金属纳米簇应用于环境分析中的研究进展
张夏红 周廷尧 陈曦
摘 要 新型光学材料研究是环境分析中重要的研究课题和发展方向。金属纳米簇（Metal NCs）一般由101～102个金属原子构成，近年来备受关注。由于其超小的粒径、强荧光发射、低毒性、良好的稳定性以及独特的核壳结构，金属纳米簇已成为构建荧光传感平台的新型纳米材料。本文综述了近年来金属纳米簇在环境分析中的应用研究进展，主要包括pH值、重金属离子、无机阴离子和硝基苯类爆炸物等物质的检测情况。
关键词 金属纳米簇； 环境分析； 荧光传感； 评述
1 引 言
社会和经济的发展，环境污染问题日益突出。工业、农业与日常生活中使用的化学品在生产和使用过程中进入环境，其中大部分污染物会在环境中长期存在，并易于在食物链中富集，对生态环境和人类健康构成威胁。因此，开展常规的污染指标检测显得尤为重要。目前，污染指标检测的常见方法主要有原子吸收法、紫外可见分光光度法、离子色谱法、电感耦合等离子体-质谱法和荧光分析法[1]。荧光分析法因其检测灵敏，探头易小型化，信号易远距离传输，特别适用于现场分析，已成为重要的环境检测手段之一[2]。光学材料或探针是荧光分析法的不可或缺的组成部分，光学探针的选择是荧光分析法性能好坏的关键。在过去的几十年内，多种类型的光学探针被应用于构建荧光传感平台，主要包括有机染料[3]、共轭聚合物[4]、半导体量子点[5，6]、稀土上转换纳米颗粒[7，8]、碳量子点[9]和金属纳米簇（金属纳米簇）[10，11]等。金属纳米簇由于具有超小的粒径、强荧光和优异的光稳定性，已经成为构建荧光传感平台的新型材料，是近年环境检测应用研究的热点。
金属纳米簇一般由101～102个金属原子构成，粒径接近导带中电子的费米波长，是较大金属纳米颗粒与单个金属原子间的重要过渡[12]，如图1所示。较大的金属纳米颗粒（>2 nm）的导带为准连续能级，在光激发下，导带中的自由电子来回相干振荡，产生等离子体共振效应。随着金属纳米颗粒粒径减小，物理和化学性质发生显著变化。当粒径减小到接近导带电子的费米波长时，准连续的电子能级变得离散，形成类分子的分裂能级，此时等离子体共振效应消失。由于独特的分裂能级和量子尺寸效应，金属纳米簇呈现出与较大金属纳米颗粒显著不同的光学、电学和化学性质，如强荧光、优异的光稳定性以及良好的生物兼容性。目前，已报道具有荧光性质的金属纳米簇包括Au NCs， Ag NCs， Cu NCs， Pt NCs，及其两种金属原子构成的合金纳米簇[13]。其中，Au NCs和Ag NCs因超小粒径、强荧光和低毒性的特点备受关注。最近，Cu NCs与其它金属纳米簇的研究和应用逐渐引起人们的研究兴趣。
已有多篇文献对金属纳米簇的性质、合成方法和应用进行了评述[10，11，13～19]，但通常仅针对一种金属纳米簇，或对其应用介绍的较笼统，缺乏对金属纳米簇在环境分析应用中的专题研究。本文将对金属纳米簇的荧光性质和合成方法进行简要概括，对其在环境检测方面的研究进展进行详细介绍，并探讨了今后金属纳米簇在环境检测研究的发展方向。
2 金属纳米簇的荧光性质
大块金属的发光极其微弱，发光效率不高，一般为10
，主要是由于超快的非辐射跃迁和准连续的能级所致[20]。当金属粒径逐渐减小到纳米级，发光效率显著增强。当粒径减小到接近导带电子的费米波长时，金属纳米颗粒被认为是金属纳米簇，表现出强荧光性质，比大块金属的发光效率高7～9个数量级。金属纳米簇的发光通常归因于d能带与sp能带间或者HOMO-LUMO能隙间的辐射跃迁[17]。进一步的研究发现，金属纳米簇的荧光主要有两种来源：（1）与固有的量子尺寸效应相关的金属核；（2）由金属核与表面配体间相互作用控制的纳米簇表面[21]。
金属纳米簇的荧光性质与周围的化学环境密切相关，如金属核的尺寸和组分、表面配体以及溶剂等。Dickson课题组[22]通过合成一系列由聚酰胺-胺型树枝状分子（PAMAM）稳定的Au NCs（PAMAM-Au NCs）研究了金属核的尺寸对荧光性质的影响。研究表明，通过调节金属核含有Au原子的个数，可获得荧光发射从紫光到近红外波长的Au NCs。Xie等[23]发现，Ag+可沉积在牛血清蛋白（BSA）稳定的Au NCs（BSA-Au NCs）金属核表面形成AuAg合金的金属核，荧光强度显著增强。Diez等[24]发现，聚甲基丙烯酸（PMAA）稳定的Ag NCs（PMAA-Ag NCs）具有一定的溶剂效应，通过改变溶剂（水-甲醇体系）的极性，发射峰移动80 nm。随后，其它配体稳定的Ag NCs被报道也具有相似的溶剂极性可调节发射光谱的性质，如DNA[25]、聚苯乙烯-PMAA嵌段共聚物[26]和聚乙烯亚胺（PEI）[27]。除上述金属核的尺寸和组分、溶剂对金属纳米簇的荧光性质有影响外，表面配体的给电子能力也是金属纳米簇量子产率的重要决定因素。不同配体稳定的Au25 NCs为例，配体对其荧光性质的影响非常明显[28]。[Au25（SC6H13）18]
，[Au25（SC12H25）18]
和[Au25（SC2H4Ph）18]
的量子产率分别为2×10
，5×10
和1×10
。3种配体的给电子能力的顺序为C6H13
由于金属纳米簇的粒径非常小，一般小于2 nm，表面能非常大，易团聚成不发光的大颗粒，因此，稳定性好、强荧光金属纳米簇的制备是当前相关研究的热点和难点。目前已有多篇综述对其合成方法进行了较为全面的总结[11，13，17，19]，本文仅对其合成方法进行简要介绍。目前，依据使用的前驱体，金属纳米簇的制备方法大体可分为“自下而上”法和“自上而下”法[19]，如图2所示。
3.1 “自下而上”法“自下而上”法通常以金属离子为前驱体，在溶液中进行，通过调节实验条件获得不同粒径和性质的金属纳米簇，如配体的类别、还原剂的种类、金属盐与配体的摩尔比、反应时间、反应温度和pH值等。用于稳定金属纳米簇的常见配体主要有PAMAM、聚合物、DNA、多肽、蛋白质以及含巯基有机小分子[11]。常见的还原剂主要包括NaBH4、水合肼、抗坏血酸、四羟甲基氯化膦（THPC）以及具有一定还原性的配体。如Link等[29]以GSH为配体，利用NaBH4还原Au3+制得了量子产率为3.5%的Au NCs。为了避免使用毒性大、对环境和人体不友好的强还原剂NaBH4，Shang等[30]以D-青霉胺（DPA）为稳定剂，利用温和还原剂THPC，制备了发射强黄色荧光的Au NCs。除上述Brust-Schiffrin合成法外，新型合成方法为金属纳米簇的制备提供了多种选择，如模板合成法、光还原法、超声辅助合成法、微波辅助合成法、固相合成法、电化学合成法以及微乳液合成法等[17]。模板合成法被认为是制备金属纳米簇的高效合成技术，模板分子可提供特定的构型和空间，使获得的金属纳米簇具有形态和尺寸可调性。如Xie等[31]首次利用商品化的BSA，既作为稳定剂，又作为还原剂，合成了发射红色荧光的Au NCs。