龐永豐,羅楊合,2,吳鳳蓮,2,伍淑婕,聶輝,段振華,2,黎小椿,*
(1.賀州學(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院,廣西賀州542899;2.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧大連116034)
鉛是一種對(duì)人體有害的重金屬元素。當(dāng)鉛在人體的累積量超過(guò)一定量時(shí),就會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p害。同時(shí)鉛會(huì)損害兒童神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育,進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致其智能指數(shù)下降10 分~20 分[1]。通過(guò)調(diào)查研究了解到,目前部分耕地受到了重金屬的污染[2]。因此,對(duì)重金屬的檢測(cè)和預(yù)防,并運(yùn)用一些科學(xué)、靈敏、穩(wěn)定、簡(jiǎn)便和快速的檢測(cè)方法對(duì)重金屬進(jìn)行定量檢測(cè),具有重要的研究意義。
目前,常用于對(duì)樣品中重金屬鉛的檢測(cè)方法分別為:原子熒光法[3]、原子吸收分光光度法[4]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[5]、激光誘導(dǎo)擊穿光譜法[6]、雙硫腙比色法[7]以及表面增強(qiáng)拉曼散射光譜法(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)[8]。其中,原子熒光法的優(yōu)點(diǎn)是檢出限相對(duì)較低,靈敏度較高,共存物質(zhì)的干擾較小,對(duì)重金屬檢測(cè)的線(xiàn)性范圍較寬,可以同時(shí)對(duì)多種元素進(jìn)行檢測(cè);缺點(diǎn)是在對(duì)樣品檢測(cè)過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生熒光淬滅效應(yīng)以及散射光等問(wèn)題的干擾。原子吸收分光光度法的優(yōu)點(diǎn)是選擇性高,干擾少,靈敏度高,準(zhǔn)確度高;缺點(diǎn)是不能對(duì)多元素同時(shí)分析,對(duì)難熔元素測(cè)定的靈敏度不高。電感耦合等離子體質(zhì)譜法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)樣品中的物質(zhì)測(cè)定較為準(zhǔn)確、快速,且靈敏度較高,共存物質(zhì)的干擾較小;缺點(diǎn)是對(duì)于電離電位高的元素靈敏度低。激光誘導(dǎo)擊穿光譜法的優(yōu)點(diǎn)是可以遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)對(duì)元素進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè),并且可以進(jìn)行多元素同時(shí)檢測(cè);缺點(diǎn)是檢測(cè)較慢,不能對(duì)元素進(jìn)行準(zhǔn)確的定量分析。雙硫腙比色法優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便、快速和穩(wěn)定性好;缺點(diǎn)是雙硫腙的添加量不易控制,造成誤差較大。與上述其它方法相比較,SERS 法具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)快速、靈敏度高、分析準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),是一種理想的重金屬檢測(cè)新方法。Mark S.Frost 等[9]成功地證明了SERS方法是一種檢測(cè)在水介質(zhì)中Pb2+的高靈敏度方法。試驗(yàn)結(jié)果表明,SERS 具有高靈敏度(LOD25 ng/L),在很寬的線(xiàn)性范圍內(nèi)(25 ng/L~1 000 ng/L)Pb2+離子可以準(zhǔn)確地被檢測(cè)出來(lái)。所以建立精確SERS 法定量分析重金屬鉛具有重要研究意義。
SERS 法常被用于重金屬離子的分析與檢測(cè)[10-12]。其主要原因是SERS 技術(shù)可以提供化學(xué)和生物分子結(jié)構(gòu)方面的指紋信息,同時(shí)也可以對(duì)痕量物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。近年來(lái),基于DNA 酶裂解反應(yīng)SERS 法檢測(cè)分析物非常受研究人員的關(guān)注,因?yàn)槠淇梢杂糜谔岣邔?duì)物質(zhì)檢測(cè)的靈敏度、選擇性以及檢測(cè)速度[13-15]。Wang 等[16]通過(guò)試驗(yàn)探究,建立了一種測(cè)定Pb2+的DNA 酶?jìng)鞲衅鱏ERS 探針的新方法,其原理是當(dāng)體系中加入Pb2+后,Pb2+可切割DNA 的底物鏈?zhǔn)沟眉{米金共軛物與金基底分離,使得拉曼信號(hào)變?nèi)酢G以谝欢≒b2+的濃度范圍內(nèi),Pb2+的濃度與SERS 信號(hào)強(qiáng)度的變化,呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系,從而可對(duì)Pb2+進(jìn)行痕量分析檢測(cè)。但目前對(duì)于Pb2+的SERS 定量分析方法相對(duì)較少,基于DNA 酶裂解反應(yīng)與銀納米粒子、羅丹明6G(rhodamine 6G,Rh6G)結(jié)合并應(yīng)用于對(duì)重金屬Pb2+的SERS 定量檢測(cè)分析方法尚未見(jiàn)報(bào)道。
