基于手性金納米粒子圓二色光譜法識(shí)別與檢測(cè)銀離子

韋克毅,王　猛,杜　宇,蔡　波,江云寶

(1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明650231；2.廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén)361005)

?

·研究簡(jiǎn)報(bào)·

基于手性金納米粒子圓二色光譜法識(shí)別與檢測(cè)銀離子

韋克毅1,2,王猛1,杜宇1,蔡波1,江云寶2*

(1.云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南昆明650231；2.廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén)361005)

摘要：采用液相制備方法獲得具有光學(xué)活性的手性金納米粒子，通過(guò)吸收光譜和圓二色光譜及高分辨透射電鏡對(duì)手性金納米粒子進(jìn)行表征.利用圓二色光譜法建立手性金納米粒子對(duì)Ag+選擇性識(shí)別方法，結(jié)果表明手性金納米粒子對(duì)Ag+響應(yīng)時(shí)間僅需12 min，手性金納米粒子能夠從13種常見(jiàn)金屬離子中選擇性識(shí)別Ag+，并對(duì)多種常見(jiàn)金屬離子具有較好的抗干擾能力，檢測(cè)靈敏度高并且具有良好的重現(xiàn)性.所建立標(biāo)準(zhǔn)曲線線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15)，Ag+的檢測(cè)限為0.2 μmol/L；為環(huán)境水樣中Ag+的識(shí)別和檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單、精確、快速、環(huán)境友好的新方法.

關(guān)鍵詞：手性金納米粒子；圓二色光譜；識(shí)別；檢測(cè)；Ag+

Ag+對(duì)細(xì)菌、病毒、水藻和真菌等有較強(qiáng)的毒性，被用于醫(yī)療器材和消毒劑等領(lǐng)域.每年平均有約2 500 t的銀隨工業(yè)廢棄物排放進(jìn)入環(huán)境中，其中約150 t進(jìn)入了土壤，對(duì)植物產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，而約80 t進(jìn)入地表水體中[1-2].Ag+與Cr3+、Cd2+、Cu2+和Hg2+一起被認(rèn)為是毒性最強(qiáng)的一類物質(zhì)，其毒性僅次于Hg2+.研究表明Ag+是對(duì)水生物毒性最強(qiáng)的離子之一，例如：對(duì)廣泛研究的淡水魚(yú)——彩虹鱒魚(yú)，Ag+通過(guò)抑制魚(yú)鰓上皮細(xì)胞中Na+和K+-ATP酶對(duì)Na+和Cl-的攝入，引起離子傳輸?shù)奈蓙y，造成心血管崩潰，最終導(dǎo)致魚(yú)類的死亡[1,3-5].因此，建立高選擇性、高靈敏度的Ag+識(shí)別和檢測(cè)方法對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)具有重要意義.

圓二色光譜(circular dichroism spectrum，CD光譜)是用于推斷手性分子或粒子的構(gòu)型和構(gòu)象的一種旋光光譜,具有快速、簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確的特點(diǎn)，常用于研究手性金納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)和手性來(lái)源[6-8].在實(shí)際應(yīng)用中，主要是利用手性金納米粒子吸收光譜[3]和熒光光譜[5]的性質(zhì)，對(duì)手性金納米粒子CD光譜性質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用鮮有報(bào)道.本研究將手性金納米粒子的CD光譜信號(hào)的變化與Ag+的濃度相關(guān)聯(lián)，既拓展了金納米粒子的應(yīng)用范圍[9-10]，又對(duì)Ag+的識(shí)別與檢測(cè)提供了新的方法.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

紫外-可見(jiàn)吸收光譜在Thermo Evolution 分光光度計(jì)上測(cè)試.CD光譜在JASCO J-810旋光光譜儀上測(cè)試，掃描速率為500 nm/min，光柵狹縫為2 nm.光譜測(cè)繪采用1 cm石英液池.高分辨透射電鏡(TEM)加速電壓為300 kV.

