孔 文,郎婷婷,卞繼城,俞文杰,金嘉俊,陸 洋

(中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

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納米金反團聚的水中汞離子比色檢測

孔 文,郎婷婷,卞繼城,俞文杰,金嘉俊,陸 洋

(中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

以納米金膠體作為檢測工具,可以建立一種簡單、快捷、靈敏度高的水中汞離子檢測方法.其做法是：使用檸檬酸鈉為還原劑合成酒紅色的納米金膠體,加入4’4聯(lián)吡啶(Dpy)將納米金顆粒聚集在一起,納米金膠體的顏色會變化為藍黑色.若水中沒有汞離子,納米金顆粒會保持團聚狀態(tài),顏色不變；若水中含有汞離子,則納米金顆粒會發(fā)生反團聚現(xiàn)象,再次分散于水中,混合溶液的顏色變回酒紅色.通過觀察混合溶液的顏色變化,來判斷水中是否含有汞離子,實現(xiàn)水中汞離子的檢測.同時對不同濃度汞離子樣品的紫外-可見吸收光譜進行分析,可以看出吸光度比值(A520/A640)與汞離子濃度之間呈現(xiàn)良好的線性度,并計算得到本方法的水中汞離子檢測極限為54 nmol/L(3δ).通過汞離子樣品與其他多個離子樣品的對比實驗,證明本測試方法對汞離子的高選擇性.本方法可用于水中汞離子的快速實時檢測.

納米金；比色檢測；汞離子

汞作為一種生活中常見的重金屬元素,對人類健康和環(huán)境都具有極強的危害性,而且不能被微生物所降解,容易在活體內(nèi)富集,對人體健康造成極大威脅.根據(jù)GB5749-2006,我國生活飲用水中汞的限值偽1 μg/L,當(dāng)人體中汞離子的濃度達到0.5～1.0 μg/mL時,人體就會出現(xiàn)明顯的中毒癥狀.因此,建立一種能快速準(zhǔn)確測定水中汞離子的方法具有重要意義.

目前對于水中汞離子的檢測已有很多方法,常用的檢測方法主要有原子光譜法[1](atomic absorption spectroscopy, AAS)、電感耦合等離子體-質(zhì)譜法[2](inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)、電化學(xué)分析法[3]、分光光度法[4]等,但是這些方法由于儀器昂貴、分析周期長、樣品預(yù)處理復(fù)雜、檢測費用昂貴等問題,難以滿足日常生活中對汞元素實際分析的需求,因此需要建立一種簡單、快速、高效、環(huán)境友好的Hg2+檢測方法.

納米金(gold nanoparticles, AuNPs)因其獨特的易修飾性和極強的表面等離子共振等特點,具有了常規(guī)大尺寸材料不具備的優(yōu)越性能,因此在物質(zhì)檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并且受到越來越多的重視[5-8].近年來,研究人員通過在納米金的表面進行修飾,使其與待測物質(zhì)發(fā)生團聚或者反團聚的作用.納米金顆粒的團聚與反團聚現(xiàn)象同時伴隨著的是納米金膠體顏色的變化[9],這就為我們觀察其紫外-可見吸收光譜的變化,進而檢測待測物質(zhì)的存在與否提供了可能.通過對納米金顆粒表面進行修飾,將其用于物質(zhì)檢測領(lǐng)域,就是所謂的納米金標(biāo)記檢測技術(shù)[9-13].如果將DNA通過Au-S鍵鍵合到納米金顆粒上,用于其表面修飾,就形成了DNA功能化的納米金顆粒；當(dāng)溶液中存在Hg2+時,由于T-Hg2+-T絡(luò)合物的形成,使吸附在納米金表面的DNA鏈雜交互補,會導(dǎo)致納米金發(fā)生團聚,溶液的顏色由紅色變?yōu)樽仙蛘咚{色,以此檢測溶液中的汞離子[14].也有使用L-半胱氨酸使納米金功能化,加入Hg2+后,Hg2+會與L-半胱氨酸的-SH相互作用形成Hg-S鍵, 誘導(dǎo)納米金發(fā)生團聚[15].

本文提出一種基于納米金膠體的快速檢測方法,相比于傳統(tǒng)的汞離子檢測方法,本方法既不需要復(fù)雜的樣品處理,也不需要昂貴的實驗儀器,而且現(xiàn)象直觀,裸眼即可觀察到實驗中顏色的變化,同時靈敏度高,可應(yīng)用于微量檢測.其做法是：使用檸檬酸鈉為還原劑合成酒紅色的納米金膠體,其紫外-可見吸收光譜吸收峰為520 nm；加入4’4聯(lián)吡啶(簡稱Dpy)后,由于4’4聯(lián)吡啶可以使納米金膠體中的納米金顆粒聚集在一起,導(dǎo)致納米金膠體變成藍黑色,其紫外-可見吸收光譜會在波長640 nm處出現(xiàn)吸收峰；若此時向納米金膠體中加入含有Hg2+的溶液后,由于4’4聯(lián)吡啶會優(yōu)先與Hg2+結(jié)合,破壞了納米金顆粒的團聚,使納米金顆粒再次分散,納米金膠體顏色變回酒紅色,同時其紫外-可見吸收光譜640 nm處峰值減少,520 nm處峰值增加；若水中不含有Hg2+離子,則納米金顆粒保持團聚狀態(tài),其紫外-可見吸收光譜和納米金膠體顏色均無變化.根據(jù)這種明顯的顏色變化,或是分析樣品的紫外-可見吸收光譜,即可實現(xiàn)水中汞離子的痕量檢測.具體檢測原理如圖1.

