱带重叠时,将诱导两者间发生IFE,Cr6+作为吸收体将竞争吸收碳点的激发光,并导致碳点的荧光被猝灭。基于以上荧光猝灭原理,Yang等[8]通过一步水热法以天然海藻为碳源制备了高量子产率的碳点,以Cr6+作为 IFE 的荧光吸收体,合成的碳点作为IFE的荧光供体,由于Cr6+在371 nm处的吸收峰与碳点的激发峰存在谱带重叠,碳点的荧光因IFE的存在将被Cr6+明显猝灭,碳点荧光强度的变化与Cr6+浓度线性相关,所以借助IFE可实现对Cr6+的灵敏和选择性检测。而Cr3+可以被高锰酸钾(KMnO 4)氧化为Cr6+,所以采用上述方法可实现Cr3+和Cr6+的检测,为实现铬离子的价态分析提供了新的选择。众多研究表明,将氮(N)、硅(Si)、磷(P)、硫(S)等杂原子掺杂到碳点中可改变其电子结构,改善其光学特性,使量子产率、荧光寿命等极大提高[9⇓⇓⇓⇓⇓~15]。氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)[10]、Si-CDs[11]、N-CDs[16⇓~18]、S,N-CDs[19]等掺杂后的碳点被用作合适的荧光供体并参与构建基于IFE的传感体系,有助于提高荧光检测的灵敏度和稳定性。Li等[10]首次使用聚乙烯吡咯烷酮作为钝化剂和碳氮源,通过一步水热法同时实现了N-GQDs的表面缺陷钝化和氮掺杂,制备的N-GQDs具有64.2%的高荧光量子产率。由于Cr6+的吸收光谱与N-GQDs的激发光谱完全重叠,在IFE的影响下,N-GQDs的荧光将被显著猝灭,从而实现了对Cr6+的高灵敏检测,检出限低至91 nmol/L。但是,碳点相对较小的斯托克斯位移可能会导致其应用受限,因此如UCNPs[20]、硅量子点(SiQDs)[21]、聚合物量子点(PDs)[22]、荧光多氢喹啉衍生物(PHQ)[23]和铜纳米簇(CuNCs)[24]等具有较大斯托克斯位移或反斯托克斯位移、较高量子产率的荧光材料被研究作为IFE传感体系中荧光供体的有力竞争者,以实现Cr6+或Cr3+的高灵敏检测。
铁是生命活动所需要的微量元素,但摄入过量则会对人体健康产生不利的影响。Fe3+的检测在环境检测领域具有重要意义,荧光分析法因其操作简便、响应速度快、灵敏度高而备受青睐,已有大量的荧光传感器被用于Fe3+的检测。如,基于碳点的荧光探针在荧光检测领域中有众多报道,大多基于荧光猝灭原理以实现Fe3+的高灵敏检测[25⇓~27]。而在近年的研究报道中涌现了许多新型的荧光纳米探针,如石墨相氮化碳纳米片(g-C3N4 NNs)[28]、碳化钛量子点(Ti3C2 MXene QDs)[29]、UCNPs[30]、金铜双金属纳米簇(AuCu bi-MNCs)[31]、罗丹明B@金属-有机骨架复合材料(RhB@MOF)[32]、铪基金属-有机骨架材料(HfIV-based MOF)[33]等,它们是光学特性优异的荧光供体,有助于实现对Fe3+的高灵敏和选择性检测。Li等[34]制备了石墨相氮化碳量子点(g-CNQDs)并将其首次运用在基于IFE的重金属离子检测过程,合成后的g-CNQDs表面含有丰富的羟基和羧基官能团,Fe3+首先通过静电相互作用吸附在其表面,由于Fe3+的吸收光谱与g-CNQDs的激发和发射光谱都存在重叠,能快速猝灭g-CNQDs的荧光,从而实现了对Fe3+ 的高灵敏检测,检出限为23.5 nmol/L,远低于美国环保署( EPA) 规定的最大允许浓度(5.357 μmol/L)。如今类似于石墨相氮化碳、碳化钛、二硫化钼等二维材料衍生的量子点被不断开发,通常具有成本低、比表面积大、化学稳定性和生物相容性好等优点,但与半导体量子点或碳点相比,其量子产率仍有待提高。