金納米簇的制備及對(duì)重金屬汞的檢測(cè)

蔡宇玲 張紀(jì)梅

摘 要 以谷胱甘肽（GSH）為還原劑和穩(wěn)定劑制備金納米簇（Au NCs）。Au NCs具有類(lèi)過(guò)氧化物酶活性，可催化過(guò)氧化氫（H2O2）和3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）的反應(yīng)，使溶液變?yōu)樗{(lán)色；當(dāng)溶液引入Hg2+，Hg2+吸附在金團(tuán)簇表面，抑制其催化活性，使得反應(yīng)體系顏色變淺?；贖g2+的抑制作用設(shè)計(jì)了Hg2+比色傳感器，考察了緩沖溶液pH值、底物濃度及時(shí)間對(duì)檢測(cè)Hg2+的影響。在最佳條件下，方法的線性范圍為10～300 nmol/L（R2=0.997），檢出限為6.26 nmol/L。本方法選擇性好，靈敏度高，為水質(zhì)分析提供了一種新方法。

關(guān)鍵詞 金納米簇；類(lèi)過(guò)氧化物酶；比色；汞離子

1 引 言

工業(yè)的快速發(fā)展給人們生活帶來(lái)了便利，同時(shí)也產(chǎn)生了一些污染環(huán)境的廢棄物，其中的重金屬不僅會(huì)污染周?chē)耐寥兰八鷳B(tài)系統(tǒng)，也會(huì)對(duì)人體健康造成威脅。汞是一種廣泛分布的劇毒污染物，可通過(guò)食物鏈在體內(nèi)積累，從而對(duì)人體器官（如腦、肺、腎）及免疫系統(tǒng)造成不良影響[1～4]，如孕婦攝入汞，可能會(huì)導(dǎo)致兒童發(fā)育遲緩[5]。因此，對(duì)Hg2+進(jìn)行檢測(cè)十分重要。目前，用于檢測(cè)水體中Hg2+的方法包括電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）[6～8]、溶出伏安法[9]、熒光光譜法[10，11]等。Wu等[12]使用鉍膜修飾玻碳電極，采用陽(yáng)極溶出伏安法對(duì)溶液中的Hg2+進(jìn)行檢測(cè)。劉士坤等[13]利用Hg2+能夠增強(qiáng)探針3'，6'-雙（二乙氨基）-2-（（4-氟基苯亞甲基）氨基）螺[異吲哚-1，9'-氧雜蒽]-3-硫酮的熒光，實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的檢測(cè)。但是，這些方法耗時(shí)，操作復(fù)雜，對(duì)分析人員的要求較高，不利于Hg2+檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、選擇性好、靈敏度高、成本低的Hg2+檢測(cè)方法具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，隨著納米材料研究的不斷深入，多種無(wú)機(jī)納米材料，包括Fe3O4[14]、V2O5納米線[15]、碳點(diǎn)[16]等，均被發(fā)現(xiàn)具有類(lèi)過(guò)氧化物酶活性。與天然酶相比，納米模擬酶顯示出許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、穩(wěn)定性好、催化活性高等。目前，許多納米材料模擬酶被廣泛應(yīng)用于金屬離子的檢測(cè)。Long等[17]利用金納米粒子的類(lèi)過(guò)氧化物酶活性可視化檢測(cè)Hg2+。Zhang等[18]利用Hg2+對(duì)納米復(fù)合材料rGO/PEI/Pd類(lèi)酶活性的增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)了廢水及人血清中Hg2+的超靈敏檢測(cè)。 彭濤等[19]制備了蛋白雜化熒光金納米簇用于Hg2+的檢測(cè)。 Gao等[20]利用Ag+對(duì)PVP保護(hù)的鉑立方體納米粒子類(lèi)過(guò)氧化物酶活性的抑制作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Ag+的檢測(cè)。目前，基于Hg2+對(duì)納米材料類(lèi)過(guò)氧化物酶活性的抑制作用比色檢測(cè)Hg2+的報(bào)道較少。

