收稿日期:2020-03-27 修回日期:2020-05-09
伽玛基金项目：国家自然科学基金(N o .61775157,21874098)；山西省应用基础研究青年基金(N o .201801D 221194)
；山西省重点研发计划(高新领域)(N o .201903D 121158)；山西省高等学校科技成果转化培育项目；山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划项目
*通讯作者：张校亮，男，博士，副教授，主要研究方向为光学生物传感与检测.E -m a i l :z h a n g x i a o l i a n g @t y u t .e d u .c n 第37卷第1期V o l .37 N o .1
分析科学学报
J O U R N A LO FA N A L Y T I C A LS C I E N C E
2021年2月
F e b .2021
D O I :10.13526/j
.i s s n .1006-6144.2021.01.005基于适配体-金纳米粒子和光热-激光背向散射干涉技术的水中A s (Ⅲ) 的定量检测田耀宗1，张校亮*
2
，谭 慷2，李晓春2(1.
新型传感器与智能控制教育部与山西省重点实验室，太原理工大学物理与光电工程学院，山西太原030024;
2.太原理工大学生物医学工程学院，山西太原030024
)摘 要：针对A s (Ⅲ)的检测问题，提出了一种基于适配体-金纳米粒子探针和光热-激光背向散射干涉原理的水中A s (Ⅲ)的定量检测技术㊂结合了A s (Ⅲ)适配体的金纳米粒子溶液呈现稳定的酒红，对绿光有较强的吸收作用㊂采用532n m 的激光照射毛细管内的金纳米粒子溶液，由于光热效应溶液折射率发生变化，激光背向散射干涉(B a c k -S c a t t e r i n g I
n t e r f e r e n c e ,B S I )产生的干涉条纹就会发生移动㊂待测溶液中存在A s (Ⅲ)时,A s (Ⅲ)与适配体相结合，导致适配体从金纳米粒子颗粒表面脱落，在高浓度盐的作用下，金纳米粒子颗粒聚集，溶液的颜由酒红变成蓝紫，光热效应引起的干涉条纹移动量减小㊂建立A s (Ⅲ)浓度与干涉条纹移动量之间的关系，通过检测干涉条纹的移动量实现了水中A s (Ⅲ)的定量检测，检出限为0.127m g
/L ㊂关键词：适配体-金纳米粒子；光热效应；激光背向散射干涉；金纳米粒子颗粒聚集;A s (Ⅲ)中图分类号:O 657.319 文献标识码:A 文章编号:1006-6144(2021)01-029-06
砷在自然界中主要以A s (Ⅲ)和A s (Ⅴ)的形式存在，其中A s (Ⅲ)的毒性远高于A s (Ⅴ)
[1
]㊂含砷工业废水的不合理排放，含砷农药的大量使用均会对水源和土壤造成污染[2-4]
㊂长期饮用㊁食用被砷污染的水和粮食会造成人体内砷的蓄积，严重危害人体健康[5,6]
㊂世界卫生组织(WH O )要求饮用水中砷含量低于10μg /L [7]；我国要求饮用水中砷含量低于10μg /L [8]，所排放污水中砷含量低于0.5m g
/L [9]
，土壤中砷含量低于20m g /k g [10
]㊂因此,
对环境中的砷，尤其是A s (Ⅲ)的检测，对于环境监测以及保障人民健康具有重要意义㊂目前对于A s (Ⅲ)的检测主要包括：电感耦合等离子体质谱法(I C P -M S
)㊁原子吸收光谱法(A A S )㊁原子荧光光谱法(A F S )
等大型仪器检测法㊂这些方法具有检测限低㊁灵敏度高㊁准确性好等优点[11
]，但需要大型仪器，成本高㊁操作复杂，不适合快速筛查㊂近些年来研究者们一直在探究新的快速检测A s (Ⅲ)
的方法㊂核酸适配体(适配体)是一段能够特异性地与目标分子结合的D N A 或R N A 片段,
与普通的抗体相比适配体具有高特异性㊁高亲和性㊁靶范围广㊁筛选周期短㊁易修饰等特点[12]
㊂由于A s (Ⅲ)
的适配体的发现[13
]，基于适配体检测A s (Ⅲ)的方法陆续出现，其中基于A s (Ⅲ)适配体-金纳米粒子(A uN P s
