納米金可視化檢測(cè)苯代三聚氰胺

陳娜,甘慶潔,秦茹瑾,張?jiān)Ｆ?/p>

（河南科技學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003）

納米金是一種處于亞穩(wěn)狀態(tài)的粒子其粒徑在1.00~100 nm 之間.由于納米金可與生物大分子反應(yīng)且不影響其生物活性以及獨(dú)特的光學(xué)特性,在太陽能電池[1]、傳感技術(shù)[2-3]、光學(xué)成像[4]、生物醫(yī)學(xué)[5-6]、催化[7]、電子[8]和食品安全檢測(cè)[9]等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.目前,納米金的檢測(cè)通常采用分光光度法[10]、電化學(xué)法[11]、比色法[12]、熒光法[13]等.

利用納米金檢測(cè)樣品已經(jīng)成為現(xiàn)代檢測(cè)的重要手段之一,田欣雨等[14]構(gòu)建了納米金對(duì)尿酸的檢測(cè),得出檢測(cè)限為1.00×10-7mol/L,線性方程為y=0.263 2 x+0.891 1,該檢測(cè)方法靈敏度高、檢出限低,但該方法相關(guān)性較差,r 為0.984 3.張建等[15]利用納米金構(gòu)建了左旋多巴的檢測(cè)方法,得出檢測(cè)限為4×10-6mol/L,線性方程為y=2.121 8 x+0.041 6,該檢測(cè)方法成本低、樣品用量少,但檢出限高.張萬方等[16]構(gòu)建了對(duì)氨芐青霉素的檢測(cè),得出最低檢測(cè)限為1×10-8mol/L,線性方程為y=0.163 6 x+0.02 5,r=0.997 6,該檢測(cè)方法靈敏度高,反應(yīng)快,但所用儀器相對(duì)昂貴.

苯代三聚氰胺（2,4- 二氨基-6- 苯基-1,3,5- 三嗪）常作為制取熱固性樹脂、氨基涂料[17]、醫(yī)藥及改良樹脂與染料[18]的原材料,也可用作樹脂纖維的助化劑.同時(shí),人們也注意到了其危害性.我國于2016年頒布的GB／T 9685—2016《食品接觸材料及制品用添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》法規(guī)明確規(guī)定,在食品包裝材料中苯代三聚氰胺的特定遷移量不得超過5.0 mg/kg.在實(shí)驗(yàn)室研究中,對(duì)于苯代三聚氰胺的測(cè)定多采用高效液相色譜—串聯(lián)質(zhì)譜聯(lián)用[19]、毛細(xì)管電泳[20]等方法.這些方法雖然靈敏度高、精密度好,但存在所需儀器設(shè)備昂貴,不能在非試驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè).因此構(gòu)建納米金可視化檢測(cè)苯代三聚氰胺,在一定程度上可以降低對(duì)場(chǎng)地和精密儀器的依賴,降低檢測(cè)成本.

本研究基于納米金（AuNPs）的團(tuán)聚顯色,構(gòu)建了苯代三聚氰胺的檢測(cè)方法.當(dāng)納米金與苯代三聚氰胺發(fā)生相互作用時(shí),AuNPs 發(fā)生團(tuán)聚顯色,使其最大紫外吸收峰發(fā)生紅移,由此建立了苯代三聚氰胺的可視化測(cè)定方法.大量的檸檬酸覆蓋在納米金（AuNPs）表面,此時(shí)納米金表面帶負(fù)電,通過靜電作用而穩(wěn)定存在.苯代三聚氰胺中帶有一個(gè)氨基,通過氨基和AuNPs 化學(xué)鍵合,促使AuNPs 顆粒間的距離減少,在NaCl 的誘導(dǎo)作用下,使AuNPs 發(fā)生明顯的團(tuán)聚,溶液由紅色變成藍(lán)色.該檢測(cè)方法結(jié)果便于觀察,操作簡單,且不局限于固定的試驗(yàn)環(huán)境,可用于苯代三聚氰胺快速檢測(cè).

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

101 型電熱鼓風(fēng)干燥箱,北京市永光醫(yī)療儀器有限公司;TU-1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì),北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;SB-5200DT 超聲波清洗機(jī),鄭州生元儀器有限公司;JEM- 2010 透射電子顯微鏡,日本電子株式會(huì)社;101-E 真空干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;HT7700 BT-Zeta100 Zeta 電位/粒度/分子量分析儀,丹東百特儀器有限公司;ME104F 電子天平,上海梅特勒- 托利多儀器有限公司;98-2 數(shù)顯恒溫磁力攪拌器,金壇市華峰儀器有限公司.