此外,关于Fe3+检测的报道大多基于荧光猝灭(turn-off)模式,比率型荧光检测模式(ratiometric fluorescence)较少。据报道,基于turn-off或turn-on的模式有可能导致假阴性或假阳性的检测结果,而ratiometric fluorescence模式可以最大限度降低环境和背景信号的影响,提高检测结果的可靠性[1]。Yan等[27]设计了一种基于IFE的比率荧光模式检测Fe3+的方法,当Fe3+不存在时,姜黄素的最大荧光发射峰位于525 nm处,其在420 nm处的吸收峰则与碳点的发射峰基本重叠,因此碳点的荧光因IFE的作用被显著地猝灭。当Fe3+加入后能够与姜黄素形成络合物,使姜黄素在420 nm处的吸收峰减弱且在525 nm处的荧光强度降低,由于姜黄素的吸收光谱与碳点的发射光谱的重叠区域减小,IFE被抑制,所以碳点在420 nm处的荧光强度将恢复,从而实现了对Fe3+的比率荧光检测,检出限为18.11 nmol/L,这种方法有利于降低环境和背景因素的干扰。
Hg2+是典型的剧毒重金属离子,痕量的Hg2+就能产生很强的毒性。由于Hg2+的吸收特性较弱,无法直接作为IFE中的吸收体,通常需要借助具有高消光系数的纳米材料、生色团或催化产物等作为高效的荧光吸收体。由于贵金属纳米颗粒具有高消光系数和独特的局域表面等离子体共振特性,当材料的形貌、表面性质、反应环境或颗粒之间的距离发生改变时,其紫外-可见吸收峰会发生变化,同时溶液的颜色也会相应地改变[35,36]。因此,采用贵金属纳米颗粒作为IFE中的荧光吸收体,通过改变贵金属纳米颗粒的形貌或聚集状态可以调节其吸收光谱的变化,从而影响荧光的猝灭效率。利用Hg2+能够抑制核-卫星纳米结构生成的策略,Zhao等[37]将金纳米棒(AuNRs)与金纳米颗粒(AuNPs)组成的核-卫星结构用作IFE体系中的荧光吸收体,罗丹明6G作为荧光供体,与未发生组装的AuNRs与AuNPs混合物相比,由于核-卫星结构的等离子激元共振峰发生红移和展宽,使谱带重叠区域增大,IFE和等离子体共振耦合效应得到加强,所以该结构的荧光猝灭效率提高了约18%。具体实验原理是,将对巯基苯胺(p-ATP)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为修饰剂,经过表面官能化的p-ATP @AuNRs和CTAB @AuNPs利用配体交换两步法可组成核-卫星纳米结构,该结构的横向吸收峰与罗丹明6G的发射峰存在重叠,能诱发IFE并导致罗丹明6G的荧光猝灭。当Hg2+加入后将竞争性地结合AuNRs表面上的p-ATP,导致核-卫星结构的组装受到抑制且谱带重叠区域减少,使IFE减弱并导致罗丹明6G的荧光恢复,从而实现对Hg2+的定量检测,检出限低至0.18 nmol/L,线性范围为0.6~800 nmol/L。除了贵金属纳米材料,为探索新的吸收体-荧光体组合,四苯基卟啉四磺酸(TPPS)[38]、2,3-二氨基吩嗪(DAP)[39]、卟啉(porphyrins)[40]等具有较高消光系数的生色团或催化产物被用作IFE传感体系中的荧光吸收体,有助于实现Hg2+的间接检测。
