金納米棒比色檢測亞鐵離子

黃 帥，劉顯杰，游 立

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金納米棒比色檢測亞鐵離子

黃 帥，劉顯杰，游 立

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

實(shí)現(xiàn)亞鐵離子的簡單高效檢測，在生化傳感領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用。本文中，基于芬頓試劑（亞鐵離子和過氧化氫的混合物）對金納米棒的選擇性氧化，實(shí)現(xiàn)了對亞鐵離子的比色檢測。伴隨芬頓試劑的引入，金納米棒溶膠顏色由紅色逐漸演變?yōu)樽厣⒕G色、藍(lán)色、紫色，乃至粉紅色?；诖艘?guī)律，實(shí)現(xiàn)了對亞鐵離子的可視化檢測。本文提出了一種相對Hg2+, Mg2+, Cu2+, Fe3+, Sn2+, Co2+, Cd2+, Cr3+, Zn2+, Ba2+, Ni+等離子具有良好選擇性的亞鐵離子檢測方法。

金納米棒 亞鐵離子 芬頓試劑 比色檢測

0 引言

鐵元素是自然界中最豐富的過渡金屬，并且廣泛存在于水和土壤中。鐵離子在生物體的生物代謝中扮演著重要的角色。亞鐵離子的缺乏會導(dǎo)致諸如糖尿病、心臟病和肝、腎等器官的損害。然而亞鐵離子過量會導(dǎo)致排泄功能障礙，甚至可能誘發(fā)癌變[1-2]。因此研發(fā)高靈敏度和高穩(wěn)定性的亞鐵離子檢測技術(shù)具有重要意義。

金納米棒（GNRs）因其可調(diào)節(jié)的各向異性的光學(xué)特性和較寬的光譜范圍（從可見光區(qū)到近紅外區(qū)）在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景[3]。

GNRs因其可調(diào)節(jié)的各向異性的光學(xué)特性和較寬的光譜范圍（從可見光區(qū)到近紅外區(qū)）在生物化學(xué)傳感領(lǐng)域有巨大的發(fā)展前景。GNRs紫外吸收光譜有兩個(gè)表面等離子體共振（LSPR）吸收峰，分別是縱向等離子體共振吸收峰（LPAB）和橫向等離子體共振吸收峰（TPAB）。其中，TPAB對周圍介質(zhì)環(huán)境和GNRs長徑比非常敏感?；诖颂匦?，GNRs可用于生物化學(xué)領(lǐng)域的檢測[4,5]。

向GNRs溶膠中引入過氧化氫這種氧化試劑的時(shí)候，GNRs的端面會被氧化，且GNRs的長徑比和LPAB波長隨著H2O2氧化時(shí)間的延長逐漸變小。根據(jù)文獻(xiàn)可知通過向H2O2中加入過渡金屬離子產(chǎn)生羥基自由基能夠提高其氧化能力，而Fe2+對H2O2氧化能力的提高在眾多過渡金屬離子中最為顯著，因?yàn)镕e2+與H2O2可以形成具有強(qiáng)氧化性的芬頓試劑（Fenton reagent）[6,7]。

GNRs溶膠顏色隨著氧化過程的進(jìn)行發(fā)生規(guī)律性變化，出現(xiàn)了一個(gè)較寬的色域包括酒紅色、棕色、綠色、藍(lán)色、紫色、粉紅色，不同氧化程度的GNRs溶膠呈現(xiàn)出不同的顏色[8]。Fe2+與H2O2組成芬頓試劑，比其它離子（Na+, K+, Li+, Hg2+, Mg2+, Ni+, Sn2+, Co2+, Cd2+, Cr3+, Zn2+, Ba2+, Cu2+，F(xiàn)e3+）與H2O2的組合的氧化性要強(qiáng)很多，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e2+與H2O2的組合具有更強(qiáng)的氧化性，使得GNRs溶膠率先到達(dá)色域中的下一個(gè)特征顏色。因此，通過觀察樣品顏色即可實(shí)現(xiàn)對Fe2+的選擇性檢測和比色檢測。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 主要試劑和儀器

主要試劑：氯金酸（HAuCl·3H2O，分析純，上海國藥集團(tuán)試劑公司）；十六烷基三甲基溴化銨（C19H42BrN，分析純，上海國藥集團(tuán)試劑公司）；硼氫化鈉（NaBH4，96%，上海國藥集團(tuán)試劑公司）；抗壞血酸（C6H8O6，99.7%，上海國藥集團(tuán)試劑公司）；鹽酸（HCl，36-38%，武漢中天化工有限公司）；硝酸銀（AgNO3，99.8%，上海凌峰化學(xué)試劑公司）；過氧化氫（H2O2，30%，上海國藥集團(tuán)試劑公司）；氯化亞鐵（FeCl2·4H2O，分析純，上海國藥集團(tuán)試劑公司）。

