DOI: 10.1021/acssensors.1c00332

汞离子（Hg2+）和银离子（Ag+）是对人体健康危害最大的两种污染物。在本工作中，研究者构建了覆盖有4-巯基吡啶（4-Mpy）修饰金纳米粒子的表面增强拉曼散射（SERS）活性纳米纤维，以检测Hg2+和Ag+。实验结果表明，所观察到的光谱变化源自（i）4-Mpy上的氮与金属离子之间的配位，以及（ii）4-Mpy分子取向（相对于金属表面从平坦到更垂直）的综合效应。使用一对特征拉曼峰（在约428和约708cm-1处）的相对强度来量化金属离子浓度，与基于单个SERS峰的信号开启或信号关闭检测相比，这极大地提高了测量的可重复性。密度泛函理论计算表明，该方法对Hg2+的检出限低于对Ag+的检出限（5 vs. 100nM），与Ag+和N相比，Hg2+和N之间的相互作用能更强。可以通过分别向Hg2+和Ag+样品中加入乙二胺四乙酸盐和Cl–来掩盖Hg2+和Ag+离子。经证实，这些纳米传感器具有良好的灵敏度、高重现性和出色的选择性。此外，由于本文所述的SERS纳米传感器的纳米尺寸，可以在亚细胞水平检测活体乳腺癌细胞中的Hg2+，从而达到高空间分辨率和最小的细胞损伤。

图1.（a）42nm AuNPs的代表性TEM图像和（b）4-Mpy功能化前后（标称表面覆盖率为115％）AuNP悬浮液的紫外可见吸收光谱。（a）中的插图显示了基于数个TEM图像中100多个AuNPs计数得出的AuNP尺寸分布。

图2.在4-Mpy功能化的42nm AuNP悬浮液（pH4.5）中孵育后，尖端（顶部，400nm比例尺）和直径约1μm（底部，100nm比例尺）的PS-P4VP刷层覆盖纳米纤维的SEM图像，每个图像右上角第一行表示时间。每个图像右上角的第二行表示（a-c）从尖端开始沿1μm长度沉积在纳米纤维上的AuNPs绝对数，或（d-f）直径约为1μm的AuNP密度。

图3.（a）在1μM Hg2+中孵育指定时间后，4-Mpy修饰AuNP覆盖纳米纤维的垂直偏移SERS光谱。（b）缩放（a）中的橙色矩形区域。（c）强度比I708/I428随孵育时间的变化而变化。（d）（b）的光谱归一化到428cm-1处的强度。

图4.（a）在1μM Hg2+中孵育指定时间后，纳米传感器低频区域的SERS光谱。（b）孵育30分钟前后高频区域的SERS光谱（在428cm-1处归一化）和（c）具有较低（名义上115％）和较高（名义上2300％）4-Mpy表面覆盖率的纳米传感器的SERS光谱。（d）Au表面上的4-Mpy模型，其中θ=0°表示Au表面上的平伏吸附几何结构。（e）使用（d）中的模型模拟4-Mpy的拉曼光谱与绕Y轴旋转角θ的函数关系。（f）拟议的检测机制示意图，为简单起见，4-Mpy在与Hg2+配位前后分别显示为完全平坦和垂直。

图5.纳米传感器在所示浓度下暴露于（a）Hg2+和（c）Ag+ 30分钟后的SERS光谱。强度比I708/I428与（b）Hg2+和（d）Ag+浓度的函数关系，插图表示对数浓度的线性图，Hg2+的对数浓度范围为5nM至5μM，Ag+的对数浓度范围为100nM至5μM；通过对三个独立制备的传感器的三次重复测量来估计误差线。

图6.SERS的再现性由（a）在六个直径为200nm的随机纳米传感器的尖端上获得的SERS光谱进行说明。使用（b）1089cm-1峰的绝对强度和（c）708cm-1谱带强度（相对于428cm-1谱带）的相应条形图。

图7.纳米传感器在暴露于（a）含FeCl3、AlCl3、CuCl2、PbCl2、Co（NO3）2、NiCl2和CaCl2（浓度为1μM）的PBS以及（b）含MgSO4的PBS后的归一化SERS光谱。Ag+（1μM）、掩蔽剂NaCl（0.2M）以及FeCl3、AlCl3、CuCl2、PbCl2、Co（NO3）2、NiCl2和CaCl2（每种浓度为1μM）的水性混合物（“Ag混合物”）；Hg2+（1μM）、掩蔽剂EDTA（0.02M）和与Ag混合物相同的其他盐的水性混合物（“Hg混合物”）；与空白水溶液以及含Hg2+和Ag+的PBS溶液相比（PBS中NaCl、KH2PO4和NaHPO4浓度分别为0.15M、1.1mM和5.6mM）。（c）相应强度比I708/I428的条形图；根据三个不同的传感器估计图7c中的误差线。

图8.从（a）未经Hg2+处理（空白）以及（b）经浓度为0.68和（c）68μm的Hg2+处理的活MCF-7细胞中提取30分钟后纳米传感器的代表性SERS光谱。（d）基于至少10个细胞的数据（每个细胞使用一个纳米传感器进行三次测量）得出的相应强度比，显示为平均值±SD，并通过GraphPad Prism软件进行分析（Sidak多重比较试验，双向ANOVA），其中ns表示无显着差异，*p≤0.05和***p≤0.001。