在37℃和pH为12条件下，BSA将Au3+还原制得含有25个Au原子的Au NCs。BSA具有丰富的结合位点，可有效结合并还原Au3+，提供了优异的驱动Au NCs形成的支架。光还原法是一种简单而有效制备尺寸可控的金属纳米簇的方法。Shang等[32]提出利用商品化的PMAA为稳定剂，UV光还原Ag+制备荧光Ag NCs的方法。该方法不仅操作过程简单，而且获得的Ag NCs的量子产率高达18.6%。由于UV光对环境和人体有危害性，Diez等[24]将可见光取代UV光，报道合成了强荧光的PMAA-Ag NCs。微波辐射可提供均匀快速的热源，非常有利于均匀单分散金属纳米簇的合成，近几年，微波辅助合成法在金属纳米簇的合成备受关注。Shang等[33]提出了利用此方法合成二氢硫辛酸稳定的Au NCs的方法，发现利用微波辅助合成的Au NCs的量子产率增加了5倍，合成时间从数小时缩短到几分钟。Liu等[34]利用微波辐射一锅法合成了发生红色荧光的PMAA-Ag NCs，与直接加热相比，制得的PMAA-Ag NCs的粒径分布均一，量子产率大大提高，合成时间仅用70 s。
3.2 “自上而下”法
“自上而下”法主要是基于配体诱导刻蚀的尺寸聚焦法，以粒径较大的纳米颗粒或NCs为前驱体，利用配体与金属原子间强相互作用，过量的配体将金属核刻蚀。已被用于尺寸聚集法合成金属纳米簇的配体主要有PEI、巯基丁二酸（MSA）、巯基十一烷酸（MUA）、巯基己醇、GSH和BSA等。 Duan等[35]建立了利用聚合物PEI诱导刻蚀制备强荧光的Au8 NCs的方法。首先合成粒径为8 nm的十二胺稳定的Au NPs，然后引入多超支化多价配位聚合物PEI进行核刻蚀，制得PEI-Au8 NCs。 Muhammed等[36]利用过量GSH刻蚀MSA-Au NPs，获得了荧光Au NCs。研究表明，刻蚀作用的产物与pH值相关，当pH=3时，产生Au25 NCs；而pH=7～8，则生成Au8 NCs。该刻蚀过程可用两种可能途径进行解释。第一种刻蚀路径为：过量GSH将Au原子从Au NPs表面剥离，形成Au （I）-GSH复合物，通过强亲金作用形成发光的Au团簇；另外一种刻蚀路径为：GSH可能刻蚀Au NPs表面的Au原子，使得Au NPs的粒径逐渐减小，形成发射荧光的Au团簇。由于特定粒径的金属纳米簇具有非常良好的稳定性，尺寸聚焦法可能提供了一种选择性制备单分散粒径金属纳米簇的简易合成方法。
图2 金属纳米簇不同的制备方法[19]
Fig.2 Various routes for the synthesis of metal NCs[19]
4 金属纳米簇在环境分析中的应用
近年来，由于具有超小尺寸、强荧光、良好的稳定性以及独特的核壳结构，金属纳米簇已成为构建化学生物传感平台的新型荧光探针。尤其是，超小的粒径和高反应活性使金属纳米簇装配的化学传感器极大改善了分析物检测的灵敏度和选择性。本文将详细介绍金属纳米簇在环境检测方面的研究进展。
4.1 pH值的检测
基于金属纳米簇的pH传感主要利用金属纳米簇本身对pH具有响应的性质。Qu等[37]利用PEI-Ag NCs作为pH敏感探针，报道了一种高灵敏的荧光和比色pH传感器。该传感器对pH波动响应非常迅速，随着pH值升高，PEI-Ag NCs溶液逐渐由淡黄色变成无色，而相应的荧光信号逐渐增强。研究发现，在pH 5.02～7.96范围内，荧光强度与pH值呈良好的线性响应，其响应的机理为：在酸性条件下，PEI的结构发生变化，相互间斥力较小，NCs聚集导致荧光的猝灭。最近研究发现，Cu NCs和AuCu NCs是有效的、可逆的荧光pH指示材料[38～40]。其对pH值的响应行为恰与Qu等[37]报道的相反，随着pH值增大，荧光信号逐渐降低。如Wang等[38]利用水合肼为还原剂合成的BSA-Cu NCs，在pH 6.0～12.0范围内，随着pH值升高，荧光强度逐渐降低。他们对pH值的响应机理进行了研究，发现既不是壳层的降解，也不是配体不可逆的丢失而引起聚集造成的，可能是由于在不同pH条件下，配体BSA的构象发生变化所致。
4.2 重金属离子的检测
随着社会和经济的发展，多种行业的生产废水含有大量的重金属离子，排放到水体中引起水质污染，重金属离子能与蛋白质、酶和核酸等多种细胞组分发生作用，导致它们的生物功能发生改变，会引起一系列疾病，对生态环境和人体健康危害性极大。美国环保署（EPA）规定：饮用水中Hg2+， Pb2+和Cu2+允许的最大浓度分别为10， 72 nmol/L和21 μmol/L。因此，快速检测环境中重金属离子浓度尤为重要。目前，许多研究小组先后利用金属纳米簇为敏感探针构建了简便的检测重金属离子的化学传感平台，包括Hg2+， Cu2+， Ag+， Cr3+， Cr6+， Fe3+及As3+等。
与其它重金属离子相比，Hg2+传感器的研究最多。目前，利用金属纳米簇为敏感探针的Hg2+传感器主要是基于Hg2+对荧光猝灭的原理。Huang等[41]首次将MUA-Au NCs应用于Hg2+传感，Hg2+与表面配体的羧基发生作用，诱导Au NCs聚集而引起荧光的猝灭，检出限为5.0 nmol/L。加入螯合剂2，6-吡啶二羧酸（PDCA）可排除Pb2+和Cd2+的干扰，增强了MUA-Au NCs对Hg2+检测的选择性。但MUA-Au NCs易受环境因素的干扰，在500 mmol/L NaCl条件下，其荧光强度降低55%，难以应用于复杂的环境体系中。为了增强其在高离子强度下的稳定性， Chen等[42]建立了在聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶中原位制备Au NCs的方法，如图3所示。获得的Au NCs-PNIPAM水凝胶具有与裸露的Au NCs相似的光学性质。在500 mmol/L NaCl条件下，这种水凝胶中的Au NCs荧光强度仅增加了9%，说明具有良好的抗盐度干扰性。在500 mmol/L NaCl存在和不存在的条件下，其对Hg2+的检出限分别为1.9和1.7 nmol/L，并被成功应用于鱼类样品中Hg2+的检测。该课题组随后发现这种水凝胶中的Au NCs具有良好的温敏特性，将其设计成基于荧光强度变化的温度传感器[43]。另外一种检测Hg2+的原理是基于金属间强亲和作用导致荧光猝灭。Xie等[23]首次利用此原理将BSA-Au NCs应用于Hg2+的高选择性和高灵敏度的检测。发射红色荧光的BSA-Au表面含有约17%的Au+，Hg2+通过Hg2+-Au+间独特的金属亲和作用，几秒钟内将BSA-Au NCs的荧光猝灭，检出限为0.5 nmol/L。为进一步增强对Hg2+检测的灵敏度，Tseng等[44]报道了一种合成表面含有41% Au+的溶菌酶（Lys）稳定Au NCs的制备方法。