納米金催化甲酸還原磷鉬酸耦合電置換反應(yīng)-共振瑞利散射測定痕量汞

劉奇文，李 丹，黃小芳，梁愛惠*，蔣治良*

(1. 珍稀瀕危動植物生態(tài)與環(huán)境保護教育部重點實驗室(廣西師范大學(xué))，廣西 桂林 541006； 2. 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室(廣西師范大學(xué))，廣西 桂林 541006)

電置換反應(yīng)(GR)指一種較活潑金屬被一種較不活潑的金屬侵蝕，反應(yīng)較快，常在幾分鐘內(nèi)發(fā)生[1]。由于納米表面的高催化活性，納米粒子表面的GR反應(yīng)更快。GR反應(yīng)由于具有高度的可調(diào)性而引起人們的極大興趣，可用于研究金屬納米結(jié)構(gòu)表面錯綜復(fù)雜的合金化和去合金化反應(yīng)[2]；GR反應(yīng)還提供一種非常簡易、多功能路徑制備可控空心和多孔壁納米結(jié)構(gòu)材料方法[3]。Sun等[4]采用Ag作為模板金屬，和Au3+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，制備了Au中空結(jié)構(gòu)，并對其反應(yīng)機理進行了解釋。Liu等[5]利用超小ssDNA-模板化銀納米簇與Cu(II)發(fā)生拮抗電置換反應(yīng)制備了Ag-Cu合金，并用光散射技術(shù)檢測反應(yīng)的發(fā)生。Bi等[6]通過Ag/AgCl核殼納米線和H2PtCl6發(fā)生電置換反應(yīng)得到較高電催化活性的納米管。近年來，GR反應(yīng)在納米分析檢測技術(shù)中的應(yīng)用也較活躍[7-10]。Netzer等[7]將GR反應(yīng)與銀納米線Langmuir-Blodgett膜技術(shù)有機結(jié)合成功地制備了高活性SERS基底，基于1 394 cm-1處的靈敏拉曼峰可用于檢測8 nmol/L 4-氨基硫酚。共振瑞利散射(RRS)不僅是一種簡便靈敏的分子光譜分析技術(shù)，也是一種研究納米微粒反應(yīng)的靈敏光譜技術(shù)[11-13]，納米催化放大是提高分析方法靈敏度的重要途徑之一[14]。RRS與納米催化技術(shù)結(jié)合構(gòu)建了重金屬環(huán)境污染物RRS分析新方法。Wang等[15]以摻鈀共價有機骨架(TpPaPd)為催化劑，催化次磷酸鈉還原Ni(II)形成Ni-P合金，該產(chǎn)物具有RRS信號，將納米催化反應(yīng)與基于Pb2+的DNA酶反應(yīng)相結(jié)合，建立了檢測0.001～0.100 nmol/L Pb2+的RRS分析方法，其檢出限為0.4 pmol/L。Zhang等[16]利用摻金碳點(CDAu)對AgNO3-葡萄糖反應(yīng)具有強催化，其產(chǎn)物銀納米粒子(AgNPs)具有SPR效應(yīng)。結(jié)合Apt特異性反應(yīng)與納米催化放大信號，建立了RRS法檢測水中痕量As3+，線性范圍為0.025～0.750 μg/L ，檢出限為0.01 μg/L。但尚未見基于納米金催化甲酸還原磷鉬酸耦合金納米粒子(AuNPs)-汞離子電置換反應(yīng)，RRS測定痕量汞的研究報道。