三水合氯金酸、羧甲基纖維素鈉、巰基乙胺鹽酸鹽購(gòu)自阿拉丁試劑公司，氯化汞、硝酸銀、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋅、氯化鈣、氯化鎘、硝酸鉛、氯化鎳、氯化鋇、氯化鐵、七水合硫酸亞鐵、氯化銅、硫酸錳、硝酸鈷、氯化鎂和氯化鉻購(gòu)自上?；瘜W(xué)試劑公司，實(shí)驗(yàn)中涉及的其他化學(xué)藥品及試劑購(gòu)自上海國(guó)藥試劑公司，以上試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)用水為超純水.

1.2手性金納米粒子的制備

取1.00 g羧甲基纖維素鈉溶解于400 mL水中，攪拌6 h，靜置待用.取1.36 g巰基乙胺鹽酸鹽溶解于400 mL水中，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至近中性，待用.將上述羧甲基纖維素鈉和巰基乙胺溶液分別用六次甲基四胺鹽酸緩沖液(5 mmol/L，pH 4.0)稀釋10倍后等體積混合，攪拌10 min后加入等體積0.5 mmol/L氯金酸溶液繼續(xù)攪拌30 min，靜置陳化2 h即得手性金納米粒子儲(chǔ)備液，待用.

1.3實(shí)驗(yàn)方法

圖1　手性金納米粒子的吸收光譜和CD光譜(a)、TEM圖(b)及粒徑分布圖(c)Fig.1Absorption spectra and CD spectra(a),TEM images(b) and size distributions(c) of chiral gold nanoparticles

手性金納米粒子對(duì)Ag+的選擇性實(shí)驗(yàn)：分別取1 mL手性金納米粒子儲(chǔ)備液，分別加入1 mL一定濃度的金屬離子，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測(cè)定其CD光譜.

共存離子干擾實(shí)驗(yàn)：取1 mL手性金納米粒子儲(chǔ)備液，加入1 mL 10 mmol/L的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液和1 mL 100 μmol/L Ag+，分別加入1 mL一定濃度的金屬離子，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測(cè)定其CD光譜.

標(biāo)準(zhǔn)曲線實(shí)驗(yàn)：分別取1 mL手性金鈉米粒子儲(chǔ)備液，各加入1 mL 10 mmol/L的EDTA溶液和1 mL一定濃度的Ag+，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測(cè)定其CD光譜.

2結(jié)果與討論

2.1手性金納米粒子的吸收光譜、CD光譜及TEM表征

圖1為所合成的手性金納米粒子的吸收光譜、CD光譜、TEM圖和粒徑分布圖.吸收光譜和CD光譜(圖1(a))在230 nm附近有最大吸收峰，說(shuō)明所合成的金納米粒子粒徑小于常規(guī)合成方法[11-12]，手性光學(xué)活性很強(qiáng)達(dá)到0.24°.從TEM圖像中可以看出大部分金納米粒子大小均一，單分散性較好(圖1(b)).隨機(jī)選取100個(gè)金納米粒子進(jìn)行粒徑統(tǒng)計(jì)分析，獲得金納米粒子的粒徑為(3.6±0.5) nm，其粒徑分布如圖1(c)所示.

2.2手性金納米粒子對(duì)Ag+的響應(yīng)時(shí)間

圖2為手性金納米粒子溶液中加入10 μmol/L Ag+后，在0，0.5，1.0，3.0，4.0，6.0，7.5，10，11，14，15，20，25 min時(shí)的CD光譜和在230 nm處CD光譜強(qiáng)度的猝滅圖.從圖中可以看出，手性金納米粒子的CD光譜強(qiáng)度隨著Ag+的加入迅速下降最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)間為12 min.從響應(yīng)時(shí)間的角度考慮，該方法可以應(yīng)用于Ag+的快速識(shí)別與檢測(cè).

