金納米簇的制備及對重金屬汞的檢測

蔡宇玲 張紀梅

摘 要 以谷胱甘肽（GSH）為還原劑和穩定劑制備金納米簇（Au NCs）。Au NCs具有類過氧化物酶活性，可催化過氧化氫（H2O2）和3，3'，5，5'-四甲基聯苯胺（TMB）的反應，使溶液變為藍色；當溶液引入Hg2+，Hg2+吸附在金團簇表面，抑制其催化活性，使得反應體系顏色變淺。基于Hg2+的抑制作用設計了Hg2+比色傳感器，考察了緩沖溶液pH值、底物濃度及時間對檢測Hg2+的影響。在最佳條件下，方法的線性范圍為10～300 nmol/L（R2=0.997），檢出限為6.26 nmol/L。本方法選擇性好，靈敏度高，為水質分析提供了一種新方法。

關鍵詞 金納米簇；類過氧化物酶；比色；汞離子

1 引 言

工業的快速發展給人們生活帶來了便利，同時也產生了一些污染環境的廢棄物，其中的重金屬不僅會污染周圍的土壤及水生生態系統，也會對人體健康造成威脅。汞是一種廣泛分布的劇毒污染物，可通過食物鏈在體內積累，從而對人體器官（如腦、肺、腎）及免疫系統造成不良影響[1～4]，如孕婦攝入汞，可能會導致兒童發育遲緩[5]。因此，對Hg2+進行檢測十分重要。目前，用于檢測水體中Hg2+的方法包括電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）[6～8]、溶出伏安法[9]、熒光光譜法[10，11]等。Wu等[12]使用鉍膜修飾玻碳電極，采用陽極溶出伏安法對溶液中的Hg2+進行檢測。劉士坤等[13]利用Hg2+能夠增強探針3'，6'-雙（二乙氨基）-2-（（4-氟基苯亞甲基）氨基）螺[異吲哚-1，9'-氧雜蒽]-3-硫酮的熒光，實現對Hg2+的檢測。但是，這些方法耗時，操作復雜，對分析人員的要求較高，不利于Hg2+檢測的實際應用。因此，開發簡單、選擇性好、靈敏度高、成本低的Hg2+檢測方法具有重要的實際應用價值。

近年來，隨著納米材料研究的不斷深入，多種無機納米材料，包括Fe3O4[14]、V2O5納米線[15]、碳點[16]等，均被發現具有類過氧化物酶活性。與天然酶相比，納米模擬酶顯示出許多獨特的優點，包括制備簡單、價格低廉、穩定性好、催化活性高等。目前，許多納米材料模擬酶被廣泛應用于金屬離子的檢測。Long等[17]利用金納米粒子的類過氧化物酶活性可視化檢測Hg2+。Zhang等[18]利用Hg2+對納米復合材料rGO/PEI/Pd類酶活性的增強作用，實現了廢水及人血清中Hg2+的超靈敏檢測。 彭濤等[19]制備了蛋白雜化熒光金納米簇用于Hg2+的檢測。 Gao等[20]利用Ag+對PVP保護的鉑立方體納米粒子類過氧化物酶活性的抑制作用，實現了對Ag+的檢測。目前，基于Hg2+對納米材料類過氧化物酶活性的抑制作用比色檢測Hg2+的報道較少。

GSH穩定的Au NCs具有較高的類過氧化物酶活性，能夠催化H2O2-TMB發生顯色反應，使溶液變為藍色；當溶液中存在Hg2+時，Hg2+抑制Au NCs的類過氧化物酶活性，使體系顏色變淺。基于此，本研究構建了Hg2+的可視化檢測體系，并成功應用于實際水樣中Hg2+的檢測。

