王栋，王磊，邢洋，张羱，双少敏*

（1.山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006；
2.山西医科大学 药学院，山西 太原 030006）

汞离子（Hg2+）作为常见的高毒性重金属离子，可稳定存在于环境中［1-2］。人体摄入过量的Hg2+会破坏其正常的新陈代谢和中枢神经系统，引起肠胃溃疡、神经错乱、呼吸衰竭等，最终导致死亡［3-5］。因此，对环境中的Hg2+进行有效的监测具有重要意义。目前，常用于Hg2+检测的方法包括电感耦合等离子质谱［6-8］、高效液相色谱［9-10］、原子光谱法［11-13］等。而这些方法通常需要昂贵的仪器和复杂的样品前处理过程，限制了其广泛应用［14］。因此，迫切需要发展简便、易行的Hg2+可视化测定方法。

Janus微球是一类具有两个或多个表面区域的微球，这些表面区域表现出不同的理化性质，并以不对称的方式分布于单个粒子表面［15］。由于Janus微球在形状［16］、组成［17］、表面化学［18］等方面表现出各向异性，因此，它能够在单个粒子内提供截然不同的化学或物理性质。近年来，基于各种方法制备的Janus微球，在传感和成像应用方面取得了令人瞩目的进展［19-21］。Kang等［22］将聚丁二炔（PDA）和高效吸附剂海藻酸盐集成在磁性Janus微珠中，同时实现对铅（II）离子的灵敏检测。受其启发，我们尝试开发一种基于海藻酸钠的Janus微球，用于Hg2+的可视化检测。

本文将Ag NPs和Fe3O4NPs的海藻酸钠水溶胶通过微流体法制备得到Janus微球。对于Ag NPs，将Hg2+还原为Hg并沉积在其表面，导致了银汞齐的产生，进而改变了其表面等离子体共振效应，实现Hg2+的可视化及定量检测。另一侧具有Fe3O4NPs，通过施加磁场可以搅动溶液中的微球，有助于短时间内与更多目标离子反应，从而提高灵敏度，减少检测时间。此外，利用磁场对磁性微球进行选择性收集，可方便地清洗未结合或非特异结合的离子，并可进行微球的回收，展现出便捷的Hg2+检测。

1.1 试剂与仪器

氯化汞（HgCl2）、二水合柠檬酸三钠（C6H5Na3O7·2H2O）、硼氢化钠（NaBH4）、碘化钾（KI）、碳酸氢钠（NaHCO3）、硝酸银（AgNO3）、三氯化铁（III）六水合物（FeCl3·6H2O）、氯化亚铁，四水（FeCl2·4H2O）、海藻酸钠（C6H7O8Na）n、氯化钙，二水（CaCl2·2H2O）购于阿拉丁试剂公司。所用试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水（18.2 MΩ·cm，Milli-Q纯水仪（美国Millipore公司）制备）。

Nano ZS90动态光散射粒度分析仪（英国马尔文公司）、JEM-2100型透射电子显微镜（日本电子公司）、U-2910紫外可见分光光度计（日本日立公司）、H2-16K-II离心机（湖南可成仪器设备有限公司）、电子天平（FA2004B）、FE20酸度计（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）、真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）。

1.2 Ag NPs制备

室温下，量取30 mL 2.0 mmol/L的NaBH4溶液于圆底烧瓶中，加入4.0 mL 2.5 mmol/L的C6H5Na3O7·2H2O溶液，在磁力搅拌（500 r/min）和室温下混合均匀后，缓慢滴加10 mL 1.25 mmol/L的AgNO3溶液，500 r/min的转速下搅拌30 min，溶液颜色由无色变为深黄色，离心，蒸馏水洗涤，50℃真空干燥得到Ag NPs。

1.3 Fe3O4NPs的制备

称取4 g FeCl3·6H2O和3 g FeCl2·4H2O依次加入250 mL二次水中，置于500 mL容量瓶中，在N2保护下加热到80℃～85℃，再逐滴加入浓氨水将反应液的pH调至9左右，持续搅拌（600 r/min）1 h后，冷却至室温，磁分离得到固体产物用二次水和乙醇洗涤至中性，50℃真空干燥得黑褐色固体Fe3O4NPs［23］。

1.4 Janus海藻酸钠微球的制备

为了防止Fe3O4NPs与藻酸盐的羧基相互作用，称取0.2 g Fe3O4NPs，超声分散于10 mL二次水中，加入0.2 g C6H5Na3O7·2H2O，于95℃反应2 h，冷却至室温，加入丙酮沉淀分离Fe3O4NPs。

将改性后的Fe3O4NPs（10 mg）和Ag NPs（20 mg）分别分散于10 mL质量百分数为4.0%的海藻酸钠水溶胶中。上述水溶胶分别放置于两个注射器中，逐滴滴入100 mL CaCl2（质量百分数4.0%）溶液中，固化后得到基于海藻酸钠的Janus微球。

2.1 Ag NPs和Fe3O4NPs的表征

如图1（a）所示，由TEM图像可以看出，Fe3O4NPs形貌呈球状，粒径分布均匀，约为30 nm。通过粒度仪测得Ag NPs和Fe3O4NPs的平均粒径分别为17 nm和36 nm（图1（b））。

图1 (a)Fe3O4NPs的透射电镜图；
(b)Ag和Fe3O4NPs的粒径图Fig.1 (a)TEM images of Fe3O4NPs;(b)Particle size ofAg and Fe3O4NPs

