王棟，王磊，邢洋，張羱，雙少敏*

（1.山西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

汞離子（Hg2+）作為常見的高毒性重金屬離子，可穩(wěn)定存在于環(huán)境中［1-2］。人體攝入過(guò)量的Hg2+會(huì)破壞其正常的新陳代謝和中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起腸胃潰瘍、神經(jīng)錯(cuò)亂、呼吸衰竭等，最終導(dǎo)致死亡［3-5］。因此，對(duì)環(huán)境中的Hg2+進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)具有重要意義。目前，常用于Hg2+檢測(cè)的方法包括電感耦合等離子質(zhì)譜［6-8］、高效液相色譜［9-10］、原子光譜法［11-13］等。而這些方法通常需要昂貴的儀器和復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程，限制了其廣泛應(yīng)用［14］。因此，迫切需要發(fā)展簡(jiǎn)便、易行的Hg2+可視化測(cè)定方法。

Janus微球是一類具有兩個(gè)或多個(gè)表面區(qū)域的微球，這些表面區(qū)域表現(xiàn)出不同的理化性質(zhì)，并以不對(duì)稱的方式分布于單個(gè)粒子表面［15］。由于Janus微球在形狀［16］、組成［17］、表面化學(xué)［18］等方面表現(xiàn)出各向異性，因此，它能夠在單個(gè)粒子內(nèi)提供截然不同的化學(xué)或物理性質(zhì)。近年來(lái)，基于各種方法制備的Janus微球，在傳感和成像應(yīng)用方面取得了令人矚目的進(jìn)展［19-21］。Kang等［22］將聚丁二炔（PDA）和高效吸附劑海藻酸鹽集成在磁性Janus微珠中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛（II）離子的靈敏檢測(cè)。受其啟發(fā)，我們嘗試開發(fā)一種基于海藻酸鈉的Janus微球，用于Hg2+的可視化檢測(cè)。

本文將Ag NPs和Fe3O4NPs的海藻酸鈉水溶膠通過(guò)微流體法制備得到Janus微球。對(duì)于Ag NPs，將Hg2+還原為Hg并沉積在其表面，導(dǎo)致了銀汞齊的產(chǎn)生，進(jìn)而改變了其表面等離子體共振效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)Hg2+的可視化及定量檢測(cè)。另一側(cè)具有Fe3O4NPs，通過(guò)施加磁場(chǎng)可以攪動(dòng)溶液中的微球，有助于短時(shí)間內(nèi)與更多目標(biāo)離子反應(yīng)，從而提高靈敏度，減少檢測(cè)時(shí)間。此外，利用磁場(chǎng)對(duì)磁性微球進(jìn)行選擇性收集，可方便地清洗未結(jié)合或非特異結(jié)合的離子，并可進(jìn)行微球的回收，展現(xiàn)出便捷的Hg2+檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

氯化汞（HgCl2）、二水合檸檬酸三鈉（C6H5Na3O7·2H2O）、硼氫化鈉（NaBH4）、碘化鉀（KI）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、硝酸銀（AgNO3）、三氯化鐵（III）六水合物（FeCl3·6H2O）、氯化亞鐵，四水（FeCl2·4H2O）、海藻酸鈉（C6H7O8Na）n、氯化鈣，二水（CaCl2·2H2O）購(gòu)于阿拉丁試劑公司。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水（18.2 MΩ·cm，Milli-Q純水儀（美國(guó)Millipore公司）制備）。

Nano ZS90動(dòng)態(tài)光散射粒度分析儀（英國(guó)馬爾文公司）、JEM-2100型透射電子顯微鏡（日本電子公司）、U-2910紫外可見分光光度計(jì)（日本日立公司）、H2-16K-II離心機(jī)（湖南可成儀器設(shè)備有限公司）、電子天平（FA2004B）、FE20酸度計(jì)（上海梅特勒-托利多儀器有限公司）、真空干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 Ag NPs制備