GSH穩(wěn)定的Au NCs具有較高的類(lèi)過(guò)氧化物酶活性，能夠催化H2O2-TMB發(fā)生顯色反應(yīng)，使溶液變?yōu)樗{(lán)色；當(dāng)溶液中存在Hg2+時(shí)，Hg2+抑制Au NCs的類(lèi)過(guò)氧化物酶活性，使體系顏色變淺?；诖耍狙芯繕?gòu)建了Hg2+的可視化檢測(cè)體系，并成功應(yīng)用于實(shí)際水樣中Hg2+的檢測(cè)。

3 結(jié)果與討論

3.1 GSH保護(hù)的Au NCs的表征

使用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)谷胱甘肽保護(hù)的Au NCs進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1A所示，制備的Au NCs分散性良好，并大致呈球形，尺寸均勻，粒徑約為2.3 nm。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）顯示制備的Au NCs的晶格間距為0.228 nm，對(duì)應(yīng)于面心立方Au（111）晶格間距[22]。由Au NCs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜曲線（圖1B）可見(jiàn)，在500 nm及400 nm處出現(xiàn)很小的吸收峰，而在520 nm處并未出現(xiàn)大尺寸金納米粒子所獨(dú)有的表面等離子體共振（SPR）的特征[23]。原因是金納米簇的尺寸接近費(fèi)米能級(jí)波長(zhǎng)，連續(xù)態(tài)分裂成離散電子態(tài)，使其具有類(lèi)分子的屬性，故Au NCs不具有SPR的性質(zhì)[23～25]。從熒光光譜（圖1B）可見(jiàn)，谷胱甘肽保護(hù)的金納米簇在365和610 nm處分別對(duì)應(yīng)最大激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)。此熒光Au NCs顯示出寬的激發(fā)帶和大的斯托克斯位移（>200 nm）。這些數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中制備的Au NCs的表征結(jié)果一致。Au NCs的X射線光電子能譜（XPS）全譜圖（圖1C）上可見(jiàn)Au 4f，S 2s，C 1s，Au 4d，N 1s和O 1s的特征峰，證實(shí)Au NCs上存在GSH分子。如圖1D所示，84.6和88.4 eV的結(jié)合能分別對(duì)應(yīng)于零價(jià)的Au4f7/2和Au4f5/2，金膜的Au（0）的結(jié)合能為84.0 eV，金硫醇鹽的Au（I）的結(jié)合能為85.0 eV， 而Au4f7/2的結(jié)合能為84.6 eV，位于上述兩者之間，這說(shuō)明在所制備的金團(tuán)簇中Au（0）和Au（I）都存在[26，27]。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本方法成功制備出Au NCs。

3.2 汞抑制的Au NCs類(lèi)過(guò)氧化物酶活性研究

TMB常用作過(guò)氧化物酶的顯色底物。TMB具有大的共軛體系，是良好的電子供體，自由基（如羥基自由基（·OH））常具有很強(qiáng)的得電子能力，當(dāng)TMB與·OH發(fā)生作用時(shí)，·OH可奪取TMB中的電子，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，TMB失去一個(gè)電子的產(chǎn)物在652 nm處有最大吸收，反應(yīng)體系顏色由無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色；若TMB再失去一個(gè)電子，其產(chǎn)物在450 nm處出現(xiàn)吸收峰，反應(yīng)體系顏色由藍(lán)色變?yōu)辄S色。如圖2所示，當(dāng)溶液中只有H2O2和TMB存在時(shí)，溶液顏色基本無(wú)變化，對(duì)應(yīng)吸收曲線在652 nm處無(wú)吸收峰（曲線a），表明H2O2單獨(dú)存在并不能氧化TMB；當(dāng)緩沖液中存在Au NCs時(shí)，體系顏色變?yōu)樗{(lán)色，對(duì)應(yīng)吸收光譜圖在652 nm處有氧化態(tài)TMB特征吸收峰（曲線b），表明Au NCs存在下能夠催化H2O2氧化TMB，使體系顏色發(fā)生變化；當(dāng)溶液中引入Hg2+時(shí)，體系顏色變淺（曲線c），說(shuō)明Au NCs仍能夠催化H2O2氧化TMB，只是催化能力降低。由以上實(shí)現(xiàn)結(jié)果可以判斷，在PB緩沖體系中，Hg2+可抑制Au NCs的類(lèi)過(guò)氧化物酶活性。