基于相同的原理，以Lys-Au NCs为敏感探针进行水体中Hg2+和CH3Hg+的检测，检出限分别为3 pmol/L和4 nmol/L，并成功应用于海水中Hg2+和CH3Hg+的检测。Cai等[45]报道了一种在BSA/聚乙二醇（PEO）纳米纤维薄膜中原位合成荧光Au NCs的方法，并应用于Hg2+的检测。在可见光激发下，被固定在BSA/PEO纳米纤维内部和表面的Au NCs发射出明亮的红色荧光，当加入Hg2+后，由于纳米纤维相对巨大的比表面和Hg2+-Au+金属间强亲和作用，红色荧光信号迅速被Hg2+猝灭。该方法的线性范围为0.5～75 nmol/L，检出限为57 pmol/L。最近，Wu等[46]将合成获得的D-Au NCs/石墨烯（GO）复合物作为Hg2+的新型荧光探针，大大增强了其检测灵敏度和速度。他们首先将氨基通过化学键链的方式修饰在GO片层上，形成带正电的GO片层，然后将Lys-Au NCs与BSA-Au NCs混合形成带负电的D-Au NCs，最后D-Au NCs与带正电的GO混合制得D-Au NCs/石墨烯（GO）复合物。基于该复合物的荧光探针对Hg2+的检测具有超快的响应速度和超高的灵敏度，其响应速度是单一BSA-Au NCs响应速度的9倍以上，线性范围为0.5 pmol/L～10 μmol/L，检出限为0.18 pmol/L，该方法被成功应用于河水、湖水和雨水等实际水样的Hg2+检测。除了Au NCs外，基于荧光猝灭的原理，也出现了Ag NCs和Cu NCs进行Hg2+检测的研究报道[47～50]。基于Ag+-Hg2+金属亲和作用导致荧光猝灭的原理，Guo等[47]提出dBSA-Ag NCs可装配成检测Hg2+的化学传感器，检出限为10 nmol/L。最近，Wang等[51]利用碳纳米管和DNA-Ag NCs制备了新型荧光增强型Hg2+传感器。如图4所示，以富含胸腺嘧啶（T）DNA单链稳定的Ag NCs为信号报告单元，以碳纳米管为猝灭剂，利用T-Hg2+-T特殊的相互作用和碳纳米管对DNA单链和双链作用力的不同，构建了对Hg2+检测的荧光增强型传感器，通过核酸外切酶（Exo III）将信号循环放大，使得检测灵敏度大大提高，检出限为33 pmol/L，并将此传感方法应用于河水、湖水等实际水样的分析。
Cu2+是重要的环境污染物，同时也是人体的必需微量元素。目前，利用金属纳米簇作为Cu2+敏感探针多基于荧光猝灭原理。Shang等[52]发现，Cu2+能与配体PMAA上的羧基发生配位作用，进而导致PMAA-Ag NCs荧光猝灭。基于此原理，他们提出了一种简单灵敏检测Cu2+的方法，检出限为8 nmol/L。Chen等[53]基于聚集导致荧光猝灭的原理，将GSH-Au NCs应用于Cu2+的高灵敏度和高选择性的检测，检出限为3.6 nmol/L。最近，基于Cu2+与稳定剂间配位作用而导致荧光猝灭的原理，赖氨酸稳定的Au NCs和甲硫氨酸稳定的Au NCs分别成功用于水体和土壤中Cu2+的检测[54，55]。Yuan等[56]合成了一种对Cu2+响应灵敏的PEI-Ag NCs。Cu2+可与表面配体PEI形成铜氨络合物，与PEI-Ag NCs间发生能量转移导致荧光猝灭。由于获得的PEI-Ag NCs在复杂环境中仍保持良好的稳定性，他们将PEI-Ag NCs包埋在琼脂糖水凝胶中，构建了一种对环境友好、可重复使用的Cu2+可视化方法，并应用于河水、湖水、自来水和温泉等实际水体中Cu2+的检测，取得了较好的实验效果。为了避免猝灭性的传感器受环境因素的干扰，产生“假阳性”信号，Lan等[57]利用DNA-Ag NCs构建了一种荧光增强型的Cu2+传感器。荧光信号的增强主要源于加入的Cu2+会形成结构更缜密的DNA-Cu/Ag NCs。该传感器对Cu2+的检出限为8 nmol/L，并应用于土壤和池塘水体的Cu2+检测。随后，该课题组利用DNA-Cu/Ag NC设计出另外一种荧光增强型的Cu2+传感器[58]。首先，加入巯基丙酸将DNA-Cu/Ag NC的荧光猝灭，再加入Cu2+氧化巯基丙酸使DNA-Cu/Ag NC的荧光信号得到恢复，检出限为2.7 nmol/L。
目前，Ag+传感器主要利用荧光Au NCs。Sun等[59]利用THPC和MUA为还原剂和稳定剂，报道了一种一锅合成发射绿色荧光Au NCs的方法，研究发现，除了Hg2+需要加入乙二胺四乙酸钠（EDTA）掩蔽外，获得的Au NCs对Ag+的检测具有高灵敏度和高选择性，检出限为9 nmol/L，并应用于湖水样品的Ag+检测。Wu等[60]利用GSH-Au25 NCs检测Ag+含量，Ag+通过沉积在NCs金属核表面， Au NCs荧光信号大大增强。该方法对Ag+的检测具有良好的选择性，检出限为200 nmol/L，低于EPA允许的饮用水中Ag+最高浓度（460 nmol/L）。Li等[61]以BSA-Au16 NCs为例，详细研究了Ag+对Au NCs荧光增强的传感原理。借助于荧光光谱、MALDI-TOF质谱和电子能谱等技术手段，BSA-Au16 NCs作为还原剂，将Ag+还原为Ag0，形成Au@Ag NCs。该机理的发现为Au@Ag NCs的合成提供了一种简便、温和的制备方法。
利用金属纳米簇对其它金属离子的检测也多有报道。基于荧光猝灭原理，Yuan[62]与Goswami等[63]分别利用GSH-Au NCs和BSA-Au NCs，实现了对Pb2+的检测。Ho等[64]发现，合成的L-3，4-二羟基苯基丙氨酸甲酯盐酸稳定的Au NCs对Fe3+具有较好的响应，基于团聚导致荧光猝灭的原理构建了简单灵敏的Fe3+荧光传感方法。Liu等[34]利用微波辅助的方法合成了发射红色荧光的PMAA-Ag NCs，并发现其荧光能被Cr3+特异性的猝灭，检出限为28 nmol/L。最近，Zhang等[65]基于目标物诱导GSH-Au NCs荧光猝灭的原理，报道了一种新颖的选择性测定水体中Cr3+和Cr的方法，测定Cr3+和Cr的检出限分别为2.5和0.5 μg/L。Roy等[66]利用二肽稳定的Au NCs报道一种荧光信号增强的检测As3+的荧光传感器。研究发现，As3+能增强Au NCs荧光的原因是带正电荷的As3+与带负电的Au NCs发生作用，电子从富含电子的Au NCs体系流向缺电子的As3+，导致Au NCs辐射跃迁的速率加快。该传感器对As3+的检出限为53.7 nmol/L，低于EPA允许的饮用水中As3+最高浓度（133 nmol/L）。
4.3 无机阴离子的检测
CN
是一种剧毒物质，因为它能抑制线粒体中细胞色素C氧化酶的活性而妨碍细胞的呼吸。目前，用于检测CN
的金属纳米簇主要为Au NCs，检测原理是在氧气存在的条件下，CN
可将Au原子转化成水溶性的Au（CN）
，导致Au NCs荧光猝灭。基于此原理，Liu等[67]首次将BSA-Au NCs应用于CN
检测。在该研究中，BSA-Au NCs溶液呈深棕色，在UV灯下发射红色荧光。当加入CN
