1 引言
金属中包含固定的阳离子和高速运动的自由电子，在没有外力作用时，它们之间的相互作用可忽略，此时，自由电子可被视为没有相互作用的理想气体。为了保持电中性，带正电荷的阳离子均匀地分布在整个体积中，并与自由电子的负电荷中和。由于该模型类似于等离子体，因此被称为金属中的等离子体。受电磁干扰的金属内部电子密度分布不均匀，在库仑力的作用下，部分电子会被吸引到正电荷过剩的区域。由于动量的获得，被吸引的电子不会停留在引力和斥力平衡位置，会向前运动一定距离，然后电子间的排斥作用会迫使聚集的电子再次离开该区域，从而形成整个电子系统的反复集体振荡，这种振荡以波的形式表现称为等离子体波。
当一束光照射金属纳米颗粒时，入射光会驱动金属表面的传导自由电子集体运动，导致表面电子云偏离原子核。同时，电子云与原子核间的库仑作用又会吸引电子云向原子核方向运动。因此电子在原子核附近集体振荡，产生局域表面等离激元。当纳米颗粒的尺寸远小于入射波长，且入射光的频率与自由电子的振荡频率相同时，会产生共振，这将极大地增强表面电子的集体振荡，这种现象称为局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance，LSPR），其宏观表现为在紫外-可见吸收光谱中表现出特征吸收峰，称之为LSPR峰。纳米粒子的尺寸、形貌、表面组成和介电环境以及纳米粒子和其他物质之间的相互作用等都可引起LSPR光谱变化，在宏观上引起纳米粒子溶液的颜色显著变化，因此基于目标物直接或间接引起纳米粒子尺寸、形貌、表面组成、外部环境等的改变可构建比色传感。
与荧光光谱法、表面增强拉曼散射等光学检测方法相比，比色分析方法由于设备简单价格便宜、操作简单快速、测试结果可视化、检测成本低、响应时间快等而被广泛应用。由于检测方法原理固有的原因，传统依靠有色试剂的比色分析法受到检测环境的复杂性和样本多样性的影响，其灵敏度在实际应用中受到限制［1］。随着纳米科学技术的发展，基于金属纳米材料LSPR的比色分析法作为一种有效、强大的分析方法已变得非常有价值。越来越多的金属纳米材料，如金/银纳米颗粒（Au/AgNPs）、金纳米棒（AuNRs）、金纳米双锥（AuNBPs）、银纳米三角（AgNPRs）、双金属纳米材料等，因其独特的物理和化学性质、可调的LSPR、高稳定性、良好的生物相容性和易于修饰而被广泛用于比色传感器的构建，广泛应用于生命相关物质和化学污染物的检测和分析［2-3］。
本文主要介绍了贵金属纳米颗粒等离子共振比色LSPR传感机理，重点介绍了基于聚集引起的LSPR比色传感以及基于刻蚀和生长引起“非聚集”LSPR两类传感模式构建的原理及应用。总结了基于不同化学成分、尺寸、形貌、表面性质的贵金属纳米粒子对不同分析物的响应的LSPR光谱特点和溶液颜色变化特点，并针对比色传感中面临的选择性问题，简单介绍了比色分析传感阵列的构建和使用。最后，对纳米粒子LSPR比色传感面临的问题进行了简单归纳并对其研究前景进行了展望。
2 基于团聚构建的比色传感
为使金属纳米颗粒在溶液中稳定存在，通常在其表面修饰功能化基团。常见稳定剂有带电的小分子、聚合物和聚电解质，它们通过电荷排斥和空间位阻稳定纳米粒子，如图1A和B所示。由于纳米颗粒间等离子体耦合，纳米颗粒的聚集会导致LSPR特征峰的显著红移，伴随着溶液颜色的显著变换。一般纳米颗粒的团聚分为两类：基于交联作用的团聚和非交联作用的团聚，如图1B所示。交联聚集是指在目标检测物的存在下，检测物与纳米颗粒表面的修饰剂通过形成氢键、金属-配体配位、DNA链的杂交、核酸适配体-靶标相互作用、抗体-抗原相互作用等，克服了纳米粒子之间的排斥力，引发聚集。非交联聚集是指待测物加入后与纳米粒子表面的修饰剂作用，导致粒子表面稳定双电层遭受破坏，或稳定剂从粒子表面脱离或者减少，使表面介质环境发生明显改变，从而引起聚集和溶液颜色的变化。例如，柠檬酸修饰AuNPs表面覆盖有带负电的柠檬酸根离子，因此能够稳定存在于水中，当加入NaCl，其表面电荷被添加的盐屏蔽，从而引起的聚集属于非交联聚集。
图1 纳米粒子基于电荷排斥稳定和空间位阻稳定（A），纳米粒子基于交联团聚和非交联团聚（B）的示意图，基于DNA-AuNPs比色检测Hg2+（C）［34］以及基于季铵基封端的AuNPs比色检测Hg2+（D）的示意图［37］Fig. 1 Schematic illustration of nanoparticles based on charge repulsion stability and steric hindrance stability（A）， nanoparticles based on cross-linked agglomeration and non-cross-linked agglomeration （B）， colorimetric detection of Hg2+（C） based on DNA-AuNPs［34］ and colorimetric detection of Hg2+ （D） based on quaternary ammonium-terminated AuNPs［37］. Copyright 2007， Wiley，Copyright 2010， American Chemical Society |
2.1 基于金纳米颗粒（AuNPs）和银纳米颗粒（AgNPs）团聚构建的比色传感
自从Mirkin等［9］于1997年开创基于AuNPs比色分析工作以来，基于纳米粒子的比色测定方法已引起广泛关注。AuNPs、AgNPs和CuNPs被用于距离调控的LSPR比色传感分析。由于CuNPs在溶液中易于氧化，以CuNPs构建的比色传感较少［10-11］，绝大部分传感以AuNPs和AgNPs进行构建。常用的柠檬酸修饰的粒径13 nm左右的AuNPs分散状态呈现鲜艳的酒红色，吸收波长在520 nm左右，当AuNPs团聚粒子之间距离减小后，溶液呈现蓝灰色，最大吸收波长红移至700 nm，如图2A所示［12］。分散状态下AgNPs呈现黄色，最大吸收波长在400 nm左右，根据引起AgNPs团聚的作用不同或分析物性质不同，聚集后的AgNPs呈现出棕色、红色、紫色等不同颜色，吸收波长发生红移，如图2B所示。利用AuNPs和AgNPs的上述特性，设计方案使被测物选择性引起AuNPs和AgNPs的团聚或分散，可实现对金属离子、有机小分子和大分子的检测。
2.1.1 基于交联型团聚的比色检测
对于交联型聚集，小分子、金属离子、蛋白、DNA等目标物可选用氢键交联、金属-配体交联、DNA杂化等不同的交联方式。为实现对目标物的特异性识别，需要对纳米粒子表面进行修饰。对于有机小分子的检测，可使目标物与纳米粒子表面官能团形成氢键诱导纳米粒子的聚集［13-21］。典型的例子是利用三聚氰胺的氨基可以与3-巯基丙烷磺酸钠修饰的AuNPs表面的磺酸基形成氢键作用（一般一个三聚氰胺能和3个3-巯基丙烷磺酸钠形成氢键），从而引起AuNPs团聚，使AuNPs的LSPR向长波移动，伴随着溶液颜色由红色变成蓝色［13］。类似的，基于硝基胍与AuNPs表面的尿酸形成氢键导致AuNPs聚集的策略定量硝基胍的比色［14］；基于吗啡的羟基和呋喃类氧杂环可以与柠檬酸修饰的Au@Ag表面存在的柠檬酸基团形成强氢键检测吗啡［15］；基于三唑磷与柠檬酸盐修饰AgNPs通过氢键、π-π相互作用发生聚集颜色由黄色变为紫红色检测三唑磷等［16］。Rujiralai团队［17］提出基于半胱氨修饰的表面带氨基的AuNPs与伏马菌素B1水解产物之间的强氢键作用引起AuNPs团聚检测伏马菌素B1。伏马菌素B1含有几个羟基和一个脂族胺基，这些基团能够通过氢键相互作用与Cys-AuNPs相互作用。然而，可能是由于大分子的空间位阻，基于未水解的伏马菌素B1和Cys-AuNPs之间直接相互作用的聚集现象不明显。通过水解方法将伏马菌素B1结构改变为带有多个羟基的短链分子，在pH 9下成功诱导AuNPs聚集，引起AuNPs胶体从520至645 nm的吸收光谱变化。
对于金属离子，可以通过其与配位剂之间的金属配位作用使纳米粒子交联，从而构建交联型比色传感。如基于三唑醚功能化AuNPs与Al3+配位比色检测海水中的Al3+［22］；基于Cd2+与2，6-二巯基嘌呤功能化的AuNPs螯合聚集作用比色检测在牛奶、蜂蜜、湖水、血清和尿液样品中的Cd2+［23］；基于Al3+与柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）共同修饰的AgNPs表面的金属-配位作用引起AgNPs团聚检测自来水、池塘水、河水和矿泉水中的Al3+［24］。类似的，基于目标金属离子与纳米粒子表面配体之间的金属-配位作用等引起金胶团聚的检测策略用于Cd2+［25］、Pb2+［26-27］、Al3+［28］、As3+［29］、Co2+［30］、Bi3+［31］、Hg2+［32］等的检测。
利用金属离子-配体之间的配位诱导聚集作用，除可以直接检测金属离子，还可以间接检测可以生成该金属离子的物质或抑制该离子生成的物质，或通过三明治结构扩大检测范围到蛋白、细菌等大分子。如图3所示，Zhao等［33］基于Mn2+可以通过金属配体与AuNPs表面羧基的相互作用诱导柠檬酸修饰AuNPs的聚集，通过三明治结构免疫分析目标病菌-副溶血性弧菌。抗体修饰的MnO2粒子与抗体修饰的Fe3O4磁性粒子通过目标病菌形成三明治结构，从而在目标病菌存在下将MnO2粒子引入，在抗坏血酸的还原作用下，MnO2还原为Mn2+引起AuNPs的聚集。因AuNPs的波长移动范围与Mn2+的浓度相关，而Mn2+的浓度与目标病菌的浓度呈现线性相关，本方案可以用来检测牡蛎样品中的副溶血性弧菌。同时基于三明治结构，选择合适的抗体抗原，可以将比色分析的检测目标物扩展至多种蛋白、细菌。
对于交联聚集使用的纳米粒子，可以是上述的同一种配体修饰的同类粒子，也可以是不同配体A和B修饰的两种纳米粒子，目标物的加入会引起A和B配体与目标物之间的配合螯合识别等作用［34-36］。例如，金属离子Hg2+可与胸腺嘧啶T形成特异性T-Hg-T复合物，在AuNPs表面修饰富含T碱基的DNA，通过相邻两个AuNPs粒子间DNA链的错配形成T-Hg-T复合物从而使粒子交联聚集的方案检测Hg2+。如图1C所示，Mirkin团队［34］利用两种不同的DNA链修饰金胶形成探针A和探针B，探针A修饰5′HS-C10-A10-T-A10 3′， 探针B修饰5′HS-C10-T10-T-T10 3′，除单个胸腺嘧啶T-T失配外，其他是互补的，因此探针AB之间可交联聚集，该聚集体熔融温度Tm约为46 ℃。当加入Hg2+，由于T-Hg-T之间的强配位作用，提高了金胶聚集的稳定性，将熔融温度T m提高了约10 ℃。因此在高于熔融温度T m的温度区间检测Hg2+，可以观察到溶液颜色从酒红色到蓝紫的变换，从而可以高选择性检测水性介质中的Hg2+。
2.1.2 基于非交联型聚集的比色检测
2.1.2.1 通过表面配体置换引起聚集
Wu等［38］以柠檬酸和TX-100修饰的AuNPs，基于配体置换检测牛奶中的三聚氰胺。Triton X-100的引入将有利于促进柠檬酸修饰AuNPs分散和稳定性。当加入三聚氰胺，三聚氰胺的三个氨基可以通过与AuNPs表面的柠檬酸根离子进行配体交换而结合，导致Triton X-100从AuNPs表面分离引起AuNPs聚集，使溶液颜色从酒红色变为蓝色。Huang等［39］基于巯基乙酸修饰的AgNPs（TGA-AgNPs）开发了一种Se（Ⅳ）比色检测方法。通过氢化物发生法将Se（Ⅳ）转化为硒氢化物H2Se蒸气引入到TGA-AgNPs中，在弱碱性（pH 8.0）溶液中，H2Se被溶液中的溶解氧快速氧化为元素硒，元素硒强烈地吸附到AgNPs的表面上，使TGA自AgNPs表面脱离，导致AgNPs聚集，随着Se（Ⅳ）浓度的增加，AgNPs颜色从亮黄色变为几乎无色。该方法有望用于复杂基质生物和环境样品中痕量Se（Ⅳ）的测定。
2.1.2.2 与粒子表面电荷中和引起聚集
2.1.2.3 适配体修饰AuNPs的非交联型比色分析
除采用小分子修饰AuNPs表面使其稳定，还可在其表面修饰对目标物有特异识别作用的DNA链，使AuNPs在高盐溶液中稳定存在。DNA链可以单链DNA，例如适配体aptamer或者DNA酶（适配体是已知的DNA或RNA序列，可以特异性结合分子、离子或蛋白质。DNA酶是一类能够催化RNA切割等反应的DNA，在很多情况下，DNA酶需要使用金属离子作为辅因子）。因单链DNA表面上暴露的碱基可吸附到AuNPs表面上，大量带负电荷的适体产生的静电排斥抑制了强的范德华吸引力，阻止AuNPs受盐诱导的聚集。DNA链也可以为末端失配的双链DNA，由于未配对碱基的磨损运动导致的熵排斥增加，即使在高离子强度下，AuNPs也会保持分散。如图4所示［44］，目标物的加入可引起单链DNA构象的变换从金胶表面脱离或双链末端碱基配对，从而使DNA稳定作用减弱引起AuNPs的聚集，这种称为基于适配体修饰AuNPs的比色分析。适配体DNA可以通过静电吸附等非共价键的形式引入金胶表面，也可以通过金胶与适配体形成Au-S或者Au-N共价键合的形式接在金胶表面。尽管柠檬酸盐封端的带负电荷的AuNPs对聚阴离子DNA主链具有排斥作用，但仍存在相互吸引作用，使未修饰的DNA以非共价键形式吸附到带负电荷的AuNPs上。DNA碱基通过嘌呤或嘧啶环上的环氮、外环氨基或酮基与AuNPs发生稳定的配位相互作用。腺嘌呤A通过外环氨基和N7原子与AuNPs的表面结合，鸟嘌呤G和胞嘧啶C通过酮基和相邻的氮与AuNPs相互作用，胞嘧啶T通过酮氧原子与AuNPs进行相互作用。