)结构的光学检测方法引起了众多研究者的关注[14]
㊂2012年,W u 等人利用A s (Ⅲ)适配体与阳离子表面活性剂P D D A 形成复合结构，当待测样品中存在A s (Ⅲ)时，适配体会特异性地与A s (Ⅲ)相结合，裸露的P D D A
会吸引溶液中的A uN P s 相互靠近发生聚集，溶液颜由酒红变为蓝㊂通过建立溶液在波长650n m
第1期
田耀宗等：基于适配体-纳米金粒子和光热-激光背向散射干涉技术的水中A s (Ⅲ)的定量检测第37卷
和520n m 的吸光度比值与A s (Ⅲ)浓度的关系，实现了水中A s (Ⅲ)的定量检测，检出限低至5.3μg
/L [15]
㊂2019年,M a t s u n a g
a 等人构建了A s (Ⅲ)适配体-A uN P s 结构，加入高浓度N a C l 引起A uN P s 聚集，通过溶液吸光度
变化实现了地下水中A s (Ⅲ)的检测[16
]，检出限为0.161m g /L ㊂分光光度法灵敏度高，但该方法对待测样品的体积需求量较大，溶液中未知颗粒发生散射也会对实验结果造成影响[
17
]㊂因此,A uN P s 光学信号的新型检测方法一直是人们研究的热点㊂A uN P s 具有良好的光热效应，在激光照射下,A uN P s 强烈地吸收激光能量并将其转化为热量，从而引起周围介质温度的上升及折射率变化，变化的幅度与其浓度和形态有关[18,19]
㊂当A uN P s 发生聚集时,
溶液由酒红变为蓝紫，其固定波长处的光热效应也会发生变化，而光热引起的溶液折射率的变化可以
采用激光背向散射干涉等光学方法进行检测，具有灵敏度高㊁非接触等优点[20]
㊂基于以上研究，我们提出
了基于适配体-A uN P s 和光热-激光背向散射干涉(P h o t o t h e r m a lL a s e rB a c k s c a t t e r i n g I
n t e r f e r e n c e ,P T -B S I )原理进行A s (Ⅲ)检测的技术㊂采用波长为532n m 的绿光激光器作为光热效应的激发光源，待测样品中A s (Ⅲ)的浓度不同时,A uN P s 聚集的程度也不同，光热效应导致溶液的折射率变化幅度就不同，表现为干涉条纹移动量的不同㊂通过建立干涉条纹移动量与A s (Ⅲ)的浓度的关系，实现了水中A s (Ⅲ)
浓度的检测，检出限为0.127m g
/L ，可以用于排放废水㊁部分地区A s (Ⅲ)超标地下水，以及土壤中A s (Ⅲ)的检测[
9,10,16
]㊂1 实验部分
1.1 仪器与试剂
MG L -Ⅲ-532全固态激光器(长春新产业光电技术有限公司,100mW );78HW -1数显磁力搅拌器(
行政法律制度
杭州仪表电机有限公司);L C 100线阵C C D (T H O R L A B S );H C -2518高速离心机(安徽中科中加科学仪器);T E D 200C 温控器(T H O R L A B S );T K A G e n p u r eU V 超纯水系统(美国，赛默飞世尔公司);T E C 3-6半导体致冷器(T H O R L A B S );U V -3100紫外-可见光分光光度计(上海美普达仪器有限公司);A D 590温度传
感器(T H O R L A B S
)；石英毛细管(佰思特石英)㊂A s (Ⅲ)适配体5'-T T A C A G A A C A A C C A A C G T C G C T C C G G G T A C T T C T T C A T C G -3'
(上海生工生物工程有限公司),N a C l (ȡ99.5%，分子生物学级，美国S i g m a -A l d r i c h 公司),N a A s O 2(
ȡ99%，美国S i g -m a -A l d r i c h 公司)，柠檬酸三钠(分析纯,ȡ99%，美国S i g m a -A l d r i c h 公司),N a B H 4(98%，美国S i g
m a -A l d r i c h 公司);HA u C l 4(