基于IFE实现对其他金属离子的检测也有报道,如Cu2+[41~44]、Mn7+[45,46]、Pb2+[47]、As3+[48]、Co2+[49]等,其中上转换纳米颗粒(UCNPs)、持久发光纳米颗粒(PLNPs)等荧光纳米材料被用作荧光供体,可实现对金属离子的定量检测。UCNPs可将长波长辐射转换为短波长辐射,具有较大的反斯托克斯位移、较窄的发射光谱和有效降低背景荧光干扰等特点。Hong等[50]基于支链聚乙烯亚胺(BPEI)官能化的UCNPs设计了一种比色和荧光双信号检测Cu2+的方法,首先利用BPEI对UCNPs进行表面修饰,当加入Cu2+后,UCNPs表面的BPEI将与Cu2+形成配合物,由于BPEI-Cu2+配合物较宽的吸收光谱与UCNPs的发射光谱存在重叠,所以BPEI-Cu2+能有效地猝灭UCNPs的荧光,同时溶液颜色随Cu2+浓度增加会从无色变为蓝色,且Cu2+浓度与BPEI-Cu2+配合物在635 nm处的吸收强度变化线性相关,最后成功实现了自来水样品中Cu2+的检测,比色法检出限为69 μmol/L,荧光法检出限为45 nmol/L。该报道中比色和荧光双模式检测的协同作用有利于提高灵敏度、降低检出限和扩大检测范围。此外,持久发光纳米颗粒(PLNPs)具有长余辉、低毒性、高信噪比、可去除自发荧光干扰、光稳定性和组织穿透力强等优点,适用于生物成像和复杂环境的检测。Wang等[48]基于具有近红外发射的PLNPs开发了一种检测As3+的荧光探针,首先将聚乙烯亚胺(PEI)和二硫苏糖醇(DTT)分别修饰到PLNPs和金纳米棒颗粒(AuNPs)表面,表面带负电的DTT-AuNPs通过静电作用可吸附在带正电的PLNPs-PEI周围。由于DTT-AuNPs位于700 nm处的纵向吸收峰与PLNPs-PEI的发射峰基本重叠,DTT-AuNPs可以强烈猝灭PLNPs-PEI的荧光,当As3+加入后将与带巯基的DTT-AuNPs结合,使DTT-AuNPs脱离PLNPs-PEI表面且IFE的猝灭效率降低,从而恢复了PLNPs-PEI的荧光,成功实现对As3+的高灵敏检测。近年来,本课题组一直专注于重金属离子的电化学和光学检测,分别基于金纳米材料和荧光染料针对Hg2+实现了超灵敏的局域表面等离子体共振(LSPR)传感器制备和荧光检测[51⇓~53]。目前本课题组正在尝试将金属纳米材料和具有高荧光量子产率的核壳量子点或碳点结合,构建简单、便携式的IFE传感器检测重金属离子。
2.2 阴离子检测
亚硝酸盐在食品添加剂、防腐剂和肥料中运用广泛,是一种危险的致癌物,极易诱发血液和神经系统相关的疾病。Song等[58]制备了石墨相氮化碳量子点(g-CNQDs)作为IFE传感体系中的荧光供体,并将Fe2+与向红菲咯啉(BPS)特异性结合后的红色络合物(BPS-Fe2+)作为荧光吸收体,BPS-Fe2+的最大吸收峰在535 nm处,与g-CNQDs的发射峰基本重叠,所以在IFE作用下g-CNQDs的荧光被猝灭。当NO-2存在时,红色络合物BPS-Fe2+被氧化成无色的BPS-Fe3+,它具有不同的吸收特性,g-CNQDs的荧光将恢复,从而成功构建了一种荧光、比色双模式的NO-2检测方法,对水和香肠样品中的NO-2实现了简单、灵敏的荧光和视觉检测。除此之外,香豆素衍生物[59]和氮掺杂碳点[60]也被用作IFE中的荧光供体实现了食品样品中NO-2的检测,为NO-2的高灵敏和选择性检测提供了新的选择。
S2-是一种常见的环境污染物,对人体的血液、黏膜和消化系统等器官组织极易造成伤害,甚至能引发人类某些高危疾病,如阿尔茨海默症和心血管疾病等。由于二氧化锰(MnO2)纳米片具有较高的消光系数和显著的荧光猝灭效果,所以在FRET和IFE中可作为荧光猝灭剂使用。Liu等[61]设计了一种基于IFE和“turn-on”传感策略检测S2-的方法,分别将MnO2纳米片和碳点作为高效的吸收体和荧光体,由于MnO2的吸收光谱与碳点的激发和发射光谱重叠,所以MnO2可以猝灭碳点的荧光,当加入S2-后,MnO2被还原为Mn2+,导致MnO2纳米片的吸收强度下降,使IFE减弱且碳点的荧光恢复,从而成功实现对废水样品中S2-的快速、灵敏和选择性检测。铜纳米簇[62]、碳点[63,64]也被用作IFE中的荧光供体,有效实现了S2-的低成本和高灵敏检测。