研究發(fā)現(xiàn),將SERS 與適配體和DNA 酶相結(jié)合,有助于對(duì)痕量物質(zhì)更好地進(jìn)行檢測(cè)分析。因此,本文以性質(zhì)穩(wěn)定的液相銀納米溶膠為基底,建立痕量重金屬鉛離子的DNA 酶SERS 定量分析新技術(shù),并用于皮蛋中痕量重金屬鉛離子的檢測(cè)分析,既具有科學(xué)的理論技術(shù)創(chuàng)新,同時(shí)又具有良好的應(yīng)用前景。
633 nm DXR smart 智能拉曼光譜儀:美國(guó)賽默飛世爾公司,激光為633 nm,功率為3.0 mW,采集時(shí)間為10 s;MR Hei-Tec 加熱型磁力攪拌器:德祥科技有限公司;Evolution300 型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):美國(guó)熱電(上海)科技儀器有限公司;F-4600 熒光分光光度計(jì):日立高新技術(shù)公司;WX-8000 微波消解儀:上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司;XMTD-8222 恒溫水浴鍋:上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司;1524R 高速離心機(jī):珠海黑馬醫(yī)學(xué)儀器有限公司;掃描電鏡(scanning electronic microscope,SEM):日本日立公司。
AgNO3(分析純):廣東光華科技股份有限公司;NaBH4(分析純):天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;NaCl(分析純)/HCl(36%~38%)/10 g/L 檸檬酸三鈉:汕頭西隴化工廠(chǎng)有限公司;5.23×10-5mol/L 羅丹明6G(Rh6G):美國(guó)MERCK 公司;三羥甲基氨基甲烷(Tris)、乙二胺四乙酸二鈉(disodium ethylenediamine tetraacetic acid,EDTANa2):成都市科龍化工試劑廠(chǎng)。
混合溶液:依次加入3.72 mL 0.2 mol/L EDTANa2、5 mL 2 mol/L NaCl、0.5 mL 0.2 mol/L Tris,混勻后定容到16 mL,以EDTANa2計(jì)算其濃度為4.65×10-2mol/L。
pH 7.2 的Tris-HCl 緩沖液:依次加入5.0 mL 0.2 mol/L Tris、9.0 mL 0.1 mol/L HCl,混合均勻后定容到20 mL。
在15 mL 的比色管中,依次加入0.5 mL 0.144 μmol/L的ssDNA、0.5 mL 0.144 μmol/L 的Taq 酶、360 μL 2 mol/L的NaCl、1.45 mL pH 7.2 的Tris-HCl、5.19 mL 的超純水,混勻后于80 ℃水浴鍋中水浴加熱15 min。水浴完畢取出,將其自然冷卻1.5 h,然后保存于4 ℃冰箱。
量取40.0 mL 超純水于100 mL 錐形瓶中,用磁力攪拌器攪拌(500 r/min),依次加入3.5 mL 10 g/L 檸檬酸三鈉溶液和0.385 mL 2.4×10-2mol/L AgNO3,攪拌混勻后,逐滴緩慢滴加4.0 mL 0.5 g/L NaBH4,溶液顏色從淺黃色→深黃色→黃色,繼續(xù)攪拌反應(yīng)15 min 后,定容于50 mL 棕色容量瓶,得到19.9 mg/L 銀納米粒子(AgNPs)溶液,于4 ℃冰箱保存。
微波消解皮蛋:稱(chēng)量1.242 0 g 的皮蛋加入到微波消解罐中,然后依次加入5 mL 的濃硝酸和2 mL 30%的過(guò)氧化氫,將微波消解儀的溫度設(shè)定為100 ℃,壓力分別為3、6、9atm,微波功率分別為1000、1000、2000W。加熱時(shí)間分別設(shè)定為5、7、5 min,進(jìn)行微波消解,然后進(jìn)行加熱趕酸,再將加熱后的溶液定容到25 mL 棕色容量瓶中。量取2 mL 皮蛋微波消解液,進(jìn)行高速離心,取上清液,過(guò)濾,然后取1 mL 皮蛋消解濾液樣品稀釋20 倍,得2.484 mg/mL 皮蛋消解液。
在5 mL 刻度試管中,依次加入120 μL 9 nmol/L dsDNA 溶液,一定量的Pb2+溶液,混勻25 ℃下靜置8 min后加入10 μL 4.65×10-2mol/L 混合溶液,混勻后加入400 μL 19.9 mg/L 銀納米粒子溶液,搖勻后加入70 μL 5.23×10-5mol/L 的Rh6G 溶液,定容至2.0 mL。取反應(yīng)液于石英皿中,然后將其過(guò)測(cè)定613 cm-1處的SERS峰強(qiáng)度I,不加Pb2+做空白為I0,計(jì)算ΔI=I-I0。