2.2 Janus微球的表征

利用微流控原理设计了简单的装置，并制备了基于海藻酸钠的Janus微球。该Janus微球一侧为黑色的Fe3O4NPs，另一侧为黄色的Ag NPs，且固化后两相互不相容（图2（a））。由于磁性Fe3O4NPs的存在，该Janus微球在水溶液中可以通过外加磁场进行分离回收。如图2（b）所示，Janus微球一侧的Fe3O4NPs被外加磁场吸附至瓶壁，说明其具有良好的磁分离效果。

图2 (a)制备好的Janus微球；
(b)Janus微球的分离回收Fig.2 (a)Prepared Janus microsphere;(b)Separation and recovery of Janus microspheres

2.3 Janus微球检测Hg2+的影响因素考察

2.3.1 pH对Hg2+检测的影响

实际水样中Hg2+检测的重要影响因素之一样品中H+的浓度。如图3所示，无论是否存在Hg2+，该Janus微球均在pH为2具有最大吸收，在pH为4时具有最小吸收。但在pH=6时两者差距最大，由于柠檬酸会在Ag NPs表面质子化，进一步导致了Janus微球酸性不稳定。因此，结合实验结果说明在pH=6时，该Janus微球灵敏度最高。

图3 pH对Janus微球检测汞离子的影响Fig.3 The effect of pH on the detection of Hg2+by Janus microsphere

2.3.2 响应时间对Hg2+检测的影响

考察了Hg2+与Janus微球的响应时间。在Janus微球中加入Hg2+后，测定不同反应时间395 nm处的吸光度，以确定Hg2+与Janus微球的最佳响应时间。如图4所示，7 min后395 nm处的吸光度基本不变，因此，将最佳响应时间确定为7 min。

图4 Janus微球对汞离子响应时间（Janus微球（1 g），2 mL Hg2+(5 μmol/L))Fig.4 Response time of Janus microspheres to Hg2+(Janus microspheres(1 g),2 mL Hg2+(5 μmol/L))

2.3.3 共存离子对Hg2+检测的影响

为了考察Janus微球对Hg2+的选择性，在Janus微球中加入Na+、K+、Ca2+、Cu2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+、Ni2+和Pb2+。结果如图5所示，只有加入Hg2+才能引起Janus微球在395 nm紫外吸收的改变，而其他金属离子对紫外吸收变化影响微弱，表明Janus微球在共存离子存在下可选择性识别检测Hg2+。

图5 不同金属离子对Janus微球紫外光谱影响的柱状图Fig.5 Columns plot of Janus microspheres in the presence of different metal ions

2.4 Janus微球检测Hg2+

从紫外吸收光谱可见，在395 nm处随着Hg2+浓度的增加，吸光度值不断下降（图6（a））。如图6（b）所示，以浓度对吸光度比值作图，线性回归方程为

图6 (a)Hg2+(0.025 μmol/L～60 μmol/L)浓度对Janus微球(1 g)紫外吸收的影响；
(b)Janus微球与Hg2+之间的z线性拟合Fig.6 (a)Influence of Hg2+(0.025µmol/L-60µmol/L)concentration on the ultraviolet absorption of Janus microspheres(1 g);(b)Linear fit between Janus microsphere and Hg2+

该检测方法在0.025 μmol/L～ 60 μmol/L表现出良好的线性关系，且检测限为3.8 nmol/L，低于国家饮用水的标准（10 nmol/L），进一步说明了该Janus微球用于饮用水中Hg2+检测的可行性。

2.5 实际样品中Hg2+的检测

量取实验室自来水，令德湖水和迎泽公园湖水静置12 h后，0.22 μm滤膜过滤得到处理好的水样。通过加标回收实验，用Janus微球检测水样中的Hg2+，结果见表1，回收率在95.2%～104.3%，表明该Janus微球可以用于实际水样的检测。

表1 水样中Hg2+的检测结果Table 1 Determination results of Hg2+in water sample

2.6 Janus微球测定Hg2+机理

如图7所示，该装置是基于微流控原理设计而成，将Fe3O4NPs和Ag NPs分别分散在海藻酸钠水溶胶中，加入左右两个注射器中。同时按压注射器，两种溶液混合后滴入CaCl2溶液中，海藻酸钠与钙离子之间迅速发生离子交换，固化形成凝胶，制备得到两相各异的Janus微球。在该Janus微球中，黑色相（Fe3O4NPs）与黄色相（Ag NPs）相互独立，各占据球体的一半，在水溶液表现出良好的稳定性。将制备好的Janus微球置于Hg2+溶液中，黄色相中，Ag NPs将Hg2+还原为Hg并沉积在其表面，导致了银汞齐的产生，进一步导致其表面等离子体信号的变化，从而实现对Hg2+的可视化检测。在磁铁作用下，黑色相（Fe3O4NPs）均向磁铁方向聚集，实现了微球的快速分离。

图7 制备Janus微球示意图Fig.7 Schematic diagram of preparing Janus microsphere

本文基于微流控法合成了具有两个独立相的基于海藻酸钠的Janus微球。该Janus微球的Ag NPs和Fe3O4NPs的协同可实现快速，准确的可视化检测Hg2+，检测范围为0.025 μmol/L～60 μmol/L，检测限为3.8 nmol/L。本方法对Hg2+的检测灵敏度高、选择性好，将其应用于自来水中Hg2+的检测，结果令人满意。综上可知，本研究建立的Janus微球对Hg2+具有良好的检测性能和实际应用价值。

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