A u :23.5%~23.8%i nd i l u t eH C l ，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)㊂1.2 实验装置
图1 实验装置示意图
F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a mo f t h e e x p
e r i m e n t a l d e v i c e 如图1所示，激光器发射一束激光(532n m ㊁光束直径3.16m m )经过反射镜后，垂直入射到毛细管(内径0.63m m ㊁外径2m m )的检测区域㊂激光在毛细管内外界面产生多次反射㊁折射，其中一部分
反射和折射光经镜面反射至线阵C C D 处发生干涉，出现条纹状的干涉图案㊂通入不同浓度的A s (Ⅲ)溶液后，加入N a C l ,A uN P s 发生聚集，激光照射检测区域产生光热效应导致检测溶液升温，溶液折射率发生变化，条纹状的干涉图案发生移动，通过检测线阵C C D 上干涉条纹的位置变化量,
可实现对A s (Ⅲ)的定量检测㊂为了避免环境温度变化的影响，在实验中采用温控器保持检测系统周围环境温度恒定㊂为了进一步提高检测精度，本文中对条纹信息进行傅里叶变换，从而获取条纹移动时对应的相位移动值[
20]㊂1.3 A uN P s 溶液的制备
分别将0.5g 柠檬酸三钠固体㊁0.5g H A u C l 4固体溶于两个盛有5
0m L 去离子水的烧杯中，制得1%的柠檬酸三钠溶液及1%H A u C l 4溶液㊂用去离子稀释1%的H A u C l 4溶液，制得0.01%的H A u C l 4溶液㊂将0.0375g N a B H 4固体溶于盛有50m L1%柠檬酸三钠溶
液的烧杯中，制得0.075%的N a B H 4溶液，室
第1期分析科学学报第37卷温下在磁力搅拌机上将0.5m L1%的柠檬酸三钠溶液加入到50m L0.01%的H A u C l4溶液中，搅拌使之哈尔滨体育学院学报
充分反应,60s后向混合溶液中加入1m L0.075%的N a B H4溶液，所得A uN P s溶液为酒红，其直径约为10n m[21]㊂
1.4A s(Ⅲ)的定量检测
分别取250μL浓度为2μm o l/L的适配体溶液，分别加入到8个盛有600μL A uN P s溶液的P E管中，振荡混合均匀得到反应液㊂然后依次将130μL浓度为0㊁0.5㊁0.8㊁1㊁2㊁5㊁8㊁10m g/L的A s(Ⅲ)标准溶液，分别加入到反应液中混合均匀,5m i n后向上述溶液中分别加入20μL浓度为2m o l/L的N a C l溶液，最后将混合液通入毛细管的检测区域，调节激光入射功率为20mW，采集条纹状干涉图案的相位移动值㊂
2结果与讨论
2.1A uN P s聚集原理
稳定的A uN P s溶液为酒红，加入高浓度的N a C l后，溶液中的阳离子会中和A uN P s表面电荷，使A uN P s发生聚集，溶液变为蓝紫[16,21]㊂将适配体加入到A uN P s溶液中，适体链可以包裹在分散的A uN P s上形成保护层，此时加入高浓度的N a C l，由于适配体的保护作用,A uN P s不会发生聚集㊂如图2所示，将待测溶液加入适配体与A uN P s的混合液中，若待测液中不存在A s(Ⅲ)，即使溶液中存在阳离子,A uN P s仍处于分散状态并保持稳定；若待测液中存在A s(Ⅲ)时,A uN P s表面包裹的适配体会脱落，并与A s(Ⅲ)形成更稳定的结构，加入N a C l溶液后,A uN P s发生聚集，溶液颜发生改变㊂
图2适配体-纳米金检测A s(Ⅲ)原理图
F i g.2S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no fA s(Ⅲ)d e t e c t i o nu s i n g a p t a m e r-A uN P s
2.2实验条件的优化