以非共价键构建适配体比色传感不需要表面修饰过程，构建简单。例如，Wang团队［45］将Cd2+适配体引入AuNPs溶液，有效避免了金胶在高盐溶液中的聚集。加入Cd2+后，适配体自AuNPs表面脱离与Cd2+特异性结合形成二级结构，减弱了适配体对金胶的稳定作用，从而引起金胶在高盐条件下的团聚，胶体520 nm的吸收显著下降，740 nm处吸收增加，溶液颜色自酒红色变为紫色。由于适配体与目标检测物之间具有高亲和力和特异性的分子相互作用，以此实现水样中Cd2+的检测。该类比色传感器具有更高的灵敏度和选择性，类似利用目标物适配体修饰金胶比色检测环境毒素微囊藻毒素（MC-LR）［46］、抗生素氧氟沙星（OFL）［47］、Pb2+［48-49］、Hg2+［50-53］、蛋白质［54-55］、凝霉素［56］、细菌［57］、抗菌剂孔雀石绿［58］、瘦肉精莱克多巴胺［59］、卡那霉素［60］。
Yang等［61］设计了两种富含T碱基并可以互补的DNA链，通过形成T-Hg-T复合体构建非交联型比色传感。在无Hg2+时，由于两条链中存在多个T-T错配，不能形成DNA双链，因此吸附在AuNPs表面，保持AuNPs在高盐条件下的稳定性。当Hg2+存在时，由于强T-Hg-T结合使两条链复配成双链结构，从而使AuNPs失去DNA的保护作用而聚集。Abnous等［62］以表面修饰适配体SiO2球为辅助，设计基于抗高盐诱导下AuNPs团聚的比色检测。首先通过共价键合方式将黄曲霉毒素M1的适配体嫁接到SiO2球表面，然后通过碱基配对将适配体的互补链引入到SiO2球表面形成DNA双链。当有目标物黄曲霉毒素M1存在时，其与适配体之间的特异性强结合作用，使适配体的互补链解链出来，从而可以稳定高盐条件下的AuNPs，使其分散状态稳定存在。若无目标物，则没有DNA链释放出来，AuNPs在高盐条件下由NaCl诱导聚集。基于此可以高灵敏比色检测牛奶样品中的黄曲霉毒素。
除了利用高盐使金胶团聚，还可以使用带正电荷长链聚合物，如聚二烯丙基二甲基氯化铵（Poly（diallyldimethylammonium chloride），PDDA）、聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI），或者表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）诱导表面带负电荷AuNPs的团聚构建比色传感。如图5所示，Wu等［63］利用表面活性剂PDDA诱导AuNPs团聚和Cd2+的适配体Cd-4构建比色传感。当体系中无Cd2+时，带负电的Cd-4适配体与带有正电荷的PDDA杂交形成稳定的双链结构，使PDDA不能吸附在AuNPs表面，从而AuNPs以分散状态稳定存在。当加入Cd2+后，其与适配体作用，使PDDA解聚出来引起AuNPs的团聚。类似的利用阳离子表面活性和适配体的相互作用构建的比色传感用于检测As3+［64-66］、Hg2+［67］和检测物S1核酸酶［68］。
除单链DNA修饰稳定AuNPs，多肽片段也用来稳定修饰AuNPs。可以利用目标物与多肽的反应引起金胶聚集构建比色传感。比如，Hu等［69］将多肽片段（RFPRGGDD）修饰在柠檬酸稳定的金胶表面检测水样（湖泊、自来水和饮用水）中的Ag+。因为多肽在pH 7.4下带负电，在金胶表面形成均匀带电层，增加了AuNPs之间的静电排斥，因此多肽修饰AuNPs表现出更好的稳定性。由于多肽片段中的天冬氨酸和精氨酸有两个游离-COOH基团和两个游离-NH2基团，可以与Ag+形成4-配位复合物，从而Ag+的加入引起多肽构象变换，减少静电排斥和空间位阻，进一步诱导AuNPs的聚集。此方法对Ag+的线性范围在10~1000 nM，检出限为7.4 nM。基于多肽对AuNPs的稳定和对目标物的识别，还可以检测细菌［70］。
用双链DNA（dsDNA）修饰的AuNPs之间的熵排斥作用可调控纳米粒子的分散状态。图6A所示，当最外层DNA碱基失配时，即使在高离子强度下，由于未配对碱基的磨损运动导致的熵排斥增加AuNPs也会保持分散。当dsDNA完全匹配时，碱基配对会限制DNA末端的灵活性，并导致DNA-AuNP之间的疏水相互作用，从而诱导dsDNA-AuNP的聚集［71］。基于此通过调控dsDNA的末端碱基可构建多种比色传感。如图6B所示，Takarada团队［72］以5端修饰巯基的DNA链通过Au-S修饰在粒径40 nm AuNPs表面，通过碱基配对引入互补链，使其末端2位上有T-T错配碱基对，从而得到双链DNA修饰AuNPs，由于末端未配对的T碱基，AuNPs在高盐下可以稳定存在。当引入Hg2+，使双链完全配对，末端不存在失配碱基，金胶在1 min内迅速团聚。该方法对Hg2+的检出限为0.5 μM。该方法在1 min内获得快速响应，分析过程不需要温度控制，且具有高选择性。类似的基于末端三个碱基对的调控，Kanayama团队［73］设计了同时检测Hg2+和Ag+的逻辑门。通过调控末端三个碱基对为TTC，使Hg2+和Ag+共同存在下方能引起AuNPs的团聚；当末端碱基分别为CTC和CTG时，单独加入Hg2+和Ag+和同时加入均可引起AuNPs的团聚。同时基于碱基末端失配，可以对DNA的识别精确到一个碱基［74］。
图6 调控dsDNA的末端碱基诱导AuNPs分散和聚集（A）；T-Hg2+-T复合物的形成及其诱导dsDNA载金纳米颗粒自发非交联聚集（B）的示意图［72］Fig. 6 Schematic diagram of the terminal base of dsDNA was regulated to induce the dispersion and aggregation of AuNPs （A）； the formation of T-Hg2+-T complex and its induced spontaneous non-crosslinked aggregation （B） of dsDNA-loaded gold nanoparticles［72］. Copyright 2011， Royal Society of Chemical |
2.1.2.4 在大尺寸细菌表面聚集
2.1.2.5 基于各向异性纳米粒子的定向聚集比色检测
用于比色分析的AuNPs一般为柠檬酸修饰的粒径在13 nm左右的金胶，表面配体均匀分布在AuNPs表面，因此AuNPs聚集方式是非定向和不可控的，在溶液中形成易于沉淀的大聚集体。因此，溶液的颜色经过一段时间后会逐渐褪色，这种依赖于时间的颜色变化显著降低了长期稳定性，从而降低定量测定的准确性。金纳米颗粒的表面粗糙度、形状、大小等影响其LSPR性能从而对比色传感有着重要作用。研究表明表面粗糙度高的金胶体显示更好的催化氧化性能［77］，且当金胶体的表面粗糙程度增大时，它们的LSPR吸收不断红移，从而导致溶液的颜色发生变化［78］。另一方面，基于AuNPs的比色传感的灵敏度与其颗粒大小密切相关，大尺寸AuNPs用于比色分析可显著提高灵敏度［79-80］。然而大颗粒的AuNPs存在稳定性偏低的问题。具有相对长链的水溶性惰性基团可有效地稳定水溶液中的AuNPs，将这种稳定剂在AuNPs表面不对称修饰，可提高大颗粒AuNPs的稳定性，也将使AuNPs非定向聚集行为转变为可控定向方式，避免形成大的聚集体，从而提高金胶溶液的时间稳定性。定向聚集比色传感比非定向传感器具有更高的灵敏度和更宽的检测范围（超过2个数量级）可归因于以下原因：一是非定向传感器不能检测低目标浓度；二是非定向传感中AuNPs形成大聚集体易于沉淀，而定向传感中形成的AuNPs二聚体不易沉淀。
2013年，陈国南团队［81］以PEG非对称修饰AuNPs探索定向聚集形成二聚体高灵敏检测DNA。随后他们探索反聚集过程，将检测对象由DNA链拓展到微囊藻毒素等其他分子［82］。首先可通过表面接枝的方法制备表面95%的区域修饰PEG、5%区域修饰功能化DNA非对称修饰的金胶粒子。通过设计DNA的序列结构，使修饰不同DNA链的金胶1和金胶2可以在微囊藻毒素适配体的作用下定向聚集形成二聚体。当目标物微囊藻毒素存在时，与其适配体作用，从而使适配体稳定的金胶二聚体解聚，变为分散状态。溶液颜色自蓝色变为酒红色。如图7所示，Shi等［83］以PEG不对称修饰的大颗粒金胶用于牛奶中的三聚氰胺的检测。首先制备柠檬酸修饰的粒径42 nm的金胶，将其固定在玻璃表面上，通过“接枝上”的方式将一端为巯基的PEG接枝在金胶上，从而得到PEG不对称修饰的金胶。研究发现，若PEG分子量较大，则加入三聚氰胺不能引起金胶的聚集，主要归因于具有相对较长链长（Mn>2000）的PEG链空间效应太强而阻碍AuNPs的聚集。因此以粒径42 nm的AuNPs修饰分子量为350的PEG应用于随后的实验。当三聚氰胺浓度从1 nM增加到1 mM时，金胶的颜色从紫色变为灰色。紫外-可见光谱中，730 nm处定向聚集的峰的吸收增加，而540 nm处PEG 350 AuNPs的峰特征的吸收减少。此外，在向PEG350-AuNPs的溶液中加入三聚氰胺后，形成了独特的AuNPs二聚体或三聚体，非大块聚集体，这意味着在AuNPs表面的有限区域触发了受控和定向聚集。该方法的检出限为1.05 nM，传感仅为基于小尺寸AuNPs非定向团聚的比色1/1000。类似的，Liu等［84］以PEG钝化的金胶修饰4-氨基苯为识别基团，定向聚集金胶检测香肠中的NO2-。在加入NO2-后，PEG化AuNPs上的4-氨基苯转化为重氮盐，重氮盐进一步与另一个PEG化AuNPs的4-ABTs反应形成二巯基偶氮苯，从而定向连接PEG钝化的金胶形成二聚体、三聚体等寡聚体。
2.1.3 基于反聚集机理的比色检测
除利用目标物诱导纳米粒子从分散到团聚状态检测目标物，还可利用目标物对金胶聚集状态的抑制作用进行检测，使金胶从团聚状态改变到分散状态。通常先在纳米粒子中加入聚集诱导剂使纳米粒子聚集，然后目标物的加入与聚集诱导剂作用，减弱纳米粒子的聚集从而使其分散，发生颜色从蓝到红的转变。人眼对从蓝到红的颜色变化更为敏感，因此该类传感器具有更高的灵敏度。针对不同聚集方式，反交联也可以通过静电作用和空间排阻效应进行。例如，Chen等［85］通过AuNPs表面的半胱胺（cyst）的伯胺与磷酸吡哆醛（PLP）的醛基之间反应形成Schiff碱而将PLP共价连接到Cyst-AuNPs上，从而降低Cyst-AuNPs的表面电荷，削弱了AuNPs之间的静电排斥导致聚集。由于分子结构中存在强碱-CHO基团和吡哆醛-OH基团，PLP也可以作为双齿配体与Sc3+配位形成稳定的络合物，有效地抑制了Schiff碱的生成，使Cyst-AuNPs趋于分散。因此，Sc3+有效地与Cyst-AuNPs竞争结合PLP，导致Cyst-AuNPs的抗聚集。Luo等［86］以Cu2+为聚集诱导剂，通过与氨基酸之间配位诱导精氨酸功能化的AuNPs聚集。当I-存在时，Cu2+与I-发生氧化还原反应形成稳定的CuI。随着溶液中I-浓度的增加，Cu2+浓度降低，从而抑制了AuNPs的团聚。因此，基于Cu2+诱导的氧化还原反应的AuNPs的聚集-反聚集过程可用于饮用水和食盐样品中I-的定量测定。基于诱导剂诱导聚集、目标物反聚集的机理的用来检测Ag+［87］、SCN-［88］、甲磺隆［89］、马拉硫磷［90］、阴离子表面活性剂［91］、DNA［92］、有机磷农药［93］等。
Xue等［94］提出了一种基于聚集金胶分散的快速检测水介质中HCl的方法。他们发现GSH可以通过强Au-S键与AuNPs结合，并暴露两个羧基和氨基以稳定AuNPs。GSH-AuNPs当加入金属离子或者高速离心的作用下可以由氨基/羧基结合效应诱导，静电效应和离心效应等引起聚集，但聚集后的AuNPs都可以在加入HCl后恢复到稳定分散状态。这是因为GSH上的氨基和羧基在酸性环境中被质子化，并与Cl-离子形成N-H…Cl和O-H…Cl氢键复合物，导致AuNPs之间的静电排斥重新活化，从而使GSH-AuNPs重新分散。基于此他们提出了一种快速检测HCl的方法，响应时间低于1 s。
同样基于适配体DNA链可以构建反聚集比色传感。采用带负电荷的AuNPs构建的适配体比色传感，目标物存在时与适配体作用使AuNPs在高盐下诱导聚集，存在假阳性信号输出。带正电荷的AuNPs提供了适配体比色传感的新思路。半胱胺是最短的氨基硫醇，提供硫醇和胺基与AuNPs作用，使半胱胺修饰的AuNPs表面带净正电荷，不需高盐条件下很容易的与带负电荷的DNA通过静电吸附作用而团聚。当目标物存在时与其适配体DNA作用，减弱适配体DNA与AuNPs的作用，从而使聚集的AuNPs分散，溶液颜色由兰变红。例如，2013年，Xiang的团队［95］以半胱胺修饰AuNPs和溶菌酶的适配体构建了反聚集比色传感。目标物溶菌酶的加入引起金胶颜色从蓝紫色到红色的转变。2020年，New团队［96］进一步研究半胱胺修饰AuNPs和溶菌酶适配体构建的反聚集比色传感体系，发现溶菌酶适配体存在临界再分散浓度（CRC）。半胱胺修饰AuNPs体系中加入溶菌酶适配体在浓度较低时，会引起AuNPs的团聚。当适配体浓度超过某一值（CRC）时，由于AuNPs表面形成阴离子适配体层，团聚的AuNPs会重新分散稳定。基于此，他们通过调控适配体浓度，构建了聚集和反聚集两种模式检测溶菌酶。当适配体浓度低于CRC，采用分散模式，目标物溶菌酶的加入会引起聚集金胶的重新分散。当适配体浓度高于CRC，采用聚集模式，目标物溶菌酶的加入会引起分散金胶的聚集。此外，基于正电荷半胱氨修饰AuNPs的反聚集适配体比色传感应用于三聚氰胺［97］、丝氨酸蛋白酶凝血酶［98］等物质的检测。
基于适配体的反聚集比色传感还可以用于交联型聚集金胶的反聚集。常用的构建策略是初始以适配体将2种DNA功能化的AuNPs连接使其形成聚集体。目标物的加入与适配体作用，从而使杂化的DNA解链，团聚的金胶分散。如Lu等［99］将两种DNA功能化的AuNPs与含有腺苷适体的DNA连接使其团聚。连接DNA的前12个碱基与AuNPs-1上的DNA互补，后12个（其中7个属于腺苷适配体）与AuNPs-2上的DNA互补。腺苷存在时，与适体结合导致原连接DNA上与AuNPs-2互补的12个碱基只有5个，导致AuNPs不再交联，颜色从紫色变为红色。与AuNPs组装过程不同，其解组装可以在几秒内完成。此外，利用分析物解聚AuNPs聚集体的方法还可用于检测其他小分子以及蛋白质酶等［100-101］。