2.3 小分子环境污染物检测
2.3.1 农药残留检测
农药是农作物能够增产增收的重要保障,但农药残留存在着严重的食品安全隐患,威胁着人类的生命健康,因此针对农药残留快速准确的检测分析技术已引起人们的高度关注。有机磷农药(OPPs)具有环境持久性和效率高等优点,但它们对动物体内的胆碱酯酶,尤其是乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase, AChE)活性表现出显著的抑制作用,将引起人体内神经递质乙酰胆碱的累积,造成神经功能的紊乱[1]。所以有机磷农药可有效抑制酶的活性或作为重要的底物参与酶催化反应,从而间接影响荧光强度变化。基于上述原理,且因碳点具有优异的荧光特性,He等[65]构建了一种基于IFE的酶抑制型碳点荧光探针,并成功用于土壤样品中对氧磷的检测。具体检测原理是当溶液中不存在对氧磷时,AChE可以催化乙酰胆碱酯(ATCh)水解为硫代胆碱(TCh),后者能够与5,5'-二硫代双(2-硝基苯甲酸)(DTNB)发生特异性反应生成产物5-巯基-2-硝基苯甲酸(TNB),由于TNB的吸收光谱与N,Cl-CDs的激发光谱重叠,导致N,Cl-CDs的荧光被显著猝灭。反之当对氧磷存在时,AChE的活性被抑制,生成TNB的量随之减少,N,Cl-CDs的荧光将恢复,因此能够实现对氧磷的定量检测。但是类似于AChE等生物酶在实际检测时较容易受到外界条件的影响,而且在保存和运输中容易降解或变性,为避免这些问题,无机催化剂可能是酶的理想替代品。Li等[66]采用具有类似磷酸酶性质的CeO2作为纳米酶,使甲基对氧磷被催化水解为对硝基苯酚(p-NP)和磷酸基团,由于p-NP的吸收光谱与碳点的激发光谱重叠,碳点的荧光被猝灭,从而实现甲基对氧磷的定量检测,线性范围为1.125~26.25 μmol/L,检出限为0.375 μmol/L。之后基于相同的催化反应,他们[67]又设计了一种快速、简便的荧光和视觉双信号策略用来检测甲基对氧磷,在便携式检测方面具有潜力。
在近年来的研究报道中,为了增强IFE的猝灭效率并提高IFE传感体系的可靠性和抗干扰能力,持久发光纳米棒(PLNRs)[68]、金纳米簇(AuNCs)[69]、发光金属有机骨架(RhB@LMOF-1)[70]等纳米材料被用作IFE中的荧光供体,实现了农药残留物的高灵敏和高可靠性检测。如PLNRs由于特殊的磷光特性,与一般的荧光团相比,能够降低或消除背景信号。Zhang等[68]设计了一种具有比色-磷光双信号的水胺硫磷适体传感器。该适体传感器基于以下原理,即适配体修饰的AuNPs能够在氯化钠溶液中保持稳定分散状态,其最大吸收峰位于520 nm处且溶液呈红色,由于AuNPs的吸收峰与PLNRs的发射峰存在较大重叠,PLNRs的荧光被显著猝灭。当加入水胺硫磷后,水胺硫磷与适配体发生特异性结合,AuNPs失去稳定剂保护会被高浓度氯化钠诱导团聚,使AuNPs在520 nm处的吸收强度减小且光谱重叠区域减少,PLNRs的荧光将恢复,溶液由红色变为蓝色,从而实现了水胺硫磷的比色-磷光双信号检测。与传统的比色或磷光分析法相比,两者结合获得了更大的检测范围和较可靠的检测结果。金属纳米簇具有低毒性、良好的光稳定性、较大的斯托克斯位移和较宽的激发光谱,适合作为IFE传感体系中的荧光供体,有利于提高IFE的猝灭效率和检测信号的稳定性。