硫普羅寧修飾納米金對(duì)銅的比色檢測(cè)研究

曹小紅， 李芳清， 馬儒超， 劉云海， 張志賓

( 1．東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

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硫普羅寧修飾納米金對(duì)銅的比色檢測(cè)研究

曹小紅1,2， 李芳清2， 馬儒超2， 劉云海1,2， 張志賓1,2

( 1．東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，江西 南昌 330013;2.東華理工大學(xué)化學(xué)生物與材料科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013)

以納米金粒子為載體，將硫普羅寧修飾至其表面形成硫普羅寧修飾的納米金溶液(MPG-AuNPs)，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅離子的比色檢測(cè)。系統(tǒng)研究了pH和時(shí)間等因素對(duì)比色檢測(cè)的影響，考察了該比色傳感器檢測(cè)銅的靈敏度與線性范圍，探究了環(huán)境中常見離子對(duì)體系的干擾。結(jié)果表明，在pH5.0時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí)，納米粒子MPG-AuNPs對(duì)Cu2+的檢出限0.97 μmol·L-1，K+, Na+, Sr2+, Cs+, Hg2+, Co2+, Ni2+等離子的存在對(duì)Cu2+的比色檢測(cè)無影響。

比色檢測(cè)；硫普羅寧；納米金；銅離子

曹小紅，李芳清，馬儒超，等.2015.硫普羅寧修飾納米金對(duì)銅的比色檢測(cè)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，38(4)：433-437.

Cao Xiao-hong,Li Fang-qing,Ma Ru-chao,et al.2015.Colorimetric detectionof Cu2+using N-(2-Mercaptopropionyl)glycine (MPG)-functionalized gold nanoparticles[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4)：433-437.

Cu2+在工業(yè)生產(chǎn)以及生物組織中占據(jù)重要角色。在適宜濃度下，它對(duì)于機(jī)體新陳代謝有良好的推動(dòng)作用。然而，高濃度銅離子的存在會(huì)對(duì)人體有巨大毒害作用。過量Cu2+的存在會(huì)置換體內(nèi)其他金屬離子，影響機(jī)體酶催化反應(yīng)(Que et al., 2008)；幼兒過度攝入銅離子會(huì)導(dǎo)致各種疾病，影響健康生長(zhǎng)(Barranguet et al., 2003)；高濃度的銅會(huì)破壞機(jī)體再生系統(tǒng)(Becker et al., 2007)。因此，過量的銅離子對(duì)人類健康的影響不容忽視。目前測(cè)定環(huán)境中痕量Cu2+的方法主要有電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Wu et al., 1997)、電化學(xué)法(Herzog et al., 2003)、原子吸收光譜法(Chan et al., 2000)和分光光度法(李小燕等，2012)等。這些方法雖然具有靈敏度極高、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，但由于使用成本較高、儀器設(shè)備昂貴和操作過程繁瑣，所以不適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)定。比色法通過肉眼觀察溶液的顏色變化，從而簡(jiǎn)便、快速地確定待測(cè)組分的大致含量，具有儀器便宜、分析成本低、能在線分析待測(cè)組分的變化，并且隨時(shí)監(jiān)測(cè)毒性物質(zhì)污染情況以便及時(shí)防治的特點(diǎn)，在分析測(cè)試中顯示出較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)?；诩{米粒子的比色檢測(cè)方法是近年來出現(xiàn)的一種實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的手段，其基本原理納米粒子作為信息傳遞者，通過待測(cè)物引發(fā)納米粒子的聚集或分散，導(dǎo)致顏色發(fā)生變化，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)的分析檢測(cè)。近十多年來被廣泛用于重金屬離子(Zhang et al., 2012)、化學(xué)樣品(Kubo et al., 2005)及生物樣品(Li et al., 2009; Lin et al., 2011)等的高靈敏、高選擇性檢測(cè)。