碘离子响应的Cu@Au链状核壳纳米材料也用于反聚集比色分析。链状聚集体Cu@Au核壳纳米材料不需要任何的表面修饰，可与碘离子作用，从链状聚集体转化为球形粒子，伴随着溶液光谱的蓝移，溶液颜色自灰色到红色的明显变化。利用碘离子响应的Cu@Au链状核壳纳米材料上述特性，用于比色检测Hg2+［107］、Ni2+［108］、多巴胺［109］等物质。如Zhang团队［109］基于碘响应的Cu@Au链状核壳纳米材料比色检测尿液和血清中的多巴胺。在没有多巴胺的情况下，碘离子通过化学吸附吸附在Cu@AuNPs上，这将改变Cu@AuNPs的表面电势和纳米颗粒之间的范德华力，导致纳米颗粒的融合、分裂，使得Cu@AuNPs从最初的链状聚集状态转变为分裂的单一球形，在这个过程中使溶液变成粉红色。在多巴胺存在的情况下，多巴胺可以通过氢键和范德华力与Cu@AuNPs结合，同时起到封端剂的作用；同时，多巴胺上的氨基可以与金形成Au—N键，并吸附在Cu@AuNPs表面，减少了碘离子的吸附，并防止纳米颗粒从链状变为球形，溶液的色调保持为灰色。这个过程可以由X射线光电子能谱技术（XPS）进行验证。KI的I 3d5/2的结合能为619.3 eV，在Cu@Au NPs与I-相互作用后，I 3d5/2的结合能从619.3 eV移动到618.4 eV，表明零价碘的产生，这主要是由于I-的化学吸附和电子的损失。当DA存在于系统中时，I 3d5/2的结合能位于619.1 eV（类似于KI中I 3d5/2的结合能），这表明大部分I仍处于离子状态，DA抑制了I-与Cu@AuNPs的反应。
2.2 基于金纳米棒团聚构建的比色传感
金纳米棒（AuNRs）是一种细长的纳米颗粒，一般通过种子生长法制备［110］，因表面覆盖CTAB带有正电荷。AuNRs有横向和纵向两个共振吸收带，如图9A所示，分别是沿着AuNRs表面和垂直于AuNRs表面方向的电子振动，其中AuNRs的纵向LSPR吸收波长一般在525 nm处，随着AuNRs纵横比增加，横向LSPR波长在600~800 nm之间，溶液呈现如棕黄色、灰色、青色、绿色、蓝色、紫色、红色、黄色等多种颜色的变化，如图9B和C所示［111］。AuNRs在利用AuNRs比色传感中，大多数是通过改变其形状及尺寸从而影响它的LSPR特征峰，使得溶液颜色改变肉眼可辨。与基于球形纳米颗粒的非定向聚集相比，AuNRs聚集有定向特点。由于AuNRs的各相异性，可采用肩并肩（side by side）和端到端（end-to-end）的定向组装方式。特别是对于端到端模式，具有不同的长程有序一维超结构，具有更高的灵敏度、更容易的可控性，以及更可靠的信号输出。与球形AuNPs相比，AuNRs溶液的颜色对微环境的变化会更敏感［112］。
AuNRs的末端由面心立方结构｛111｝面组成，侧面由｛100｝面和/或｛110｝面组成。由于｛111｝晶面是金原子最紧密的堆积结构，因此与侧面相比，末端表面能较低。因此，参与合成AuNRs的CTAB与AuNRs侧面强结合。含有巯基的修饰剂可以通过Au—S键优先与AuNRs末端结合。在端到端相互作用中，AuNRs聚集形成线或链聚集体，使其纵向等离子共振吸收峰红移，并且随金纳米棒聚集数量的增加，纵向等离子共振吸收峰产生更大的红移，而其横向LSPR峰并无明显变化。在“肩并肩”聚集模式下，功能化官能团优先与金纳米棒的｛110｝和｛111｝晶面结合，从而使金纳米棒的侧面功能化。被测物与金纳米棒侧面的功能化配体发生特异性反应，导致金纳米棒“肩并肩”的聚集，其纵向等离子共振吸收峰会发生蓝移，同时横向等离子共振吸收发生红移。
如图10所示，2010年，Xu团队［113］以微囊藻毒素MC-LR为例，详细探索了基于AuNRs的端到端聚集和肩并肩聚集。他们制备了两种不同AuNRs，一种在AuNRs侧面修饰MC-LR抗体或者MC-LR抗原，另一种在AuNRs的末端修饰抗体或者抗原。由于侧面接触面积更大，静电相互作用更强，使用静电相互作用在AuNRs侧面修饰抗体。由于金表面对活性硫醇强作用力，通过S—Au键共价结合修饰棒的末端。当无MC-LR时通过抗体抗原的特异作用，AuNRs发生使端端聚集和肩并肩。当MC-LR与MC-LR抗原竞争与MC-LR抗体结合，导致聚集体分散。由末端聚集的AuNRs形成的链在光学性质方面近似为纳米线。当MC-LR添加后引起聚集体的分散，其效果可以描述为纳米线纵横比的急剧降低，新形成的短得多的纳米棒的纵向LSPR峰向光谱的蓝色部分移动并在振幅上增加，而横向LSPR在波长和振幅上保持不变。当MC-LRs的浓度为100 ng·mL-1时，在900 nm处的原始纵向峰几乎消失，并且在700 nm处出现新的单个AuNRs纵向峰。横向LSPR峰值没有变化，这是由于纳米线状聚集体的直径无论它们是否组装保持恒定。对于肩并肩的组装，随着MC-LR的增加，纵向LSPR值向较长波长移动，而横向峰值向较短波长移动，表明纳米棒的明显“增肥”。两种结合方式均可以有效地检测水样中的MC-LR，但灵敏度方面有差异。肩并肩模式的检测范围和检测限分别为1~100和0.6 ng·mL-1；端到端模式的检测范围和检测限分别为0.05~1和0.03 ng·mL-1。端到端聚集体的灵敏度高一个数量级。该团队后续报道了一种基于抗体抗原结合的AuNRs“肩并肩”聚集检测食品样品中抗生素的比色传感传感器［114］。通过庆大霉素偶联蛋白和庆大霉素抗体功能化AuNRs的侧面，使AuNRs发生“肩并肩”聚集。当体系中加入庆大霉素时，由于庆大霉素与庆大霉素抗体优先结合，导致AuNRs的“肩并肩”聚集被破坏，从而使体系中AuNRs的LSPR光谱和溶液颜色改变。该方法对庆大霉素的检测范围为0.1~20 ng·mL-1，检测限为0.05 ng·mL-1。
图10 AuNRs肩并肩（A，C）和端对端（D，F）聚集示意图和电镜图，随着（MC-LR）浓度的增加AuNRs肩并肩（B）和端对端聚集（E）的光谱变化图［113］Fig. 10 The schematic diagram and electron microscopy of AuNRs shoulder-to-shoulder （A， C） and end-to-end （D， F） aggregation， and the spectral changes of AuNRs side by side （B） and end-to-end aggregation （E） with the increase of （MC-LR） concentration［113］. Copyright 2010， John Wiley and Sons |
王国庆等［115］通过双链DNA修饰AuNRs的末端碱基错配定向引起AuNRs的肩并肩和端对端聚集。他们首先通过种子生长法制备直径13 nm、长度48 nm的AuNRs，然后通过两步法在其表面修饰两种不同的DNA链。首先在AuNRs通过形成Au-S将5′端修饰巯基的DNA1链接AuNRs的两端，随后用大量的3′端巯基修饰的DNA2修饰AuNRs的侧面。DNA1优先附着在末端区域是因为由于末端表面的高曲率，CTAB在末端区域的堆积密度低于在侧部区域。随后，用大量的DNA2取代侧面区域的CTAB。将修饰两种不同DNA链的AuNRs中加入杂交底物DNA，若使侧面DNA2完全互补，端面DNA1末端存在碱基错配，则由于端面的排斥作用，AuNRs采用肩并肩聚集方式。若使端面DNA1完全互补，侧面DNA2末端存在碱基错配，则由于侧面的排斥作用，AuNRs采用端对端聚集方式。基于此通过调控末端碱基，使其在存在Hg2+完成匹配和错配的转变，可以使AuNRs的肩并肩聚集转化为端对端聚集。随后该团队基于T-Hg-T复合物的形成使末端碱基错配的DNA双链匹配，通过半胱胺的加入夺取Hg2+使匹配的双链又末端失配，从而引起AuNRs聚集和反聚集状态的改变，检测Hg2+和半胱胺［116］。
端到端聚集模式具有较高的灵敏度，研究较多。如2005年，Thomas［117］以半胱胺和谷胱甘肽诱导AuNRs的头头自组装构建比色传感检测半胱氨和谷胱甘肽。由于CTAB优先于AuNRs的侧面结合，抑制了半胱氨酸中-SH与AuNRs侧面结合，使其与AuNRs的端面相结合。端面结合半胱胺后的AuNRs，由于半胱胺分子中氨基和羧基间的静电相互作用相互吸引，AuNRs头头自组装形成一维超结构，使纵向LSPR吸收略有下降并发生谱带红移。此后，基于半胱胺修饰端面的AuNRs用于环境水样中Cu2+［118］和有机磷农药［119］的检测。ChE催化其底物乙酰硫胆碱产生的硫胆碱通过S-Au结合与AuNRs的尖端反应，占据半胱胺的结合位点，并且它们来自端基的季铵基团强正电荷增加了AuNRs的静电排斥，防止随后半胱胺诱导的AuNRs端到端自组装。当ChE与有机磷农药（OPs）一起孵育时，酶活性受到抑制，可再次观察到半胱胺诱导的AuNRs端到端自组装。基于这一原理，OPs检测线性范围在0.12~40 pM，检测极限为0.039 pM。
Xia等［123］提出了以端对端聚集的比色信号输出的基于价态调控的Hg2+检测。他们发现Au0-Hg0和Au0-Hg+的结合能分别是10.46和52.71 kcal/mol，Hg2+不能与Au0结合，Hg0、Hg+和Hg2+与NH2的结合能为1.677、49.85和162.3 kcal/mol。结果表明，与Hg2+和Hg0不同，Hg+一方面可以与金形成金汞齐，一方面与NH2具有高亲和力的配位作用。基于此，他们首先将Hg2+通过适当的抗坏血酸可控地还原为Hg+离子，还原的Hg+与AuNRs的尖端反应并形成金汞合金。然后，基于NH2–Hg+相互作用的高亲和力，通过赖氨酸的桥接作用，Hg+修饰的AuNRs形成端到端自组装成的一维结构。相应地，AuNRs的纵向表面等离子体共振逐渐减少，同时在900~1100 nm区域出现新的宽带。若过度还原Hg2+或者不还原，均不能形成端对端的聚集体。端对端的自组装信号仅在pH>6.5情况下观察到，原因是在较低的pH值下，NH2基团会质子化形成NH3 +，阻碍它们与Hg+离子的结合。因此，选择中性条件（pH 7.0）进行检测。在最优化的条件下，对Hg2+检测的线性范围是22.8 pM~11.4 nM，检出限为8.7 pM。
通过离心等方式，去除AuNRs侧面的大量CTAB，使修饰剂可定向修饰在AuNPs侧面，从而可以构建肩并肩聚集模式。Li团队［124］报道了一种基于腺苷及其适配体相互作用形成的四链四重结构（G-quartet）诱导金棒肩并肩聚集检测腺苷的比色分析方法。金棒表面带有丰富的CTAB不利于适配体在金棒表面的吸附。但如果CTAB-AuNRs和适体在100 ℃高温沸水浴，可以使AuNRs的表面的CTAB双层在高温下离解，而对AuNRs并没有太大的影响，同时由于CATB的解离，适体单链自发吸附在AuNRs的表面上。由于适配体对金棒的稳定作用，金棒稳定分散存在。当腺苷加入后，其与适配体形成四链四重结构，由于AuNRs表面上正电荷CTAB和G-quartet的负电荷之间的静电相互作用引起金棒的肩并肩聚集。基于此方法检测腺苷的线性范围是4.0~80.0 nM，检出限2.0 nM（3 s/k），可应用于生物样品中腺苷的检测。王硕课题组［125］基于AuNRs“肩并肩”聚集策略用于环境水样中As（III）离子的灵敏和选择性检测。AuNRs表面具有高浓度的带正电荷的CTAB以保持AuNRs的稳定性，因此，通过离心去除AuNRs表面大量CTAB，并在AuNRs侧面长边上留下大面积的低浓度CTAB表面，然后二硫苏糖醇（DTT）的一端硫醇通过Au-S键与AuNRs共价结合从而修饰在侧面上。随着As（Ⅲ）离子的加入，As（Ⅲ）离子可以与三个DTT分子通过As—S键结合，使得AuNRs聚集，导致DTT-AuNRs纵向LSPR吸收带发生位移。DTT-AuNRs探针显示出对As（Ⅲ）离子传感的高选择性和高灵敏度检测。类似的，Cai等［126］利用半胱氨酸功能化修饰后的金纳米棒基于肩并肩聚集检测城市自来水样品中的Pb2+。
3 基于金属纳米颗粒形貌和粒径调控构建的比色传感
以金属纳米颗粒团聚-分散状态变化构建的比色传感存在两个问题。一个是自团聚问题，由于高盐状态、pH、电荷、溶剂、温度等的改变均可引起纳米颗粒自聚，因此当用于复杂样品中目标物检测时，可能出现高背景甚至假阳性结果。二是为实现特异性检测，一般需要对纳米颗粒进行必要的修饰和标记，步骤繁琐。基于纳米颗粒形貌或粒径变化引起LSPR性质变化构建比色传感不需要对纳米颗粒表面修饰和标记，也不会引发自聚行为，避免了来自微环境改变产生的假阳性信号。并且基于非聚集策略的传感器可以制作检测试纸条等，应用方便。该方法一般可以分成两种情况：一是基于对纳米颗粒的刻蚀引起形貌和粒径的变化构建比色传感；二是通过诱导纳米颗粒的生长改变其形貌和粒径构建比色传感。利用球形AuNPs和AgNPs的刻蚀或生长可以构建非聚集型比色传感［127-133］。但由于该过程溶液颜色变化不够丰富，更多的应用纳米棒、纳米三角等形貌的粒子，如AuNRs、Au@AgNRs和AgNPRs构建该类比色传感。由于涉及纳米颗粒形状、纵横比、成分的改变，颜色变化更丰富，更有利于肉眼半定量检测和现场检测。
3.1 基于对AuNRs刻蚀构建的比色传感
通过刻蚀改变AuNRs的长径比可以引起LSPR性质变化从而可进行比色检测。该方法所能测定的分析物大体可分为两类：（1）在一定条件下，氧化电位高于Au（I）/Au的分析物，能氧化刻蚀AuNRs，如H2O2、羟自由基（·OH）和超氧化物自由基（O2·-）、Cu2+、Cr6+、NO2 -、I3 -等；（2）能够生成金属-Au合金的物质（如Pb2+、Hg2+）诱导金的刻蚀。
3.1.1 基于氧化反应的刻蚀