Wang等[69]首次制备了溴敌隆的单克隆抗体,并在常规酶联免疫吸附测定(ELISA)的基础上引入了AuNCs,实现了血清中溴敌隆的高灵敏荧光检测。常规ELISA过程中采用碱性磷酸酶(ALP)催化对硝基苯磷酸盐(pNPP)水解为对硝基苯酚(p-NP),当引入AuNCs后,由于p-NP的吸收光谱与AuNCs的激发光谱完全重叠,导致AuNCs的荧光被猝灭,AuNCs的荧光猝灭程度与ALP活性(即代表溴敌隆浓度)相关,该方法的检测结果比常规ELISA的LOD低一个数量级以上,其灵敏度和可靠性能够满足临床诊断需求。但是,AuNCs较低的量子产率可能是未来广泛应用的限制。与金、银纳米簇相比,铜纳米簇或双金属纳米簇最近引起了更多关注,因为铜是地球上储量丰富的廉价金属。此外,基于碲化镉(CdTe QDs)的量子点比率荧光探针(RF-QDs)有效提高了IFE检测体系的可靠性和抗干扰能力,在减少系统误差并提高灵敏度和准确性方面具有优势。Dai等[71]构建了一种比率荧光传感器来检测有机氯农药百菌清(CHL),通过将两种不同颜色的CdTe QDs杂化设计得到 RF-QDs,其中显红光的量子点在硅球中充当参考信号,发射峰在642 nm处,而显绿光的量子点则附着在硅球表面上作为响应信号,发射峰在542 nm处。由于RF-QDs在542 nm的发射峰与AuNPs的吸收峰部分重叠,因此RF-QDs在该处的荧光被AuNPs猝灭。百菌清(CHL)是木瓜蛋白酶(PAP)的抑制剂,PAP则具有催化水解鱼精蛋白(PRO)的作用,当CHL存在时,PAP活性被抑制,表面带正电荷的PRO通过静电相互作用诱导带负电荷的AuNPs团聚,RF-QDs在542 nm的荧光恢复。当CHL不存在时,PAP水解切割PRO,导致AuNPs解聚集, RF-QDs在542 nm的荧光被猝灭。因此,通过该方法实现了农业和食品样品中CHL的高灵敏检测,而且由于RF-QDs具有内置校准功能,有利于消除环境影响并提高检测的准确性。Wang等[72]借助硫掺杂碳点和铜纳米簇作为双发射比率荧光探针,运用类似的比率荧光检测策略同样实现了烟碱类杀虫剂呋虫胺的高灵敏和高选择性检测。目前,除了代表性的有机磷农药,有机硫农药如福美铁[73]、福美锌[74],有机氯农药如氯噻啉[75]等农药残留物也已经基于IFE传感平台实现了检测。
抗生素日益严重的滥用行为,使其残留物在环境中广泛存在,极易导致耐药菌的产生并带来各种毒副作用,将对生态环境和人体健康造成严重威胁。部分种类的抗生素,如四环素类抗生素因吸光系数较强常被作为IFE的荧光吸收体。CDs[76⇓⇓~79]、MOFs[80⇓⇓~83]、沸石咪唑骨架材料(ZIF-8)、铝基金属-有机骨架材料(Al-MOF)[84]、SiNPs[85,86]、MoS2 NPs[87]、CuNCs[88]等优异的荧光纳米材料被用作荧光供体,为实现抗生素类残留物的高灵敏检测提供了新的选择。以碳点为例,一些功能独特的碳点如超长室温磷光碳点、近红外荧光碳点等被用作新型荧光供体以实现四环素类抗生素的灵敏和可靠检测[89,90]。Lin等[90]制备了一种近红外荧光碳点,由于土霉素或诺氟沙星较宽的吸收光谱与近红外荧光碳点的激发光谱存在谱带重叠,在IFE的影响下,碳点的荧光猝灭程度与其浓度相关,从而在牛奶样品中实现了这两类抗生素的定量检测。报道中使用的近红外荧光碳点具有较高量子产率和良好的光稳定性,还可以有效避免复杂基质中的自发荧光和散射光等干扰信号,从而使检测结果具有更高的灵敏度和可靠性,但缺点是选择性还有待提高。