汞離子是重金屬中最重要的污染物之一，其不可生物降解，容易通過食物鏈在魚類和貝類中積累[17]。此外，汞離子在自然環(huán)境中可以轉(zhuǎn)化為高毒性甲基汞，比Hg2+更容易穿過細(xì)胞膜，對腦組織、腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和內(nèi)分泌系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害[18]。鑒于Hg2+在環(huán)境和生物系統(tǒng)中的毒性，因此，開發(fā)一種快速、高效、靈敏檢測痕量Hg2+的方法至關(guān)重要。最近，已有學(xué)者給出了一些用于檢測Hg2+的傳感平臺，包括比色法[19]、電化學(xué)法[20]、熒光法[21]和RRS法[22]。在這些方法中，RRS法因其高靈敏度、高選擇性、操作簡單和響應(yīng)速度快等獨特優(yōu)勢而備受關(guān)注。Zhang等[23]合成了二維納米復(fù)合物rGO/PEI/Pd，借助其過氧化物酶活性，開發(fā)了一種快速、高度選擇性和超痕量肉眼比色法檢測水溶液中Hg2+的通用策略。主要基于在汞離子存在下，rGO/PEI/Pd可以促進3,3’,5,5’-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)的有效氧化，使其顏色變?yōu)槿庋酆臀展庾V法可檢測到的深藍(lán)色，最低檢測濃度為0.39 nmol/L Hg2+。Tan等[24]制備并表征了電化學(xué)衍生的還原型氧化石墨烯化學(xué)阻抗傳感器，該傳感器對Hg2+表現(xiàn)出選擇性響應(yīng)，將其用于水樣中Hg2+的檢測，最低檢測濃度為0.5 nmol/L。Yu等[25]以金華佛手柑為碳源，水熱法制備了具有較高光致發(fā)光性水溶性熒光碳點，基于Hg2+會導(dǎo)致碳點發(fā)生熒光猝滅，建立一個熒光檢測0.01～100 μmol/L Hg2+的分析方法，其檢出限為5.5 nmol/L。Ngernpimai等[26]利用Hg2+可誘導(dǎo)單鏈DNA的構(gòu)象變化，進一步導(dǎo)致金納米棒(GNR)聚集，引起RRS強度的增強，建立共振瑞利散射法檢測Hg2+的策略，其檢出限為0.23 nmol/L。但上述方法有的靈敏度欠佳，有的分析過程復(fù)雜。

本文利用AuNPs催化磷鉬酸-甲酸反應(yīng)，結(jié)合AuNPs與Hg2+的GR反應(yīng)，以磷鉬酸顆粒為RRS指示劑，建立一種簡便、靈敏的檢測Hg2+的RRS分析新方法，檢出限為0.18 nmol/L。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

日立F-7000熒光分光光度計(日立高新技術(shù)公司)；TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；SYZ-550型石英亞沸蒸餾水器(江蘇晶玻儀器廠)；KQ3200DB型數(shù)控超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司，功率150 W，工作頻率40 kHz)；pH計(梅特勒-托利多儀器上海有限公司)；Nano-23型納米粒度與電位分析儀(英國Malvern公司)；FEI Quanta 200-場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEI公司)。

5.0 mmol/L磷鉬酸(中國菱湖化工試劑廠，分析純)；0.1 mol/L甲酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05% NaBH4(汕頭市西隴化工廠)；0.1 mol/L NaOH(天津市百世化工有限公司)；質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%檸檬酸三鈉(汕頭市西隴化工廠)；0.01 mol/L HAuCl4(國藥集團化學(xué)試劑公司)；0.01 mol/L HgSO4(汕頭市西隴化工廠)儲備液；pH3.1 HCOOH-HCOONa緩沖液：10 mL離心管中加入2.0 mL 0.1 mol/L NaOH溶液和8.0 mL 0.1 mol/L HCOOH溶液，充分混合，得濃度為5.0 mmol/L的HCOOH-HCOONa緩沖溶液(濃度以醋酸根計)。

金納米粒子(AuNPs)：常溫下，量取40.0 mL二次水于錐形瓶，在攪拌下加入0.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% HAuCl4溶液和3.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%檸檬酸鈉水溶液，充分混合后，在攪拌下緩慢滴加4.0 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.05%的NaBH4溶液，加完后繼續(xù)攪拌10 min，最后定容至50.0 mL，其濃度為58 mg/L AuNPs。

1.2 實驗方法

在5.0 mL 的刻度試管中，依次移取170 μL 5 mmol/L磷鉬酸、500 μL pH=3.1的HCOOH-HCOONa緩沖液、50 μL 58 mg/L的AuNPs及一定濃度的Hg2+，定容至2.0 mL，混勻。80 ℃水浴35 min后，冰水終止反應(yīng)。取溶液于石英皿內(nèi)，在400 V，激發(fā)和發(fā)射狹縫10 nm，用熒光分光光度計掃描，獲得共振瑞利散射光譜；不加Hg2+做空白，測定溶液450 nm處的RRS峰值，計算ΔI=I450 nm-(I450 nm)0。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析原理

在實驗條件下，磷鉬酸具有共振瑞利散射信號，可作為該分析反應(yīng)的指示組分。AuNPs可以催化磷鉬酸與甲酸反應(yīng)，生成磷鉬藍(lán)而吸收瑞利散射光，使得體系的RRS信號降低。Hg2+與AuNP發(fā)生電置換反應(yīng)生成穩(wěn)定的金汞齊(AuHg)而覆蓋在其表面，抑制了AuNPs的催化活性，使得生成的磷鉬藍(lán)降低，導(dǎo)致體系的RRS信號增強，據(jù)此可以建立測定Hg2+的共振瑞利散射新方法(圖1)。