通常，Au因为高氧化还原电位很难被氧化蚀刻。具有相对较高氧化还原电位的物质，可以通过直接诱导AuNRs的刻蚀而被检测。例如，Shan等［134］利用H2O2对AuNRs的氧化特性实现对H2O2的检测。在酸性条件下H2O2的氧化还原电位（1.8 V）高于AuNRs的氧化还原电位（1.69 V），因此H2O2氧化AuNRs导致蚀刻并因此缩短纳米棒，LSPR峰从760 nm蓝移到610 nm，相应地溶液颜色从粉红色到黄色的颜色转换，该方案检测H2O2检测限为0.045 µM。多种酶反应可以产生H2O2，因此基于H2O2对AuNRs的刻蚀可以检测酶活性或底物浓度，如检测葡萄糖［135］；或基于酶联免疫反应将葡萄糖引入，检测黄曲霉素［136］等，或检测酶的抑制剂，如有机磷农药［137］、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）［138］；或者催化H2O2对AuNRs的刻蚀的物质，如Fe3+［139］。Fe3+催化H2O2刻蚀金棒机理如下所示。
a. AuNRs + H2O2 + 2H+ → AuNRs’ + 2H2O
b. Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + OOH· + H+
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH· + OH-
c. AuNRs + OOH· + H+ → AuNRs’ + 2H2O
羟自由基（·OH）、超氧化物自由基（O2·-）等中间产物均具有强氧化性能可以刻蚀AuNRs。基于此，可以触发产生强氧化剂的物质均可以AuNRs的刻蚀进行间接检测。例如，Zhang等［140］提出了一种中间体介导的AuNRs刻蚀方法应用于饮用水中Co2+离子比色检测。在碳酸氢盐和H2O2的存在下，Co2+会引发类似Fenton反应，导致超氧自由基（O2·-）的产生，结果，AuNRs在SCN-存在下逐渐被O2·-刻蚀，伴随着溶液颜色从绿色到红色的明显变化，该传感器对Co2+的检出限达到40 nM。超氧化物歧化酶SOD，可将O2·-分解为H2O2和O2，可阻碍AuNRs的蚀刻过程，基于此可检测血清中的SOD活性［141］。
同样该方案可以检测抑制氧化剂产生的过程。基于Fe2+与H2O2的Fenton反应生成的羟基自由基具有强氧化性可刻蚀金纳米棒检测水样中的Ag+。在模拟过氧化氢酶PtNP的存在下，H2O2被分解为H2O和O2，不能参与Fenton反应产生羟基自由基，从而抑制了对AuNRs的刻蚀。当Ag+存在时，特异性吸附在PtNP表面，抑制了PtNP过氧化氢酶的活性，从而限制了H2O2的分解，使Fenton反应顺利进行，导致AuNRs的刻蚀。因AuNRs的刻蚀与体系中Ag+浓度具有直接的关系，从而可灵敏地检测Ag+。随着Ag+浓度的增加，溶液颜色表现出从棕色、绿色、蓝色、紫色、粉红色的多颜色明显变化，可进行视觉检测［142］。
如Zhou等［149］提出了一种基于过氧化物酶介导的AuNRs蚀刻的Cu2+比色检测方法。肌酐与Cu2+可形成具有过氧化物酶样活性的Cu2+-肌酐复合物，在H2O2存在下可迅速将TMB转化为TMB+，TMB+在酸性条件下可被氧化为具有高氧化能力的TMB2+，可刻蚀AuNRs。在一定量肌酐存在下，Cu2+浓度的增加可产生更多的TMB2+，因此对AuNRs的蚀刻增强，伴随着AuNRs纵向LSPR峰的显著蓝移以及溶液的颜色由红色、棕色、灰色、绿色、蓝色和紫色的变换。基于这一原理，建立了一种简单的比色法测定湖水、土壤和正常人血清中的痕量Cu2+。类似的，基于TMB2+蚀刻AuNRs，Luo等［150］基于铜纳米簇的过氧化物酶活性诱导AuNRs蚀刻，开发了用于ALP活性检测的多色生物传感器。Chen团队［151］基于TMB2+对金纳米棒和金纳米锥的刻蚀构建了检测不同抗氧化剂的比色传感阵列。如图12所示，陈国南团队［152］基于H2S抑制HRP的活性，从而减少HRP催化氧化TMB生成的TMB2+对金纳米棒的刻蚀，基于此用于大鼠脑细胞外H2S的监测。
图12 （A）基于H2S抑制HRP的活性从而抑制氧化TMB生成的TMB2+对金纳米棒的刻蚀检测H2S；（B）AuNRs添加不同浓度的H2S（（a） 0 µM，（b） 50.0 µM，（c） 5.0 µM and （d） 0.5 µM）电镜图片和紫外吸收光谱图（C）［152］Fig. 12 （A）Detection of H2S based on the inhibition of HRP activity by H2S to inhibit the etching of gold nanorods by TMB2+ generated by oxidation of TMB；（B）AuNRs with different concentrations of H2S（（a） 0 µM，（b） 50.0 µM，（c） 5.0 µM and （d） 0.5 µM）electron microscopy and UV absorption spectra（C）［152］. Copyright 2018， American Chemical Society |
Au（Ⅰ）/Au（0）的氧化还原电位1.69 eV，在某些配体的作用下其氧化还原电位会降低。如以Br-为配体，AuBr2 - + e→Au + 2Br-，E = 0.959 eV；以Cl-为配体，AuCl2 - + e→Au + 2Cl-，E = 1.15 eV。CTAB封端的AuNRs在酸性条件下，由于CTAB的Br-离子和HCl的Cl-离子作为金的配体，使Au（Ⅰ）/Au（0）氧化还原电位（AuBr2 --CTA+/Au）降低至0.2 V。Cu2+/CuBr2 +的氧化还原电位为0.52 V，Cr（Ⅵ）/Cr（Ⅲ）氧化还原电位为1.33 eV，HNO2/NO的氧化还原电位为1.0 eV（pH=0），Mn（Ⅳ）/Mn（Ⅱ）氧化还原电位为1.224 V，Fe3+/Fe2+的氧化还原电位为0.771 eV。用AuNRs在CTAB存在下氧化还原电位的降低，可被Cu2+［153］、NO2 -［154］、Cr6+［155］、I3 -［156-160］、MnO2 ［161］等多种温和的氧化剂刻蚀溶解，并表现出明显的溶液颜色变化，已经开发了各种高灵敏度和特异性的比色方法来分析上述氧化剂、生成氧化剂或抑制氧化剂生成的物质。
如陈令新等［153］通过Cu2+直接蚀刻CTAB封端的AuNRs实现了环境样品中Cu2+的检测。Cu2+将Au氧化为AuBr2 --CTA+，自身被还原为CuBr2-CTA+，由于该反应在酸性介质中进行， 约为1.20 V，CuBr2-CTA+可以被溶解氧氧化重新产生Cu2+，该循环反应导致AuNRs的连续蚀刻，在较低Cu2+浓度下可以观察到到溶液颜色从蓝色到红色的变化，同时LSPR消光峰波长从670 nm移动到530 nm，该方法的检出限为0.5 nM。在Na2S2O3和NH3存在基于Cu2+对AuNRs的刻蚀比色检测［162］。该过程中，将Cu2+添加到氨中，产生Cu（NH3）4 2+的络合物，在硫代硫酸盐作用下催化氧化刻蚀AuNRs。
Cu2+ + 4NH3 = Cu（NH3）4 2+
Au + Cu（NH3）4 2+ + 4S2O3 2- =Au（S2O3 2-）2 3- +
Cu（S2O3 2-）2 3- + 4NH3
他们同样基于NO2 -蚀刻AuNRs引起溶液颜色从蓝绿色到红色到无色的可见变化实现对当地饮用水样品中NO2 -的检测［154］。长/直径比约1.3/1的AuNRs的溶液呈现蓝绿色，在630 nm附近的强烈纵向SPR吸收。向胶体溶液中加入10 mM NO2 -导致630 nm处的吸收带逐渐漂白并向短波长移动，溶液颜色从蓝绿色变为红色。更多的NO2 -（40 mM）导致AuNRs的完全溶解，溶液几乎无色。本方法对NO2 -的检出限为56 μg·L-1。类似的，基于NH4Br和HCl促进NO2-对金棒的刻蚀检测NO2-［163］。
基于I2可以刻蚀AuNRs，以I2为媒介发展了多种比色检测方法。如陈令新等［156］基于在弱酸溶液中，钼酸盐可以催化H2O2和I-之间的反应，产生可以沿纵向优先蚀刻金纳米棒I2检测MoO4 2-；基于Mn（Ⅱ）通过溶解氧氧化成Mn（Ⅲ）和（Ⅳ）；酸化后，Mn（Ⅲ）和（Ⅳ）将可I-氧化成I2，检测溶解氧，基于碘酸盐（IO3 -）和碘化物（I-）反应生成I2检测碘酸盐［157］。基于Fe3+/Fe2+氧化还原电位（1.13 V）高于I2/I-（0.534 V），因此I-可被Fe3+氧化为I3 -，I3 -氧化刻蚀金棒形成AuI2 -，加速Fe3+对纳米棒的刻蚀，从而比色检测I-［158］。基于α-葡萄糖苷酶催化水解O-α-D-吡喃葡萄糖基-L-抗坏血酸（2-O-α-D-glucopyranosyl-L-ascorbic acid，AA-2G）产生的抗坏血酸AA可以还原KIO3生成I2，I2氧化刻蚀AuNRs，检测α-葡萄糖苷酶活性［159］，反应过程如下：
a. α-glucosidase + AA-2G → AA
b. KIO3 + AA → I2
c. Au + I2 + 2CTA+ = AuI2 -·（CTA+）2
同样，Huang等［160］基于催化性能调控的I2对AuNRs的刻蚀检测肿瘤标志物金属硫蛋白（MT）。以柠檬酸修饰的AuNPs为催化剂，催化NaBH4将对硝基苯酚（p-NP）还原为对氨基苯酚（p-AP），p-AP与KIO3反应产生I2，I2刻蚀AuNRs产生丰富多彩的颜色变化。在MT存在下，MT抑制AuNPs的催化作用，还可以清除NaBH4产生的活性氢自由基，进一步抑制AuNRs的蚀刻。该方案对MT的检测浓度可低至28 pM。
3.1.2 基于合金诱导的刻蚀
基于蚀刻的LSPR传感的另一方法是通过形成合金来加速蚀刻。Rex等［164］报道基于Hg0与AuNRs发生特异性的汞齐化反应，从而造成AuNRs刻蚀，达到检测Hg2+含量的目的。体系中加入一定量的还原剂硼氢化钠，随着体系中Hg2+浓度的增加，Hg2+不断地被还原为Hg0并与AuNRs发生汞齐化反应，由于AuNRs的活性位点在末端，所以Hg0优先在金纳米棒的末端反应为金汞齐，导致金纳米棒长径比减小，造成AuNRs的形貌由棒状逐渐变为球状，导致纵向等离子体共振吸收峰发生蓝移。Huang等［165］报道了一种在硫代硫酸盐存在下基于Pb2+对AuNRs的刻蚀检测Pb2+。AuNPs与溶液中的S2O3 2-离子反应形成Au（S2O3）2 3-络合物导致其LSPR吸收光谱的微弱下降。在Pb2+存在的情况下，Pb2+可以刻蚀AuNRs使其形成Pb-Au合金，从而使改变金纳米棒的纵向LSPR吸收峰。这种方法已经成功地应用检测湖水、池塘、尿液、海水和土壤中的Pb2+。类似的，基于在硫代硫酸盐（S2O3 2-）和2-巯基乙醇存在下，Pb2+离子与金形成Pb-Au合金可催化加速S2O3 2-蚀刻金纳米棒的方案可用来检测Pb2+［166-167］。
3.2 基于金纳米双锥刻蚀构建的比色传感
与AuNRs相比，金纳米双锥（gold nanobipyramids，AuNBPs）在比色探针有着更显著的优势，如具有更大的局域电场增强、更大的消光截面和更窄的纵向吸收峰宽度，并且它们还具有两个尖锐的末端，使形貌变化更容易。基于以上优势，AuNBPs用于比色传感，可以提高灵敏度，同时仍保持各种颜色响应［168］。如图13所示，Zhao团队［169］基于O2 •-对AuNBPs的刻蚀检测Fe2+。采用种子生长法制备AuNBPs，在盐酸的存在下，Fe2+和H2O2之间的芬顿反应产生了强氧化性超氧化物自由基（O2 •-）。在硫氰酸根离子（SCN-）存在下，O2 •-从两个尖端快速氧化AuNBPs，并产生Au+离子，导致颗粒形态自锥形到大米状到球形的转变，并导致溶液颜色从棕褐色到绿色到蓝色到粉红色的变化，LSPR光谱自760 nm迅速蓝移。由于AuNBPs的尖端更锋利，与AuNRs相比具有更高的灵敏度。由于Au（SCN）2 -的氧化还原电位低于Au（0），Au（SCN）2 –的形成促进了蚀刻过程。刻蚀过程可以描述为以下过程：
O2 - + e- + 2H2O → H2O2 + 2OH-
Au + 2SCN- → Au（SCN-）2 - + e-
2OH- + H+ → H2O
Au + 2SCN- + O2 - + H2O → Au（SCN-）2 - + H2O2
图13 基于O2·-对AuNBPs的刻蚀检测Fe2+的机理图以及AuNBPs在含有1.5 mM KSCN，0.6 mM H2O2和6 mM HCl的水溶液中，不同Fe2+浓度下65 ℃反应10 min得到的紫外-可见光谱（A）及其相应的TEM图像和照片，Fe2+浓度分别为0 µM（B）、0.4 µM（C）、1.0 µM（D）、3.0 µM（E）、5.0 µM（F）、7.0 µM（G）、10.0 µM（H）［169］Fig. 13 The mechanism diagram of Fe2+ detection based on the etching of AuNBPs by O2·- and AuNBPs were dissolved in an aqueous solution containing 1.5 mM KSCN， 0.6 mM H2O2 and 6 mM HCl， the UV-Vis spectra（A）and the corresponding TEM images and photographs obtained at 65 ℃ for 10 min under different Fe2+ concentrations were 0 µM（B）、0.4 µM（C）、1.0 µM（D）、3.0 µM（E）、5.0 µM（F）、7.0 µM（G）、10.0 µM（H）， respectively［169］. Copyright 2020， IOP Publishing， Ltd |
纳米双锥的长径比对检测灵敏度具有重要的影响。对比了纵横比为2.75±0.2在705 nm处具有纵向峰的AuNBPs的和纵横比为3.28±0.2在805 nm处具有纵向峰的AuNBPs。在Fe2+浓度不断增加时，具有705 nm纵向峰值的AuNBPs发生了更显著的变化：从两点AuNBPs结构，到截头AuNBPs-结构，到椭球结构，再到球形结构；而具有805 nm纵向峰值的AuNBPs仅是端头发生刻蚀。类似的，基于胰蛋白酶可促进牛血清白蛋白包被金纳米团簇过氧化物酶催化TMB生成可刻蚀AuNBPs的TMB2+检测胰蛋白酶的活性［170］。
