磁性纳米材料微固相萃取-纳米金探针可视化检测复杂基体中环境污染物

Gold nanoparticle (AuNP)-based visual test is very suitable for on-site field analysis, as it requires no sophisticate instrument and operation. However, most of the currently available AuNP probes suffered from low sensitivity and low tolerance to sample matrices such as salinity and natural organic matters, limiting the application of AuNP-based visual probes in the test of ultra-trace level of contaminants in real sample analysis. In this proposal, Fe3O4 magnetic nanoparticles (Fe3O4 NPs) were used as sorbents of micro-solid phase extraction for extraction of inorganic and organic contaminants, which is then coupled with AuNP probe to overcome this limit. Target pollutants were at first captured by Fe3O4 NPs and magnetically separated from the water samples. Then, the Fe3O4 NPs loaded with targets were mixed with modified AuNPs, and further separated from the mixture with magnetic field. Analytes functioned as bridges to connect modified AuNPs with Fe3O4 NPs. After separation by magnetic field, the contaminant concentration can be quantified by the color-change of the upper solution. This study is expect to reveal the mechanism of the association of AuNPs to Fe3O4 NPs through the bridge of the target analyte molecule, which is of great importance for designing functionalized AuNPs and Fe3O4 NPs for on-site field analysis of ultra-trace contaminants in complex matrix with AuNP probe.

纳米金探针可视化检测法无需复杂仪器、操作简便，非常适用于野外现场分析。但现有的纳米金探针普遍存在灵敏度较低，抗盐和天然有机质等基质干扰的能力较弱等不足，难以满足复杂环境基体中超痕量污染物的可视化检测的要求。本项目提出用基于磁性纳米粒子微固相萃取的高效样品前处理技术来克服纳米金探针可视化检测的不足。首先将样品中的目标污染物富集到功能化四氧化三铁纳米粒子上，经磁性分离后，将能与目标污染物选择性结合的纳米金探针与富集了目标物的磁性四氧化三铁混合，探针通过污染物与四氧化三铁纳米粒子结合；再次磁场分离时，探针与磁性纳米材料一同分离，通过观察上清液纳米金颜色退去程度定量检测污染物。项目的实施，可揭示磁性纳米颗粒通过目标分析物与纳米金结合的机制，为根据目标分析物设计功能化磁性纳米颗粒和纳米金探针提供指导，对实现用纳米金探针可视化检测技术现场测定复杂基体中的超痕量污染物具有重要意义。

重金属元素在环境介质中广泛分布，其中的汞、铜、铅、镉以及类金属砷等元素尤为所关注。这些重金属在环境介质中以多种形态存在，其中研究最多的还是无机离子形态。不同形态的重金属在不同环境介质中的浓度存在较大差异，这些重金属通过饮食和呼吸等途径进入人体，难以降解，当积累到一定值时会对人体中枢神经系统、呼吸系统、消化系统等造成一定程度或永久性的损伤。因此，非常有必要发展准确、灵敏、快速测定这些污染物的方法。纳米金由于具有较高的摩尔消光系数，近几年被广泛用于低浓度物质的快速检测。然而实际环境样品具有污染物浓度低、基质复杂等特点，目前报道的纳米金探针因为存在灵敏度低，选择性差、抗干扰能力弱等问题，难以满足实际环境样品中痕量污染物的检测要求。为了解决这个问题，提高纳米金探针的实用性，本项目提出了两种方案：一个方案是在检测前，引入合适的样品前处理技术，提高纳米金的抗干扰能力和灵敏度；另一方案是选泽特异性的纳米金修饰剂，提高纳米金的选择性。本项目的目标是将磁性纳米材料微固相萃取技术与纳米探针可视化法相结合，建立复杂基体样品中污染物的快速测定方法。首先通过微固相萃取技术，实现了铜离子的选择性富集，从而提高了纳米金探针的抗干扰能力和灵敏度。这种探针的抗干扰能力非常强，用肉眼可以识别0.2 ppb的铜离子，对污水处理厂出水测定结果与ICPMS结果吻合。在此基础上，通过筛选合适的修饰剂，开发了对三价砷特异性响应的探针。采用这种探针可以实现7.5 ppb砷的可视化检测， 满足饮用水检测的要求；而且常见的共存离子（如磷酸根）均不干扰测定。通过进一步引入还原剂抗坏血酸，该探针还可实现三价砷和五价砷的形态分析。采用这种探针，对山西砷污染地区地下水样品中砷进行了分析，测定结果与原子荧光的结果相吻合。本研究的思路对于开发复杂基体样品中其他污染物（如新型有机污染物等）快速检测的探针具有较为重要的指导意义。