Liu等(2007)通過DNA酶修飾的納米金溶液，在Cu2+的作用下發(fā)生聚集產(chǎn)生顏色變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2+的比色檢測(cè)。Wang等(2010)同樣利用DNA上的特異性基團(tuán)實(shí)現(xiàn)對(duì)Cu2+的比色檢測(cè)。這些檢測(cè)方法靈敏度極高，選擇性好。但誘導(dǎo)DNA成鏈需要較長(zhǎng)時(shí)間且DNA修飾納米金粒子難度大、成本高。納米金粒子具有極高的消光系數(shù)(108～1010M-1cm-1及更高)、在可見光區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)的LSPR吸收, 膠體溶液呈現(xiàn)特有的紅色(520 nm)，隨著納米金粒子粒徑的增大或減小其吸收峰的位置發(fā)生紅移或藍(lán)移，顏色也隨之發(fā)生改變，許多有機(jī)分子(如多糖)和基團(tuán)(如巰基和胍)可通過化學(xué)作用直接與納米金粒子交聯(lián)成鍵，它們與金屬納米粒子有著非常強(qiáng)的表面結(jié)合能力。有學(xué)者利用Au-S作用力將L-半胱氨酸(L-Cys)修飾到Au納米粒子表面，當(dāng)加入Hg2+后，由于Hg2+與納米金表面的—COOH之間強(qiáng)烈的金屬-配體作用，導(dǎo)致納米金粒子聚集(Chai et al.,2010)。本文以N-(2-巰基丙?；?甘氨酸(MPG，亦稱硫普羅寧)為修飾劑，制備MPG-AuNPs，通過氨基與羧基的共同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶液中銅的比色檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

氯金酸( HAuCl4·4H2O)，檸檬酸鈉，硫普羅寧均購自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。實(shí)驗(yàn)所用玻璃儀器均要用王水潤(rùn)洗備用。

TU-1810紫外-可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)， PHS-3C精密酸度計(jì)(上海虹益儀器儀表有限公司)，DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市英峪予華儀器廠)。

圖1 MPG-AuNPs比色檢測(cè)Cu2+機(jī)理圖Fig.1 Schematic representation of the analytical process for detecting Cu2+

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 硫普羅寧修飾納米金粒子(MPG-AuNPs)的制備

“那么，你準(zhǔn)備怎樣處置他？”男子看了一眼石屋，試探著問。范堅(jiān)強(qiáng)伸出手去，將易拉罐捏得“嘎嘣”響，他舔著嘴唇上的酒液說：“我自有計(jì)劃?！?/p>

16 nm納米金依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)方法制得(Storhoff et al., 1998)。在250 mL圓底燒瓶中加入100 mL 1 mmol·L-1HAuCl4·4H2O溶液，加熱回流，隨后加入10 mL 38.8 mmol·L-1檸檬酸鈉溶液，劇烈攪拌20 min，該過程中溶液由淡黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榫萍t色。繼續(xù)攪拌直至溶液冷卻，產(chǎn)物于4 ℃下保存?zhèn)溆谩?/p>

將300 μL 1.0×10-4mol·L-1硫普羅寧加入至15 mL 納米金溶液中，緩慢震蕩2 h后取出，移至離心管中離心以除去剩余硫普羅寧，隨后分散在水中即得MPG-AuNPs。

1.2.2 MPG-AuNPs對(duì)Cu2+的比色檢測(cè)

移取3 mL制備好的MPG-AuNPs溶液，加入不用濃度的Cu2+離子，調(diào)節(jié)溶液pH 5.0，均勻混合30 min，觀察顏色變化。利用紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)溶液進(jìn)行光譜掃描，以吸光度比值(A650/A524)的變化情況為考察對(duì)象，確定顯色最佳條件及檢測(cè)限。

將同濃度的常見金屬離子與Cu2+分別加入到MPG-AuNPs溶液中，并利用紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，以最大吸光度長(zhǎng)比值(A650/A524)的變化情況為考察對(duì)象，研究MPG-AuNPs的抗干擾能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)方法的可行性研究