2.3手性金納米粒子對(duì)Ag+識(shí)別的選擇性

為了考察手性金納米粒子對(duì)Ag+的選擇性，還分別測(cè)定了12種其他常見(jiàn)金屬離子(Ca2+、Mg2+、 Co2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、Pb2+)存在下手性金納米粒子CD光譜強(qiáng)度的變化情況.如圖3所示：僅10 μmol/L Ag+能引起(ICD0-ICD)/ICD0的顯著增大；其他離子，包括200 μmol/L Fe3+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Hg2+和1 mmol/L Ca2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+，均未使(ICD0-ICD)/ICD0發(fā)生顯著增大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本方法對(duì)水溶液中的Ag+識(shí)別具有較好的選擇性.

2.4共存離子干擾

(ICD0-ICD)/ICD0 表示Ag+對(duì)手性金納米粒子的CD光譜強(qiáng)度猝滅，其中ICD0 表示未加Ag+時(shí)的 CD光譜強(qiáng)度，ICD表示加入Ag+后的CD光譜強(qiáng)度，下同.圖2　手性金納米粒子溶液加入Ag+后CD光譜圖(a)和CD光譜強(qiáng)度猝滅圖(b)Fig.2The response of CD spectra(a) and CD spectral intensity quenching diagram(b) for chiral gold nanoparticles to Ag+

Fe3+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Hg2+的濃度均為200 μmol/L; Ca2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+的濃度均為 1 mmol/L;Ag+濃度為10 μmol/L;CK為空白對(duì)照.圖3　手性金納米粒子的離子識(shí)別選擇性Fig.3Selectivity on the ion recognition of chiral gold nanoparticles

離子識(shí)別與檢測(cè)的抗干擾性，體現(xiàn)在當(dāng)環(huán)境樣品中有其他離子與目標(biāo)離子共存時(shí)，目標(biāo)離子的識(shí)別與檢測(cè)不受其他離子干擾.如圖4所示，本研究考察了常見(jiàn)金屬離子和Ag+共存時(shí)，手性金納米粒子的CD光譜強(qiáng)度猝滅響應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn).其中Ag+濃度為10 μmol/L，F(xiàn)e3+、Pb2+、Hg2+和Cr3+的濃度是Ag+的4倍；Cd2+、Cu2+、Co2+、Fe2+和Ni2+濃度是Ag+的10倍；Ba2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+和Zn2+濃度是Ag+的20倍.結(jié)果表明，上述離子與Ag+共存時(shí)對(duì)Ag+的識(shí)別與檢測(cè)沒(méi)有明顯干擾，手性金納米粒子CD光譜法應(yīng)用于Ag+的識(shí)別與檢測(cè)具有良好的抗干擾性.

Ag+濃度為10 μmol/L；Fe3+、Pb2+、Cr3+、Hg2+的濃度均為 40 μmol/L;Cd2+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Ni2+濃度均為100 μmol/L; Zn2+、Ba2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+濃度均為200 μmol/L.圖4　Ag+識(shí)別與檢測(cè)的抗干擾性Fig.4Anti-interference study of Ag+identification and detection

手性金納米粒子的手性來(lái)源于配體的協(xié)同作用和Au…Au親金屬相互作用引起的金納米粒子螺旋排布.手性金納米粒子能夠選擇性識(shí)別眾多金屬離子中的Ag+，其中有3個(gè)原因：1) Ag+和硫醇(HSR)的穩(wěn)定常數(shù)遠(yuǎn)高于除Hg2+外的絕大部分金屬離子，2) Ag+和EDTA的穩(wěn)定常數(shù)遠(yuǎn)小于絕大部分的金屬離子(表1)，3) Ag+和Au可以形成親金屬相互作用.因此，Ag+的識(shí)別機(jī)理如圖5所示：當(dāng)加入Ag+時(shí)EDTA幾乎不起作用，Ag+和Au競(jìng)爭(zhēng)與HSR相互作用并和Au形成親金屬相互作用破壞原來(lái)金納米粒子的螺旋排布導(dǎo)致CD光譜強(qiáng)度下降；而加入其他金屬離子時(shí)，Pb2+、Cu2+、Fe3+和Cd2+和EDTA發(fā)生螯合反應(yīng)而減小干擾，其他金屬離子則不會(huì)影響手性金納米粒子的螺旋排布，CD光譜強(qiáng)度沒(méi)有明顯的變化.