苯代三聚氰胺（BG）,北京百靈威科技有限公司;氯金酸,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;無水乙醇,天津市德恩化學(xué)試劑有限公司;氯化鈉,天津市大茂化學(xué)試劑廠;檸檬酸鈉,北京雙環(huán)化學(xué)試劑廠.試驗(yàn)試劑均為分析純,試驗(yàn)用水為超純水.

1.2 檢測(cè)機(jī)理

納米金的制備及其可視化檢測(cè)苯代三聚氰胺的檢測(cè)機(jī)理如圖1 所示.

圖1 金納米顆粒制作機(jī)理和團(tuán)聚機(jī)理Fig.1 Fabrication mechanism and Agglomeration mechanism of gold nanoparticles

采用檸檬酸鈉作為還原劑,還原氯金酸得到表面帶負(fù)電的金納米顆粒（如圖1-a）,再利用金納米顆粒在特定條件下可以與氨基化合物發(fā)生顯色反應(yīng)的特點(diǎn),使其與苯代三聚氰胺反應(yīng),觀察反應(yīng)現(xiàn)象（如圖1-b）.反應(yīng)機(jī)理如圖1 所示,氯金酸中的金離子與檸檬酸鈉接觸后,還原生成金原子,金原子的數(shù)目迅速上升至飽和,并在剩余檸檬酸鈉的保護(hù)下與金原子結(jié)合形成帶負(fù)電的納米金粒子,使得納米金在靜電效應(yīng)的作用下相互排斥,呈游離狀,分布均勻.在生成的納米金粒子中加入苯代三聚氰胺,游離的納米金顆粒與苯代三聚氰胺上的氨基反應(yīng),使其有機(jī)地連接起來,從而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色.因此可以通過觀察混合溶液體系的顏色變化實(shí)現(xiàn)對(duì)苯代三聚氰胺的可視化檢測(cè).

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 納米金的制備 根據(jù)文獻(xiàn)[21]和[22]采用檸檬酸鈉合成法制備AuNPs：500 mL 的棕色瓶中加入30 mg 氯金酸,300 mL 水,在磁力攪拌器上加熱,并在沸騰后迅速加入15 mL 質(zhì)量為0.15 g 檸檬酸鈉,持續(xù)加熱10 min,溶液由淡黃色變?yōu)榫萍t色,停止加熱,繼續(xù)攪拌溶液冷卻至室溫.

1.3.2 AuNPs-NaCl-BG 反應(yīng)測(cè)定 在一系列4 mL 的比色瓶中,加入2 mL 納米金,100 μL濃度為0.1 mol/L NaCl 及一系列濃度（5、10、25、40、60、100、200、300 μmol/L）的苯代三聚氰胺（BG）,靜置5 min,觀察顏色變化.

以不添加目標(biāo)物的體系為參比,利用TU－1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描,測(cè)定混合溶液在400~800 nm 的紫外吸收光譜.根據(jù)不同濃度苯代三聚氰胺吸收情況繪制波長λ 與吸光度的關(guān)系圖,計(jì)算苯代三聚氰胺濃度與吸光度A630之間的線性關(guān)系.

1.3.3 納米金與BG 反應(yīng)的影響因素（1）NaCl 濃度：配置系列濃度（0、0.067、0.100、0.120、0.130、0.140、0.150 mol/L）的NaCl 溶液,在一系列4 mL 的比色瓶中,加入2 mL 納米金,100 μL 系列濃度的NaCl,1 mL濃度為100 μmol/L 苯代三聚氰胺（BG）,混合均勻,靜置5 min,觀察不同NaCl 濃度反應(yīng)顯色現(xiàn)象.

（2）pH 值：配制系列（3、4、5、6、7、8）pH 值的納米金溶液,依次滴加0.2 mL系列pH 的納米金,10 μL濃度為0.1 mol/LNaCl,100 μL 系列濃度的苯代三聚氰胺溶液,靜置5 min 觀察溶液顏色變化.

2 結(jié)果與討論

2.1 納米金選擇性分析

苯代三聚氰胺選擇性紫外光譜圖如圖2 所示.