后，溶液的颜色逐渐变成无色，荧光信号也逐渐消失。该方法具有良好的选择性和灵敏度，检出限为200 nmol/L，远低于世界卫生组织允许饮用水中CN
最高浓度（2.7 μmol/L）。基于相似的原理，Lys-Au NCs也被应用于CN
高选择性的检测，检出限为190 nmol/L [68]。由于CN
刻蚀的速度较慢，且需要较高的CN
浓度，因此，灵敏度和响应速度受到一定的限制。最近，Zong等[69]报道了一种在聚合物多孔膜原位合成Au NCs的方法，可应用于CN
的裸眼检测，如图5所示。聚合物膜的多孔结构被认为可增强它们的相互作用，促进目标物的扩散，进而增强CN
检测的灵敏度和响应速度。在检测过程中，湿润的多孔膜可方便即时地捕获和浓缩挥发出的CN
，达到信号放大的作用。另外，蓝色荧光的聚丙烯腈（PAN）可作为内参比信号，得到可靠的比色测定结果，并将该检测体系应用于红葡萄酒、果汁和咖啡等实际样品中的CN
的测定以及木薯加工中CN
释放的实时检测。
图5 在封闭的体系中多孔膜测定CN
的示意图[69]
Fig.5 Scheme illustration of the porous film toward CN
detection in the chosen systems [69]
S2
是一种常见的环境污染物，也是一种重要的气体信号发射器。与CN
的毒性相似，S2
与线粒体细胞色素氧化酶中的铁发生螯合作用，抑制细胞的呼吸作用。基于S2
与Au或Ag原子强相互作用，Chen等[70]成功地将DNA-AuAg NCs用于温泉和海水中S2
的测定。研究发现，S2
猝灭荧光信号是由于S2
与Au或Ag原子强作用导致配体DNA发生构型变化。基于相似的原理，BSA-Au NCs也被应用于河流样品中S2
的高选择性和高灵敏度检测，检出限为29 nmol/L[71]。基于S2
诱导荧光猝灭的特性，本课题组[72]利用GSH-Ag NCs构建了一种S2
荧光传感器，并探讨了检测机理。随着S2
浓度增加， GSH-Ag NCs溶液颜色逐渐变成黄色，说明产生了Ag2S或大颗粒Ag NPs，同时紫外可见吸收光谱中出现一个宽吸收带的，而没有出现Ag NPs的表面等离子体共振吸收峰，证明加入S2
后形成了Ag2S。基于I
与Au原子间强结合能力，Wang等[73]报道了一种基于GSH-Au NCs的I
传感方法。
NO
虽然在自然界中处于痕量，但在废水中含量很高。在酸性条件下，它能与二级胺反应生成致癌的亚硝胺。基于NO
导致荧光的猝灭，BSA-Au NCs被成功地应用于自来水、井水以及温泉等实际水样中NO
2的灵敏检测，检出限为1 nmol/L [74]。其猝灭的原因是由于NO
与配体BSA发生作用导致BSA-Au NCs聚集所致。随后，Unnikrishnan 等[75]通过一系列表征手段对NO
导致BSA-Au NCs荧光猝灭的原因进行了详细研究，发现加入NO
后，BSA-Au NCs中的Au 4f7/2电子结合能变大，说明NO
的加入会导致BSA-Au NCs中Au原子氧化态增高。最近，Xu等[76]利用带正电的GO与BSA-Au NCs间静电和氢键作用，合成了一种发射双波长的纳米复合材料。BSA-Au NCs的红色荧光信号对NO
具有特异性响应，而GO的蓝色荧光信号保持恒定，导致荧光信号颜色从红色到蓝色的演变。基于此现象，作者构建了一种荧光比率检测NO
传感器，检出限为46 nmol/L。
4.4 硝基苯类爆炸物的检测
硝基苯类爆炸物是一类对安全构成严重威胁的化学物质，尤其是2，4，6-三硝基甲苯（TNT），常用于恐怖袭击、军事生产和工业爆破。同时，硝基苯类爆炸物也是一类高毒性致癌物，对环境和人体构成严重危害。快速检测硝基苯类爆炸物对维持社会和生态环境的稳定显得尤为重要。Mathew等[77]报道了一种双荧光发射、超灵敏测定TNT的探针。如图6所示，该荧光探针首先制备键合异硫氰根荧光素（FITC）的Au纳米花，然后将BSA-Ag NCs修饰在Au纳米花表面。
发射红色荧光的BSA-Ag NCs作为TNT的敏感探针，发射绿色荧光的FITC作为TNT测定的参比荧光团，当该探针暴露于10 mg/m3 TNT时，由于迈森海默尔配合物的生成，Ag NCs的红色荧光信号被迅速完全猝灭，而FITC的绿色荧光信号仍能保持一定的强度。该探针提供了一种高选择性、超痕量可视化测定TNT的检测方法。Yang等[78]利用BSA-Au NCs报道了一种同时测定TNT和4-硝基酚的荧光分析方法，并将其制成试纸， 仍保持对TNT和4-硝基酚蒸气的高灵敏度和选择性检测，检出限分别为10 和1 pmol/L。随后，借助于简单便捷的静电纺丝法，Senthamizhan等[79]将BSA-Au NCs与聚乙二醇纳米纤维结合，制备了一种超快、实时、可视化检测TNT的纳米纤维膜。当加入TNT后，颜色产生明显变化。这种优异性质主要归因于纳米纤维膜超大的比表面积和对TNT强吸附能力。
5 结论与展望
由于独特的物理化学性质，金属纳米簇近年来在众多领域备受人们的广泛关注。金属纳米簇具有超小的尺寸、强荧光发射和低毒性的特点，使其成为构建化学生物传感平台的新型荧光探针。本文介绍了金属纳米簇的荧光性质和合成方法，着重总结了近年来其在环境检测方面的研究进展情况，包括pH值、重金属离子、无机阴离子和硝基苯类爆炸物等物质的检测。独特的核壳结构增加了基于NCs的传感器检测目标物的多样性，金属纳米簇的金属内核和表面配体为目标物的检测提供了丰富的作用位点，在环境分析中具有广阔的应用前景。金属纳米簇与其它基质材料进行组装制得了复合材料，不仅保持了金属纳米簇原有的优异性质，而且具有新的特性，如复合材料可增强金属纳米簇的稳定性，增强对目标物的响应速度等。金属纳米簇与特定基质材料组装复合材料的研究将是金属纳米簇在环境分析方面的重要发展方向。
尽管金属纳米簇在环境分析应用方面有了一些进展，但其进一步发展面临着一些挑战。目前，面临最大的瓶颈问题是缺少一种通用而有效的方法，应用于合成不同类型的荧光金属纳米簇。现有的合成方法仅局限于很少种类的金属纳米簇的合成，基于配体诱导刻蚀的尺寸聚焦法的深入研究将是解决该问题重要的突破口。与常见的有机染料和半导体量子点相比，已报道的金属纳米簇量子产率较低（<10%），这将限制其在环境分析中的灵敏度。环境样品中的成分比较复杂，金属纳米簇的荧光信号易受其它物质的干扰，导致检测结果不准确。另外，金属纳米簇检测目标物的机理需要进一步研究，如Hg2+-Au+间金属亲和作用导致荧光猝灭而Ag+沉积作用导致荧光的增强，深入研究其响应机理对改善传感器的性能至关重要。这些挑战不仅需要进一步改进合成方法，更需要创新合成方法以及其他学科的融入。坚信金属纳米簇将为环境检测提供新的分析方法，为解决当前环境污染问题开拓新的途径。
References
