基于手性金納米粒子圓二色光譜法識別與檢測銀離子

韋克毅,王　猛,杜　宇,蔡　波,江云寶

(1.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南昆明650231；2.廈門大學化學化工學院，福建廈門361005)

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·研究簡報·

基于手性金納米粒子圓二色光譜法識別與檢測銀離子

韋克毅1,2,王猛1,杜宇1,蔡波1,江云寶2*

(1.云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心，云南昆明650231；2.廈門大學化學化工學院，福建廈門361005)

摘要：采用液相制備方法獲得具有光學活性的手性金納米粒子，通過吸收光譜和圓二色光譜及高分辨透射電鏡對手性金納米粒子進行表征.利用圓二色光譜法建立手性金納米粒子對Ag+選擇性識別方法，結(jié)果表明手性金納米粒子對Ag+響應時間僅需12 min，手性金納米粒子能夠從13種常見金屬離子中選擇性識別Ag+，并對多種常見金屬離子具有較好的抗干擾能力，檢測靈敏度高并且具有良好的重現(xiàn)性.所建立標準曲線線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15)，Ag+的檢測限為0.2 μmol/L；為環(huán)境水樣中Ag+的識別和檢測提供了一種簡單、精確、快速、環(huán)境友好的新方法.

關(guān)鍵詞：手性金納米粒子；圓二色光譜；識別；檢測；Ag+

Ag+對細菌、病毒、水藻和真菌等有較強的毒性，被用于醫(yī)療器材和消毒劑等領(lǐng)域.每年平均有約2 500 t的銀隨工業(yè)廢棄物排放進入環(huán)境中，其中約150 t進入了土壤，對植物產(chǎn)生嚴重的危害，而約80 t進入地表水體中[1-2].Ag+與Cr3+、Cd2+、Cu2+和Hg2+一起被認為是毒性最強的一類物質(zhì)，其毒性僅次于Hg2+.研究表明Ag+是對水生物毒性最強的離子之一，例如：對廣泛研究的淡水魚——彩虹鱒魚，Ag+通過抑制魚鰓上皮細胞中Na+和K+-ATP酶對Na+和Cl-的攝入，引起離子傳輸?shù)奈蓙y，造成心血管崩潰，最終導致魚類的死亡[1,3-5].因此，建立高選擇性、高靈敏度的Ag+識別和檢測方法對環(huán)境監(jiān)測具有重要意義.

圓二色光譜(circular dichroism spectrum，CD光譜)是用于推斷手性分子或粒子的構(gòu)型和構(gòu)象的一種旋光光譜,具有快速、簡單和準確的特點，常用于研究手性金納米粒子的微觀結(jié)構(gòu)和手性來源[6-8].在實際應用中，主要是利用手性金納米粒子吸收光譜[3]和熒光光譜[5]的性質(zhì)，對手性金納米粒子CD光譜性質(zhì)的實際應用鮮有報道.本研究將手性金納米粒子的CD光譜信號的變化與Ag+的濃度相關(guān)聯(lián)，既拓展了金納米粒子的應用范圍[9-10]，又對Ag+的識別與檢測提供了新的方法.

1實驗部分

1.1儀器與試劑

紫外-可見吸收光譜在Thermo Evolution 分光光度計上測試.CD光譜在JASCO J-810旋光光譜儀上測試，掃描速率為500 nm/min，光柵狹縫為2 nm.光譜測繪采用1 cm石英液池.高分辨透射電鏡(TEM)加速電壓為300 kV.

三水合氯金酸、羧甲基纖維素鈉、巰基乙胺鹽酸鹽購自阿拉丁試劑公司，氯化汞、硝酸銀、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋅、氯化鈣、氯化鎘、硝酸鉛、氯化鎳、氯化鋇、氯化鐵、七水合硫酸亞鐵、氯化銅、硫酸錳、硝酸鈷、氯化鎂和氯化鉻購自上?；瘜W試劑公司，實驗中涉及的其他化學藥品及試劑購自上海國藥試劑公司，以上試劑均為分析純.實驗用水為超純水.