室溫下，量取30 mL 2.0 mmol/L的NaBH4溶液于圓底燒瓶中，加入4.0 mL 2.5 mmol/L的C6H5Na3O7·2H2O溶液，在磁力攪拌（500 r/min）和室溫下混合均勻后，緩慢滴加10 mL 1.25 mmol/L的AgNO3溶液，500 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，溶液顏色由無(wú)色變?yōu)樯铧S色，離心，蒸餾水洗滌，50℃真空干燥得到Ag NPs。

1.3 Fe3O4NPs的制備

稱取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保護(hù)下加熱到80℃～85℃，再逐滴加入濃氨水將反應(yīng)液的pH調(diào)至9左右，持續(xù)攪拌（600 r/min）1 h后，冷卻至室溫，磁分離得到固體產(chǎn)物用二次水和乙醇洗滌至中性，50℃真空干燥得黑褐色固體Fe3O4NPs［23］。

1.4 Janus海藻酸鈉微球的制備

為了防止Fe3O4NPs與藻酸鹽的羧基相互作用，稱取0.2 g Fe3O4NPs，超聲分散于10 mL二次水中，加入0.2 g C6H5Na3O7·2H2O，于95℃反應(yīng)2 h，冷卻至室溫，加入丙酮沉淀分離Fe3O4NPs。

將改性后的Fe3O4NPs（10 mg）和Ag NPs（20 mg）分別分散于10 mL質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為4.0%的海藻酸鈉水溶膠中。上述水溶膠分別放置于兩個(gè)注射器中，逐滴滴入100 mL CaCl2（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)4.0%）溶液中，固化后得到基于海藻酸鈉的Janus微球。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Ag NPs和Fe3O4NPs的表征

如圖1（a）所示，由TEM圖像可以看出，F(xiàn)e3O4NPs形貌呈球狀，粒徑分布均勻，約為30 nm。通過(guò)粒度儀測(cè)得Ag NPs和Fe3O4NPs的平均粒徑分別為17 nm和36 nm（圖1（b））。

圖1 (a)Fe3O4NPs的透射電鏡圖；(b)Ag和Fe3O4NPs的粒徑圖Fig.1 (a)TEM images of Fe3O4NPs;(b)Particle size ofAg and Fe3O4NPs

2.2 Janus微球的表征

利用微流控原理設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的裝置，并制備了基于海藻酸鈉的Janus微球。該Janus微球一側(cè)為黑色的Fe3O4NPs，另一側(cè)為黃色的Ag NPs，且固化后兩相互不相容（圖2（a））。由于磁性Fe3O4NPs的存在，該Janus微球在水溶液中可以通過(guò)外加磁場(chǎng)進(jìn)行分離回收。如圖2（b）所示，Janus微球一側(cè)的Fe3O4NPs被外加磁場(chǎng)吸附至瓶壁，說(shuō)明其具有良好的磁分離效果。

圖2 (a)制備好的Janus微球；(b)Janus微球的分離回收Fig.2 (a)Prepared Janus microsphere;(b)Separation and recovery of Janus microspheres

2.3 Janus微球檢測(cè)Hg2+的影響因素考察

2.3.1 pH對(duì)Hg2+檢測(cè)的影響

實(shí)際水樣中Hg2+檢測(cè)的重要影響因素之一樣品中H+的濃度。如圖3所示，無(wú)論是否存在Hg2+，該Janus微球均在pH為2具有最大吸收，在pH為4時(shí)具有最小吸收。但在pH=6時(shí)兩者差距最大，由于檸檬酸會(huì)在Ag NPs表面質(zhì)子化，進(jìn)一步導(dǎo)致了Janus微球酸性不穩(wěn)定。因此，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在pH=6時(shí)，該Janus微球靈敏度最高。

圖3 pH對(duì)Janus微球檢測(cè)汞離子的影響Fig.3 The effect of pH on the detection of Hg2+by Janus microsphere

2.3.2 響應(yīng)時(shí)間對(duì)Hg2+檢測(cè)的影響

考察了Hg2+與Janus微球的響應(yīng)時(shí)間。在Janus微球中加入Hg2+后，測(cè)定不同反應(yīng)時(shí)間395 nm處的吸光度，以確定Hg2+與Janus微球的最佳響應(yīng)時(shí)間。如圖4所示，7 min后395 nm處的吸光度基本不變，因此，將最佳響應(yīng)時(shí)間確定為7 min。