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摘 要 新型光学材料研究是环境分析中重要的研究课题和发展方向。金属纳米簇（Metal NCs）一般由101～102个金属原子构成，近年来备受关注。由于其超小的粒径、强荧光发射、低毒性、良好的稳定性以及独特的核壳结构，金属纳米簇已成为构建荧光传感平台的新型纳米材料。本文综述了近年来金属纳米簇在环境分析中的应用研究进展，主要包括pH值、重金属离子、无机阴离子和硝基苯类爆炸物等物质的检测情况。
关键词 金属纳米簇； 环境分析； 荧光传感； 评述
1 引 言
社会和经济的发展，环境污染问题日益突出。工业、农业与日常生活中使用的化学品在生产和使用过程中进入环境，其中大部分污染物会在环境中长期存在，并易于在食物链中富集，对生态环境和人类健康构成威胁。因此，开展常规的污染指标检测显得尤为重要。目前，污染指标检测的常见方法主要有原子吸收法、紫外可见分光光度法、离子色谱法、电感耦合等离子体-质谱法和荧光分析法[1]。荧光分析法因其检测灵敏，探头易小型化，信号易远距离传输，特别适用于现场分析，已成为重要的环境检测手段之一[2]。光学材料或探针是荧光分析法的不可或缺的组成部分，光学探针的选择是荧光分析法性能好坏的关键。在过去的几十年内，多种类型的光学探针被应用于构建荧光传感平台，主要包括有机染料[3]、共轭聚合物[4]、半导体量子点[5，6]、稀土上转换纳米颗粒[7，8]、碳量子点[9]和金属纳米簇（金属纳米簇）[10，11]等。金属纳米簇由于具有超小的粒径、强荧光和优异的光稳定性，已经成为构建荧光传感平台的新型材料，是近年环境检测应用研究的热点。
金属纳米簇一般由101～102个金属原子构成，粒径接近导带中电子的费米波长，是较大金属纳米颗粒与单个金属原子间的重要过渡[12]，如图1所示。较大的金属纳米颗粒（>2 nm）的导带为准连续能级，在光激发下，导带中的自由电子来回相干振荡，产生等离子体共振效应。随着金属纳米颗粒粒径减小，物理和化学性质发生显著变化。当粒径减小到接近导带电子的费米波长时，准连续的电子能级变得离散，形成类分子的分裂能级，此时等离子体共振效应消失。由于独特的分裂能级和量子尺寸效应，金属纳米簇呈现出与较大金属纳米颗粒显著不同的光学、电学和化学性质，如强荧光、优异的光稳定性以及良好的生物兼容性。目前，已报道具有荧光性质的金属纳米簇包括Au NCs， Ag NCs， Cu NCs， Pt NCs，及其两种金属原子构成的合金纳米簇[13]。其中，Au NCs和Ag NCs因超小粒径、强荧光和低毒性的特点备受关注。最近，Cu NCs与其它金属纳米簇的研究和应用逐渐引起人们的研究兴趣。
已有多篇文献对金属纳米簇的性质、合成方法和应用进行了评述[10，11，13～19]，但通常仅针对一种金属纳米簇，或对其应用介绍的较笼统，缺乏对金属纳米簇在环境分析应用中的专题研究。本文将对金属纳米簇的荧光性质和合成方法进行简要概括，对其在环境检测方面的研究进展进行详细介绍，并探讨了今后金属纳米簇在环境检测研究的发展方向。
2 金属纳米簇的荧光性质
大块金属的发光极其微弱，发光效率不高，一般为10
，主要是由于超快的非辐射跃迁和准连续的能级所致[20]。当金属粒径逐渐减小到纳米级，发光效率显著增强。当粒径减小到接近导带电子的费米波长时，金属纳米颗粒被认为是金属纳米簇，表现出强荧光性质，比大块金属的发光效率高7～9个数量级。金属纳米簇的发光通常归因于d能带与sp能带间或者HOMO-LUMO能隙间的辐射跃迁[17]。进一步的研究发现，金属纳米簇的荧光主要有两种来源：（1）与固有的量子尺寸效应相关的金属核；（2）由金属核与表面配体间相互作用控制的纳米簇表面[21]。
金属纳米簇的荧光性质与周围的化学环境密切相关，如金属核的尺寸和组分、表面配体以及溶剂等。Dickson课题组[22]通过合成一系列由聚酰胺-胺型树枝状分子（PAMAM）稳定的Au NCs（PAMAM-Au NCs）研究了金属核的尺寸对荧光性质的影响。研究表明，通过调节金属核含有Au原子的个数，可获得荧光发射从紫光到近红外波长的Au NCs。Xie等[23]发现，Ag+可沉积在牛血清蛋白（BSA）稳定的Au NCs（BSA-Au NCs）金属核表面形成AuAg合金的金属核，荧光强度显著增强。Diez等[24]发现，聚甲基丙烯酸（PMAA）稳定的Ag NCs（PMAA-Ag NCs）具有一定的溶剂效应，通过改变溶剂（水-甲醇体系）的极性，发射峰移动80 nm。随后，其它配体稳定的Ag NCs被报道也具有相似的溶剂极性可调节发射光谱的性质，如DNA[25]、聚苯乙烯-PMAA嵌段共聚物[26]和聚乙烯亚胺（PEI）[27]。除上述金属核的尺寸和组分、溶剂对金属纳米簇的荧光性质有影响外，表面配体的给电子能力也是金属纳米簇量子产率的重要决定因素。不同配体稳定的Au25 NCs为例，配体对其荧光性质的影响非常明显[28]。[Au25（SC6H13）18]
，[Au25（SC12H25）18]
和[Au25（SC2H4Ph）18]
的量子产率分别为2×10
，5×10
和1×10
。3种配体的给电子能力的顺序为C6H13
由于金属纳米簇的粒径非常小，一般小于2 nm，表面能非常大，易团聚成不发光的大颗粒，因此，稳定性好、强荧光金属纳米簇的制备是当前相关研究的热点和难点。目前已有多篇综述对其合成方法进行了较为全面的总结[11，13，17，19]，本文仅对其合成方法进行简要介绍。目前，依据使用的前驱体，金属纳米簇的制备方法大体可分为“自下而上”法和“自上而下”法[19]，如图2所示。
3.1 “自下而上”法“自下而上”法通常以金属离子为前驱体，在溶液中进行，通过调节实验条件获得不同粒径和性质的金属纳米簇，如配体的类别、还原剂的种类、金属盐与配体的摩尔比、反应时间、反应温度和pH值等。用于稳定金属纳米簇的常见配体主要有PAMAM、聚合物、DNA、多肽、蛋白质以及含巯基有机小分子[11]。常见的还原剂主要包括NaBH4、水合肼、抗坏血酸、四羟甲基氯化膦（THPC）以及具有一定还原性的配体。如Link等[29]以GSH为配体，利用NaBH4还原Au3+制得了量子产率为3.5%的Au NCs。为了避免使用毒性大、对环境和人体不友好的强还原剂NaBH4，Shang等[30]以D-青霉胺（DPA）为稳定剂，利用温和还原剂THPC，制备了发射强黄色荧光的Au NCs。除上述Brust-Schiffrin合成法外，新型合成方法为金属纳米簇的制备提供了多种选择，如模板合成法、光还原法、超声辅助合成法、微波辅助合成法、固相合成法、电化学合成法以及微乳液合成法等[17]。模板合成法被认为是制备金属纳米簇的高效合成技术，模板分子可提供特定的构型和空间，使获得的金属纳米簇具有形态和尺寸可调性。如Xie等[31]首次利用商品化的BSA，既作为稳定剂，又作为还原剂，合成了发射红色荧光的Au NCs。