4 結(jié) 論

使用GSH作為還原劑及穩(wěn)定劑制備出具有水溶性的熒光Au NCs。Au NCs具有類(lèi)過(guò)氧化酶活性，可以催化H2O2-TMB體系，從而使得溶液顏色發(fā)生變化，而Hg2+可以抑制Au NCs的類(lèi)過(guò)氧化酶活性，據(jù)此構(gòu)建了一種檢測(cè)Hg2+的方法，檢出限為6.26 nmol/L。本檢測(cè)方法選擇性好，靈敏度高，用于實(shí)際湖水中Hg2+的檢測(cè)，效果良好。

References

1 Carvalho C M， Chew E H， Hashemy S I， Lu J， Holmgren A. J. Biol. Chem.， 2008， 283（18）： 11913-11923

2 Genchi G， Sinicropi M S， Carocci A， Lauria G， Catalano A. Int. J. Environ. Res. Public Health， 2017， 14（1）： 74-86

3 Yorifuji T， Tsuda T， Kashima S， Takao S， Harada M. Environ. Res.， 2010， 110（1）： 40-46

4 Counter S A， Buchanan L H. Toxicol. Appl. Pharmacol.， 2004， 198（2）： 209-230

5 Diez S， Delgado S， Aguilera I， Astray J， Perezgomez B， Torrent M， Sunyer J， Bayona J M. Arch. Environ. Contam. Toxicol.， 2009， 56（3）： 615-622

6 Zhang Z， Chen S， Yu H， Sun M， Liu W. Anal. Chim. Acta， 2004， 513（2）： 417-423

7 Bussan D D， Sessums R F， Cizdziel J V. J. Anal. At. Spectrom.， 2015， 30（7）： 1668-1672

8 Peng H， Chen B， He M， Zhang Y， Hu B. J. Ana. At. Spectrom.， 2011， 26（6）： 1217-1223

9 Jasinski M， Grundler P， Flechsig G U， Wang J. Electroanalysis， 2015， 13 （1）： 34-36

10 Ding J， Li H， Wang C， Yang J， Xie Y， Peng Q， Li Q， Li Z. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2015， 7（21）： 11369-11376

11 XIONG Xiao-Li， TANG Yan， XUE Kang， YOU Chao， ZHENG Bao-Zhan. Chinese Journal of Luminescence， 2016， 37（1）： 117-123

熊小莉， 唐 艷， 薛 康， 尤 超， 鄭保戰(zhàn). 發(fā)光學(xué)報(bào)， 2016， 37（1）： 117-123

12 Wu S H， Zheng Z Y， Zhang J F， Song W Z， Fang L， Sun J J. Electroanalysis， 2015， 27（7）： 1610-1615

13 LIU Shi-Kun， ZHOU Chun-Yan， DU Jian-Hua， GAO Ji-Gang， ZHOU Jie. Chinese J. Anal. Chem.， 2013， 41（5）： 732-737

劉士坤， 周春燕， 杜建華， 高吉?jiǎng)偅?周 杰. 分析化學(xué)， 2013， 41（5）： 732-737

14 Wei H， Wang E. Anal. Chem.， 2008， 80（6）： 2250-2254

15 André R， Natálio F， Humanes M， Leppin J， Heinze K， Wever R， Schrder H C， Müller W E G， Tremel W. Adv. Funct. Mater.， 2011， 21（3）： 501-509