圖2 苯代三聚氰胺選擇性紫外光譜圖Fig.2 The UV spectrum of phenylmelamine

分別考察了單一BG、NaCl 對(duì)納米金,以及BG 和NaCl 同時(shí)存在時(shí)對(duì)納米金的影響.由圖2 可知,單一的納米金溶液呈酒紅色,單獨(dú)加入BG 或NaCl 時(shí),納米金溶液都不發(fā)生顏色變化.當(dāng)BG、NaCl 同時(shí)存在時(shí),游離金顆粒與氨基發(fā)生反應(yīng),聚集產(chǎn)生團(tuán)聚,顆粒變大,溶液由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色.用TU-1901 雙光束紫外可見分光光度計(jì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),單獨(dú)加入BG 或NaCl 時(shí),溶液的最大吸收峰在520 nm 左右,當(dāng)同時(shí)加入BG、NaCl 時(shí),溶液的最大吸收峰發(fā)生紅移至665 nm,表明溶液發(fā)生了團(tuán)聚反應(yīng).

2.2 AuNPs 與AuNPs-NaCl-BG 的形貌特征

為了驗(yàn)證納米金與苯代三聚氰胺的顯色現(xiàn)象是由納米金的團(tuán)聚反應(yīng)產(chǎn)生的,利用透射電子顯微鏡和Zeta 電位/粒度/分子量分析儀對(duì)AuNPs 與AuNPs-NaCl-BG 的粒徑、微觀形貌進(jìn)行分析.如圖3 所示.

圖3 納米金與BG 的電鏡分析及粒徑分析Fig.3 The SEMand particle size analysis of AuNPs and BG

從圖3 可知,檸檬酸鈉還原氯金酸制備的納米金溶液尺寸均一,分布均勻（如圖3-a）.當(dāng)加入NaCl及苯代三聚氰胺反應(yīng)后,納米金顆粒發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,粒徑明顯增大（如圖3-b）.由粒徑分析圖可以看出,游離的納米金粒子粒徑在10 nm 左右,尺寸單一,分布均勻（如圖3-c）.當(dāng)納米金、NaCl 和苯代三聚氰胺發(fā)生反應(yīng)后（如圖3-d）,可以觀察到游離的納米金粒子發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,粒徑明顯變大,約為100 nm.由此表明,苯代三聚氰胺與納米金粒子的顯色反應(yīng)是由納米金的團(tuán)聚反應(yīng)造成.

2.3 AuNPs-NaCl-BG 溶液的線性范圍

在最佳試驗(yàn)條件下,納米金的顯色現(xiàn)象隨苯代三聚氰胺濃度增大呈梯度變化,如圖4 所示.由酒紅色變?yōu)樽仙?最后變?yōu)樗{(lán)色.使100 μL 濃度為0.1 mol/L NaCl、2 mL 納米金、100 μL 系列濃度苯代三聚氰胺反應(yīng),由圖4 可以看出,當(dāng)苯代三聚氰胺濃度在0~300 μmoL/L 時(shí),隨苯代三聚氰胺濃度的變大,AuNPs-NaCl-BG 混合溶液吸收光譜在520 nm 處的峰值不斷下降,同時(shí)產(chǎn)生紅移,說明該現(xiàn)象與納米金的團(tuán)聚反應(yīng)有關(guān).當(dāng)苯代三聚氰胺濃度高于40 μmoL/L 時(shí),710 nm 處凸起一個(gè)新的吸收峰.該現(xiàn)象表明納米金溶液發(fā)生了團(tuán)聚反應(yīng),顆粒變大產(chǎn)生了新的吸收峰.

圖4 不同濃度苯代三聚氰胺吸光度與波長的紫外光譜圖Fig.4 UV-vis absorbance of AuNPs upon addition of different concentrations of benzoguanamine.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制不同濃度BG、納米金與NaCl反應(yīng)后的吸光度關(guān)系圖以及苯代三聚氰胺在5~90μmoL/L濃度范圍內(nèi)的線性關(guān)系如圖5 所示.