1.2手性金納米粒子的制備

取1.00 g羧甲基纖維素鈉溶解于400 mL水中，攪拌6 h，靜置待用.取1.36 g巰基乙胺鹽酸鹽溶解于400 mL水中，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至近中性，待用.將上述羧甲基纖維素鈉和巰基乙胺溶液分別用六次甲基四胺鹽酸緩沖液(5 mmol/L，pH 4.0)稀釋10倍后等體積混合，攪拌10 min后加入等體積0.5 mmol/L氯金酸溶液繼續(xù)攪拌30 min，靜置陳化2 h即得手性金納米粒子儲備液，待用.

1.3實驗方法

圖1　手性金納米粒子的吸收光譜和CD光譜(a)、TEM圖(b)及粒徑分布圖(c)Fig.1Absorption spectra and CD spectra(a),TEM images(b) and size distributions(c) of chiral gold nanoparticles

手性金納米粒子對Ag+的選擇性實驗：分別取1 mL手性金納米粒子儲備液，分別加入1 mL一定濃度的金屬離子，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測定其CD光譜.

共存離子干擾實驗：取1 mL手性金納米粒子儲備液，加入1 mL 10 mmol/L的乙二胺四乙酸(EDTA)溶液和1 mL 100 μmol/L Ag+，分別加入1 mL一定濃度的金屬離子，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測定其CD光譜.

標準曲線實驗：分別取1 mL手性金鈉米粒子儲備液，各加入1 mL 10 mmol/L的EDTA溶液和1 mL一定濃度的Ag+，用六次甲基四胺鹽酸緩沖液分別定容至10 mL，搖勻穩(wěn)定后測定其CD光譜.

2結(jié)果與討論

2.1手性金納米粒子的吸收光譜、CD光譜及TEM表征

圖1為所合成的手性金納米粒子的吸收光譜、CD光譜、TEM圖和粒徑分布圖.吸收光譜和CD光譜(圖1(a))在230 nm附近有最大吸收峰，說明所合成的金納米粒子粒徑小于常規(guī)合成方法[11-12]，手性光學活性很強達到0.24°.從TEM圖像中可以看出大部分金納米粒子大小均一，單分散性較好(圖1(b)).隨機選取100個金納米粒子進行粒徑統(tǒng)計分析，獲得金納米粒子的粒徑為(3.6±0.5) nm，其粒徑分布如圖1(c)所示.

2.2手性金納米粒子對Ag+的響應時間

圖2為手性金納米粒子溶液中加入10 μmol/L Ag+后，在0，0.5，1.0，3.0，4.0，6.0，7.5，10，11，14，15，20，25 min時的CD光譜和在230 nm處CD光譜強度的猝滅圖.從圖中可以看出，手性金納米粒子的CD光譜強度隨著Ag+的加入迅速下降最終趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時間為12 min.從響應時間的角度考慮，該方法可以應用于Ag+的快速識別與檢測.

2.3手性金納米粒子對Ag+識別的選擇性

為了考察手性金納米粒子對Ag+的選擇性，還分別測定了12種其他常見金屬離子(Ca2+、Mg2+、 Co2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+、Cu2+、Fe3+、Pb2+)存在下手性金納米粒子CD光譜強度的變化情況.如圖3所示：僅10 μmol/L Ag+能引起(ICD0-ICD)/ICD0的顯著增大；其他離子，包括200 μmol/L Fe3+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Hg2+和1 mmol/L Ca2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+，均未使(ICD0-ICD)/ICD0發(fā)生顯著增大.實驗結(jié)果表明，本方法對水溶液中的Ag+識別具有較好的選擇性.