主要儀器：恒溫磁力加熱攪拌器（HJ-2，中國，金壇市宏華儀器廠）；數(shù)顯恒溫水浴鍋（HH-2，中國，常州智博瑞儀器廠）；離心機(jī)（TGL-16C，中國，上海宏亭科學(xué)儀器廠）；分析天平（AUY220，中國，上海宏亭科學(xué)儀器廠）；紫外-可見分光光度計(jì)（UV-2450，日本，島津公司）；場發(fā)射透射電子顯微鏡（JEM-2100F，日本，電子株式會社）。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1晶種法制備金納米棒

首先，準(zhǔn)備20 mL含5×10-4mol氯金酸和0.1 mol CTAB的混合液。之后將現(xiàn)配的1.5 mL NaBH4冰水溶液（0.01 mol）加入到以上溶液中并快速攪拌2分鐘。溶液立刻變?yōu)樽攸S色，說明成功合成了CTAB包覆的晶種。晶種在30 ℃水浴鍋保存2.5小時(shí)后待用。將10 mL 0.01 M HAuCl4溶液與10 mL 0.1 mol CTAB溶液混合成金納米棒生長液。再依次加入0.5 mL 0.01 mol AgNO3溶液，180 μL現(xiàn)配的抗壞血酸溶液，40 μL 1.2 mol HCl溶液和40 μL晶種溶液并快速攪拌2分鐘。最后將上述配置的混合液放置于30℃水浴鍋保存16小時(shí)后備用。

1.2.2過氧化氫氧化金納米棒

取上述制備的4 mL 金納米棒，依次加入5 μL HCL（6 mol）、240 μL H2O2（0.124 mol）并混合均勻，將混合液放置于50℃水浴中反應(yīng)15分鐘，然后將混合液裝在紫外-可見光光譜儀的樣品池中，記錄其紫外-可見吸收光譜。然后將樣品取出后，再加入110 μL H2O2（0.124 M），此時(shí)共加入過氧化氫的濃度為10 mmol，將樣品混合均勻后置于50 ℃水浴中反應(yīng)15分鐘，再將樣品裝在紫外-可見光光譜儀的樣品池中，記錄其紫外-可見吸收光譜。隨后加入H2O2（0.124 mol），分別控制樣品中H2O2濃度為18 mmol，23 mmol，24 mmol，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)。詳細(xì)記錄和觀察H2O2氧化的GNRs的紫外可見光吸收光譜的演變規(guī)律。另外，在H2O2氧化GNRs的實(shí)驗(yàn)過程中利用場發(fā)射透射電子顯微鏡表征相應(yīng)樣品的物理形貌。

1.2.3芬頓試劑氧化金納米棒

取上述制備的4 mL金納米棒，然后依次加入5 μL HCL（6 M）、100 μL H2O2（0.124 M）并混合均勻，將混合液放置于50℃水浴中反應(yīng)8 分鐘，然后將混合液裝在紫外-可見光光譜儀的樣品池中，記錄其紫外-可見吸收光譜。然后將100 μL H2O2（0.124 mol）和50 μL FeCl2（2 mmol）混合均勻組成芬頓試劑，利用芬頓試劑取代上述實(shí)驗(yàn)過程的H2O2作為氧化劑，其它條件保持不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別以H2O2和芬頓試劑為氧化劑的GNRs的紫外-可見吸收光譜的變化，進(jìn)而比較兩者的氧化性。

1.2.4亞鐵離子選擇性和比色檢測

取上述制備的4 mL金納米棒，然后依次加入5 μL HCL（6 mol）、100 μL H2O2（0.124 mol）并混合均勻，將混合液放置于50℃水浴中反應(yīng)8 分鐘，然后將混合液裝在紫外-可見光光譜儀的樣品池中，記錄其紫外-可見吸收光譜。然后將100 μL H2O2（0.124 mol）和50 μL FeCl2（2 mmol）混合均勻組成芬頓試劑，利用芬頓試劑取代上述實(shí)驗(yàn)過程的H2O2作為氧化劑，其它條件保持不變，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別以H2O2和芬頓試劑為氧化劑的GNRs的紫外-可見吸收光譜的變化，進(jìn)而比較兩者的氧化性。