除碳点外,发光金属有机骨架材料具有比表面积大、孔隙率高、稳定性强、易功能化修饰和荧光强度高等优点,有利于高效富集待测物和实现可逆吸附功能,从而提高检测灵敏度和实现材料循环利用,所以在荧光检测领域日益受到重视。Li等[84]通过将ZIF-8固定在 Al-MOF上制备了一种异质结构MOFs复合材料(ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)),由于在NH2-MIL-53(Al)表面上合成的ZIF-8尺寸较小,将有利于增大其比表面积且增加靶标的相互作用位点,极大提高了对四环素的选择性和吸附能力(具体机理为化学吸附、氢键和π-π堆积相互作用),出色的吸附能力与预富集效应也有助于降低检测限和提高检测灵敏度。由于四环素的吸收光谱与ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)的激发光谱重叠,所以在IFE、PET和预富集效应的协同作用下,ZIF-8/NH2-MIL-53(Al)的荧光将被四环素强烈地猝灭,从而同时实现了四环素的吸附去除和高灵敏荧光检测。传统的四环素污染物去除与检测技术主要依靠昂贵的化学试剂或大型仪器,操作复杂且耗时,难以同步实现污染物的检测与去除。基于IFE原理和MOFs复合材料制备的荧光探针能够同时捕获和检测四环素,具有操作简便、响应迅速和灵敏度高等显著优点,使用丙酮作为洗脱剂还可实现材料循环利用,此法为开发能够同时捕获和检测目标分析物的传感器提供了新的方案,但这类传感器在灵敏度、吸附容量和吸附选择性方面仍有待提高。除了四环素类抗生素,一些常见的抗生素类残留物还包括硝基呋喃类的呋喃妥因[91]、氨基糖苷类的卡那霉素[92]、硝基咪唑类的甲硝唑[93,94]、头孢菌素类的头孢克肟[95]等,都基于IFE传感体系实现了可靠的定量检测。
2.3.2 硝基芳香族化合物检测
硝基芳香族化合物包括硝基苯、硝基苯酚、硝基苯胺等,被广泛用于医药、农药、染料、爆炸物及其他化工产品的生产,具有化学性质稳定、高毒性和易生物富集等特点,容易被皮肤和肺吸收,并作用于血液、肝脏及中枢神经系统,严重威胁人类健康。在基于IFE传感体系检测硝基苯类化合物的过程中,通常以目标分析物作为吸收体,而CDs[96,97]、AuNCs[98,99]、CuNCs[100]、硅纳米颗粒(SiNPs)[101]、二硫化钼量子点(MoS2 QDs)[102]、g-C3N4[103]、CdTe QDs[104]、氮化硼量子点(BNQDs)[105]等荧光纳米材料被用作合适的荧光供体,从而实现了硝基苯酚及其同分异构体、2,4-二硝基苯酚、2,4,6-三硝基苯酚等化合物的高灵敏和选择性检测。如,Chen等[101]通过一步水热法制备了一种发射波长可调的SiNPs,由于2-硝基苯酚的吸收光谱与SiNPs的激发光谱有较大重叠,基于IFE和静态猝灭效应(SQE)的协同作用,SiNPs的荧光被明显地猝灭,从而实现了2-硝基苯酚的高灵敏和选择性检测。尽管SiNPs具有良好的荧光特性、易功能化、低毒性等优点,但其量子产率还有待提高,应用研究仍相对滞后,上述方法不仅为2-硝基苯酚的检测提供了一个新的途径,还扩展了SiNPs的潜在应用。此外,碳点因具有优异的荧光特性常常充当IFE的荧光供体,基于碳点实现硝基苯酚类化合物检测的报道也非常多。Luo等[106]利用4-硝基苯酚(4-NP)在不同酸碱条件下最大吸收波长会发生变化的特点,制备了一种基于pH调控的荧光纳米开关,在碱性环境中4-NP的吸收光谱与水溶性荧光聚合物碳点(PCDs)有较好的重叠,IFE有效,PCDs的荧光被猝灭,但在酸性环境中4-NP的吸收波长蓝移,谱带不再重叠且IFE消失,PCDs的荧光将恢复。