在pH 7.2 的Tris-HCl 緩沖液和0.09 mol/L NaCl介質(zhì)中,單鏈DNA(ssDNA)和DNA 酶在80 ℃條件下,雜交成雙鏈DNA(dsDNA)。在dsDNA 和混合溶液存在下,AgNPs 發(fā)生聚集,聚集的AgNPs 與Rh6G 相互作用,在613 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的SERS 特征峰。Pb2+可將dsDNA 裂解切割,釋放出ssDNA,形成比表面積和粗糙度均增大的AgNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物。隨著Pb2+濃度的增大,釋放出的ssDNA 增多,形成的Ag-NPs-ssDNA-Pb2+增多,AgNPs-ssDNA-Pb2+與Rh6G 作用增強(qiáng),導(dǎo)致613 cm-1處的SERS 峰強(qiáng)度增大。
Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的SERS 光譜見(jiàn)圖1。
圖1 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的SERS 光譜Fig.1 Raman scattering Spectra of Pb2+-dsDNA-AgNPs system
當(dāng)無(wú)Pb2+存在時(shí),dsDNA 不能保護(hù)AgNPs 在混合溶液存在下發(fā)生聚集,聚集的AgNPs 與Rh6G 結(jié)合較弱,在613 cm-1拉曼位移處出現(xiàn)SERS 特征峰。當(dāng)加入Pb2+,形成比表面積和粗糙度均增大的AgNPs-ssDNAPb2+大分子締合物,AgNPs-ssDNA-Pb2+與Rh6G 結(jié)合,在613 cm-1處有較強(qiáng)的SERS 峰。隨著Pb2+濃度的增大,613cm-1處的SERS 峰線(xiàn)性增強(qiáng),故本文選擇613 cm-1處進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)圖2。
圖2 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的SERS 光譜Fig.2 Raman scattering Spectra of Pb2+-dsDNA-AgNPs system
紫外-可見(jiàn)吸收測(cè)納米銀圖見(jiàn)圖3,Pb2+-dsDNAAgNPs 體系的吸收光譜圖見(jiàn)圖4。
圖3 紫外-可見(jiàn)吸收測(cè)納米銀圖Fig.3 Ultraviolet absorption determination of silver nanoparticle
圖4 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的吸收光譜圖Fig.4 Absorption spectra of Pb2+-dsDNA-AgNPs system
球形AgNPs 溶膠呈黃色,由圖3 可知其吸收峰主要在394 nm。AgNPs 溶膠聚集后呈灰藍(lán)色,Rh6G 溶液呈橙紅色,圖4 中530 nm 處的吸收峰是AgNPs 聚集體與Rh6G 作用的結(jié)果。在Pb2+存在的條件下,Pb2+可裂解切割dsDNA,釋放ssDNA,形成比表面積和粗糙度均增大的高褶皺度葉子狀A(yù)gNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物。隨著Pb2+濃度增加,形成的AgNPs-ssDNAPb2+締合物增多,AgNPs 聚集體減少,AgNPs-ssDNAPb2+與Rh6G 作用增強(qiáng),體系中AgNPs 聚集體的灰藍(lán)色減少而Rh6G 的橙紅色增強(qiáng),故530 nm 的吸收峰增強(qiáng)。此結(jié)果與SERS 光譜一致。
Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的共振散射光譜如圖5所示。
圖5 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的共振散射光譜圖Fig.5 Resonance scattering spectra of Pb2+-dsDNA-AgNPs system
在dsDNA 和混合溶液存在下,AgNPs 發(fā)生聚集,在545 nm 處有一個(gè)較強(qiáng)的共振散射光譜峰。當(dāng)加入Pb2+后,Pb2+可裂解切割dsDNA,釋放ssDNA,ssDNA 吸附在A(yíng)gNPs 表面,形成比表面積和粗糙度均增大的高褶皺度葉子狀A(yù)gNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物,Ag-NPs 聚集體減少,導(dǎo)致545 nm 處的共振散射峰強(qiáng)度降低。其共振散射值隨Pb2+的加入量增大而降低。此結(jié)果與SERS 光譜一致。
掃描電鏡圖見(jiàn)圖6。