3.3 基于三角银的刻蚀构建比色传感
与球形纳米颗粒相比，三角银（silver nanoprisms，AgNPRs）可以通过调节边缘的长度和厚度以及纳米片的尖端形貌来实现整个可见光区域的调节。如图14C，AgNPRs在紫外-可见近红外光谱中存在四个特征吸收峰，分别对应面外四级（~340 nm）、面外偶极（~410 nm）、面内四极（~470 nm）和面内偶极（~770 nm）吸收峰。其中面内偶极（~770 nm）吸收峰由于其独特的面心立方晶格结构和各向异性所导致的表面等离子体共振吸收最强。三角银的水溶液一般呈现蓝紫色，随着刻蚀引起形貌的变化，溶液颜色自蓝色到紫色到棕色到黄色的变化，比基于纳米银刻蚀引起溶液黄色的逐渐减弱至无色的颜色变化更加明显，因此常以三角银片AgNPRs代替银纳米颗粒进行比色检测［171］。LSPR吸收峰有以下特点：在一定粒径范围内，AgNPRs的LSPR吸收峰位置基本上不会发生变化；在此粒径范围内，粒子的粒径越大，LSPR峰越尖端；当粒子聚集时，LSPR峰会发生红移，且峰形变宽；LSPR峰的位置和形状与粒子的表面状态（如配体类型）及其所处的介质有关。
图14 H2O2刻蚀AgNPRs的示意图（A），不同浓度Ni2+催化H2O2刻蚀AgNPRs的溶液颜色变换（B），AgNPRs刻蚀前后的吸收光谱图（C）变换和电镜图片（D）［176］Fig. 14 Schematic diagram of AgNPRs etched by H2O2 （A）， the color change of AgNPRs etched by H2O2 catalyzed by different concentrations of Ni2+ （B）， the absorption spectra （C）transformation and electron microscopy images （D）of AgNPRs before and after etching［176］. Copyright 2019， Elsevier |
Ag+ + e- → Ag（E 0 = 0.7996 V）
H2O2 + 2e- → 2OH-（E 0 = 0.867 V）
2Ag+ H2O2 → 2Ag+ + 2OH-（E 0 = 0.068 V）
Uric acid + O2 + H2O allantoin + H2O2 + CO2
Ag + H2O2 → + 2Ag+ + 2OH-
D-glucase + O2 + H2O D-gluconic acid + H2O2
2Ag + H2O2 → + 2Ag+ + 2OH-
2H2O + O2 2H2O2
对于尿酸的比色检测，还可以通过其对AgNPRs刻蚀的保护和抑制进行检测［179］。当40 μM加入三角银溶液中，引起AgNPRs溶液颜色从青色到淡紫色的变化，15 min后溶液颜色接近无色。其吸收光谱自706 nm移动到546 nm。溶液中加入1000 nM的尿酸，H2O2对AgNPRs的刻蚀可被有效的抑制，光谱峰位移仅有68 nm的移动，溶液颜色自花青色变为蓝色。在AgNPRs制备过程中使用柠檬酸盐作为配体试剂，柠檬酸盐对｛111｝面具有更强的结合能力，因此有效阻止了尿酸在｛111｝面的结合。尿酸更容易结合到AgNPRs的侧面｛110｝。由于AgNPRs的边长大约50 nm，厚度大约5 nm，侧面的面积占总比表面积的25%，因此少量的尿酸就可以明显抑制AgNPRs的刻蚀，本方案的检出限为10 nM。
一些物质可以作为抑制剂来减缓AgNPRs的刻蚀，基于此可以构建比色传感检测抑制剂。如S2O3 2-可以刻蚀银形成Ag（S2O3）2 3-，引起AgNPRs尖角的刻蚀，使AgNPRs转化为银纳米盘，伴随着溶液颜色自蓝色至棕黄的变化。当体系中加入Hg2+后，与S2O3 2-反应生成HgS沉积在AgNPRs的尖角部位，阻碍了S2O3 2-对银的刻蚀。Hg2+加入后引起AgNPRs LSPR光谱的红移，波长移动与Hg2+浓度在5.0 nM~10.0 μM范围内线性相关，检出限为0.2 nM［182］。
4Ag + 8S2O3 2- + O2 + 4H+ → 4［Ag（S2O3）2］3- + 2H2O
Hg2+ + S2O3 2- + H2O → HgS + SO4 2- + 2H+
Zhang等［183］利用卡托普利的保护和卤素离子刻蚀之间的拮抗作用，提出了一种基于AgNPRs防刻蚀的比色法来实现对卡托普利的检测。微量卤化物作为介体在银纳米粒子的形状控制演化中起着重要作用。蚀刻导致AgNPRs纳米边缘的颜色从蓝色变成黄色，形成圆形纳米盘。由于AgNPRs的角/边相对于其｛111｝表面具有较高的能量，因此Cl-倾向于通过氧化蚀刻主要攻击角/边。结果，具有AgNPRs将转变为更小的盘状Ag纳米颗粒。加入卡托普利引入了巯甲丙脯酸，由于巯基的存在，巯甲丙脯酸可以通过银硫键结合在银核壳聚糖表面，防止了AgNPRs的氧化蚀刻。在这种情况下，溶液颜色不会改变。因此，卡托普利能够保护AgNPRs免受氯化物的侵蚀，从而保持AgNPRs的原始形态。这一发现被用来设计卡托普利测定法，在10~600 nM浓度范围内具有线性响应，检测限为2 nM。类似的，利用I2对AgNPRs的刻蚀以及福美双（一种二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，广泛用于土壤和种子处理）对AgNPRs的抗刻蚀作用原理来实现对土壤中福美双的检测［184］，基于S2O3 2-和代森锰锌（一种乙烯二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，广泛用于农作物）的蚀刻和抗蚀刻作用导致的AgNPRs的形状变化来检测果汁样品中代森锰锌［185］。
DNA作为一种绿色和低成本的蚀刻剂已经被证明可以有效地控制等离子体纳米颗粒的形貌和光学性质（LSPR峰的蓝移）。Liang等［186］对DAN和巯基化生物分子介导的AgNPRs刻蚀进行了研究。在AgNPRs的形态演化过程中，由于AgNPRs表面上的一个Ag+能够与富含C的DNA中的一个以上的胞嘧啶结合，迫使结合的Ag+从AgNPRs释放，从而启动DNA定向蚀刻结果表明，随着富含C的DNA的浓度增加，AgNPRs的LSPR峰从702 nm蓝移到578 nm，并且溶液的色度从绿色变为蓝色，甚至变为紫色，可肉眼检测到；对于巯基化生物分子介导的AgNPRs刻蚀，他们发现在蚀刻过程中存在两种相互竞争的响应：浓度效应和尺寸效应，其中尺寸效应占主导地位，此外，生物分子上的官能团也是关键因素。因此，当巯基化生物分子用作蚀刻剂时，蚀刻程度和荧光强度随着巯基化生物分子的浓度和尺寸的增加而增加，LSPR峰的蓝移更强，溶液的颜色从绿色变为蓝色、紫色，甚至粉色。Lu等［187］基于S2-对以木质素修饰的AgNPRs的刻蚀构建比色传感高灵敏检测天然水环境中的S2-。木质素通过阳离子-π和静电相互作用覆盖在AgNPRs的表面，使AgNPRs稳定分散。当存在S2-时，金属银，通过颗粒-流体机制从AgNPRs中释放出来，并与S2-直接反应形成Ag2S，在三角形AgNPRs的锐角处产生空位，自锐角处选择性地蚀刻AgNPRs，引发溶液颜色和吸收光谱的明显变换。
开发可靠的手性传感器，允许快速、廉价和灵敏的对映体测定是非常必要的。Li等［188］充分利用三角银纳米板（AgTNPs）的固有手性，将未修饰的AgTNPs用作比色探针，将酪氨酸（Tyr）的对映选择性识别转化为视觉颜色变化。在这种传感中，由于L-Tyr和AgTNPs同手性，所以二者之间的亲合力比D-Tyr和AgTNPs之间的亲和力强。因此L-Tyr能够迅速诱导AgTNPs聚集，溶液的颜色从深蓝色变为浅灰色，而D-Tyr未诱导AgTNPs溶液颜色发生变化，基于该原理建立了酪氨酸的手性分析方法。
3.4 基于金银双金属纳米材料刻蚀构建比色传感
以上用来构建LSPR比色传感的贵金属纳米颗粒虽然具有各自的优势，但他们存在一些相应的局限。具体地，金银纳米粒子的稳定性是一个重要问题。环境因素（如温度、pH、离子强度）和时间可能导致纳米粒子的聚集或变形，从而影响LSPR信号的稳定性和可靠性［189］。尽管金纳米棒具有吸引力，但合成困难限制了它们更大规模上的使用［190］。对于金纳米双锥而言，其合成的重复性较差，并且AuBPs与其他结构的分离效果差，从而可能影响其光学性能和在LSPR比色法中的表现［191］。因此，LSPR比色的开发受不同纳米粒子影响不同，仍需纳米材料的不断创新。若将两种纳米材料进行组装，那么由两种不同金属组成的贵金属基双金属纳米颗粒（NMBNP）不仅可呈现出每个组分不同性质的组合，而且由于两种金属纳米结构之间的协同相互作用，还显示出新的性质，在比色传感中得到广泛应用。一方面，由于不同金属的LSPR位于不同的波长区域，因此可以控制双金属纳米晶体的组成（即两种不同金属的比例）以实现LSPR调节。另一方面，双金属纳米结构的LSPR也取决于它们的形态。也就是说，LSPR峰的数量、位置和剖面对两种不同类型金属原子的空间排列和原子顺序高度敏感。与单金属纳米颗粒相比，复合颗粒具有出色的灵敏度，优异的催化、光物理和光电性能，在分析检测等方面具有更为广阔的应用前景［192-193］。常见的为核壳结构球形Au@Ag纳米粒子（Au@AgNPs）、金纳米双锥表面包覆银形成的棒状结构AuNBs@AgNRs、金棒表面包覆银形成的棒状结构Au@AgNRs和金银纳米异质结结构。
3.4.1 Au@AgNPs
由于AuNPs和AgNPs复合，Au@AgNPs显示出新的LSPR峰，并在刻蚀的过程中表现出更丰富的颜色变换。如基于H2O2刻蚀Au@AgNPs构建比色传感检测H2O2和葡萄糖［194］。首先通过在硫醇-PEG封端的AuNPs表面原位生长AgNPs来合成Au@Ag纳米颗粒。选用巯基PEG封端的AuNPs是因为硫醇-PEG附着在AuNPs表面可以大大提高AuNPs在水性介质中的稳定性。更重要的是，在AuNPs表面引入硫醇-PEG可通过形成Ag-S解决AuNPs和AgNPs颗粒之间的排斥问题。因此即使在温和的温度下，对氨基苯酚（p-AP）也可以有效地还原银离子在硫醇-PEG功能化的AuNPs表面形成AgNPs壳。AuNPs是酒红色的，其最大吸收波长在520 nm，而Au@AgNP是橙色的，其最大吸收波长为375 nm。随着H2O2对Au@AgNPs的刻蚀，溶液颜色从橙色到浅橙色再到浅红色，最终恢复为酒红色，LSPR吸收光谱的强度逐步下降，并在520 nm处展示出AuNPs的特征峰。此方案用于检测葡萄糖和胆固醇，线性范围分别为0.5~400 μM和0.3~300 μM，检测极限分别为0.24和0.15 μM。
氰化物CN-能够在氧气的存在下通过形成［Au（CN）2］-和［Ag（CN）2］-来溶解金和银等金属。基于此，Zeng团队［195-196］以Au@AgNPs为信号载体构建比色传感高灵敏检测CN-。Au@Ag核/壳纳米颗粒使用AuNPs辅助Tollens反应制备。银壳层厚度影响检测的灵敏度，制备了银壳层厚度4.4 nm的Au@AgNPs。在酸性或者中性条件下，CN-易于形成HCN，检测在pH=9的条件下进行。如图15所示，在最佳条件下，随着氰化物浓度的增加，Au@AgNPs溶液的颜色比单纯AuNPs或者AgNPs的颜色变化丰富的多，可观察到黄色到橙色、粉红色和无色的变化。丰富的颜色变换方便裸眼目视检测氰化物，肉眼可以辨别的最低氰化物浓度为1.2 μM，低于世界卫生组织规定的饮用水中氰化物的最大允许浓度1.9 μM。394 nm处的吸光度逐渐降低，并与CN-浓度在0.4~100 μM范围内线性相关，最低检出限0.4 μM。他们将Au@AgNPs固定于琼脂糖凝胶中做成便携式试纸条，方便快速现场检测。
图15 添加了不同量氰化物后（a）Au@AgNPs，（b）AgNPs和（c）AuNPs的溶液照片；（d）增加不同量氰化物后Au@AgNPs的紫外可见光谱，插图为增加不同量氰化物后Au@AgNPs的TEM图；（e）A394与氰化物浓度的线性图［195］Fig. 15 The solution photos of （a） Au@AgNPs， （b）AgNPs and（c） AuNPs after adding different amounts of cyanide；（d） The UV-visible spectra of Au@AgNPs after adding different amounts of cyanide， and the illustrations are the TEM images of Au@AgNPs after adding different amounts of cyanide；（e） a linear plot of A394 versus cyanide concentration［195］. Copyright 2014， Royal Society of Chemical |
3.4.2 AuNBs@AgNPs
如图16A所示，AuNBs@AgNRs可采用种子生长法制备。首先选择在686 nm处具有纵向LSPR峰值的AuBPs作为生长的核，通过抗坏血酸还原AgNO3的方式在其表面沉积银层。不同厚度的银纳米壳可通过调节AgNO3和AA的量可以获得。随着AgNO3体积从10增加到30 μL，AuNBs@AgNRs的主要吸收峰发生蓝移，此时银均匀地沉积在Au-NBP侧周围，并且形态从双锥体变为大米状。然而当AgNO3体积进一步增加时，银壳厚度逐步增加，形貌从大米状转化为纳米棒状，纵向LSPR开始红移，并伴随着峰值位置向NIR区域的逐渐移动。纵向LSPR峰值的这些偏移触发了一系列充满活力和生动的颜色变化。溶液从浅蓝色变为深蓝色，然后从绿色变为黄色，从黄色变为橙色，最后变为澄清度较低的砖红色。在380和500 nm附近可以看到明显的峰，对应着银纳米层和AuNBs@AgNRs中的横向LSPR吸收峰。基于AuNBs@AgNRs的刻蚀构建本色传感是生长过程的逆过程，同样伴随着溶液颜色的显著变化，为比色检测提供高灵敏度。