2.2.1N a C l浓度分别取0㊁4㊁5㊁10㊁15㊁20㊁25μL浓度为2m o l/L的N a C l溶液与600μL A uN P s溶液混合均匀，加水使溶液总体积为1000μL,N a C l溶液的实际浓度为0㊁0.008㊁0.01㊁0.02㊁0.03㊁0.04㊁
0.05m o l/L，利用分光光度计测量溶液的吸收光谱，结果如图3所示㊂从图中可以看到,N a C l浓度越大,生物工程学报
A uN P s逐渐发生聚集，最大吸收峰处的吸光度越低，当加入20μLN a C l溶液(在混合液中的实际浓度为
0.04m o l/L)后，吸收峰的吸光度不再下降，因此，实验中我们选取20μL浓度为2m o l/L的N a C l溶液㊂2.2.2适配体浓度分别移取0㊁50㊁100㊁150㊁200㊁250μL的浓度为2μm o l/L的A s(Ⅲ)适配体溶液与600μLA uN P s溶液混合均匀，静置5m i n后，分别向上述混合液中加入 2.2.1 所述优化的最佳浓度的N a C l溶液，加水使溶液总体积为1000μL(混合液中适配体实际浓度为0㊁0.1㊁0.2㊁0.3㊁0.4㊁0.5μm o l/L)混合均匀，测量不同浓度适配体下溶液的吸收光谱，如图4所示㊂从图可以看到，当适配体浓度为0时，加入N a C l，最大吸收峰处的吸光度最低，长波长处的吸光度增加，表明A uN P s之间发生聚集㊂当适配体溶液浓度越来越高时，表面形成适配体保护层的A uN P s越来越多，其最大吸收峰值不断增高，当加入250μL 适配体溶液后(对应浓度为0.5μm o l/L)，最大吸收峰处吸光度不再增高，说明此时A uN P s被完全包裹，因此实验中我们选取250μL浓度为2μm o l/L的适配体溶液(在混合液中实际浓度为0.5μm o l/L)㊂
第1期田耀宗等：基于适配体-纳米金粒子和光热-激光背向散射干涉技术的水中A s(Ⅲ)的定量检测第37
卷
图3加入不同浓度N a C l溶液后A uN P s溶液的吸收光谱
F i g.3A b s o r p t i o ns p e c t r ao fA u N P sw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o fN a C
l 图4适配体浓度不同时加入N a C l溶液后A uN P s 溶液的吸收光谱
F i g.4A b s o r p t i o n s p e c t r a o fA uN P s i n s o l u t i o n sw i t h d i f f e r e n ta p t a m e rc o n c e n t r a t i o n sa f t e r N a C ls o l u t i o n a d d e d
2.3基于光热-激光背向散射干涉(P T-B S I)的A s(Ⅲ)定量检测
依次取 1.4 所述的A s(Ⅲ)㊁适配体㊁A uN P s和N a C l组成的混合液20μL，通入毛细管中，打开激光器，调节激光入射功率为20mW，使得激光照射毛细管检测区域225s，观察干涉条纹相对于初始时刻的变化㊂由于激光器的发射波长为532n m，接近A uN P s的吸收峰，激光照射检测区域产生光热效应导致检测溶液升温，溶液折射率发生改变，条纹状的干涉图案发生移动㊂我们将某时刻干涉条纹的相位值相对于初始时刻相位值的差值定义为该时刻的P T-B S I相位变化值信号(r P T-B S I s i g n a l)，并记录不同时刻的r P T-B S I s i g n a l数据㊂如图5(A)所示，由于光热作用，随着激光照射时间的增加,r P T-B S I s i g n a l逐渐增大，最后达到稳定㊂我们将稳定后的P T-B S I相位变化值作为该溶液的最终有效的P T-B S I相位变化值信号(e P T-B S I s i g n a l)，并建立A s(Ⅲ)浓度与e P T-B S I s i g n a l关系(图5(B))