圖1解釋了MPG-AuNPs比色檢測(cè)Cu2+的傳感機(jī)理。巰基是一種可穩(wěn)定結(jié)合在納米金粒子表面的基團(tuán)，因此通過Au-S共價(jià)偶聯(lián)作用硫普羅寧可修飾至納米金粒子的表面(Liu et al., 2007)。另一方面，硫普羅寧另一端的羧基與氨基基團(tuán)與Cu2+具有金屬螯合能力，可作為Cu2+的比色配體基團(tuán)。

用MPG-AuNPs納米溶液檢測(cè)濃度為60 μmol·L-1的Cu2+溶液，結(jié)果如圖2所示。未加入Cu2+的納米金溶液呈現(xiàn)紫色，表明納米金仍處于良好的分散狀態(tài)。UV-vis譜上，其特征離子吸收峰的位置在524 nm附近(曲線a)，峰窄且尖。當(dāng)向以上溶液中加入Cu2+后，溶液顏色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，其表面等離子體共振吸收發(fā)生紅移，由原來的524 nm的尖銳吸收峰變?yōu)?50 nm的寬峰(曲線b)，這是由于Cu2+與羧基通過金屬-配體協(xié)同作用形成配位鍵，縮短了納米金粒子之間距離，納米金粒子之間發(fā)生了聚集。加入Cu2+導(dǎo)致的MPG-AuNPs聚集也可由Zeta值的變化看出，加入Cu2+后的Zeta電位值明顯降低，表明納米金粒子表面電荷發(fā)生變化，MPG-AuNPs的穩(wěn)定性降低，最終導(dǎo)致其大量聚集并產(chǎn)生顏色變化。

圖2 MPG-Au NPs 檢測(cè)Cu2+的紫外-可見吸收光譜圖(插圖為實(shí)際照片)Fig.2 UV-vis spectra of MPG-AuNPs for Cu2+ detection

2.2 pH對(duì)MPG-AuNPs比色檢測(cè)Cu2+的影響

為了優(yōu)化MPG-AuNPs測(cè)定Cu2+的最佳條件，利用單變量法考察了影響靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性的因素。首先，以比色響應(yīng)值(A650/A524)為考察對(duì)象，研究pH對(duì)測(cè)定Cu2+的影響。未加入Cu2+時(shí)，MPG-AuNPs不隨pH的變化而變化，表明酸度對(duì)納米金的聚集影響較小。而加入Cu2+后，A650/A524值迅速增加，在pH 5.0左右，達(dá)到最大值(圖3)。因此，選取pH 5.0作為比色檢測(cè)Cu2+的最佳溶液pH。

圖3 pH 對(duì)MPG-AuNPs比色檢測(cè)的Cu2+的影響Fig. 3 pH-dependent changes for Cu2+ detection

2.3 MPG-AuNPs比色檢測(cè)Cu2+的響應(yīng)時(shí)間研究

實(shí)驗(yàn)考察了不同Cu2+濃度時(shí)比色響應(yīng)值(A650/A524)與時(shí)間的關(guān)系，來確定體系的穩(wěn)定時(shí)間。由圖4可以看出，加入Cu2+后，Cu2+濃度越高M(jìn)PG-AuNPs的比色響應(yīng)值(A650/A524)增加越大。并且隨著Cu2+濃度增大，響應(yīng)速度加快，10 min內(nèi)發(fā)生顏色變化，基本在30 min左右達(dá)到顯色穩(wěn)定。因此選用30 min作為體系對(duì)Cu2+的檢測(cè)時(shí)間。

圖4 時(shí)間對(duì)MPG-AuNPs比色檢測(cè)的Cu2+的影響Fig.4 Time-dependent changes for Cu2+ detection

2.4 MPG-AuNPs對(duì)Cu2+濃度的線性檢測(cè)

為了驗(yàn)證最佳條件下MPG-AuNPs檢測(cè)Cu2+的靈敏度，選取不同濃度的Cu2+加入到MPG-AuNPs溶液中，顯色30 min后分別進(jìn)行紫外-可見吸收光譜分析和目視比色分析(圖5)。Cu2+濃度在5.23～30.85 μmol·L-1范圍內(nèi)，Cu2+濃度與吸光度比值(A650/A524)有良好的線性關(guān)系，線性方程為(Y=0.124 63X-0.002 5)(R2=0.993 5)。理論計(jì)算證明該體系對(duì)Cu2+的檢出限為0.97 μmol·L-1(S/N=3)。