图16 （A） 用0，10，20，30，40，50，60，70，80，90和100 µL的AgNO3（0.01 M）合成的AuNBs@AgNRs样品的紫外-可见吸收光谱。插图：对应的胶体的照片。分别加入不同Ag+浓度制备的AuNBs@AgNRs的TEM图像。（B）AuNBs@AgNRs被Cu2+刻蚀的紫外吸收光谱和溶液照片，以及被刻蚀过程的TEM图片［197］Fig. 16 （A） Ultraviolet-visible absorption spectra of AuNBs@AgNRs samples synthesized with 0， 10， 20， 30， 40， 50， 60， 70， 80， 90 and 100 µL AgNO3 （0.01 M）. Illustration： Photo of the corresponding colloid. TEM images of AuNBs@AgNRs prepared by adding different Ag+ concentrations. （B） UV absorption spectra and solution photos of AuNBs@AgNRs etched by Cu2+， as well as TEM images of the etching process［197］. Copyright 2023， Elsevier |
Cu2+ + 2OH- → Cu（OH）2
O2 + 4H+ + 4Br- + 4Ag → 4AgBr + H2O
Hg2+/Hg的标准电极电势为0.852 V，高于Ag+/Ag的标准电极电势，因此Hg2+可氧化刻蚀Ag。
Ag n + Hg2+ = Ag n -2Hg + 2Ag+
基于此，以Hg2+对AuNBs@AgNRs的刻蚀构建比色传感［198］。AuNBs@Ag NRs的吸收光谱在400和730 nm左右的波长处表现出两个明显的峰，分别对应于纳米结构的纵向LSPR和大块Ag的等离子体共振。在730 nm处具有纵向LSPR峰，在添加50 μM Hg2+后峰蓝移到600 nm，400 nm处的吸收峰降低。随着Hg2+浓度进一步增加到500 μM，纵向LSPR峰值红移到681 nm。在低Hg2+浓度下，蚀刻优先发生在端面附近，端面银纳米壳的蚀刻导致纳米颗粒形状从纳米棒到大米状纳米颗粒的变化，导致纵向LSPR峰的蓝移。随着Hg2+浓度的增加，沉积在AuNBs侧面的银层被蚀刻，AuNBs@Ag纳米颗粒的纵横比不再改变，导致纵向LSPR峰的红移。在0.1~20 μM的范围内，Hg2+加入引起的吸收峰值变化∆λ与Hg2+浓度成正比，最低检出限为22 nM。溶液颜色自黄绿色变为绿色，然后变为蓝灰色。
基于Cr6+对银和金的双重刻蚀作用，Hou团队［199］制备了AuNB@AgNRs比色检测自来水和河水样品中的Cr6+。Ag（Ⅰ）/Ag（0），Au（Ⅰ）/Au（0）和Cr（Ⅵ）/Cr（Ⅲ）的标准电极电势分别为0.7966、1.69和1.33 eV。当Br-存在时，由于Br-对金和银的配体作用，使Ag（Ⅰ）/Ag（0），Au（Ⅰ）/Au（0）的电极电势降低，从而可以被Cr（Ⅵ）氧化。因此在HBr作用下，随着Cr6+的加入，Cr6+被还原为Cr3+，外层银壳首先被氧化生成AgBr，然后内核金纳米双锥的尖角被氧化为AuBr2 -，最终核壳结构的纳米棒被刻蚀为金球，引起LSPR吸收光谱自487~525 nm的红移，溶液颜色自橘色到粉红到紫色的变化。吸收光谱的波长移动变化值与Cr6+浓度在2.5~40 μM范围内成正比，检出限为1.69 μM。
基于TMB2+对银的刻蚀，采用酶联免疫三明治结构和AuNB@AgNRs构建比色传感检测C反应蛋白［200］。基于抗体和抗原之间的特异识别作用，将修饰了辣根过氧化酶引入体系，催化氧化TMB生成TMB+，并在酸性条件下转化为可以刻蚀氧化银的TMB2+，伴随着其对Ag外壳层的氧化刻蚀，纳米棒的组成和形貌均发生变化，800 nm处LSPR吸收峰发生蓝移至690 nm，400nm处的吸收峰强度下降，引起溶液颜色自橙红色、黄色、绿色、深绿色、蓝色和蓝灰色丰富的变化。
3.4.3 Au@AgNRs
采用种子生长法制备AuNRs，在其表面以AA还原AgNO3诱导Ag沉积，随着沉积银层厚度的增加，其LSPR的纵向吸收峰迅速蓝移。如图17A（a）所示，对于纵向LSPR峰值在655 nm处的裸金纳米棒，随着AgNO3（0.01 M）用量从0增加到450 μL，Au@AgNRs的峰值迅速增强并蓝移到520 nm。图17A（b，c）为不同Ag/Au摩尔比下制备的Au@AgNRs的TEM图和溶液颜色图。当对Au@AgNRs进行刻蚀，随着银层厚度的减小，溶液吸收光谱和颜色会出现逆向变化。如基于Hg2+对Au@AgNRs的刻蚀构建比色传感检测Hg2+［201-202］。Zhao等［202］基于Hg2+刻蚀半胱氨修饰的Au@AgNRs时发现，在Hg2+低于60 μM时，由于Hg2+与纳米棒表面半胱胺配位螯合作用引起纳米棒的聚集，引起吸收峰强度降低，吸收峰位移基本没有变化；当Hg2+浓度高于60 μM时，由于强烈的Hg—S键黏附的半胱氨分子而从纳米棒表面脱离，Hg2+对裸漏出的纳米棒进行了刻蚀，Ag壳层的减少导致纵向吸收峰从625 nm红移到725 nm，峰位移数在60~200 μM浓度范围内成正比，检出限1.065 μM。在检测过程中不同银沉积厚度的Au@AgNRs对检测灵敏度影响较大。通过改变生长溶液中亚硝酸银的体积，制备了纵向LSPR带在612 、725和850 nm的三种不同长径比的AuNRs，并以此为核使用相同量的银（100 μL，0.01 M AgNO3）来生长Au-Ag核壳纳米棒。在图17B（a）中，内部金纳米棒在612 nm处具有纵向LSPR峰，并且银涂层和半胱氨酸修饰后峰移到570 nm。当Hg2+浓度增加到50 μM时，纵向LSPR峰值迅速衰减，但胶体颜色没有明显地改变。当Hg2+浓度从50增加到75 μM时，纵向LSPR峰值出现在红移动到623 nm处，胶体的颜色从粉红色到紫色。随着Hg2+浓度从75 μM进一步增加到500 μM，没有观察到强烈的红移，胶体颜色变换也比较微弱。在图17B（b）中，内部金纳米棒在725 nm处具有纵向LSPR峰，并且在银涂层和半胱氨酸修饰后，该峰移动到650 nm。当Hg2+浓度增加到75 μM时，纵向LSPR峰值从1.45逐渐下降到0.75，但胶体颜色没有明显变化。当Hg2+浓度从75 μM增加到500 μM时，纵向LSPR峰值红色逐渐从650 nm移动到755 nm，胶体颜色从绿色变为棕色，然后变为红色。在图17B（c），内部金纳米棒在850 nm处具有纵向LSPR峰，并且在银涂层和半胱氨酸修饰后，该峰移动到710 nm。当Hg2+浓度增加到75 μM时，纵向LSPR峰值迅速衰减并伴有轻微的红移，胶体的颜色由淡黄色变为棕色。当Hg2+浓度从75 μM增加到500 μM时，纵向LSPR峰值从750 nm红移到840 nm。该偏移区域超出了可见光范围，吸收峰不能引起胶体颜色的明显变化。因此具有最高灵敏度的为LSPR在725 nm处金核制备的Au@AgNRs。
图17 （A）AuNRs表面沉积不同厚度银层的紫外吸收光谱图（a）、胶体溶液颜色图（b）和TEM图（c）；（B）不同LSPR峰的AuNRs为核制备的Au@AgNRs对Hg2+的响应吸收光谱图和溶液颜色变换［202］Fig. 17 （A）UV absorption spectra（a）， colloidal solution color （b）and TEM images（c）of silver layers with different thicknesses deposited on the surface of AuNRs. （B）The response absorption spectra and solution color transformation of Au@AgNRs prepared with AuNRs with different LSPR peaks to Hg2+［202］. Copyright 2018， Elsevier |
基于I2对银的刻蚀，通过选用不同的银纳米材料构建比色传感。如在Cu2+催化作用下基于I2对Au@AgNPs的刻蚀检测饮用水和干海带中的I- ［203］。在Cu2+存在下，将I-氧化为I2，I2刻蚀银生成AgI，生成Au@AgI，造成纳米颗粒成分和尺寸的变化，引起溶液颜色自黄色到紫色变化，在394 nm处的吸收逐步下降，并在422 nm处出现新的吸收峰，对应着AgI的生成。基于复合纳米颗粒的颜色变化比直接用AgNPs丰富，更有利于人眼识别和比色检测。本方法对干I-的检出限为0.5 μM。类似的，将Au@AgNPs更换为AuNBs@AgNRs，该方案同样用来检测海带中的I- ［204］。在Cu2+存在下，将I-氧化为I2，I2刻蚀银生成AgI，引起AuNBs@Ag NRs形貌的变化和LSPR光谱的变化。当表面覆盖的银层比较厚时，I-的刻蚀引起LSPR光谱蓝移，波长移动范围与I-在1.0~15 μM范围内成正比，检出限0.3 μM。
2Cu2+ + 4I- = 2CuI + I2
2Ag + I2 = 2AgI
陈令新等［205］基于Cu2+对S2O3 2-刻蚀Au@Ag纳米棒的催化加速作用比色检测实际水样中的Cu2+。在没有Cu2+的情况下，S2O3 2-吸附在Au@AgNRs表面，在溶解氧的存在下形成Ag（S2O3）2 3-配合物，并且该配合物立即在Au@AgNRs的表面上产生一个钝化层，阻碍后续的刻蚀浸出反应。当体系中添加微量Cu2+，由于可以形成Cu（S2O3）3 5-可以加速S2O3 2-刻蚀Au@Ag纳米棒，Cu（S2O3）3 5-又可以被溶解氧氧化为Cu2+，在此，Cu2+被用作催化剂来加速该反应。整个过程的吸收光谱图变化如下，Au@AgNRs的LSPR峰在548 nm，加入S2O3 2-后，LSPR峰红移到557 nm，并且伴随着吸光度的下降。加入Cu2+进一步引起光谱的红移和吸收光谱的下降。随着Cu2+浓度的增加，传感溶液的颜色在5 min内从鲜红色显著变为蓝绿色。
4Ag0 + O2 + 2H2O + 8S2O3 2- → 4Ag（S2O3）2 3- + 4OH-
3.4.4 其他异质结构
Zeng等［206］以独特的Au@AgS纳米异质结构比色检测污水中的Hg2+；Au@Ag与I2形成Au@AgI二聚体结构，其表面比Ag稳定得多。Au-AgI二聚体颗粒在硫化氢存在下转化为更稳定的Ag2S，从而提高了特异性。如图18A所示，汞离子会诱导Ag2S（K sp（Ag2S）=6.3×10-50）转化为更稳定的HgS（K sp（HgS）=4×10-53），因此纳米颗粒元素和形貌的变化，从而溶液颜色和LSPR光谱变化，基于此以Au@AgS异质结结构比色检测汞。如图18B所示，AuNPs的LSPR带以520 nm为中心，溶液呈酒红色。形成Au@Ag后，银壳的吸收峰出现在392 nm，由于Ag的屏蔽作用，Au蓝的吸收峰从520 nm移动到494 nm。同时，胶体颜色变为橙色。然后，加入I2，溶液从橙色到紫红色逐渐变化。在421 nm处出现了AgI的带隙，同时Au的吸收带再次回到521 nm，表明由于Au/AgINPs的形成，银壳的屏蔽效果较弱。加入Na2S形成Au/Ag2S二聚体NPs后，溶液变成灰紫色，421 nm处的LSPR带消失，而521 nm处的带移动到562 nm。这种红移暗示了从AgI到Ag2S的转变；当一定浓度的Hg2+与纳米探针混合时，成分从Ag2S到HgS的转变，颜色从灰紫色变为深绿色，最后变为海军蓝，光谱峰值红移至569 nm。在550 nm处的峰强度（A550）随Hg2+浓度的变化呈线性变化，检测限（LOD）为1.21 μmol/L。
图18 （A）Au/Ag2S二聚纳米颗粒检测Hg2+的方法示意图；（B）（1） AuNPs；（2） Au@AgNPs；（3） Au/AgINPs；（4） Au/Ag2SNPs；（5） Au/Ag2SNPs + Hg2+的紫外-可见光谱，插图为相应溶液的照片［206］Fig. 18 （A）Schematic diagram of the method for detecting Hg2+ by Au/Ag2S dimer nanoparticles； （B）UV-Vis spectra of （1） AuNPs；（2） Au@AgNPs；（3） Au/AgINPs；（4） Au/Ag2SNPs；（5） Au/Ag2SNPs + Hg2+， illustrated by the corresponding solution［206］. Copyright 2023， Elsevier |
Xu等［207］基于CN-快速溶解Au-AgI异二聚纳米颗粒（一面是Au，另一面是AgI）上的AgI检测实际样品（池塘水、废水、竹笋、橙子）中的CN-。Au-AgI异二聚主要在LSPR吸收峰主要在607 nm和416 nm，分别对应于纵向和横向LSPR，横向LSPR来自于AgI。当加入85 μM的CN-，特征LSPR峰蓝移，416 nm处的特征吸收峰消失，仅能观察到530 nm处AuNPs的吸收峰。溶液颜色由蓝色变为紫色、粉红色。虽然CN-在溶解氧的作用下可以刻蚀AuNPs和AgNPs，但CN-对AgI的溶解要比对金银颗粒刻蚀速度快的多。最大吸收峰的波长偏移（Δλ）与氰化物浓度在0~75 μM成线性相关，最低检出限为0.15 μM。该方法颜色变换比基于AuNPs的刻蚀［208］和AgNPs的刻蚀［209］要丰富，灵敏度更高。
AgI + 2KCN = KAg（CN）2 + KI
4Au + 8CN- + 2H2O + O2 = 4［Au（CN）2］- + 4OH-
EΘ = 0.976 V KΘ = 4.4×1028