在37℃和pH为12条件下，BSA将Au3+还原制得含有25个Au原子的Au NCs。BSA具有丰富的结合位点，可有效结合并还原Au3+，提供了优异的驱动Au NCs形成的支架。光还原法是一种简单而有效制备尺寸可控的金属纳米簇的方法。Shang等[32]提出利用商品化的PMAA为稳定剂，UV光还原Ag+制备荧光Ag NCs的方法。该方法不仅操作过程简单，而且获得的Ag NCs的量子产率高达18.6%。由于UV光对环境和人体有危害性，Diez等[24]将可见光取代UV光，报道合成了强荧光的PMAA-Ag NCs。微波辐射可提供均匀快速的热源，非常有利于均匀单分散金属纳米簇的合成，近几年，微波辅助合成法在金属纳米簇的合成备受关注。Shang等[33]提出了利用此方法合成二氢硫辛酸稳定的Au NCs的方法，发现利用微波辅助合成的Au NCs的量子产率增加了5倍，合成时间从数小时缩短到几分钟。Liu等[34]利用微波辐射一锅法合成了发生红色荧光的PMAA-Ag NCs，与直接加热相比，制得的PMAA-Ag NCs的粒径分布均一，量子产率大大提高，合成时间仅用70 s。
3.2 “自上而下”法
“自上而下”法主要是基于配体诱导刻蚀的尺寸聚焦法，以粒径较大的纳米颗粒或NCs为前驱体，利用配体与金属原子间强相互作用，过量的配体将金属核刻蚀。已被用于尺寸聚集法合成金属纳米簇的配体主要有PEI、巯基丁二酸（MSA）、巯基十一烷酸（MUA）、巯基己醇、GSH和BSA等。 Duan等[35]建立了利用聚合物PEI诱导刻蚀制备强荧光的Au8 NCs的方法。首先合成粒径为8 nm的十二胺稳定的Au NPs，然后引入多超支化多价配位聚合物PEI进行核刻蚀，制得PEI-Au8 NCs。 Muhammed等[36]利用过量GSH刻蚀MSA-Au NPs，获得了荧光Au NCs。研究表明，刻蚀作用的产物与pH值相关，当pH=3时，产生Au25 NCs；而pH=7～8，则生成Au8 NCs。该刻蚀过程可用两种可能途径进行解释。第一种刻蚀路径为：过量GSH将Au原子从Au NPs表面剥离，形成Au （I）-GSH复合物，通过强亲金作用形成发光的Au团簇；另外一种刻蚀路径为：GSH可能刻蚀Au NPs表面的Au原子，使得Au NPs的粒径逐渐减小，形成发射荧光的Au团簇。由于特定粒径的金属纳米簇具有非常良好的稳定性，尺寸聚焦法可能提供了一种选择性制备单分散粒径金属纳米簇的简易合成方法。
图2 金属纳米簇不同的制备方法[19]
Fig.2 Various routes for the synthesis of metal NCs[19]
4 金属纳米簇在环境分析中的应用
近年来，由于具有超小尺寸、强荧光、良好的稳定性以及独特的核壳结构，金属纳米簇已成为构建化学生物传感平台的新型荧光探针。尤其是，超小的粒径和高反应活性使金属纳米簇装配的化学传感器极大改善了分析物检测的灵敏度和选择性。本文将详细介绍金属纳米簇在环境检测方面的研究进展。
4.1 pH值的检测
基于金属纳米簇的pH传感主要利用金属纳米簇本身对pH具有响应的性质。Qu等[37]利用PEI-Ag NCs作为pH敏感探针，报道了一种高灵敏的荧光和比色pH传感器。该传感器对pH波动响应非常迅速，随着pH值升高，PEI-Ag NCs溶液逐渐由淡黄色变成无色，而相应的荧光信号逐渐增强。研究发现，在pH 5.02～7.96范围内，荧光强度与pH值呈良好的线性响应，其响应的机理为：在酸性条件下，PEI的结构发生变化，相互间斥力较小，NCs聚集导致荧光的猝灭。最近研究发现，Cu NCs和AuCu NCs是有效的、可逆的荧光pH指示材料[38～40]。其对pH值的响应行为恰与Qu等[37]报道的相反，随着pH值增大，荧光信号逐渐降低。如Wang等[38]利用水合肼为还原剂合成的BSA-Cu NCs，在pH 6.0～12.0范围内，随着pH值升高，荧光强度逐渐降低。他们对pH值的响应机理进行了研究，发现既不是壳层的降解，也不是配体不可逆的丢失而引起聚集造成的，可能是由于在不同pH条件下，配体BSA的构象发生变化所致。
4.2 重金属离子的检测
随着社会和经济的发展，多种行业的生产废水含有大量的重金属离子，排放到水体中引起水质污染，重金属离子能与蛋白质、酶和核酸等多种细胞组分发生作用，导致它们的生物功能发生改变，会引起一系列疾病，对生态环境和人体健康危害性极大。美国环保署（EPA）规定：饮用水中Hg2+， Pb2+和Cu2+允许的最大浓度分别为10， 72 nmol/L和21 μmol/L。因此，快速检测环境中重金属离子浓度尤为重要。目前，许多研究小组先后利用金属纳米簇为敏感探针构建了简便的检测重金属离子的化学传感平台，包括Hg2+， Cu2+， Ag+， Cr3+， Cr6+， Fe3+及As3+等。
与其它重金属离子相比，Hg2+传感器的研究最多。目前，利用金属纳米簇为敏感探针的Hg2+传感器主要是基于Hg2+对荧光猝灭的原理。Huang等[41]首次将MUA-Au NCs应用于Hg2+传感，Hg2+与表面配体的羧基发生作用，诱导Au NCs聚集而引起荧光的猝灭，检出限为5.0 nmol/L。加入螯合剂2，6-吡啶二羧酸（PDCA）可排除Pb2+和Cd2+的干扰，增强了MUA-Au NCs对Hg2+检测的选择性。但MUA-Au NCs易受环境因素的干扰，在500 mmol/L NaCl条件下，其荧光强度降低55%，难以应用于复杂的环境体系中。为了增强其在高离子强度下的稳定性， Chen等[42]建立了在聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）水凝胶中原位制备Au NCs的方法，如图3所示。获得的Au NCs-PNIPAM水凝胶具有与裸露的Au NCs相似的光学性质。在500 mmol/L NaCl条件下，这种水凝胶中的Au NCs荧光强度仅增加了9%，说明具有良好的抗盐度干扰性。在500 mmol/L NaCl存在和不存在的条件下，其对Hg2+的检出限分别为1.9和1.7 nmol/L，并被成功应用于鱼类样品中Hg2+的检测。该课题组随后发现这种水凝胶中的Au NCs具有良好的温敏特性，将其设计成基于荧光强度变化的温度传感器[43]。另外一种检测Hg2+的原理是基于金属间强亲和作用导致荧光猝灭。Xie等[23]首次利用此原理将BSA-Au NCs应用于Hg2+的高选择性和高灵敏度的检测。发射红色荧光的BSA-Au表面含有约17%的Au+，Hg2+通过Hg2+-Au+间独特的金属亲和作用，几秒钟内将BSA-Au NCs的荧光猝灭，检出限为0.5 nmol/L。为进一步增强对Hg2+检测的灵敏度，Tseng等[44]报道了一种合成表面含有41% Au+的溶菌酶（Lys）稳定Au NCs的制备方法。