他们还利用聚酰胺薄膜作为PCDs的固定载体,成功实现了对4-NP的快速、灵敏、便携的荧光和可视化检测。传统的碳点掺杂策略主要以非金属元素为主,现在基于金属元素的碳点掺杂策略正受到越来越多的关注,因为其能极大改善碳点的光学性能[107,108]。Wang等[108]通过水热法合成了Cr(Ⅲ)掺杂的碳点(Cr-CDs),其具有不依赖激发的荧光特性且量子产率达到20%。由于Cr-CDs激发光谱与4-NP的吸收光谱存在谱带重叠,Cr-CDs的荧光被4-NP猝灭,所以基于IFE可以实现4-NP的高灵敏检测,检出限为0.27 μmol/L。众所周知,2,4,6-三硝基苯酚(TNP)不仅是环境中的有毒污染物,更是一种危险的炸药,实现其高灵敏、高可靠性的现场快速检测具有十分重要的意义。Lee等[104]制备了4种聚噻吩衍生物包裹的CdTe QDs,使CdTe QDs的量子产率和稳定性显著增强,由于TNP的吸收光谱与共轭聚噻吩修饰的CdTe QDs(TCPQDs)的发射光谱高度重叠,所以基于IFE和分子间相互作用(包括静电、π-π和氢键)的协同效应,TCPQDs的荧光被TNP强烈猝灭,从而成功实现了对TNP的高灵敏检测,检出限低至0.56×10 -9 mol/L。他们将其制备成荧光试纸,利用智能手机作为成像和分析平台,可实现现场快速定量和可视化检测TNP,为防止环境污染和恐怖分子的威胁提供了新的便捷途径。
如今,一些便携式荧光传感器相继被开发用于有机污染物的现场快速检测,在环境检测领域展现出巨大的潜力[109⇓~111]。如Iyer等[112]首次制备了一种具有聚集诱导发光增强特性的萘酰亚胺衍生物(NMI)作为IFE中的荧光供体,由于4-硝基苯胺(4-NA)的吸收光谱与NMI探针的激发和发射光谱存在重叠,在IFE影响下NMI探针的荧光被猝灭,所以可实现对4-NA的定量检测。他们将荧光探针制备成荧光试纸后,其对4-NA的检出限为10-4 mol/L,具有便携性好、低成本和快速响应等优点。除此之外,三硝基甲苯(TNT)的快速、可靠、现场检测事关国土安全,George等[113]利用聚乙烯亚胺包覆的铜纳米簇(PEI-CuNC)作为IFE的荧光体,当加入TNT后,由于TNT的吸收光谱和PEI-CuNC的激发光谱存在重叠,因此IFE是导致PEI-CuNC荧光猝灭的机制之一。另外TNT能与PEI-CuNC表面的PEI(含氨基)结合生成迈森海默配合物,其与PEI-CuNC之间存在FRET和PET作用,并使溶液由浅绿色变为红色,所以基于FRET、PET和IFE的协同作用,PEI-CuNC的荧光能被TNT显著地猝灭,从而实现了一种荧光和比色双信号检测TNT的方法。在将PEI-CuNC制备成荧光试纸后,检出限仍能达到10 nmol/L,为公共安全领域作出了重要贡献。除了上述提到的荧光试纸方法,Vigalok等[114]同样基于IFE原理提出了一种新颖、实用的短波滤光技术(SWIFT),其具体原理是,荧光体在实际检测过程中的激发波长(λexc)应比最大吸收波长(λmax)更短(通常间距大于100 nm),所以当分析物或其相关的反应产物等作为吸收体存在时,将引起λexc处吸收峰的变化,由于IFE的影响,荧光体的荧光信号强度将会被猝灭或增强,从而实现对分析物的检测,但同一荧光体在λmax处激发的荧光信号强度将始终保持不变,所以可以全程监控荧光体的完整性和稳定性。该技术可以将荧光发射单元和分析物响应单元进行分离式的设计,实现了荧光物质的回收利用,而且通过使用商业化的荧光染料(如BODIPY等)和常见的分析试剂(如Ellman试剂)就可以直接实现硫醇等物质的荧光检测,有助于实现污染物的现场快速检测或连续在线监测。因此,在基于IFE的荧光检测领域中,以荧光薄膜、试纸和微流控芯片等作为便携式传感单元,结合智能手机或其他微型分析仪(集成光学元器件)作为图像数据获取和处理的平台,有利于实现污染物的现场快速定量和可视化检测。