2.5Ag+的定量檢測(cè)

利用手性金納米粒子在230 nm處的CD光譜強(qiáng)度猝滅值((ICD0-ICD)/ICD0)對(duì)Ag+濃度作圖，通過(guò)線性擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖6)，線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15).方法檢測(cè)限

表1　金屬離子在pH 4.0時(shí)和HSR及EDTA的穩(wěn)定常數(shù)

Tab.1　Stability constants(pKsp) of metal ions with HSR or EDTA in solution of pH 4.0

配體金屬離子與配體穩(wěn)定常數(shù)pKspAg+Fe3+Pb2+Cu2+Co2+Hg2+Ba2+Ca2+Cd2+Mg2+Mn2+Ni2+Zn2+HSR48.727.935.224.752.426.112.725.721.7EDTA0.714.79.410.27.811.3<1.3<2.26.0<2.15.510.17.9

圖5　手性金納米粒子識(shí)別Ag+示意圖Fig.5Schematic illustration of the chiral sensor for Ag+ based on chiral gold nanoparticles

圖6　Ag+檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6Standard curve for Ag+ detection

(3σ/K)[7]為0.2 μmol/L.本方法與文獻(xiàn)[13]報(bào)道的熒光猝滅法相比，Ag+的檢測(cè)線性范圍更寬，檢測(cè)限更低；與文獻(xiàn)[14]報(bào)道的離子選擇性電極法相比，Ag+的檢測(cè)線性范圍相近，檢測(cè)限更低.

2.6實(shí)際樣品的檢測(cè)

采集了昆明市附近兩處湖水和當(dāng)?shù)刈詠?lái)水樣品，對(duì)3種實(shí)際環(huán)境水樣中的Ag+進(jìn)行了檢測(cè)，均未檢出Ag+.對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行了Ag+的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，當(dāng)加入的Ag+在4～15 μmol/L時(shí)，Ag+平均回收率在92%～104%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均不高于3.6%(n=3).根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[15]規(guī)定，飲用水中Ag+的限量為0.05 mg/L(0.463 μmol/L)，因此本研究所提出的檢測(cè)方法滿足國(guó)家限量標(biāo)準(zhǔn)的要求，可用于實(shí)際水樣中Ag+的檢測(cè).

表2　實(shí)際水樣中的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Recovery of spiked Ag+ in natural water samples

3結(jié)論

本研究利用手性金納米粒子的CD光譜對(duì)Ag+進(jìn)行選擇性識(shí)別和檢測(cè).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明手性金納米粒子探針對(duì)Ag+響應(yīng)時(shí)間短，具有很好的選擇性和抗干擾能力，檢測(cè)靈敏度高并且具有良好的重現(xiàn)性.在本實(shí)驗(yàn)條件下建立的Ag+檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15)，檢測(cè)限為0.2 μmol/L.本研究為環(huán)境水樣中Ag+的識(shí)別和檢測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單、精確、快速、環(huán)境友好的新方法.

參考文獻(xiàn)：

[1]ARNAL H C,BANU A,BARBOIU M,et al.Amplification and transcription of the dynamic supramolecular chirality of the guanine quadruplex[J].Angew Chem Int Ed，2007,46(23):4268-4272.

[2]SIMONYI M,BIKADI Z,ZSILA F,et al.Supramolecular exciton chirality of carotenoid aggregates[J].Chirality,2003,15(8):680-698.

[3]BOROVKOV V V,HEMBURY G A,YAMAMOTO N,et al.Supramolecular chirogenesis in zinc porphyrins:investigation of zinc-freebase bis-porphyrin,new mechanistic insights,extension of sensing abilities,and solvent effect[J].J Phys Chem A,2003,107(41):8677-8686.

[4]ISHII Y,ONDA Y,KUBO Y.2,2′-Biphenyldiol-bridged bis(free base porphyrin):synthesis and chiroptical probing of asymmetric amino alcohols[J].Tetrahedron Lett,2006,47(47):8221-8225.