基于相同的原理，以Lys-Au NCs为敏感探针进行水体中Hg2+和CH3Hg+的检测，检出限分别为3 pmol/L和4 nmol/L，并成功应用于海水中Hg2+和CH3Hg+的检测。Cai等[45]报道了一种在BSA/聚乙二醇（PEO）纳米纤维薄膜中原位合成荧光Au NCs的方法，并应用于Hg2+的检测。在可见光激发下，被固定在BSA/PEO纳米纤维内部和表面的Au NCs发射出明亮的红色荧光，当加入Hg2+后，由于纳米纤维相对巨大的比表面和Hg2+-Au+金属间强亲和作用，红色荧光信号迅速被Hg2+猝灭。该方法的线性范围为0.5～75 nmol/L，检出限为57 pmol/L。最近，Wu等[46]将合成获得的D-Au NCs/石墨烯（GO）复合物作为Hg2+的新型荧光探针，大大增强了其检测灵敏度和速度。他们首先将氨基通过化学键链的方式修饰在GO片层上，形成带正电的GO片层，然后将Lys-Au NCs与BSA-Au NCs混合形成带负电的D-Au NCs，最后D-Au NCs与带正电的GO混合制得D-Au NCs/石墨烯（GO）复合物。基于该复合物的荧光探针对Hg2+的检测具有超快的响应速度和超高的灵敏度，其响应速度是单一BSA-Au NCs响应速度的9倍以上，线性范围为0.5 pmol/L～10 μmol/L，检出限为0.18 pmol/L，该方法被成功应用于河水、湖水和雨水等实际水样的Hg2+检测。除了Au NCs外，基于荧光猝灭的原理，也出现了Ag NCs和Cu NCs进行Hg2+检测的研究报道[47～50]。基于Ag+-Hg2+金属亲和作用导致荧光猝灭的原理，Guo等[47]提出dBSA-Ag NCs可装配成检测Hg2+的化学传感器，检出限为10 nmol/L。最近，Wang等[51]利用碳纳米管和DNA-Ag NCs制备了新型荧光增强型Hg2+传感器。如图4所示，以富含胸腺嘧啶（T）DNA单链稳定的Ag NCs为信号报告单元，以碳纳米管为猝灭剂，利用T-Hg2+-T特殊的相互作用和碳纳米管对DNA单链和双链作用力的不同，构建了对Hg2+检测的荧光增强型传感器，通过核酸外切酶（Exo III）将信号循环放大，使得检测灵敏度大大提高，检出限为33 pmol/L，并将此传感方法应用于河水、湖水等实际水样的分析。
Cu2+是重要的环境污染物，同时也是人体的必需微量元素。目前，利用金属纳米簇作为Cu2+敏感探针多基于荧光猝灭原理。Shang等[52]发现，Cu2+能与配体PMAA上的羧基发生配位作用，进而导致PMAA-Ag NCs荧光猝灭。基于此原理，他们提出了一种简单灵敏检测Cu2+的方法，检出限为8 nmol/L。Chen等[53]基于聚集导致荧光猝灭的原理，将GSH-Au NCs应用于Cu2+的高灵敏度和高选择性的检测，检出限为3.6 nmol/L。最近，基于Cu2+与稳定剂间配位作用而导致荧光猝灭的原理，赖氨酸稳定的Au NCs和甲硫氨酸稳定的Au NCs分别成功用于水体和土壤中Cu2+的检测[54，55]。Yuan等[56]合成了一种对Cu2+响应灵敏的PEI-Ag NCs。Cu2+可与表面配体PEI形成铜氨络合物，与PEI-Ag NCs间发生能量转移导致荧光猝灭。由于获得的PEI-Ag NCs在复杂环境中仍保持良好的稳定性，他们将PEI-Ag NCs包埋在琼脂糖水凝胶中，构建了一种对环境友好、可重复使用的Cu2+可视化方法，并应用于河水、湖水、自来水和温泉等实际水体中Cu2+的检测，取得了较好的实验效果。为了避免猝灭性的传感器受环境因素的干扰，产生“假阳性”信号，Lan等[57]利用DNA-Ag NCs构建了一种荧光增强型的Cu2+传感器。荧光信号的增强主要源于加入的Cu2+会形成结构更缜密的DNA-Cu/Ag NCs。该传感器对Cu2+的检出限为8 nmol/L，并应用于土壤和池塘水体的Cu2+检测。随后，该课题组利用DNA-Cu/Ag NC设计出另外一种荧光增强型的Cu2+传感器[58]。首先，加入巯基丙酸将DNA-Cu/Ag NC的荧光猝灭，再加入Cu2+氧化巯基丙酸使DNA-Cu/Ag NC的荧光信号得到恢复，检出限为2.7 nmol/L。
目前，Ag+传感器主要利用荧光Au NCs。Sun等[59]利用THPC和MUA为还原剂和稳定剂，报道了一种一锅合成发射绿色荧光Au NCs的方法，研究发现，除了Hg2+需要加入乙二胺四乙酸钠（EDTA）掩蔽外，获得的Au NCs对Ag+的检测具有高灵敏度和高选择性，检出限为9 nmol/L，并应用于湖水样品的Ag+检测。Wu等[60]利用GSH-Au25 NCs检测Ag+含量，Ag+通过沉积在NCs金属核表面， Au NCs荧光信号大大增强。该方法对Ag+的检测具有良好的选择性，检出限为200 nmol/L，低于EPA允许的饮用水中Ag+最高浓度（460 nmol/L）。Li等[61]以BSA-Au16 NCs为例，详细研究了Ag+对Au NCs荧光增强的传感原理。借助于荧光光谱、MALDI-TOF质谱和电子能谱等技术手段，BSA-Au16 NCs作为还原剂，将Ag+还原为Ag0，形成Au@Ag NCs。该机理的发现为Au@Ag NCs的合成提供了一种简便、温和的制备方法。
利用金属纳米簇对其它金属离子的检测也多有报道。基于荧光猝灭原理，Yuan[62]与Goswami等[63]分别利用GSH-Au NCs和BSA-Au NCs，实现了对Pb2+的检测。Ho等[64]发现，合成的L-3，4-二羟基苯基丙氨酸甲酯盐酸稳定的Au NCs对Fe3+具有较好的响应，基于团聚导致荧光猝灭的原理构建了简单灵敏的Fe3+荧光传感方法。Liu等[34]利用微波辅助的方法合成了发射红色荧光的PMAA-Ag NCs，并发现其荧光能被Cr3+特异性的猝灭，检出限为28 nmol/L。最近，Zhang等[65]基于目标物诱导GSH-Au NCs荧光猝灭的原理，报道了一种新颖的选择性测定水体中Cr3+和Cr的方法，测定Cr3+和Cr的检出限分别为2.5和0.5 μg/L。Roy等[66]利用二肽稳定的Au NCs报道一种荧光信号增强的检测As3+的荧光传感器。研究发现，As3+能增强Au NCs荧光的原因是带正电荷的As3+与带负电的Au NCs发生作用，电子从富含电子的Au NCs体系流向缺电子的As3+，导致Au NCs辐射跃迁的速率加快。该传感器对As3+的检出限为53.7 nmol/L，低于EPA允许的饮用水中As3+最高浓度（133 nmol/L）。
4.3 无机阴离子的检测
CN
是一种剧毒物质，因为它能抑制线粒体中细胞色素C氧化酶的活性而妨碍细胞的呼吸。目前，用于检测CN
的金属纳米簇主要为Au NCs，检测原理是在氧气存在的条件下，CN
可将Au原子转化成水溶性的Au（CN）
，导致Au NCs荧光猝灭。基于此原理，Liu等[67]首次将BSA-Au NCs应用于CN
检测。在该研究中，BSA-Au NCs溶液呈深棕色，在UV灯下发射红色荧光。当加入CN