圖1 基于納米金膠體的Hg2+離子色度檢測原理圖Figure 1 Schematic diagram of the AuNPs colorimetricmechanism for Hg2+ detection

1 實驗方法

1.1 儀器與試劑

紫外-可見分光光度計TU-1901(北京普析),電子天平FA2004B(上海精科),磁旋加熱儀(KMS-151E),純水儀UPH-I-20T(優(yōu)普)等.

氯金酸、檸檬酸鈉、硫酸汞(國藥集團化學(xué)試劑有限公司),氯化鈉、氯化鉀、氯化銅、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、氯化錳、氯化鋁、氯化鐵等(杭州嘉辰化工有限公司),以上試劑均為分析純.

1.2 納米金的合成

本文使用Frens法[16],即使用檸檬酸鈉還原法制備納米金膠體：將100 mL去離子水加熱至沸騰,在劇烈攪拌下,加入2 mL濃度為24 mmol/L的氯金酸溶液,繼續(xù)加熱煮沸5 min,然后快速加入1 mL質(zhì)量分數(shù)為1%的檸檬酸鈉溶液繼續(xù)劇烈攪拌,可以觀察到溶液由無色變?yōu)楹谏?然后變成紅色,并逐漸加深,最后變?yōu)榫萍t色.繼續(xù)攪拌直至冷卻溶液至室溫,此時可以得到納米金膠體.

1.3 不同濃度的汞離子檢測

用移液器取200 μmol/L濃度為10 μmol/L的Dpy溶液,加入到盛有700 μL納米金膠體的試管中,再分別向試管中加入100 μL的不同濃度的汞離子溶液,各試管中加入的汞離子溶液濃度分別為0 ,0.2 ,0.4 ,0.6 ,0.8 ,1 ,2 ,5 ,10 ,20 ,50 μmol/L.將得到的液體放入比色皿中,并用紫外-可見分光光度計掃描其波長范圍在300～800 nm之間的吸收光譜.以汞離子濃度為橫坐標(biāo),以吸光度比值A(chǔ)520/A640為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.

1.4 汞離子的特異性檢測

用移液器取200 μL濃度為10 μmol/L的Dpy溶液,加入到盛有700 μL納米金膠體的試管中,再分別向試管中加入100 μL濃度為1 mmol/L不同種類的離子溶液,各離子種類分別為Na+,K+,Cu2+,Ca2+,Mg2+,Zn2+,Mn2+,Al3+,Fe3+,空白對照組為去離子水,汞離子溶液濃度為1 μmol/L,將得到的液體放入比色皿中,同樣用紫外-可見分光光度計掃描波長從300 nm到800 nm的吸收光譜.以離子種類為橫坐標(biāo),以吸光度比值A(chǔ)520/A640為縱坐標(biāo),繪制柱形圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 納米金顆粒的表征

采用掃描電子顯微鏡(HITACHI SU8010 FE-SEM)對納米金顆粒進行表征,從圖2照片的標(biāo)尺可估計納米金顆粒的直徑約為25 nm.圖2(a)是采用檸檬酸鈉還原法制備得到的納米金膠體照片,納米金顆粒呈分散狀態(tài),放大倍率為100 K；圖2b是加入Dpy后的納米金膠體照片,納米金顆粒發(fā)生團聚,放大倍率為100 K；圖2c是向混合溶液中加入10 μmol/L的Hg2+溶液后得到的納米金膠體照片,納米金顆粒重新分散,放大倍率為100 K.

