水体中钙离子的含量是水体质量好坏的重要指标，钙离子的含量直接影响着水体的使用性能。现在常用的钙离子检测分析方法如滴定分析法、原子吸收光谱法，在实际应用中仍存在着种种不可克服的缺点。而纳米金探针具有良好的选择性和较高的灵敏度，因而寻找具有高选择性的纳米金探针识别钙离子一直是现代分析化学的一大热点。

纳米金是指金的微小颗粒,通常在水溶液中以胶体金的形态存在。由于纳米金具有在可见光区较强的表面等离子共振吸收，制备简单，稳定性高以及具有良好的生物相容性等特点，通常被用于光学纳米传感材料。

金纳米粒子通常采用Turkevich-Frens法制备，即在100 ℃下，通过改变还原剂(柠檬酸钠)和三价金的化合物(氯金酸或氯金酸钠)的比例来控制 AuNPs 粒径的大小，从而获得粒径在 10 ～60 nm 范围内且分散性较好的 AuNPs。该方法制备程序简单，且包裹在 AuNPs 表面的柠檬酸根容易被其它配体置换(如巯基修饰的 DNA 等) 。

将不同的识别分子(如功能基团)修饰到 AuNPs 上，获得功能化纳米粒子(AuNPs 探针)，有助于拓宽 AuNPs 的应用范围，发展基于 AuNPs 的分析/检测方法。在介质中保持单分散性和稳定性是 AuNPs 在实际应用中的关键。因此，人们不断寻找新型稳定剂和修饰方法以提高 AuNPs 的分散性。研究发现，共价偶联配体与 AuNPs通过共价键结合稳定性好。在共价偶联中通常以Au-S 共价结合获得 AuNPs 探针，这种方法必须使用含有 S 的配体，如谷胱甘肽等，通过共价法获得的 AuNPs 探针可以承受很高的盐浓度(2 mol/L NaCl)，提高 AuNPs在水溶液中的稳定性。

采用Turkevich-Frens法合成的粒径为 13 nm 的金纳米粒子,并在其表面修饰上谷胱甘肽(GSH-AuNPs)。 在一定的盐浓度范围内,谷胱甘肽能保护金纳米粒子免受盐诱导的聚集。当钙离子存在时, 在一定的盐浓度下,谷胱甘肽由于静电作用吸附在纳米金表面，由于谷胱甘肽分子中含有丰富的羟基、氨基和巯基，修饰在纳米金表面的这些基团与钙离子相互作用，从而拉近纳米金颗粒间的距离，当钙离子的浓度增加到一定的程度时，纳米金颗粒发生聚集，导致溶液由红色变成蓝色，从而达到可视化检测钙离子，并根据其可见吸收值的变化与钙离子浓度之间的线性关系定量测定钙离子的浓度。

AuNPs 的吸收光谱在 520 nm 附近有一个尖锐的表面等离子共振吸收峰。 当纳米粒子之间的距离发生改变,纳米粒子在分散态和聚集态之间转变时,吸收峰的位置会发生改变,同时AuNPs 溶液也会发生由红到蓝的可目视的颜色变化。 AuNPs 比色法由于具有简单快速、可视化、不需要复杂仪器等优点,因此被广泛的应用于各种金属离子的检测,并取得了很好的结果。在一定的盐浓度中,GSH 可以有效保护金纳米粒子不发生团聚,然而,加入钙标溶液后,钙离子能够与 GSH 作用,从而与 GSH-AuNPs 结合,有效降低纳米粒子表面的静电斥力,诱导 GSH- AuNPs 团聚,溶液颜色从红色变为蓝色,且变化程度与钙离子的浓度相关。纳米金比色法是基于加入体系的金属离子与修饰在纳米金表面的功能化基团发生相互作用从而拉近纳米金颗粒间的距离，当金纳米颗粒聚集到一定的程度，两个颗粒的距离小于粒径的2倍，溶液的颜色就会发生明显的变化，产生明显的红移，这一变化可以定量检测钙离子从而实现可视化检测的目的。

在实验的 pH 条件下,GSH 中的巯基( -SH )可与 AuNPs 形成 Au-S 键,稳定地修饰在 AuNPs表面,使纳米粒子带有负电荷。由于静电排斥作用,在较高的盐浓度的作用下,GSH-AuNPs 仍然呈现分散状态。 当加入钙标溶液后,钙离子以吸附到 GSH-AuNPs 的表面 ,导致金纳米粒子之间的静电排斥作用降低,此时如体系中同时存在一定浓度的 NaCl 时,NaCl 能够进一步屏蔽金纳米粒子之间的静电排斥作用 ,从而导致金纳米粒子发生聚集, 在一定的盐浓度下,金纳米粒子发生聚集,聚集程度与钙离子浓度有关。 因此,可根据聚集程度目视或通过测定吸收光谱的变化检测钙离子浓度。

溶液中处于良好分散状态的 GSH-AuNPs 呈酒红色,吸收光谱如图 1A 所示,在 520 nm 处有较强的吸收峰。 TEM 图(图 1B)显示,GSH-AuNPs 粒径均匀并且处于分散状态。 向 GSH-AuNPs 中分别加入钙标溶液或者一定浓度的 NaCl 时,吸收峰均未发生变化,表明钙标溶液或一定浓度范围内的 NaCl 均不能使 GSH-AuNPs 发生聚集,TEM 图(图1C, 1D)也证明了这一观点。 当 GSH-AuNPs 中同时加入钙标溶液和一定浓度的 NaCl 时,溶液的颜色从红色变成蓝色,在图 1A 显示的吸收光谱中,520 nm 处的吸收强度降低,在650 nm 处出现新的吸收峰,表明 AuNPs 发生了聚集。 图 1E 的 TEM 中也显示出 GSH-AuNPs 出现了大规模团聚。

图1 （A）GSH-AuNPs在加入不同物质后的吸收光谱图；（B）GSH-AuNPs的TEM图；（C）单独加入钙离子后的TEM图；（D）单独加入NaCl后的TEM图；（E）同时加入钙离子

基于金纳米颗粒等纳米探针检测金属离子具有高灵敏度、高选择性、成本低、设备简单等优点。有望解决因不能在野外使用大型仪器而不能迅速、准确的对金属离子实现检测的难题，并为开发更加微型化和自动化的传感器提供了新的思路。但采用这些纳米探针也存在一些问题，比如纳米金颗粒保存时间过短，易受溶液 pH 值和离子强度的影响。因此需开发新型标记纳米粒子，从而拓展纳米探针的应用范围。