后，溶液的颜色逐渐变成无色，荧光信号也逐渐消失。该方法具有良好的选择性和灵敏度，检出限为200 nmol/L，远低于世界卫生组织允许饮用水中CN
最高浓度（2.7 μmol/L）。基于相似的原理，Lys-Au NCs也被应用于CN
高选择性的检测，检出限为190 nmol/L [68]。由于CN
刻蚀的速度较慢，且需要较高的CN
浓度，因此，灵敏度和响应速度受到一定的限制。最近，Zong等[69]报道了一种在聚合物多孔膜原位合成Au NCs的方法，可应用于CN
的裸眼检测，如图5所示。聚合物膜的多孔结构被认为可增强它们的相互作用，促进目标物的扩散，进而增强CN
检测的灵敏度和响应速度。在检测过程中，湿润的多孔膜可方便即时地捕获和浓缩挥发出的CN
，达到信号放大的作用。另外，蓝色荧光的聚丙烯腈（PAN）可作为内参比信号，得到可靠的比色测定结果，并将该检测体系应用于红葡萄酒、果汁和咖啡等实际样品中的CN
的测定以及木薯加工中CN
释放的实时检测。
图5 在封闭的体系中多孔膜测定CN
的示意图[69]
Fig.5 Scheme illustration of the porous film toward CN
detection in the chosen systems [69]
S2
是一种常见的环境污染物，也是一种重要的气体信号发射器。与CN
的毒性相似，S2
与线粒体细胞色素氧化酶中的铁发生螯合作用，抑制细胞的呼吸作用。基于S2
与Au或Ag原子强相互作用，Chen等[70]成功地将DNA-AuAg NCs用于温泉和海水中S2
的测定。研究发现，S2
猝灭荧光信号是由于S2
与Au或Ag原子强作用导致配体DNA发生构型变化。基于相似的原理，BSA-Au NCs也被应用于河流样品中S2
的高选择性和高灵敏度检测，检出限为29 nmol/L[71]。基于S2
诱导荧光猝灭的特性，本课题组[72]利用GSH-Ag NCs构建了一种S2
荧光传感器，并探讨了检测机理。随着S2
浓度增加， GSH-Ag NCs溶液颜色逐渐变成黄色，说明产生了Ag2S或大颗粒Ag NPs，同时紫外可见吸收光谱中出现一个宽吸收带的，而没有出现Ag NPs的表面等离子体共振吸收峰，证明加入S2
后形成了Ag2S。基于I
与Au原子间强结合能力，Wang等[73]报道了一种基于GSH-Au NCs的I
传感方法。
NO
虽然在自然界中处于痕量，但在废水中含量很高。在酸性条件下，它能与二级胺反应生成致癌的亚硝胺。基于NO
导致荧光的猝灭，BSA-Au NCs被成功地应用于自来水、井水以及温泉等实际水样中NO
2的灵敏检测，检出限为1 nmol/L [74]。其猝灭的原因是由于NO
与配体BSA发生作用导致BSA-Au NCs聚集所致。随后，Unnikrishnan 等[75]通过一系列表征手段对NO
导致BSA-Au NCs荧光猝灭的原因进行了详细研究，发现加入NO
后，BSA-Au NCs中的Au 4f7/2电子结合能变大，说明NO
的加入会导致BSA-Au NCs中Au原子氧化态增高。最近，Xu等[76]利用带正电的GO与BSA-Au NCs间静电和氢键作用，合成了一种发射双波长的纳米复合材料。BSA-Au NCs的红色荧光信号对NO
具有特异性响应，而GO的蓝色荧光信号保持恒定，导致荧光信号颜色从红色到蓝色的演变。基于此现象，作者构建了一种荧光比率检测NO
传感器，检出限为46 nmol/L。
4.4 硝基苯类爆炸物的检测
硝基苯类爆炸物是一类对安全构成严重威胁的化学物质，尤其是2，4，6-三硝基甲苯（TNT），常用于恐怖袭击、军事生产和工业爆破。同时，硝基苯类爆炸物也是一类高毒性致癌物，对环境和人体构成严重危害。快速检测硝基苯类爆炸物对维持社会和生态环境的稳定显得尤为重要。Mathew等[77]报道了一种双荧光发射、超灵敏测定TNT的探针。如图6所示，该荧光探针首先制备键合异硫氰根荧光素（FITC）的Au纳米花，然后将BSA-Ag NCs修饰在Au纳米花表面。
发射红色荧光的BSA-Ag NCs作为TNT的敏感探针，发射绿色荧光的FITC作为TNT测定的参比荧光团，当该探针暴露于10 mg/m3 TNT时，由于迈森海默尔配合物的生成，Ag NCs的红色荧光信号被迅速完全猝灭，而FITC的绿色荧光信号仍能保持一定的强度。该探针提供了一种高选择性、超痕量可视化测定TNT的检测方法。Yang等[78]利用BSA-Au NCs报道了一种同时测定TNT和4-硝基酚的荧光分析方法，并将其制成试纸， 仍保持对TNT和4-硝基酚蒸气的高灵敏度和选择性检测，检出限分别为10 和1 pmol/L。随后，借助于简单便捷的静电纺丝法，Senthamizhan等[79]将BSA-Au NCs与聚乙二醇纳米纤维结合，制备了一种超快、实时、可视化检测TNT的纳米纤维膜。当加入TNT后，颜色产生明显变化。这种优异性质主要归因于纳米纤维膜超大的比表面积和对TNT强吸附能力。
5 结论与展望
由于独特的物理化学性质，金属纳米簇近年来在众多领域备受人们的广泛关注。金属纳米簇具有超小的尺寸、强荧光发射和低毒性的特点，使其成为构建化学生物传感平台的新型荧光探针。本文介绍了金属纳米簇的荧光性质和合成方法，着重总结了近年来其在环境检测方面的研究进展情况，包括pH值、重金属离子、无机阴离子和硝基苯类爆炸物等物质的检测。独特的核壳结构增加了基于NCs的传感器检测目标物的多样性，金属纳米簇的金属内核和表面配体为目标物的检测提供了丰富的作用位点，在环境分析中具有广阔的应用前景。金属纳米簇与其它基质材料进行组装制得了复合材料，不仅保持了金属纳米簇原有的优异性质，而且具有新的特性，如复合材料可增强金属纳米簇的稳定性，增强对目标物的响应速度等。金属纳米簇与特定基质材料组装复合材料的研究将是金属纳米簇在环境分析方面的重要发展方向。
尽管金属纳米簇在环境分析应用方面有了一些进展，但其进一步发展面临着一些挑战。目前，面临最大的瓶颈问题是缺少一种通用而有效的方法，应用于合成不同类型的荧光金属纳米簇。现有的合成方法仅局限于很少种类的金属纳米簇的合成，基于配体诱导刻蚀的尺寸聚焦法的深入研究将是解决该问题重要的突破口。与常见的有机染料和半导体量子点相比，已报道的金属纳米簇量子产率较低（<10%），这将限制其在环境分析中的灵敏度。环境样品中的成分比较复杂，金属纳米簇的荧光信号易受其它物质的干扰，导致检测结果不准确。另外，金属纳米簇检测目标物的机理需要进一步研究，如Hg2+-Au+间金属亲和作用导致荧光猝灭而Ag+沉积作用导致荧光的增强，深入研究其响应机理对改善传感器的性能至关重要。这些挑战不仅需要进一步改进合成方法，更需要创新合成方法以及其他学科的融入。坚信金属纳米簇将为环境检测提供新的分析方法，为解决当前环境污染问题开拓新的途径。
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