从图4及图5(A)可以看到，随着溶液中A s(Ⅲ)浓度的增大，激光波长处的吸光度逐渐降低，光热效应减弱，其e P T-B S I s i g n a l逐渐减小㊂图5(B)给出了0~10m g/L范围内的不同浓度A s(Ⅲ)的相位变化值信号e P T-B S I s i g n a l㊂由图可知,e P T-B S I s i g n a l随A s(Ⅲ)浓度的增大而减小，两者呈线性关系，线性相关系数R2为0.9939，灵敏度为0.021r a d/(m g㊃L-1)，计算所得检出限(3σ)为0.127m g/L ㊂
图5(A)不同浓度A s(Ⅲ)溶液的r P T-B S I s i g n a l与时间的关系;(B)e P T-B S I s i g n a l与A s(Ⅲ)浓度的关系
F i g.5(A)R e l a t i o n s h i p b e t w e e nr P T-B S I s i g n a l a n dt i m e f o rd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n so fA s(Ⅲ);(B)R e l a t i o n s h i p b e t w e e n e P T-B S I s i g n a l a n dA s(Ⅲ)c o n c e n t r a t i o n
虽然127μg/L远高于饮用水中的A s(Ⅲ)需低于10μg/L的限定，但该方法可用于排放废水㊁部分地区A s(Ⅲ)超标地下水，以及土壤中A s(Ⅲ)的检测[9,10,16]㊂此外，若将实验中所用激光器的功率适当增大，还可以进一步提高检测的灵敏度，并降低检出限㊂
2.4A s(Ⅲ)检测的选择性
为了验证本方法的抗干扰性能，研究了常见的金属离子对A s(Ⅲ)的干扰情况㊂配制2m g/L的A s(Ⅲ)㊁N i2+㊁N a+㊁C a2+㊁F e(Ⅲ)㊁C r(Ⅲ)㊁C u2+溶液㊂分别将250μL浓度为2μm o l/L的A s(Ⅲ)适配体溶液与600μL A uN P s混合均匀，然后分别加入130μL浓度为2m g/L的上述金属离子溶液，振荡后静置5m i n使之充分反应，最后加入20μL的2m o l/L的N a C l溶液㊂依次取20μL混合溶液通入毛细管中，打开激光器进行检测㊂
第1期
分析科学学报
第37卷
图6 A s (Ⅲ)检测方法的选择性
F i g .6 T h e s e l e c t i v i t y t e s t f o r t h e d e t e c t i o no f A s (Ⅲ
)为了便于比较，我们将空白溶液的e P T -B S I s i g
n a l 与每个样品的e P T -B S Is i g
n a l 的差值作为检测信号，即Δe P T -B S I s i g n a l ，结果如图6所示㊂由图可以看出,A s (Ⅲ)的信号最强，而以上几种常见离子的信号较弱，对A s (Ⅲ)的检测影响较小㊂说明本方法具有良好的选择性㊂
2.5 加标水样的检测
为了验证该检测方法的可靠性，对加标自来水水样中
A s (Ⅲ)进行了检测㊂配制A s (Ⅲ)浓度分别为0.50㊁
0.80㊁1.0㊁5.0m g
/L 水样(纯自来水中未检出A s (Ⅲ))㊂实验结果，加标样品检测出A s (Ⅲ)浓度分别为0.538㊁
0.809㊁1.05㊁4.96m g
/L ，回收率分别为107.6%㊁101.1%㊁105.0%㊁99.2%㊂表明本方法可以用于部分严重超标水的检测㊂若提前对样品进行一定的预处理,
方法还可以用于排放废水以及土壤中A s (Ⅲ)的检测㊂3 结论
卡尔达诺本文研究了一种基于适配体-金纳米粒子结构的探针和光热-激光背向散射干涉技术的A s (Ⅲ)
定量检测方法㊂金纳米颗粒和A s (Ⅲ)可以与其适配体竞争性结合，导致A s (Ⅲ)适配体从金纳米颗粒表面脱落，在高浓度盐作用下发生聚集，造成溶液在激光波长处的光热效应发生变化，通过检测激光背向散射干涉条纹的移动信息，实现了A s (Ⅲ)的定量检测㊂此外，该方法还可用于涉及普通显反应的目标物检测中㊂因此，本方法具有快速㊁微体积㊁普适性广等优点㊂
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