圖4 Janus微球?qū)x子響應(yīng)時(shí)間（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 共存離子對(duì)Hg2+檢測(cè)的影響

為了考察Janus微球?qū)g2+的選擇性，在Janus微球中加入Na+、K+、Ca2+、Cu2+、Mn2+、Mg2+、Fe2+、Ni2+和Pb2+。結(jié)果如圖5所示，只有加入Hg2+才能引起Janus微球在395 nm紫外吸收的改變，而其他金屬離子對(duì)紫外吸收變化影響微弱，表明Janus微球在共存離子存在下可選擇性識(shí)別檢測(cè)Hg2+。

圖5 不同金屬離子對(duì)Janus微球紫外光譜影響的柱狀圖Fig.5 Columns plot of Janus microspheres in the presence of different metal ions

2.4 Janus微球檢測(cè)Hg2+

從紫外吸收光譜可見，在395 nm處隨著Hg2+濃度的增加，吸光度值不斷下降（圖6（a））。如圖6（b）所示，以濃度對(duì)吸光度比值作圖，線性回歸方程為

圖6 (a)Hg2+(0.025 μmol/L～60 μmol/L)濃度對(duì)Janus微球(1 g)紫外吸收的影響；(b)Janus微球與Hg2+之間的z線性擬合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+

該檢測(cè)方法在0.025 μmol/L～ 60 μmol/L表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，且檢測(cè)限為3.8 nmol/L，低于國(guó)家飲用水的標(biāo)準(zhǔn)（10 nmol/L），進(jìn)一步說(shuō)明了該Janus微球用于飲用水中Hg2+檢測(cè)的可行性。

2.5 實(shí)際樣品中Hg2+的檢測(cè)

量取實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水，令德湖水和迎澤公園湖水靜置12 h后，0.22 μm濾膜過(guò)濾得到處理好的水樣。通過(guò)加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，用Janus微球檢測(cè)水樣中的Hg2+，結(jié)果見表1，回收率在95.2%～104.3%，表明該Janus微球可以用于實(shí)際水樣的檢測(cè)。

表1 水樣中Hg2+的檢測(cè)結(jié)果Table 1 Determination results of Hg2+in water sample

2.6 Janus微球測(cè)定Hg2+機(jī)理

如圖7所示，該裝置是基于微流控原理設(shè)計(jì)而成，將Fe3O4NPs和Ag NPs分別分散在海藻酸鈉水溶膠中，加入左右兩個(gè)注射器中。同時(shí)按壓注射器，兩種溶液混合后滴入CaCl2溶液中，海藻酸鈉與鈣離子之間迅速發(fā)生離子交換，固化形成凝膠，制備得到兩相各異的Janus微球。在該Janus微球中，黑色相（Fe3O4NPs）與黃色相（Ag NPs）相互獨(dú)立，各占據(jù)球體的一半，在水溶液表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。將制備好的Janus微球置于Hg2+溶液中，黃色相中，Ag NPs將Hg2+還原為Hg并沉積在其表面，導(dǎo)致了銀汞齊的產(chǎn)生，進(jìn)一步導(dǎo)致其表面等離子體信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的可視化檢測(cè)。在磁鐵作用下，黑色相（Fe3O4NPs）均向磁鐵方向聚集，實(shí)現(xiàn)了微球的快速分離。

圖7 制備Janus微球示意圖Fig.7 Schematic diagram of preparing Janus microsphere

3 結(jié)論

本文基于微流控法合成了具有兩個(gè)獨(dú)立相的基于海藻酸鈉的Janus微球。該Janus微球的Ag NPs和Fe3O4NPs的協(xié)同可實(shí)現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的可視化檢測(cè)Hg2+，檢測(cè)范圍為0.025 μmol/L～60 μmol/L，檢測(cè)限為3.8 nmol/L。本方法對(duì)Hg2+的檢測(cè)靈敏度高、選擇性好，將其應(yīng)用于自來(lái)水中Hg2+的檢測(cè)，結(jié)果令人滿意。綜上可知，本研究建立的Janus微球?qū)g2+具有良好的檢測(cè)性能和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。