[5]AIMI J,OYA K,TSUDA A,AIDA T.Chiroptical sensing of asymmetric hydrocarbons using a homochiral supramolecular box from a bismetalloporphyrin rotamer[J].Angew Chem Int Ed,2007,46(12):2031-2035.

[6]HEMBURY G A,BOROVKOV V V,INOUE Y.Chirality-sensing supramolecular systems[J].Chem Rev,2008,108(1):1-73.

[7]YAO Z Y,LI C,SHI G Q.Optically active supramolecular complexes of water-soluble achiral polythiophenes and folic acid:spectroscopic studies and sensing applications[J].Langmuir,2008,24(22):12829-12835.

[8]KATOONO R,KAWAI H,FUJIWARA K,et al.Dynamic molecular propeller:supramolecular chirality sensing by enhanced chiroptical response through the transmission of point chirality to mobile helicity[J].J Am Chem Soc,2009,131(46):16896-16904.

[9]馬立娜,劉殿駿,王振新.基于金納米粒子的動(dòng)態(tài)光散射法檢測(cè)溶液中的汞離子[J].分析化學(xué)，2014,42(3):332-336.

[10]柯慶青,裴繼影,楊帆,等.谷胱甘肽修飾的金納米粒子探針比色法檢測(cè)神經(jīng)元素3[J].分析化學(xué)，2014,42(7):955-961.

[11]JIANG Z L,FAN Y Y,CHEN M L,et al.Resonance scattering spectral detection of trace Hg2+using aptamer-modified nanogold as probe and nanocatalyst[J].Anal Chem,2009,81(13):5439-5445.

[12]TURKEVICH J,STEVENSON P C,HILLIER J.A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold[J].Discuss Faraday Soc,1951,11:55-75.

[13]歐陽(yáng)振中,白珊,潘玉蘭,等.對(duì)氨基苯磺酸存在下銀納米粒子的生成及銀離子檢測(cè)[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015,30(3):106-109.

[14]賴奕堅(jiān),王菲,趙斌元.離子選擇性電極對(duì)痕跡量銀離子的檢測(cè)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(10):38-39，44.

[15]中國(guó)疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所.生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn):GB 5749—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512004

收稿日期：2015-12-03錄用日期：2016-02-22

基金項(xiàng)目：云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心科技項(xiàng)目(HYHH2013CL02)

*通信作者：ybjiang@xmu.edu.cn

中圖分類號(hào):O 651

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0438-0479(2016)04-0601-05

Recognition and Detection of Silver Ion by Circular DichroismSpectrum Based on Chiral Gold Nanoparticles

WEI Keyi1,2,WANG Meng1,DU Yu1,CAI Bo1,JIANG Yunbao2*

(1.Research & Development Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.，Ltd.,Kunming 650231,China;2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:In this work,chiral gold particles with optical activity can be obtained by a facile liquid phase method.The textural properties of the as-prepared samples were characterized by high resolution transmission electron microscopy, circular dichroism spectrum and absorption spectrum.The results show that the average particle size for the production is 3.6 nm and silver ion can be selectively recognized from 13 kinds of metal ions in 12 min with universal recurrence.We also established the standard curve for detecting silver ion. This study demonstrates that the linear range for this curve is 0.2-30 μmol/L,the linearly dependent coefficient is 0.995(n=15),which supplies a simple new environmentally friendly method for quickly detecting and recognizing silver ion in environmental water samples with high precision.

Key words:chiral gold nanoparticles;circular dichroism spectrum;recognition;detection;silver ion

引文格式：韋克毅,王猛,杜宇，等.基于手性金納米粒子圓二色光譜法識(shí)別與檢測(cè)銀離子[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016,55(4)：601-605.

Citation：WEI K Y, WANG M,DU Y,et al．Recognition and detection of silver ion by circular dichroism spectrum based on chiral gold nanoparticles[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：601-605．(in Chinese)