💡这项突破是什么?
第一作者：苏爽
通讯单位：中国科学院烟台海岸带研究所，青岛科技大学
图片摘要
亮点
引言
硫化氢（H2S）是一种有毒、易挥发具有浓烈臭鸡蛋气味的气态污染物，其主要来源于微生物介导的有机质分解过程，其现场检测对于环境调查、污水追踪和职业安全至关重要。传统的金纳米棒（Au NRs）的硫化氢传感器主要依赖于酶活性的抑制，从而产生“turn-off”型的信号输出。然而，生物酶往往存在稳定性差、成本高等问题，而人工酶虽在一定程度上克服了这些缺陷，但仍然存在批次间的差异性。其次，传统胶体Au NRs稳定性较差，在室温下仅10天就会发生显著的自发形貌变化，导致其光学性能不可避免地发生变化。Au NRs的这种固有的不稳定性对其在传感技术中的实际应用构成了重大挑战。
本研究提出了一种无酶、“turn-on”型硫化物传感策略。基于碘单质（I2）介导的Au NRs刻蚀作用，在酸性体系下H2S可以将KIO3还原成I2，由于Au NRs尖端的高反应活性，生成的I2可沿纵向蚀刻Au NRs，改变其长径比，从而引起显著的颜色变化，可被肉眼直接观察到。此外，本研究还构建了一种简单紧凑、用户友好的检测试剂盒，具有微型加热模块和无液体工作流程，使H2S的现场检测成为可能，突破了传统实验室概念验证系统的局限性，有望进一步推动基于Au NRs的化学传感和生物传感技术的发展。
图文导读
碘单质介导的金纳米棒蚀刻的硫化物传感原理
图1：（A）基于碘介导的Au NRs刻蚀反应的H2S检测示意图。
H2S具有较强的还原性，可将KIO3还原为I2，NaBr和CTAC的加入显著提高了蚀刻效率。作为一个较大的阳离子，CTA+能够与AuI2-形成离子缔合物，从而显著降低AuI2-/Au的标准电极电位。此外，Br-可与AuI2-发生配位交换，生成更稳定的AuBr2-，进一步促进蚀刻过程。随着H2S浓度的增加，Au NRs的长度逐渐缩短，其纵向LSPR吸收峰逐步发生蓝移，同时伴随明显的颜色变化（由红棕色依次变为蓝色和紫色）。这一LSPR吸收峰的蓝移可通过UV-Vis光谱测定或肉眼直接观察用于H2S的检测。
硫化氢检测的灵敏度
图2：基于Au NRs胶体，Au NRs粉末，亚甲基蓝（MB）法的硫化物检测方法示意图及灵敏度。
Na2S作为H2S的释放源，在Au NRs胶体体系结合HS-SDME的检测系统中（图2B），纵向LSPR吸收峰的蓝移值与H2S浓度在0.05至0.5 µM范围内呈良好的线性关系，其校准曲线符合方程y = 295.98x - 10.08，R2为0.998。根据计算，LOD为0.034 µM。溶液颜色由红棕色依次变化为灰色、灰蓝色、蓝色、紫色、粉色，最终变为无色，该颜色变化与H2S浓度直接相关，并且可通过肉眼清晰辨别。HS-SDME的引入大幅提高了H2S的检测灵敏度，使H2S能够在短时间内快速、高效富集，从而增强了体系对S2-的检测能力。与国家标准MB方法相比，本研究基于Au NRs刻蚀的比色检测策略在H2S检测中不仅表现出更加显著且多样的颜色变化，同时在灵敏度方面也更具优势。
硫化氢检测的抗干扰性
图3：（A）H2S检测中干扰抑制的示意图。（B, i-iii）在10 µM浓度下，不同无机离子（1.0 µM SO32-,HSO3-）对Au NRs的吸收光谱、峰值偏移和颜色变化的影响。（C, i-iii）在10 µM浓度下，不同有机分子对Au NRs的吸收光谱、峰值偏移和颜色变化的影响。
鉴于环境基质的复杂性，评估了对H2S检测的选择性及抗干扰能力。潜在干扰物质包括多种无机离子、八种挥发性生物胺以及多种常见挥发性有机化合物。如图3所示，无论是单独存在还是混合存在，这些干扰物质均未引起吸收峰的偏移或溶液颜色的变化。这一结果表明，本检测方法在复杂基质中依然能够保持较高的灵敏度和抗干扰能力，展现出广泛的应用潜力。
真实样品及入海河流中硫化氢的分析应用
图4：（A）本方法和MB法对实际水样中的H2S检测结果。（B, i）在逛荡河不同采样点检测反应后的Au NRs颜色变化。（B, ii, iv）逛荡河沿岸H2S的分布及浓度。（B, iii）逛荡河下游环境和样品采集的图像。