4Ag + 8CN- + 2H2O + O2 = 4［Ag（CN）2］- + 4OH-
EΘ = 0.851 V KΘ = 9.4×1024
基于H2O2对银的刻蚀，Hallaj团队［210］以Au@Ag纳米笼为信号单元构建比色传感检测H2O2和葡萄糖。首先以多元醇方法制备Ag纳米立方体，并将其作为模板制备Au/Ag纳米笼。Ag纳米立方体的LSPR峰在350和415 nm，分别归因于偶极等离子体的激发和更高的多极电荷分布。将Au3+离子连续添加到Ag纳米立方体溶液中，以电流置换法制备Au/Ag纳米笼。由于Au3+/Au的氧化还原电位（0.99 V）高于Ag+/Ag（0.80 V），模板中的Ag原子被Au3+氧化并产生Ag+离子。Ag原子的溶解产生了一个空穴，而释放的电子会迁移到纳米立方体的外表面，并将Au3+离子还原为Au原子。由于晶体结构中Ag和Au原子之间的良好匹配，这些Au原子沉积在纳米立方体的外表面上，最终纳米立方体的形态发生了变化，形成了中空结构。H2O2可以扩散进入纳米笼的内孔，并蚀刻模板中残留的Ag原子，导致Ag+离子的产生。Ag+/Ag（0.80 V）的氧化还原电位高于亚3 nm Au+/Au（0.48 V）。纳米笼表面存在的一些微小的AuNPs，通过反电流反应将Ag+还原为Ag0沉积在Au/Ag纳米笼的多孔外壳上并覆盖它们。结果，纳米笼中的孔尺寸减小，Au/Ag纳米笼将逐渐转化为封闭的纳米盒。随着纳米材料形貌的变换，LSPR峰发生蓝移动，并伴随着溶液颜色自浅蓝色到深蓝色的变化。本方法对H2O2检测的线性范围为0.25~4.0 μM， 检出限LOD为0.2 μM。同样该方法可用于葡萄糖的检测。
2Ag0 + H2O2 → 2Ag+ + 2OH-
AuNPs（sub-3 nm）+ Ag+ → Ag0 + Au+
Glucose + O2 gluconic acid + H2O2
3.5 基于纳米粒子生长构建的比色传感
纳米颗粒的化学组成极大地影响其介电性质，并影响纳米颗粒与光波间的相互作用，如等离子共振模式的数量和共振的能量。因此，可以通过制备核壳结构纳米颗粒、纳米合金和杂化纳米颗粒等方式来改变纳米颗粒的LSPR响应。例如通过成核、生长新的纳米粒子，或在已有纳米粒子上可控地生长壳层，均可以引起LSPR响应。例如，通过在金纳米粒子上生长一层薄的银壳，从而使其纵向LSPR峰峰值随沉积的银壳的厚度增加而蓝移［211］。
3.5.1 基于银的沉积生长构建比色传感
一些还原性物质，如抗坏血酸（AA）、对苯二酚、尿酸等，可以直接还原Ag+反应生成银纳米颗粒，基于金纳米棒表面诱导沉积银可实现对多种还原剂的检测。在AuNRs表面镀银已被证实是有效放大AuNRs纵向LSPR位移信号的方法，银沉积引起AuNRs长径比的微小变化会导致从红外到可见光范围的纵向LSPR吸收峰发生明显变化，该方法基于非聚集策略，不需标记，操作简单，不易因自聚集而产生假阳性或假阴性。Chen等［212］通过在介孔二氧化硅包覆的金纳米棒上生长Ag实现对抗坏血酸的比色测定。在AA存在下，银被沉积在二氧化硅涂覆的金纳米棒上，引起金纳米棒的纵向LSPR带逐渐从663 nm蓝移到601 nm。方法检测限为49 nM，与荧光法检测限相当。基于抗坏血酸诱导银沉积，可间接检测生成AA的酶或底物，或者抑制AA生成的物质［213］。需要说明的是，相对于CTAB修饰的AuNRs，介孔二氧化硅薄层包覆使AuNRs具有更好的稳定性，提高其分析性能［214-217］。碱性磷酸酶（ALP）能催化4-氨基苯基磷酸酯（4-APP）生成可以还原硝酸银为金属银的4-氨基苯酚（4-AP），基于此在金纳米双锥上沉积银层构建三明治结构比色检测H5N1病毒［218］。如图19，随着沉积厚度增加，峰值从755 nm逐渐蓝移至550 nm，溶液颜色从棕红色变为绿色至红色。
图19 基于在金纳米双锥上沉积银构建比色传感的工作机理以及AuNBPs在不同厚度银沉积时的紫外吸收光谱、TEM和照片［218］Fig. 19 The working mechanism of colorimetric sensing based on silver deposition on gold nanobipyramids and the UV absorption spectra， TEM and photos of AuNBPs with different thickness of silver deposition［218］. Copyright 2017， American Chemical Society |
Zhang等［219］基于金纳米棒表面的银沉积的策略开发了一种用于氧化乐果检测的多色比色传感器。碱性磷酸酶（ALP）可通过催化抗坏血酸-2-磷酸（AAP）去磷酸化产生抗坏血酸来诱导银离子还原，然后在AuNRs表面沉积形成银纳米壳，从而形成Ag/Au壳-核纳米棒（Ag@AuNRs）。Ag@AuNR的形成改变了AuNRs的长径比，导致AuNRs的纵向LSPR峰发生蓝移，出现一系列肉眼可见的多色变化。然而，氧化乐果可以通过抑制ALP活性来阻碍ALP诱导的银金属化。溶液中氧化乐果的浓度直接影响生成的AA浓度，这最终决定了AuNRs表面银金属壳层沉积的程度，导致AuNRs纵向LSPR峰发生不同程度的蓝移。
同样基于抑制AA还原Ag+在纳米棒表面的沉积构建比色检测方法分析铬形态［220］。如图20所示，不同形态铬的引入，包括Cr3+、CrO4 2-和Cr2O7 2-，与AA通过氧化和络合反应，降低了AA的浓度，进而在不同程度上阻止Ag纳米壳的形成，铬离子的不同形态进行比色反应。AA与抑制剂Cr（Ⅳ）或Cr（Ⅲ）的混合使Au@AgNR光谱的蓝移和吸光度降低，并伴随着明显的红色到绿色的溶液颜色变化。Cr（Ⅲ）可以与AA络合降低AA的浓度，减少银的沉积，而Cr（Ⅳ）可以通过氧化和络合双重作用影响AA的有效浓度。AA/脱氢抗坏血酸（DHAA）的标准电极电位为+0.41 V，低于Cr（Ⅵ）/Cr（Ⅲ）的电极电位1.33 V，因此Cr（Ⅳ）可以首先氧化部分AA，产生的Cr（Ⅲ）离子进一步通过络合降低AA有效的浓度。将此传感用于三种不同铬离子浓度的比色检测，在最佳条件下，Cr（Ⅲ）在10~1000 μmol·L-1浓度范围和Cr（Ⅵ）在1~200 μmol·L-1浓度范围内有较好的响应。本方法对Cr（Ⅵ）灵敏度高于Cr3+，而Cr2O7 2-的抑制能力几乎是CrO4 2-的两倍，因为Cr2O7 2-是CrO4 2-的二聚体。基于本方案对不同铬离子形态的响应灵敏度不同，结合机器学习的模式对识别技术的集成，可对铬离子形态进行区分。
同样基于ALP诱导的银在金纳米花表面沉积，可以直接检测ALP，或者以ALP为标记物，借助杂交链式反应将ALP引入检测体系中，检测生物分子如DNA［221］。如图21所示，通过目标物诱导的杂交链式反应，可以形成较长的DNA双链。由于发夹结构DNA链H1末端修饰了生物素，可以将修饰了亲和素的ALP引入，然后引发酶催化反应生成AA还原银离子沉积在金纳米花上，引起金纳米花LSPR峰的蓝移，伴随着颜色自蓝色到深蓝色到紫色到桔色的变化。该方案检测ALP的线性范围在1.0 pmol·L-1~25 nmol·L-1，检出限0.5 pmol·L-1。以本方案检测DNA，线性范围10 fmol·L-1~50 pmol·L-1，检出限2.6 fmol·L-1。
图21 （A）基于HCR的DNA检测与等离子体比色策略示意图；（B）在不同浓度ALP存在下AuNS和AAP混合物的紫外-可见光谱；（C）ALP浓度的峰移与对数的关系图以及检测溶液颜色变化的照片；（D）AuNS和（E）AuNS涂覆的AgNPs的TEM图像［221］Fig. 21 （A）Schematic diagram of DNA detection and plasma colorimetric strategy based on HCR；（B）UV-Vis spectra of the mixture of AuNS and AAP in the presence of different concentrations of ALP；（C）The relationship between the peak shift of ALP concentration and logarithm and the photo of detecting the color change of the solution； TEM images of（D）AuNS and（E）AuNS coated AgNPs［221］. Copyright 2016， Elsevier |
当食物存储中产生的生物胺气体进入包含AuNRs，间苯二酚单乙酸酯（RMA）和AgNO3的溶液中，会引起体系pH的上升，在碱性环境下，间苯二酚单乙酸酯（RMA）的水解将产生还原产物间苯二酚，其可以将银离子还原为银原子（Ag0）并沉积在AuNRs表面形成银纳米壳。基于此，Guo团队［222］构建比色传感检测食物变质产生的生物胺。Au-NRs的表面组成和纵横比的变化导致纵向LSPR峰从810 nm蓝移到550 nm，并产生独特的从粉红色到砖红色多色变化。AuNRs的纵向LSPR峰的颜色变化和蓝移与生物胺的浓度以及食物的腐败程度有关。
蒋兴宇等［223］报告了一种基于AuNRs诱导银生长的葡萄糖比色测定法。向表面带负电的聚苯乙烯磺酸盐修饰的AuNRs（PSS-AuNRs）中加入当将Ag（NH3）2OH（Tollen试剂）时，Ag+将会通过静电作用富集在AuNR表面，导致AuNRs周围的Ag+局部浓度很高。体系中加入葡萄糖时，Ag+和葡萄糖之间氧化还原反应生成AgNPs。在此过程中，观察到独立的AgNPs，并非附着在金棒的表面，因此溶液颜色自苍白色变为黄色，410 nm处的吸光度逐步增加。在此过程中，金棒表面的电荷起着重要作用。若使用表面带正电荷的CTAB修饰的金棒和半胱氨修饰的金棒则无法观察到AgNPs的生成。以表面带负电荷的柠檬酸修饰的金棒同样可以看到AgNPs的生成。对于带负电荷的AuNRs/AuNPs，Tollen试剂中的Ag+可以通过静电相互作用被吸引到它们的表面。因此，Ag+的相对较高的局部浓度促进反应生成AgNPs。
Zeng等［224］基于HCHO可以与Tollens试剂反应，在骨形金纳米棒核上各向异沉积一层银壳开发了HCHO检测的比色传感。与常规的棒状AuNRs相比，骨状AuNRs由于其独特的凹面结构，有利于Ag沉积在凹陷部分，从而产生快速的反应动力学和检测速率。另一方面，稳定AuNRs配体从CTAB更换到CTAC，有助于加速银在AuNRs上的沉积，显著缩短了反应时间。所制备的骨状AuNRs在520 nm和715 nm处表现出两个主要的消光带分别由横向和纵向LSPR引起，同时在大约575 nm处有一个小峰，这是骨形AuNRs的特征LSPR带。随着体系中HCHO的加入，银层的沉积，纵向LSPR峰蓝移，在约400 nm处出现新LSPR峰，这归因于在AuNR核上形成银层。如图22中TEM图表明，银纳米壳的厚度沿横向方向不断增加，这是由于银沉积到横向的速度高于沿纵向的变化率，这一现象与AuNRs的横向LPSR带的变化率小于纵向的变化速率这一事实一致。伴随着银的沉积，溶液的表观颜色由浅灰色变为深蓝色、紫色、红色、橙色，最后变为黄色，纵向LSPR吸收峰从710蓝移至500 nm。所开发的比色法能够灵敏地检测HCHO，线性范围0.1~50 μM，检测限1 nM。
图22 （a）典型的骨骼状AuNRs的TEM图像；（b）AuNRs-Tollens试剂与HCHO反应形成的Au@AgNRs的TEM图像；（c）在优化条件下与不同浓度的HCHO孵育后，骨状AuNRs-Tollens试剂混合物的归一化UV-vis吸收光谱以及相应的照片（d）［224］Fig. 22 （a）TEM images of typical skeletal AuNRs；（b）TEM images of Au@AgNRs formed by the reaction of AuNRs-Tollens reagent with HCHO.（c）After incubation with different concentrations of HCHO under optimized conditions， the normalized UV-vis absorption spectra of the bone-like AuNRs-Tollens reagent mixture and the corresponding photos （d）［224］. Copyright 2019， Royal Society of Chemical |
如图23所示，Ag-Au纳米环是以AgNPRs作为牺牲模板通过AgTNP和HAuCl4之间的电流置换反应制备的［225］。电流置换是通过具有更高还原电位的金属B的离子氧化作为牺牲模板的金属A的过程。当AgTNPs与HAuCl4混合时，由于AuCl4 -/Au氧化还原对的标准还原电位（0.99 V vs 标准氢电极SHE）高于Ag+/Ag氧化还原对（0.80 V vs SHE），AgTNPs被氧化成银离子。AgTNPs尖锐顶点｛110｝晶面的Ag原子的配位数低于｛111｝晶面的配位数，这导致顶点区域的表面能更高，顶点和边缘更容易氧化。Au原子倾向于沉积在AgTNPs的边缘，形成Ag-Au合金结构。随着HAuCl4含量的增加，AgTNPs中心区域的Ag原子被氧化并以Ag+的形式溶解在溶液中，同时Ag释放的电子被Au+捕获，通过还原反应产生Au原子。
图23 金-银纳米环制备过程示意图（A）和相应的TEM图（B）以及（C）银沉积在金-银纳米环的示意图、吸收光谱图和电镜图［225］Fig. 23 Schematic diagram of the preparation process of gold-silver nanorings（A）and the corresponding TEM diagram （B）and（C）silver deposition in gold-silver nanorings schematic， absorption spectra and electron microscopy［225］. Copyright 2022， Elsevier |