圖1 納米金催化甲酸還原磷鉬酸耦合電置換反應(yīng)-RRS測定汞原理Fig. 1 Analytical principle of the RRS measurement of Hg2+ by coupling AuNP-phosphomolybdic acid-formic acid catalytic amplification with GR reaction of AuNP-Hg(Ⅱ)

2.2 RRS光譜

在pH=3.1的HCOOH-HCOONa緩沖溶液及常溫下，磷鉬酸與甲酸不反應(yīng)，即使在沸水加熱條件下反應(yīng)也極難進行。AuNPs可催化磷鉬酸-甲酸反應(yīng)生成磷鉬藍(lán)，隨著AuNPs濃度的增加，反應(yīng)液的顏色逐漸從無色變?yōu)樗{(lán)色，體系在450 nm處的共振瑞利散射峰逐漸降低(圖2A)，系生成藍(lán)色的磷鉬藍(lán)對RRS光吸收所致。Hg2+可與Au發(fā)生電置換反應(yīng)，生成的金汞齊覆蓋在AuNPs表面抑制AuNPs的催化作用，在2.5×10-4～3.5 μmol/L隨著Hg2+濃度的增加，AuNPs的催化作用逐漸減弱，反應(yīng)液的顏色逐漸從藍(lán)色變?yōu)闊o色，體系在450 nm處的共振瑞利散射峰線性升高(圖2B)。

a: 0.425 mmol/L磷鉬酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa; b: a+0.29 mg/L AuNPs; c: a+0.58 mg/L AuNPs; d: a+1.16 mg/L AuNPs; e: a+1.45 mg/L AuNPs; f: a+2.03 mg/L AuNPs; g: a+2.61 mg/L AuNPs

a: 0.425 mmol/L 磷鉬酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+0.25 nmol/L Hg2+; c: a+5.0 nmol/L Hg2+; d: a+1.0 μmol/L Hg2+; e: a+1.5 μmol/L Hg2+; f: a+2.5 μmol/L Hg2+; g: a+3.5 μmol/L Hg2+

2.3 紫外吸收光譜

由圖3A可知，AuNPs可催化磷鉬酸-甲酸反應(yīng)，其吸光度隨著AuNPs濃度的增加線性增強。隨著Hg2+濃度的增加，AuNPs對磷鉬酸-甲酸反應(yīng)的催化作用逐漸減弱，生成的磷鉬藍(lán)逐漸減少，在1.0×10-2～3.5 μmol/L范圍內(nèi)，隨著Hg2+濃度的增大，體系在700 nm處的Abs信號線性降低(圖3B)，此結(jié)論與RRS光譜結(jié)果一致。雖然紫外吸收光譜也可用于汞離子測定，但不及RRS靈敏。

2.4 掃描電鏡(SEM)

圖4A是磷鉬酸的掃描電鏡圖，由圖可見其顆粒均勻分散，這是由于磷鉬酸分子具有較強的疏水性并聚集形成粒徑約為8 μm的顆粒。隨著Hg2+的加入，AuNP-磷鉬酸-甲酸鈉催化反應(yīng)逐漸被抑制，但磷鉬酸顆粒的形狀變化不大(圖4B)。

a: 0.425 mmol/L磷鉬酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa; b: a+0.29 mg/L AuNPs; c: a+0.58 mg/L AuNPs; d: a+0.87 mg/L AuNPs; e: a+1.16 mg/L AuNPs; f: a+1.45 mg/L AuNPs; g: a+2.03 mg/L AuNPs; h: a+2.32 mg/L AuNPs; i: a+2.61 mg/L AuNPs

a: 0.425 mmol/L 磷鉬酸+ 5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+10 nmol/L Hg2+; c: a+0.2 μmol/L Hg2+; d: a+1.0 mmol/L Hg2+; e: a+1.5 mmol/L Hg2+; f: a+2.5 mmol/L Hg2+; g: a+3.5 mmol/L Hg2+

2.5 激光散射

按實驗方法制得反應(yīng)液，用納米粒度與Zeta電位分析儀記錄其粒度。從實驗結(jié)果可以看出，無Hg2+存在時，磷鉬酸-甲酸鈉反應(yīng)在AuNPs的催化作用下反應(yīng)充分，體系中的磷鉬酸少量聚集，顆粒粒度較小(圖5a)，其粒徑分布在100～500 nm；隨著Hg2+的加入，磷鉬酸-甲酸鈉反應(yīng)逐漸被抑制，體系的顆粒分布在140～400 nm(圖5b)。此激光散射粒徑與SEM粒徑不一致的主要原因是電鏡制備樣品需要脫水，此過程會導(dǎo)致顆粒聚集。