2.3.3 其他常见小分子化合物的检测
在近年来的研究报道中,基于IFE的传感平台在检测小分子化学物质方面的研究居多,除了有机污染物,还包括抗坏血酸[115]、多巴胺[116]、尿素[117]、姜黄素[118]、甲氨蝶呤[119]等有机小分子化合物,它们存在于人体或各种药物之中,一旦过量或缺乏则有可能对人体造成伤害,或者代表着人体处于非健康状态,所以通过基于IFE的传感平台实现对它们简单、灵敏、便携式的荧光检测在医学诊断、生物制药等方面具有重要意义。如人体内抗坏血酸(AA)缺乏可能导致坏血病,过量则会引起腹泻甚至尿结石,Tan等[115]基于碳点和MnO2纳米片设计了一种荧光和磁共振成像双信号传感策略,当AA不存在时,碳点的荧光将被MnO2猝灭,这是由于两者间的谱带重叠使IFE生效。如果AA存在,MnO2将被AA还原为Mn2+,IFE被抑制,碳点的荧光将恢复,且Mn2+的释放使水中质子的弛豫时间急剧减小,磁共振信号变化明显,从而实现了AA的高灵敏检测。其他如姜黄素、甲氨蝶呤等吸收带较强的小分子化合物可作为吸收体,Gong等[118]和Sun等[119]分别将姜黄素、甲氨蝶呤作为IFE体系中的荧光吸收体,碳点作为荧光供体,实现了IFE传感体系的简单构建和它们的高灵敏检测。
3 结论及展望
基于IFE的荧光分析方法具有灵敏度高、选择性好、操作简单灵活、可进行现场和便携式检测等优点,在众多领域拥有广泛的应用前景。本文总结了近年来IFE在环境检测中的研究进展,包括重金属离子、阴离子和小分子环境污染物等物质的检测,并分析了纳米材料在IFE传感体系中起到的重要作用。研究发现,IFE在环境检测方面存在以下几个趋势:(1)针对环境污染物中吸收带较强的目标分析物,通过开发具有特定光谱的荧光供体可较简单实现高灵敏和准确检测,但要注意避免干扰。(2)通过使吸收体与荧光体之间的光谱重叠区域进一步增大,或利用IFE和其他传感机制、信号放大技术的协同效应有助于提高荧光猝灭效率和检测灵敏度。(3)比率型荧光检测方法开始受到重视,其可以最大限度降低背景因素的干扰,提高灵敏度和可靠性;多模式检测方式备受关注,如荧光和比色双模式检测的协同作用有利于提高灵敏度、降低检出限和扩大检测范围。(4)基于IFE的荧光探针与其他基质材料进行组装可以制得复合材料,在基本保持荧光探针原有优异特性的同时,可以增强稳定性和对分析物的响应速度等特性,而且通过借鉴类似荧光试纸的思路,将反应体系由液相转移至固相载体上,能够提高使用的便携性和实时定量原位检测的能力,是IFE在环境检测方面的重要发展方向。
尽管IFE在环境检测应用研究方面有了一些进展,但仍面临着一些挑战:(1)可作为荧光体和吸收体的材料还待进一步探索和改进,荧光纳米材料的量子产率和稳定性还有待提高,除贵金属纳米材料以外还需积极探索其他具有高消光系数的材料作为吸收体。(2)在复杂的实际环境中易受外界环境变化和共存干扰物的影响而导致检测灵敏度降低,需要考虑提高材料和方法的选择性、可靠性。(3)目前基于IFE的荧光分析方法检测靶标一般为单个,实现多靶标同时检测的报道较少,需要充分发掘和利用IFE传感体系及相关纳米材料的优势。除了环境检测领域,如今IFE在生物标志物检测和疾病诊断等方面也有大量研究报道,所以基于IFE的荧光传感器具有广阔的应用前景。