3Ag（s） + AuCl4 - （aq） → Au（s） + 3Ag+ （aq） + 4Cl- （aq）
Ag沉积后，通过表面扩散迁移到Ag-Au纳米环的内表面，从而可以减少环的表面积，最大限度地减少系统总自由能。随着AA浓度的增加，沉积的银越来越多，纳米结构从浅蓝色变为深蓝色、紫色、粉红色和橙色，而相应的LSPR峰值蓝色从620 nm变为500 nm。纳米环的狭窄内部结构比具有较大比表面积，比固体球体或棒的结构对Ag的生长更敏感。这种对Ag生长的敏感性直接反映在较大范围的LSPR峰移中。Ag-Au纳米环具有独特的结构和合金结构，比AuNPs和AuNRs拥有更大的LSPR峰的位移。基于AA还原阴离子在纳米环的沉积，整合酶辅助生长过程，构建三明治酶联免疫疫传感测定金刚烷胺中。
3.5.2 基于金的沉积生长构建比色传感
如图24所示，Wang等226］开发了一种基于HCl-还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸I（NADH）-抗坏血酸（AA）介导的可以准确调节AuNBPs的生长速率系统检测AA。在HCl-NADH-AA介导的AuNBPs生长系统中，Au3+首先被NADH还原为Au+，然后，AA进一步将Au＋还原为Au0，以促进AuNBPs的生长，从而产生丰富多彩的多色变化。根据能斯特方程，AA的还原电位与H+浓度成反比。因此，在低HCl浓度（6 mM，L-通道模式）下，AA具有更高的还原电位，因此可以在低AA浓度下以更高的速率介导AuNBP生长。在高HCl浓度（35 mM，H-通道模式）下AA具有较低的还原电位，因此需要高的AA浓度来以较低的速率介导AuNBP的生长。NADH-AA介导的AuNBPs的生长速率可以通过控制HCl浓度来调节，以产生双AA对应的多色信号通道，L-通道模式具有更高的灵敏度，可用于低浓度范围内的AA检测，H-通道模式灵敏度较低，可用于高浓度范围内AA的检测。基于磺酰胺类对ALP酶催化AAP产生AA过程的抑制，本方案可以用于磺酰胺类药物的检测。该团队基于NADH-AA介导的AuNBPs，利用抗体抗原三明治结构引入ALP检测肿瘤标志物［227］。
图24 低HCl浓度（A）和高HCl浓度（B）下不同量AA还原Au生成Au沉积生成金纳米双锥颜色变化、吸收光谱变换和线性图［226］Fig. 24 The color change， absorption spectrum transformation and linear diagram of gold nanobipyramids formed by different amounts of AA reducing Au to Au deposition at low HCl concentration（A）and high HCl concentration（B）［226］. Copyright 2023， American Chemical Society |
类似的，He等［228］提出一种基于AChE介导AuNBPs生长的有机磷农药比色检测方法。首先，通过原位种子介导生长方法可以方便快速地制备高度均匀的AuNBPs。然而，当具有高酶活性的AChE存在时，可以有效地催化ATCh水解以产生TCh。所获得的含有硫醇的TCh对金的晶种具有强的结合能力，从而抑制金晶种的生长形成AuNBPs。该过程导致纵向LSPR峰值的显著短波长偏移和明显的溶液颜色变化。相反，当存在OPs时，OPs抑制酶活性，导致不能催化ATCh水解为TCh，从而使AuNBPs顺利生长。
4 比色传感阵列
传感构建面临选择性检测问题，一般结构类似物（含相同的敏感基团）或性质相近（氧化还原性质等）能引起传感的响应，当有这些物质存在时会对传感造成干扰。基质中共同存在这些干扰物时难以加以区分。传感阵列检测芯片是将敏感元件组合成阵列的传感器，其敏感元件的特异性和选择性相对较低。可以用弱化的钥匙和锁的概念来解释阵列传感检测系统，即可能存在多把钥匙能插入锁孔，但每把钥匙解锁程度不同。根据不同敏感元件可与待测物的不同组分产生不同程度交叉敏感响应的特点，构建独特的指纹谱，并采用数据处理方法对响应产生的多个变量进行深度数据挖掘，从而达到鉴别、区分分析物的目的。比色传感阵列的构建是阵列芯片根据分析物暴露前后的阵列进行数码成像，通过简单的数字减影（像素减像素），生成具有指纹特性的模式图，然后进行聚类和分类分析。聚类分析本质上告诉我们谁与谁相似，即代表不同个案的数据变量在多维的空间中的接近程度。分类分析是将个案数据的结果与已知的定性和定量数据库进行比对，以预测个案数据属于哪一类分析物。这两类统计方法中最主要的分析方法是层聚类分析（HCA）、主成分分析（PCA）及线性判别分析（LDA）。
基于不同化学成分、尺寸、形貌、表面性质的贵金属纳米对不同分析物的响应程度不同，可构建多种比色分析传感阵列。如，Wu团队［229］基于15种微生物引起四种表面不同电荷金胶的聚集程度不同构建比色传感阵列。分别制备巯基丙酸修饰AuNPs（AuNPs@MPA）、巯基琥珀酸修饰AuNPs（AuNPs@MSA）、半胱胺修饰AuNPs（AuNPs@Cys）和十六烷基三甲基溴化铵修饰AuNPs（AuNPs@CTAB），其Zeta电位分别是-12.37 、-17.43，31.27和4.37 mV。大多数微生物的表面都带负电，它们与不同表面电荷的金胶相互作用将导致不同的颜色分布。选用15种微生物包括12种细菌和3种真菌，由于静电相互作用，几乎所有的微生物都会引起带正电的AuNPs的颜色变化，表明表面电荷在微生物鉴定中起着重要作用。然而，腐败梭菌引起AuNPs@CTAB颜色的微弱变换。此外，少量微生物可导致带负电的AuNPs@MPA和AuNPs@MSA的颜色变化，而大多数微生物不能。事实上，AuNPs与微生物的相互作用不仅仅是静电相互作用，还有疏水相互作用等其他相互作用。即使微生物具有相似的表面ζ电位，它们也会与带正电荷的AuNPs产生不同颜色变化，这表明微生物的表面或结构差异也可能在AuNPs和微生物的相互作用中发挥作用。相似的是，由于多因素相互作用，带负电荷的AuNPs也可以不同程度地附着在微生物表面，导致不同的颜色变化。基于此利用四种不同电荷的AuNPs可以区分15种不同的微生物。
如图25所示，Zhou团队［230］基于5种表面不同修饰的金纳米棒的聚集构建比色传感阵列区分检测8种不同的农药。具体机理如下：通过水解碘化乙酰硫胆碱（ATCh）产生的硫胆碱可以很容易地通过Au—S键合在AuNPs表面，引起AuNPs发生聚集，导致溶液颜色变化。乙酰胆碱酯酶（AChE）的水解能力受到不同农药的影响，因此基于5种不同的AuNPs，通过比色法成功地区分了8种农药。5种不同表面修饰的AuNPs的最大吸收峰分别为510 nm（AuNPs@TSC+NaBH4）、519 nm（AuNPs@TSC-1）、525 nm（AuNPs@TSC-2）、514 nm（AuNPs@NaBH4）和521 nm（AuNPs@AA），表面的Zeta电位分别为-14.1 mV（AuNPs@TSC + NaBH4），-40.4 mV （AuNPs@TSC-1），-48.6 mV（AuNPs@TSC-2），-29.3 mV（AuNPs@NaBH4）和-31.0 mV（AuNPs@AA）。当仅一种AuNPs用作比色探针时，8种不同农药引起的色差不明显，5种纳米Au的共同使用可以方便的区分各种不同的农药。
图25 （A）模拟农药（Gly、Thi、Dic）在水果（梨和葡萄）、蔬菜（甘蓝）和TCBs（金银花、枸杞、桑叶）表面喷洒的过程。（B）用于区分2个水果样品（梨和葡萄）、1个蔬菜样品（甘蓝）和3个TCB样品（金银花、枸杞、桑叶）中3种农药残留的比色传感器阵列；（C）检测实际样品中Gly、Thi和Dic的5个AuNPs的A670/A520［230］Fig. 25 （A）Simulated the spraying process of pesticides （ Gly， Thi， Dic ） on the surface of fruits （ pears and grapes ）， vegetables （ cabbage ） and TCBs （ honeysuckle， wolfberry， mulberry leaves ）.（B）A colorimetric sensor array was used to distinguish three pesticide residues in two fruit samples （ pear and grape ）， one vegetable sample （ cabbage ） and three TCB samples （ honeysuckle， wolfberry and mulberry leaves ）.（C）Detection of A670 / A520 of five AuNPs of Gly， Thi and Dic in actual samples［230］. Copyright 2023， Elsevier |
Abbasi-Moayed等［231］利用三种不同的卤素粒子，Br-、Cl-、I-，对三角银的刻蚀在不同时间表现出不同的颜色构建比色传感阵列。Zhou等［232］基于pH诱导的银纳米棱镜（AgNPRs）蚀刻策略，在水和稀释的胎牛血清中展示了一种用于检测5种硫醇的多通道比色传感器阵列。研究发现，在碱性条件下（pH=11，pH=11.6，pH=12），AgNPRs被溶解氧刻蚀产生蓝色局域表面等离子体共振吸收偏移。由于硫醇在不同的pH值下对AgNPRs表现出高亲和力，加速刻蚀形成不同的LSPR峰，因此它们的相互作用产生了不同的吸光度响应模式。所制备的多通道比色传感器阵列对谷胱甘肽（GSH）、半胱氨酸（Cys）、二巯基琥珀酸（DMSA）、3-巯基丙酸（MPA）以及二硫苏糖醇（DTT）等5种硫醇进行了高效检测，检测浓度低至10 nM。利用主成分分析（PCA）可分辨出3种不同浓度的硫醇（10、80和400 nM）和5种浓度为400 nM的硫醇。类似的，Torres-Mapa等［233］合成了三种不同尺寸、形状和功能化的金纳米粒子，包括球形和各向异性形状的（1-十六烷基）三甲基溴化铵（CTAB）修饰的金颗粒、和球形巯基乙胺（MEA）修饰金纳米颗粒、基于带负电金纳米颗粒在带正电荷细菌表面的聚集，组成生物传感器阵列，检测4种口腔细菌（共放线聚合杆菌、纳氏放线菌、牙龈卟啉单胞菌和口腔链球菌）。由于4种细菌的形状大小不同，三种不同金颗粒尺寸和形状不同，聚集后产生不同的颜色变化，基于此根据阵列颜色变化，可对4种不同细菌进行高特异性检测。Gu团队［234］使用两种具有不从尺寸和枝化程度的纳米金星以及两者1：1的混合溶液构成的三种不同的纳米金胶，基于他们在4种形状不同、表面电荷分布不同的细菌表面的聚集引起的颜色变化构建比色传感阵列，检测革兰氏阳性金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性眼部病原体木糖氧化酶、嗜酸假单胞菌和嗜麦，可构建比色传感阵列，同时检测精胺（SP）、亚精胺（SD）、组胺芽假单胞菌4种不同细菌。利用金胶银胶体在不同生物胺作用下的聚集程度不同，引起不同颜色变换，检测组胺（HS）和色胺（TP）几种不同的生物胺［235］。
5 结论与展望
在本文中，我们总结了基于聚集和非聚集策略构建的纳米粒子LSPR比色传感分析。首先，通过具有良好分散和聚集的AuNPs和AgNPs之间的颜色变化，目标分析物与纳米颗粒相互作用和化学反应，很多基于聚集和反聚集策略的传感分析方法已经被创造性地设计和开发。另外，我们总结了基于纳米颗粒形貌和粒径调控构建的比色传感。与聚集等离子体分析相比，基于等离子体纳米颗粒的蚀刻或生长构建的比色传感避免了复杂且耗时的标记程序，不会产生由纳米颗粒的自动聚集引起的假阳性结果，而且可通过将纳米颗粒固定在适当的基板上制成实用的试纸。这些优点可以显着提高检测精度和重现性。最后对于构建比色传感中面临的选择性问题，我们总结了基于不同性质的贵金属纳米对不同分析物产生的不同响应构建的各种比色传感阵列。因此，基于贵金属纳米粒子LSPR比色传感可用于选择性和灵敏地检测金属离子、有机小分子和大分子，其涉及临床、食品和环境等领域，具有高度意义。然而，在更广泛地应用基于贵金属纳米粒子的比色传感器之前，仍有需要解决的关键问题。
（1）目前的纳米粒子的制备方法无法满足大规模应用合成高度均一的纳米材料的要求，并且很多传统的合成方案需要较长的孵育时间和繁琐的洗涤步骤，这很大程度上限制了这些传感器的实际应用。
（2）此外，溶液颜色变化与纳米颗粒的形态、尺寸或组成之间的关系尚缺乏理论计算。计算机模拟将成为选择合适的纳米材料候选材料的有力工具。因此，在未来生产大量稳定的纳米材料还需要进一步努力和探索。
（3）另外，在即时检测诊断应用的推动下，多色传感的一些缺点，如基于酶催化剂的纳米颗粒生长或蚀刻具有催化反应时间长的共同缺点；等离子体纳米粒子的尺寸、形状或形态的转变容易受到外部复杂环境的影响以及多色比色系统大多是在溶液系统中构建的，不方便进一步的使用也应得到进一步改进，以满足实际应用的要求。
（4）与聚集型比色传感相比，基于形貌与粒径控制的LSPR的比色传感检测对象具有较大的限制性，通常局限在氧化性物质（刻蚀）和还原性物质（沉积）。聚集型比色传感的开发扩展检测对象。
总之，还需进一步努力探索纳米粒子LSPR比色传感在更多领域中具有重要意义的其他分子的分析检测，以便使比色传感器广泛应用于化学工业、环境、生物系统和医学等诸多领域，并且使这种测定在未来可能能够取代在这些重要领域中使用的一些传统分析方法。未来，随着材料科学和新分析技术的进步，基于金属纳米颗粒聚集和非聚集等离子体传感器的潜在应用将得到进一步增强。