圖5 630 nm 波長下納米金、NaCl 與不同濃度BG 的關(guān)系Fig.5 Relationship between AuNPs,NaCl and different concentrations of BG at 630 nm wavelength

由圖5 可以看出,當(dāng)苯代三聚氰胺濃度在0~90 μmoL/L 時(shí),溶液的吸光度隨苯代三聚氰胺的濃度增大逐漸變大.當(dāng)苯代三聚氰胺濃度大于90 μmoL/L 時(shí),溶液的吸光度變化趨于穩(wěn)定,且隨著苯代三聚氰胺濃度的增大,吸光度不再變化,表明納米金完全發(fā)生團(tuán)聚.同時(shí)當(dāng)苯代三聚氰胺的濃度在0~90 μmoL/L時(shí),溶液的吸光度隨苯代三聚氰胺的濃度呈良好的線性關(guān)系,其線性關(guān)系為y=0.003 9 x+0.063 5,r=0.994 9、檢測(cè)限為6.00 μg/L,故AuNPs-NaCl-BG 混合溶液線性關(guān)系良好.

2.4 納米金與BG 反應(yīng)的影響因素

2.4.1 鹽濃度的影響 鹽作為一種誘導(dǎo)劑,一直是影響納米金團(tuán)聚反應(yīng)的重要因素,鹽濃度過低納米金與苯代三聚氰胺不能發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,濃度過高會(huì)使納米金與苯代三聚氰胺的混合溶液直接發(fā)生聚沉.在比色瓶中加入100 μL系列濃度的NaCl,100 μL濃度為100 μmol/L 苯代三聚氰胺,2 mL 納米金,混合均勻,觀察溶液顏色變化.顯色反應(yīng)如圖6 所示.

圖6 BG 與AuNPs 在不同NaCl 濃度下的顯色反應(yīng)Fig.6 Color reaction of BG and AuNPs under different NaCl concentrations

由圖6 可知,NaCl 濃度對(duì)納米金的顯色反應(yīng)有著顯著的影響.隨著NaCl 濃度增大,混合溶液的顏色由酒紅色逐漸變?yōu)樗{(lán)色.當(dāng)鹽濃度低于0.067 mol/L 時(shí),肉眼難以觀察到納米金的顯色現(xiàn)象,當(dāng)鹽濃度大于0.067 mol/L 時(shí),可以明顯觀察到納米金溶液變?yōu)樗{(lán)色,隨著NaCl 濃度的增大,溶液顏色發(fā)生酒紅色-紫色- 藍(lán)色的變化,而當(dāng)鹽濃度大于0.150 mol/L 時(shí),納米金溶液則直接發(fā)生聚沉.因此在納米金的顯色反應(yīng)中,采用NaCl 的最佳濃度為0.100 mol/L.

2.4.2 pH 值的影響 pH 值一直都是化學(xué)反應(yīng)中的重要影響條件,溶液的pH 值對(duì)反應(yīng)的選擇性靈敏度等因素也有著較大的影響.配制一系列pH 值的納米金溶液,并利用比色板進(jìn)行不同濃度、不同pH 值和不同苯代三聚氰胺濃度的點(diǎn)板,試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示.

圖7 苯代三聚氰胺濃度與pH 值對(duì)納米金團(tuán)聚影響Fig.7 Effect of Benzoguanamine concentration and pH value on gold nanoparticles agglomeration.

由圖7 可知,pH 值的大小對(duì)顯色現(xiàn)象有著明顯的影響,當(dāng)pH 值在3~7 時(shí),隨著pH 值增大,溶液顏色發(fā)生藍(lán)色- 紫色- 酒紅色的變化,且隨著苯代三聚氰胺濃度的增大,溶液逐漸由酒紅色變?yōu)樗{(lán)色,當(dāng)pH 值大于7 時(shí),隨苯代三聚氰胺濃度變化,溶液的顯色反應(yīng)不再明顯.因此納米金的顯色現(xiàn)象隨溶液BG濃度和酸性的增大不斷增強(qiáng)——溶液顏色變化為：酒紅色- 紫色- 藍(lán)色.

3 結(jié)論

基于氯金酸在檸檬酸鈉的作用下制取納米金（AuNPa）.研究表明,AuNPs 和苯代三聚氰胺在NaCl 的誘導(dǎo)作用下發(fā)生反應(yīng),溶液會(huì)從酒紅色變成藍(lán)色,且隨苯代三聚氰胺、NaCl 濃度升高、酸性變強(qiáng),溶液顏色越接近藍(lán)色.在最佳的pH 和NaCl 濃度下,該方法對(duì)苯代三聚氰胺檢測(cè)的檢測(cè)限為6.00 μg/L,線性方程為y =0.003 9 x+0.063 5,相關(guān)系數(shù)r=0.994 9.該測(cè)定方法分析簡單、靈敏度高、耗時(shí)短、成本低.