3 結果與討論

3.1 GSH保護的Au NCs的表征

使用透射電子顯微鏡（TEM）對谷胱甘肽保護的Au NCs進行表征，結果如圖1A所示，制備的Au NCs分散性良好，并大致呈球形，尺寸均勻，粒徑約為2.3 nm。高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）顯示制備的Au NCs的晶格間距為0.228 nm，對應于面心立方Au（111）晶格間距[22]。由Au NCs的紫外-可見吸收光譜曲線（圖1B）可見，在500 nm及400 nm處出現很小的吸收峰，而在520 nm處并未出現大尺寸金納米粒子所獨有的表面等離子體共振（SPR）的特征[23]。原因是金納米簇的尺寸接近費米能級波長，連續態分裂成離散電子態，使其具有類分子的屬性，故Au NCs不具有SPR的性質[23～25]。從熒光光譜（圖1B）可見，谷胱甘肽保護的金納米簇在365和610 nm處分別對應最大激發和發射波長。此熒光Au NCs顯示出寬的激發帶和大的斯托克斯位移（>200 nm）。這些數據與文獻中制備的Au NCs的表征結果一致。Au NCs的X射線光電子能譜（XPS）全譜圖（圖1C）上可見Au 4f，S 2s，C 1s，Au 4d，N 1s和O 1s的特征峰，證實Au NCs上存在GSH分子。如圖1D所示，84.6和88.4 eV的結合能分別對應于零價的Au4f7/2和Au4f5/2，金膜的Au（0）的結合能為84.0 eV，金硫醇鹽的Au（I）的結合能為85.0 eV， 而Au4f7/2的結合能為84.6 eV，位于上述兩者之間，這說明在所制備的金團簇中Au（0）和Au（I）都存在[26，27]。以上實驗結果表明本方法成功制備出Au NCs。

3.2 汞抑制的Au NCs類過氧化物酶活性研究

TMB常用作過氧化物酶的顯色底物。TMB具有大的共軛體系，是良好的電子供體，自由基（如羥基自由基（·OH））常具有很強的得電子能力，當TMB與·OH發生作用時，·OH可奪取TMB中的電子，使其結構發生變化，TMB失去一個電子的產物在652 nm處有最大吸收，反應體系顏色由無色變為藍色；若TMB再失去一個電子，其產物在450 nm處出現吸收峰，反應體系顏色由藍色變為黃色。如圖2所示，當溶液中只有H2O2和TMB存在時，溶液顏色基本無變化，對應吸收曲線在652 nm處無吸收峰（曲線a），表明H2O2單獨存在并不能氧化TMB；當緩沖液中存在Au NCs時，體系顏色變為藍色，對應吸收光譜圖在652 nm處有氧化態TMB特征吸收峰（曲線b），表明Au NCs存在下能夠催化H2O2氧化TMB，使體系顏色發生變化；當溶液中引入Hg2+時，體系顏色變淺（曲線c），說明Au NCs仍能夠催化H2O2氧化TMB，只是催化能力降低。由以上實現結果可以判斷，在PB緩沖體系中，Hg2+可抑制Au NCs的類過氧化物酶活性。

4 結 論

使用GSH作為還原劑及穩定劑制備出具有水溶性的熒光Au NCs。Au NCs具有類過氧化酶活性，可以催化H2O2-TMB體系，從而使得溶液顏色發生變化，而Hg2+可以抑制Au NCs的類過氧化酶活性，據此構建了一種檢測Hg2+的方法，檢出限為6.26 nmol/L。本檢測方法選擇性好，靈敏度高，用于實際湖水中Hg2+的檢測，效果良好。

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Abstract A colorimetric method was developed for detection of mercury based on the inhibition of oxidation of peroxidase substrates. The as-prepared gold nanoclusters （Au NCs）， which has been stabilized and reduced by Glutathione （GSH）， can effectively catalyze the H2O2-TMB to generate a blue color signal. It is interestingly that Hg2+ can inhibit the oxidation of peroxidase substrates， thus causing a color diminished. Taking advantage of the inhibitive effect of Hg2+， a novel Hg2+ sensor has been developed. In this system， sensing conditions， including pH of the buffer solution， substrate concentration and time， were optimized. Under the optimal conditions， the probe showed a linear range of 10-300 nmol/L （R2=0.997） with a detection limit of 6.26 nmol/L. In addition， this sensor exhibited good selectivity and sensitivity for Hg2+ against other common environmental mental ions， providing a new method for water analysis.

Keywords Gold nanoclusters； Peroxidase-like activity； Colorimetric； Mercury ion

（Received 31 December 2017； accepted 8 April 2018）