通過(guò)掃描電鏡(SEM)結(jié)果表明所制備的AgNPs形狀是球形,其平均尺寸約為90 nm(圖6a)。在0.54 nmol/L dsDNA-3.98 mg/L AgNPs-2.325×10-4mol/L混合溶液的存在下,AgNPs 顆粒聚集(圖6b)。當(dāng)加入Pb2+后,Pb2+可裂解切割dsDNA,釋放出ssDNA,ssDNA吸附在A(yíng)gNPs 表面,形成比表面積和粗糙度均增大的高褶皺度葉子狀A(yù)gNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物(圖6c)。AgNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物具有高SERS 活性,這與試驗(yàn)分析原理一致。
圖6 測(cè)銀納米的掃描電鏡圖Fig.6 Scanning electron microscopy of silver nanoparticles
2.5.1 AgNPs 濃度的影響
銀納米粒子濃度的影響見(jiàn)圖7。
圖7 銀納米粒子濃度的影響Fig.7 Effects of concentration of silver nanoparticles
探討AgNPs 濃度對(duì)Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的影響,當(dāng)體系中沒(méi)有加入AgNPs 時(shí),SERS 信號(hào)很弱,幾乎為0。當(dāng)AgNPs 的加入量逐漸增大時(shí),SERS 信號(hào)的變化值ΔI 也在逐漸增大。當(dāng)AgNPs 的濃度為3.98 mg/L時(shí),ΔI 達(dá)到最大值,故選擇AgNPs 的濃度為3.98 mg/L。
2.5.2 混合溶液濃度的影響
圖8 混合溶液的影響Fig.8 Effects of mixed solution
混合溶液的影響見(jiàn)圖8。如圖8 所示,以AgNPs 為基底,當(dāng)體系中沒(méi)有加入混合溶液時(shí),SERS 信號(hào)的變化量ΔI 較弱。當(dāng)混合溶液的加入量逐漸增大時(shí),SERS信號(hào)的變化值ΔI 也在逐漸增大。當(dāng)混合溶液的濃度為2.325×10-4mol/L 時(shí),ΔI 達(dá)到最大值,由于隨著混合溶液濃度的增大,所含的氯化鈉濃度也隨之增大,Ag-NPs 顆粒聚集過(guò)大,導(dǎo)致ΔI 值逐漸減小,故選擇混合溶液的濃度為2.325×10-4mol/L。
2.5.3 dsDNA 濃度的影響
探討dsDNA 濃度對(duì)Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的影響結(jié)果見(jiàn)圖9。
圖9 dsDNA 濃度的影響Fig.9 Effects of dsDNA concentration
AgNPs 為基底,當(dāng)體系中沒(méi)有加入dsDNA 時(shí),SERS 信號(hào)很弱。當(dāng)dsDNA 的加入量逐漸增大時(shí),SERS 信號(hào)的變化值ΔI 也在逐漸增大。當(dāng)dsDNA 的濃度為0.54 nmol/L 時(shí),ΔI 達(dá)到最大值,故選擇dsDNA 的濃度為0.54 nmol/L。
2.5.4 Rh6G 濃度的影響
探討Rh6G 濃度對(duì)Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的影響,結(jié)果見(jiàn)圖10。以AgNPs 為基底,當(dāng)體系中沒(méi)有加入Rh6G 時(shí),SERS 信號(hào)很弱,幾乎為0。隨著Rh6G 濃度不斷增大,SERS 信號(hào)的變化量ΔI 不斷增大。當(dāng)Rh6G的濃度為1.830 5×10-6mol/L 時(shí),ΔI 達(dá)到最大值,因此選擇Rh6G 的濃度為1.830 5×10-6mol/L。
圖10 Rh6G 濃度的影響Fig.10 Effects of Rh6G concentration
2.5.5 加樣順序?qū)y(cè)Pb2+體系的影響
探討加樣順序Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的影響,結(jié)果見(jiàn)圖11。
由圖11 可知,當(dāng)加樣順序?yàn)椤癲sDNA+Pb2++AgNPs+混合溶液+Rh6G”時(shí),線(xiàn)性關(guān)系較好。
圖11 加樣順序?qū)w系的影響Fig.11 Effects of sample order on system
2.5.6 共存物質(zhì)的影響
根據(jù)試驗(yàn)方法探討在Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系中,共存離子的存在條件下對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響,結(jié)果見(jiàn)圖12。
圖12 共存物質(zhì)對(duì)體系的影響Fig.12 Effects of coexisting substances on the system