2.4共存離子干擾

(ICD0-ICD)/ICD0 表示Ag+對手性金納米粒子的CD光譜強度猝滅，其中ICD0 表示未加Ag+時的 CD光譜強度，ICD表示加入Ag+后的CD光譜強度，下同.圖2　手性金納米粒子溶液加入Ag+后CD光譜圖(a)和CD光譜強度猝滅圖(b)Fig.2The response of CD spectra(a) and CD spectral intensity quenching diagram(b) for chiral gold nanoparticles to Ag+

Fe3+、Pb2+、Cu2+、Co2+、Hg2+的濃度均為200 μmol/L; Ca2+、Mg2+、Cd2+、Zn2+、K+、Na+、Ba2+的濃度均為 1 mmol/L;Ag+濃度為10 μmol/L;CK為空白對照.圖3　手性金納米粒子的離子識別選擇性Fig.3Selectivity on the ion recognition of chiral gold nanoparticles

離子識別與檢測的抗干擾性，體現(xiàn)在當環(huán)境樣品中有其他離子與目標離子共存時，目標離子的識別與檢測不受其他離子干擾.如圖4所示，本研究考察了常見金屬離子和Ag+共存時，手性金納米粒子的CD光譜強度猝滅響應的競爭實驗.其中Ag+濃度為10 μmol/L，F(xiàn)e3+、Pb2+、Hg2+和Cr3+的濃度是Ag+的4倍；Cd2+、Cu2+、Co2+、Fe2+和Ni2+濃度是Ag+的10倍；Ba2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+和Zn2+濃度是Ag+的20倍.結(jié)果表明，上述離子與Ag+共存時對Ag+的識別與檢測沒有明顯干擾，手性金納米粒子CD光譜法應用于Ag+的識別與檢測具有良好的抗干擾性.

Ag+濃度為10 μmol/L；Fe3+、Pb2+、Cr3+、Hg2+的濃度均為 40 μmol/L;Cd2+、Cu2+、Fe2+、Co2+、Ni2+濃度均為100 μmol/L; Zn2+、Ba2+、Ca2+、Mg2+、Mn2+濃度均為200 μmol/L.圖4　Ag+識別與檢測的抗干擾性Fig.4Anti-interference study of Ag+identification and detection

手性金納米粒子的手性來源于配體的協(xié)同作用和Au…Au親金屬相互作用引起的金納米粒子螺旋排布.手性金納米粒子能夠選擇性識別眾多金屬離子中的Ag+，其中有3個原因：1) Ag+和硫醇(HSR)的穩(wěn)定常數(shù)遠高于除Hg2+外的絕大部分金屬離子，2) Ag+和EDTA的穩(wěn)定常數(shù)遠小于絕大部分的金屬離子(表1)，3) Ag+和Au可以形成親金屬相互作用.因此，Ag+的識別機理如圖5所示：當加入Ag+時EDTA幾乎不起作用，Ag+和Au競爭與HSR相互作用并和Au形成親金屬相互作用破壞原來金納米粒子的螺旋排布導致CD光譜強度下降；而加入其他金屬離子時，Pb2+、Cu2+、Fe3+和Cd2+和EDTA發(fā)生螯合反應而減小干擾，其他金屬離子則不會影響手性金納米粒子的螺旋排布，CD光譜強度沒有明顯的變化.

2.5Ag+的定量檢測

利用手性金納米粒子在230 nm處的CD光譜強度猝滅值((ICD0-ICD)/ICD0)對Ag+濃度作圖，通過線性擬合得到標準曲線(圖6)，線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15).方法檢測限

表1　金屬離子在pH 4.0時和HSR及EDTA的穩(wěn)定常數(shù)

Tab.1　Stability constants(pKsp) of metal ions with HSR or EDTA in solution of pH 4.0

配體金屬離子與配體穩(wěn)定常數(shù)pKspAg+Fe3+Pb2+Cu2+Co2+Hg2+Ba2+Ca2+Cd2+Mg2+Mn2+Ni2+Zn2+HSR48.727.935.224.752.426.112.725.721.7EDTA0.714.79.410.27.811.3<1.3<2.26.0<2.15.510.17.9

圖5　手性金納米粒子識別Ag+示意圖Fig.5Schematic illustration of the chiral sensor for Ag+ based on chiral gold nanoparticles

圖6　Ag+檢測的標準曲線Fig.6Standard curve for Ag+ detection

(3σ/K)[7]為0.2 μmol/L.本方法與文獻[13]報道的熒光猝滅法相比，Ag+的檢測線性范圍更寬，檢測限更低；與文獻[14]報道的離子選擇性電極法相比，Ag+的檢測線性范圍相近，檢測限更低.