16 Shamsipur M， Safavi A， Mohammadpour Z. Sens. Actuators B， 2014， 199（4）： 463-469

17 Long Y J， Li Y F， Liu Y， Zheng J J， Tang J， Huang C Z. Chem. Commun.， 2011， 47（43）： 11939-11941

18 Zhang S T， Zhang D X， Zhang X H， Sheng D H， Xue Z H， Shan Duo L， Lu X Q. Anal. Chem.， 2017， 89（6）： 3538-3544

19 PENG Tao， WANG Jian-Yi， XIE San-Lei， YAO Kai， SUN Shu-Juan， Zeng Yu-Yang， JIANG Hai-Yang. Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46 （3）： 373-378

彭 濤， 王見(jiàn)一， 謝三磊， 姚 凱， 孫淑娟， 曾于洋， 江海洋. 分析化學(xué)， 2018， 46（3）： 373-378

20 Gao Z， Liu G G， Ye H， Rauschendorfer R， Tang D， Xia X. Anal. Chem.， 2017， 89（6）： 3622-3629

21 AN Xiao-Gang， DU Jie， LU Xiao-Quan. Chinese Journal of Luminescence， 2017， 38（5）： 675-684

安曉剛 杜 捷， 盧小泉. 發(fā)光學(xué)報(bào)， 2017， 38（5）： 675-684

22 Wang C， Hu Y， Lieber C M， Sun S. J. Am. Chem. Soc.， 2008， 130（28）： 8902-8903

23 Luo Z， Yuan X， Yu Y， Zhang Q， Leong D T， Lee J Y， Xie J. J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（40）：16662-16670

24 Negishi Y， Nobusada K， Tsukuda T. J. Am. Chem. Soc.， 2005， 127 （14）： 5261-5270

25 Levikalisman Y， Jadzinsky P D， Kalisman N， Tsunoyama H， Tsukuda T， Bushnell D A， Kornberg R D. J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（9）： 2976-2982

26 Shang L， Yang L， Stockmar F， Popescu R， Trouillet V， Bruns M， Gerthsen D， Nienhaus G U. Nanoscale， 2012， 4（14）： 4155-4160

27 Whetten R L， Price R C. Science， 2007， 318（5849）： 407-408

28 Annadhasan M， Rajendiran N. RSC Adv.， 2015， 5（115）： 94513-94518

29 Ding N， Zhao H， Peng W， He Y， Zhou Y， Zhang Y. Colloids Surfaces A， 2012， 395（1）： 161-167

30 Chen Z， Zhang C， Tan Y， Zhou T， Ma H， Wan C， Lin Y， Li K. Microchim. Acta， 2015， 182（3-4）： 611-616

Abstract A colorimetric method was developed for detection of mercury based on the inhibition of oxidation of peroxidase substrates. The as-prepared gold nanoclusters （Au NCs）， which has been stabilized and reduced by Glutathione （GSH）， can effectively catalyze the H2O2-TMB to generate a blue color signal. It is interestingly that Hg2+ can inhibit the oxidation of peroxidase substrates， thus causing a color diminished. Taking advantage of the inhibitive effect of Hg2+， a novel Hg2+ sensor has been developed. In this system， sensing conditions， including pH of the buffer solution， substrate concentration and time， were optimized. Under the optimal conditions， the probe showed a linear range of 10-300 nmol/L （R2=0.997） with a detection limit of 6.26 nmol/L. In addition， this sensor exhibited good selectivity and sensitivity for Hg2+ against other common environmental mental ions， providing a new method for water analysis.

Keywords Gold nanoclusters； Peroxidase-like activity； Colorimetric； Mercury ion

（Received 31 December 2017； accepted 8 April 2018）