圖5 MPG-AuNPs對(duì)Cu2+比色檢測(cè)的靈敏度Fig.5 Limit of MPG-AuNPs for Cu2+ detection

2.5 MPG-AuNPs納米溶液檢測(cè)Cu2+的選擇性

研究MPG-AuNPs檢測(cè)Cu2+的抗干擾能力，通過加入環(huán)境中常見重金屬離子K+, Na+, Sr2+, Cs+, Hg2+, Co2+, Ni2+(濃度分別為100 μmol· L-1)。圖6A為MPG-AuNPs檢測(cè)不同離子的紫外-可見圖譜。只有加入Cu2+的光譜曲線有明顯紅移，顏色變?yōu)樗{(lán)色。更重要的是，MPG-AuNPs的抗干擾能力可通過肉眼識(shí)別直接得到驗(yàn)證。MPG-AuNPs檢測(cè)不同金屬離子的吸光度比值(A650/A524)如圖6B所示，加入60 μmol·L-1的Cu2+后，其吸光度比值與空白值形成鮮明對(duì)比。當(dāng)加入100 μmol·L-1其他金屬離子，與空白值相比，變化微小，接近相似。加入Cu2+的MPG-AuNPs吸光度比值約為其他金屬離子的5倍以上。以上結(jié)果說明MPG-AuNPs中的羧酸基團(tuán)對(duì)Cu2+有一定的選擇性(顯色機(jī)理如圖1所示)。

圖6 不同金屬離子對(duì)Cu2+檢測(cè)的干擾Fig.6 Interferences by other metal ions for Cu2+ detection

3 結(jié)論

本文以納米金粒子為載體，將硫普羅寧在其表面形成硫普羅寧修飾的納米金溶液(MPG-AuNPs)。在最佳pH 5.0時(shí)，MPG-AuNPS的對(duì)Cu2+的響應(yīng)時(shí)間為30 min。體系對(duì)Cu2+的檢出限分別為0.97 μmol·L-1(S/N=3)，且對(duì)Cu2+離子有良好的選擇性響應(yīng)。該方法檢不需要復(fù)雜昂貴的分析儀器和試劑，對(duì)水體中Cu2+的分析測(cè)定具有良好的應(yīng)用前景。

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Colorimetric Detectionof Cu2+Using N-(2-Mercaptopropionyl)glycine (MPG)-functionalized Gold Nanoparticles

CAO Xiao-hong1,2, LI Fang-qing2, MA Ru-chao2, LIU Yun-hai1,2, ZHANG Zhi-bin1,2

(1. State Key Laboratory Breeding Base of Nuclear Resources and Environment, East China Institute of Technology, Nanchang,JX 330013, China; 2 School of Chemical, Biological and Materials Sciences, East China Institute of Technology, Nanchang,JX 330013, China)

A simple and selective colorimetric sensor based on N-(2-Mercaptopropionyl)glycine (MPG)-functionalized gold nanoparticles (MPG-AuNPs) has been developed for the detection of Cu2+. MPG-AuNPs rapidly aggregated in the presence of Cu2+, thereby causing a visual color change from red to blue, which is easily detectable by eye or a UV-vis spectrophotometer. The absorbance ratio (A650/A524) was linear with the Cu2+concentration. Under optimum condition (pH 5.0), the detection limit of Cu2+was 0.97 μmol·L-1(S/N=3). The proposed sensing system possesses a selective response for Cu2+over other heavy metal ions.

colorimetric sensor; N-(2-Mercaptopropionyl)glycine; gold nanoparticles; copper ion

2014-11-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21301028)；江西省教育廳科技項(xiàng)目(GJJ14472)；江西省科技廳科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(20151BBG70010)

曹小紅(1974—)，女，博士，副教授，主要從事分析化學(xué)的研究工作。 E-mail: xhcao@ecit.cn

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.015

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1674-3504(2015)04-0433-05