圖2 納米金顆粒SEM圖Figure 2 SEM views of dispersed gold nanoparticals

2.2 納米金比色檢測Hg2+離子

將不同濃度的Hg2+離子溶液加入到已混合Dpy的納米金膠體中,膠體中的納米金顆粒會發(fā)生不同程度的分散.當(dāng)加入的溶液中汞離子濃度較低時,由于和汞離子結(jié)合的Dpy數(shù)量較少,混合溶液仍然呈現(xiàn)藍黑色；隨著加入的溶液中汞離子濃度的增加,混合溶液的顏色由紫紅色逐漸過渡到明顯的紅色.圖3是加入不同濃度的汞離子后混合溶液的吸光度比值(A520/A640),從圖中我們可以看到,隨著汞離子濃度的增加,納米金膠體的吸光度比值(A520/A640)也隨之增加,與Hg2+的濃度成正比,在0～20 μmol/L的范圍內(nèi),曲線線性關(guān)系良好(y=0.729 2+0.012 17x，R2=0.992 38)，檢測限為54nmol/L(3δ).吸光度比值(A520/A640)的變化體現(xiàn)了本方法高靈敏度的特性,說明該方法適用于Hg2+離子的微量檢測.Lee等[17]利用DNA鏈與Hg2+結(jié)合的方法,檢測到了濃度為100 nmol/L的汞離子,YANG等[18]通過抑制納米金顆粒團聚的方法,檢測到了濃度為55 nmol/L的汞離子.本文得到的檢測極限為54 nmol/L,與以上方法接近,但是與這些方法相比,本方法不需要合成復(fù)雜的DNA鏈,檢測速度快,可以滿足現(xiàn)場檢測的需要.

圖3 不同濃度的Hg2+檢測,加入不同濃度的汞離子后混合溶液的吸光度比值(A520/A640)Figure 3 Detection of mercury ion with different concentrations, absorption ratio (A520/A640) of solution treated with Mercury ion of different concentrations

2.3 Hg2+離子的選擇性檢驗

將不同種類的金屬離子溶液加入到含有Dpy的納米金膠體中.其中,汞離子的濃度為1 μmol/L,其他種類離子濃度為汞離子濃度的1 000倍,即1 mmol/L,去離子水為空白對照組.靜置一段時間后發(fā)現(xiàn),加入汞離子的混合溶液中的納米金顆粒會再次分散,溶液變回酒紅色；而加入其他種類離子的混合溶液的納米金顆粒保持團聚狀態(tài),溶液仍為藍黑色.圖4是加入不同種類離子后吸光度比值(A520/A640),僅有加入汞離子的混合溶液吸光度比值(A520/A640)會發(fā)生明顯變化,加入其他種類離子的混合溶液吸光度比值(A520/A640)無明顯變化.表明只有含有Hg2+的溶液中的納米金顆粒會再次分散,其他種類離子無明顯變化,說明本方法對Hg2+具有選擇性,可用于水中Hg2+離子的選擇性檢驗.

圖4 Hg2+離子的選擇性檢驗實驗,加入不同種類離子后吸光度比值(A520/A640)Figure 4 Selective detection experiments of Hg2+, absorption ratio (A520/A640) of solution treated with different ions

3 結(jié) 論

本文提出了一種簡單高效的水中汞離子檢測方法,該方法基于納米金顆粒的反團聚現(xiàn)象,通過對樣品光譜的檢測來達到檢測的目的.對不同濃度的汞離子溶液進行檢測,觀察其顏色變化,并與其吸光度比值進行擬合,用于待測樣品中汞離子的定量檢測；將汞離子溶液與其他種類離子溶液加入納米金溶液中,對比其顏色變化與吸光度比值,用于待測樣品中汞離子的定性檢測.

與傳統(tǒng)的檢測方法相比,本方法具有靈敏度高、選擇性好、簡單快速的優(yōu)點,且無需復(fù)雜的樣品處理和操作步驟,既可以通過顏色的變化實時對水中汞離子進行定性檢測,又可以通過吸光度比值來對水中汞離子進行定量檢測,檢測極限為54 nmol/L.本方法在工業(yè)廢水、廢舊電池污染與食品檢測等方面具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景.

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Colorimetric detection of Hg2+in water based on anti-aggregation of gold nanoparticles

KONG Wen, LANG Tingting, BIAN Jicheng, YU Wenjie, JIN Jiajun, LU Yang

(College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

A simple, fast and sensitive method for the detection of mercury ions in water by using gold nanoparticles(AuNPs) was established. The color of the AuNPs solution synthesized by using sodium citrate was red. After adding 4,4-dipyridyl to the solution, AuNPs aggregated and its color changed into dark blue. If there was Hg2+in water, AuNPs would disperse and its color would turn back to red. The UV-vis absorption spectra of different concentrations of Hg2+showed good linearity between A520/A640 and the concentration of Hg2+; and this method had a detection limit of 54 nmol/L (3δ). The specification experiment of a series of different metal ions showed high selectivity. The proposed method can be used for the fast detection of mercury ions in water, and is suitable for real-time detection as well.

gold nanoparticles; colorimetric detection; mercury ion

2096-2835(2016)03-0281-05

10.3969/j.issn.2096-2835.2016.03.007

2016-03-09 《中國計量大學(xué)學(xué)報》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

國家自然科學(xué)基金資助項目(No. 61205029).

孔 文(1992- )，男，山東省棗莊人，碩士研究生，主要研究方向為光譜分析.E-mail:kongwen20@163.com

郎婷婷，女，副教授.E-mail: langtingting@cjlu.edu.cn

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