當(dāng)Pb2+濃度為5.0×10-7mol/L 時(shí),6.5×10-6mol/L Ba2+,3.9×10-6mol/L Cu2+,2.5×10-6mol/L K+,8.3×10-6mol/L Co2+,2.5×10-6mol/L Ca2+,5.0×10-6mol/L Fe3+,2.0×10-7mol/L Hg2+,1.5×10-5mol/L Ni2+,1.2×10-5mol/L Ag+,5.0×10-6mol/L Mn2+,1.5×10-5mol/L 異亮氨酸、天冬氨酸、精氨酸等干擾物質(zhì)對(duì)Pb2+的測(cè)定無(wú)干擾,且相對(duì)誤差在±10%內(nèi)。
探究Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,結(jié)果見(jiàn)表1。
按試驗(yàn)方法,同一批次的AgNPs 測(cè)定2.5×10-7mol/LPb2+,同組平行測(cè)定10 次。不同批次的AgNPs 測(cè)定2.5×10-7mol/L Pb2+,同組平行測(cè)定10 次。結(jié)果表明,同一批次的AgNPs 測(cè)定2.5×10-7mol/L Pb2+,平均值均在誤差范圍10%之內(nèi),不同批次的AgNPs 測(cè)定2.5×10-7mol/L Pb2+,平均值均在誤差范圍10%之內(nèi),體系具有一定的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。
表1 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系*的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性Table 1 Reproducibility and stability of Pb2+-dsDNA-AgNPs system*
Pb2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖13。
根據(jù)試驗(yàn)方法,以AgNPs 作為基底,在最佳試驗(yàn)條件下做工作曲線(xiàn),Pb2+濃度與ΔI 的線(xiàn)性回歸方程為ΔI=16.962x-127.97,R2=0.993 5,如圖13 所示;Pb2+的檢測(cè)范圍在2.5×10-8到7.5×10-7mol/L 之間。本試驗(yàn)方法是一種較好的快速檢測(cè)Pb2+的新方法。
圖13 Pb2+的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)Fig.13 Standard curve of Pb2+
通過(guò)將DNA 酶SERS 測(cè)定痕量重金屬(Pb2+)與測(cè)定鉛的國(guó)標(biāo)分析方法比較,得出結(jié)果如表2 所示,用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)痕量重金屬鉛,有其優(yōu)點(diǎn)和不足,而DNA 酶SERS 法,則是在其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,彌補(bǔ)了其不足之處。
表2 測(cè)定Pb2+的國(guó)標(biāo)分析方法比較Table 2 Comparison of GB analytical methods for determination of Pb2+
取2.484 mg/mL 的皮蛋消解液樣品,以AgNPs 作為基底,按試驗(yàn)方法測(cè)定鉛離子含量,結(jié)果見(jiàn)表3。
結(jié)果表明,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在10%以?xún)?nèi),回收率在99.5%~107.7%之間。
表3 Pb2+-dsDNA-AgNPs 體系測(cè)定皮蛋中的Pb2+Table 3 Pb2+-dsDNA-AgNPs system for determination of Pb2+in preserved eggs
通過(guò)采用還原法可快速制備黃色球形納米銀。在一定條件下,將ssDNA 和DNA 酶雜交形成dsDNA。在dsDNA 和混合溶液存在條件下,AgNPs 發(fā)生聚集,聚集的AgNPs 與Rh6G 作用較強(qiáng),在613 cm-1處出現(xiàn)較強(qiáng)的SERS 特征峰。Pb2+可將dsDNA 裂解切割,釋放出ssDNA,形成比表面積和粗糙度均增大的AgNPs-ssDNA-Pb2+大分子締合物。隨著Pb2+濃度的增大,釋放出的ssDNA 增多,形成的AgNPs-ssDNA-Pb2+增多,Ag-NPs-ssDNA-Pb2+與Rh6G 作用增強(qiáng),導(dǎo)致613 cm-1處的SERS 峰強(qiáng)度增大。在選定條件下,Pb2+在2.5×10-8~7.5×10-7mol/L 濃度之間,與其SERS 峰強(qiáng)度的變化值呈良好線(xiàn)性關(guān)系,ΔI=16.962x-127.97,R2=0.993 5,Pb2+的最低檢出濃度為1.0×10-8mol/L。用建立的方法測(cè)定皮蛋中的Pb2+,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均在10%以?xún)?nèi),回收率在99.5%~107.7%之間。由此可知,該方法有望在檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品重金屬中,得以廣泛應(yīng)用。