2.6實際樣品的檢測

采集了昆明市附近兩處湖水和當?shù)刈詠硭畼悠?，?種實際環(huán)境水樣中的Ag+進行了檢測，均未檢出Ag+.對實際水樣進行了Ag+的加標回收實驗，結(jié)果如表2所示，當加入的Ag+在4～15 μmol/L時，Ag+平均回收率在92%～104%之間，相對標準偏差(RSD)均不高于3.6%(n=3).根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標準》[15]規(guī)定，飲用水中Ag+的限量為0.05 mg/L(0.463 μmol/L)，因此本研究所提出的檢測方法滿足國家限量標準的要求，可用于實際水樣中Ag+的檢測.

表2　實際水樣中的加標回收實驗結(jié)果Tab.2　Recovery of spiked Ag+ in natural water samples

3結(jié)論

本研究利用手性金納米粒子的CD光譜對Ag+進行選擇性識別和檢測.實驗結(jié)果表明手性金納米粒子探針對Ag+響應時間短，具有很好的選擇性和抗干擾能力，檢測靈敏度高并且具有良好的重現(xiàn)性.在本實驗條件下建立的Ag+檢測標準曲線，線性范圍為0.2～30 μmol/L，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.995(n=15)，檢測限為0.2 μmol/L.本研究為環(huán)境水樣中Ag+的識別和檢測提供了一種簡單、精確、快速、環(huán)境友好的新方法.

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doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201512004

收稿日期：2015-12-03錄用日期：2016-02-22

基金項目：云南中煙工業(yè)有限責任公司技術(shù)中心科技項目(HYHH2013CL02)

*通信作者：ybjiang@xmu.edu.cn

中圖分類號:O 651

文獻標志碼：A

文章編號：0438-0479(2016)04-0601-05

Recognition and Detection of Silver Ion by Circular DichroismSpectrum Based on Chiral Gold Nanoparticles

WEI Keyi1,2,WANG Meng1,DU Yu1,CAI Bo1,JIANG Yunbao2*

(1.Research & Development Center,China Tobacco Yunnan Industrial Co.，Ltd.,Kunming 650231,China;2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)

Abstract:In this work,chiral gold particles with optical activity can be obtained by a facile liquid phase method.The textural properties of the as-prepared samples were characterized by high resolution transmission electron microscopy, circular dichroism spectrum and absorption spectrum.The results show that the average particle size for the production is 3.6 nm and silver ion can be selectively recognized from 13 kinds of metal ions in 12 min with universal recurrence.We also established the standard curve for detecting silver ion. This study demonstrates that the linear range for this curve is 0.2-30 μmol/L,the linearly dependent coefficient is 0.995(n=15),which supplies a simple new environmentally friendly method for quickly detecting and recognizing silver ion in environmental water samples with high precision.

Key words:chiral gold nanoparticles;circular dichroism spectrum;recognition;detection;silver ion

引文格式：韋克毅,王猛,杜宇，等.基于手性金納米粒子圓二色光譜法識別與檢測銀離子[J].廈門大學學報(自然科學版)，2016,55(4)：601-605.

Citation：WEI K Y, WANG M,DU Y,et al．Recognition and detection of silver ion by circular dichroism spectrum based on chiral gold nanoparticles[J].Journal of Xiamen University(Natural Science)，2016,55(4)：601-605．(in Chinese)