为评估本研究方法在实际样品中的适用性，对不同水体样品（中的H2S含量进行了测定。加标样品的回收率范围为92.40%至109.51%，相对标准偏差（RSD）均低于10%，与国家标准MB法结果无显著性差异（图4A）。这些研究结果表明，本研究方法在环境水体样品中对H2S的检测具有较高的可靠性。此外，本研究方法成功应用于逛荡河（中国山东省烟台市）水体中H2S浓度的监测。证实了本方法可作为一种有效的H2S检测手段，未来可用于溯源河口及城市化区域的水体污染来源。
基于金纳米棒粉末的无液体硫化物比色检测器件
图5：（A）Au NRs胶体和Au NRs粉末的示意图。（B, i）自制便携加热装置的示意图及其组成部分。（B, ii）使用Au NRs粉末进行H2S检测的工作流程。（C, i-iii）Au NRs粉末在与不同浓度的H2S孵育后Au NRs的颜色变化、吸收光谱及纵向LSPR吸收峰位移。（C, iii）Au NRs粉末峰位移与H2S浓度之间的线性关系。（D, i）凤凰山水库周围环境和样品采集的图像。（D, ii）使用Au NRs粉末对实际水样中的H2S检测结果
相较于胶体Au NRs，Au NRs粉末在便携性、长期稳定性方面具有显著优势，并在分析应用领域展现出广阔的实际应用前景。本研究自主研发了一种自制的便携式加热装置（图5B）。该装置包含便携式电源、控温和加热三个核心模块，可实现多个样品同时检测。此检测过程操作简便，仅涉及加热、混合和振荡等步骤，适用于现场检测场景。此外，本研究通过灵敏度探究和对真实样品的加标回收实验进一步证实了Au NRs粉末在环境水体H2S检测中的可行性。
小结
作者简介
陈令新：中国科学院烟台海岸带研究所研究员，博士生导师。2009年筹建成立“海岸带生态环境监测与健康”研究组。提出了以化学和地学等多学科交叉思路解决海岸带生态环境监测与保护技术问题。针对海岸带生态环境分析监测，利用纳米材料、生物材料和光电磁等探测手段，构建微、纳尺度分析传感界面，发展分析监测新原理、新方法和新仪器装置，为海岸带生态环境分析监测和生态修复提供系统性、创造性解决方案。迄今，出版《海洋环境分析监测技术》等中、英文著作4部。已在Nature Sustainability，Nature Communications，Analytical Chemistry，Environmental Science & Technology等期刊发表SCI收录论文400余篇，SCI他引30000余次。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等30余项。入选2020-2024年度科睿唯安跨学科领域全球“高被引科学家”名单。现任中国海洋湖沼学会理事、海岸带可持续发展分会理事长，水环境分会常务委员，担任Journal of Hazardous Materials副主编。
张志阳：中国科学院烟台海岸带研究所研究员，博士生导师。主要从事光学纳米功能材料及海岸带环境快速分析方法与技术研究，包括局域表面等离子体共振光谱、表面增强拉曼散射光谱、环境快速检测试剂盒、微流控在线分析芯片等。已在Nano Letters、ACS Catalysis、Small、Journal of Hazardous Materials、Analytical Chemistry等期刊发表第一/通讯SCI论文30余篇，他引3000余次, 获得国家授权专利7个。主持国家自然科学基金项目、中科院人才项目、山东省人才项目、中科院海洋大科学中心前沿部署项目等。入选中科院引进人才计划、山东省泰山学者青年专家等荣誉。目前担任Sensors期刊客座编辑、中国海洋湖沼协会化学分会理事等学术职务。
邮箱：zyzhang@yic.ac.cn
文章DOI：10.1016/j.jhazmat.2025.138389。
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