圖4 體系掃描電鏡Fig. 4 Scanning electron micrograph of the system

a: 0.425 mmol/L磷鉬酸+ 5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+0.35 μmol/L Hg2+圖5 粒度分析Fig. 5 Particle size analysis

2.6 分析條件優(yōu)化

考察磷鉬酸濃度對體系RRS信號的影響，加入5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa緩沖溶液，1.45 mg/L AuNPs，1.0 μmol/L HgSO4和不同濃度的磷鉬酸溶液，其余按照1.2節(jié)的實驗步驟操作，當(dāng)加入0.425 mmol/L 磷鉬酸時ΔI達(dá)到最大，故選用0.425 mmol/L 磷鉬酸(圖6A)。隨著AuNPs濃度的增加，其催化作用逐漸增強，當(dāng)加入1.45 mg/L AuNPs時ΔI達(dá)到最大，故選用1.45 mg/L AuNPs(圖6B)?？疾炝薍COOH-HCOONa緩沖溶液pH對體系RRS信號的影響，當(dāng)加入pH=3.1的HCOOH-HCOONa緩沖溶液時ΔI達(dá)到最大，故選用pH=3.1的HCOOH-HCOONa緩沖溶液(圖6C)。HCOOH-HCOONa緩沖溶液的濃度同樣會對體系RRS信號產(chǎn)生影響，當(dāng)加入5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa緩沖溶液時ΔI達(dá)到最大，故選用5.0 mmol/L的HCOOH-HCOONa緩沖溶液(圖6D)?？疾旆磻?yīng)溫度對體系RRS信號的影響，當(dāng)反應(yīng)溫度為80 ℃時ΔI達(dá)到最大，故選用80 ℃作為反應(yīng)溫度(圖6E)。考察反應(yīng)時間對體系RRS信號的影響，當(dāng)反應(yīng)時間為35 min時ΔI達(dá)到最大，故選用35 min作為反應(yīng)時間(圖6 F)。

圖6 磷鉬酸-AuNPs-HCOOH-HCOONa-Hg2+體系反應(yīng)條件優(yōu)化Fig. 6 Optimization of the conditions of phosphomolybdic acid-AuNPs-HCOOH-HCOONa-Hg2+ system

2.7 工作曲線

在最佳實驗條件下，AuNPs表現(xiàn)出對于磷鉬酸-甲酸鈉RRS體系的催化作用，在0.29～2.61 mg/L AuNPs，450 nm處的RRS強度變化ΔI與AuNPs濃度呈線性關(guān)系，AuNPs的催化線性方程為y=288.39CAuNPs+26.9，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.994(圖2A)。基于磷鉬酸-AuNPs-甲酸鈉體系表現(xiàn)出對Hg2+濃度的響應(yīng)，建立一個測定Hg2+的共振瑞利散射方法，在2.5×10-4～3.5 μmol/L Hg2+，450 nm處的RRS強度變化ΔI與Hg2+濃度呈線性關(guān)系，線性方程為y=0.32CHg2++46.1，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.994 6(圖2B)。對于磷鉬酸-甲酸鈉UV體系，在0.29～2.61 mg/L AuNP，700 nm處的UV強度變化ΔA與AuNPs濃度呈線性關(guān)系，線性方程為y=0.241CAuNPs+0.003，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.994 8(圖3A)。已知磷鉬酸-AuNPs-甲酸鈉體系可用于檢測Hg2+，在1.0×10-2～3.5 μmol/L Hg2+，700 nm處的UV強度變化ΔA與Hg2+濃度呈線性關(guān)系，線性方程為y=0.000 1CHg2++0.028，線性相關(guān)系數(shù)R2為0.986 9(圖3B)。表1是本方法與部分文獻報道方法的對比。

表1 本法與已報道方法分析特性比較

2.8 干擾試驗

2.9 樣品分析

從污水廠取得3份工業(yè)廢水，過濾處理后分別取樣品200 μL，按1.2節(jié)試驗方法進行測定，檢測結(jié)果見表3。水樣中Hg2+含量為1.9～5.1 μmol/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.6%～7.0%，回收率為93.7%～98.4%，具有較好的回收率和重現(xiàn)性。

表2 干擾離子對體系的影響

表3 樣品的RRS測定結(jié)果

3 結(jié)論

本文以磷鉬酸顆粒具有RRS效應(yīng)作為分析反應(yīng)的指示劑，借助AuNPs的催化放大作用以及AuNP與Hg2+的電置換反應(yīng)，建立了一個簡單、靈敏檢測痕量Hg2+的共振瑞利散射分析方法，線性范圍為0.25～3 500 nmol/L,檢測限為0.18 nmol/L。