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O2氧化GNRs

圖1是GNRs被不同濃度H2O2氧化15分鐘后的系列紫外-可見吸收光譜。初始狀態(tài)GNRs的紫外-可見吸收光譜具有兩個(gè)等離子體共振吸收峰，分別在520 nm（TPAB）和731 nm（LPAB）處（譜線a），這兩個(gè)吸收峰分別來源于GNRs的橫向和縱向等離子體共振。當(dāng)向GNRs溶液中加入7 mmol H2O2后，GNRs的LPAB發(fā)生了明顯變化，中心波長藍(lán)移至669.7 nm，而TPAB波長卻沒有發(fā)生明顯的變化（譜線b）；當(dāng)加入的H2O2濃度繼續(xù)增加時(shí)，GNRs的LPAB波長進(jìn)一步藍(lán)移（譜線c和d），直至和TPAB匯合（譜線e和f）。透射電鏡圖顯示了氧化過程中金納米棒物理形貌的變化過程，如插圖所示。在初始樣品中，我們觀察到了標(biāo)準(zhǔn)金納米棒（插圖，a），然后棒的長度逐漸縮短（插圖，b和c），接著產(chǎn)生小部分的金球（插圖，d），最后只觀察到金納米球（插圖，e和f）。[9,10]

圖1 GNRs被不同濃度H2O2氧化15分鐘后的系列紫外-可見吸收光譜圖

2.2 芬頓試劑和H2O2對GNRs氧化作用對比

圖2 紫外-可見吸收光譜

圖2是GNRs被H2O2和芬頓試劑氧化前后的紫外-可見吸收光譜圖。芬頓試劑由3 mmol H2O2和25 μM Fe2+組成。其它參數(shù)如H2O2濃度、水浴溫度和溶液pH值分別是3 mmol，50℃和1.8。由光譜圖可知，初始狀態(tài)的GNRs吸收光譜中有兩個(gè)等離子體共振吸收峰，分別位于520 nm和787 nm處。在GNRs經(jīng)H2O2氧化8分鐘后，GNRs的LPAB波長發(fā)生明顯藍(lán)移，移至712 nm。在相同的氧化時(shí)間內(nèi)，經(jīng)芬頓試劑氧化的GNRs的LPAB波長則藍(lán)移至585 nm。相同的實(shí)驗(yàn)條件下，芬頓試劑氧化的GNRs的LPAB的藍(lán)移量更大，這說明與H2O2相比，芬頓試劑對GNRs的氧化性更強(qiáng)。

2.3 金納米棒氧化過程顏色變化

圖3 GNRs氧化過程中相應(yīng)溶膠的顏色變化

GNRs氧化過程中相應(yīng)溶膠的顏色變化如圖3所示，隨著芬頓試劑的加入，GNRs溶膠顏色由酒紅色（A）變?yōu)樽厣˙）、綠色（C）、藍(lán)色（D）、紫色（E）和粉紅色（F），說明GNRs在氧化過程中，會隨著自身尺寸的變化而呈現(xiàn)出不同的顏色。不同氧化能力的芬頓試劑，在相同條件下，對GNRs氧化程度不同，GNRs對應(yīng)溶膠顏色不同，基于此規(guī)律可以對Fe2+進(jìn)行比色法檢測。

2.4 比色法檢測亞鐵離子

圖4是GNRs被H2O2與不同金屬離子組成的混合物氧化后的溶膠顏色變化圖。由圖4可知，H2O2與Na+, K+, Li+, Hg2+, Mg2+, Ni+, Sn2+, Co2+，Cd2+, Cr3+, Zn2+, Ba2+, Cu2+, Fe3+等離子的組合氧化GNRs后，相應(yīng)的GNRs溶膠的顏色與初始GNRs溶膠顏色幾乎保持一致，都是酒紅色，且LPAB波長變化不大，說明這些離子對H2O2的氧化能力影響不大，既不大幅度促進(jìn)H2O2的氧化能力，也不大幅度抑制H2O2的氧化能力。H2O2與Fe2+離子的組合氧化GNRs后溶膠顏色由初始的酒紅色變?yōu)榍嗌襆PAB波長變化可達(dá)133 nm，這是因?yàn)镠2O2與Fe2+離子組合形成芬頓試劑，產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性，使GNRs被氧化的程度更深，對應(yīng)的溶膠顏色相比初始狀態(tài)發(fā)生變化。而其它組的GNRs溶膠顏色均保持為初始顏色酒紅色。該方法對Fe2+的檢測相對于其他金屬離子表現(xiàn)出良好的選擇性。而且，由于芬頓試劑氧化的GNRs的溶膠顏色變化更為顯著，還可以通過肉眼判斷Fe2+的存在，實(shí)現(xiàn)Fe2+的比色檢測。

圖4 溶膠顏色變化

3 結(jié)論

本文在H2O2對GNRs氧化規(guī)律的基礎(chǔ)上，引入Fe2+與H2O2組成芬頓試劑，考察了芬頓試劑對GNRs的氧化特性，GNRs溶膠顏色隨著氧化過程的進(jìn)行發(fā)生規(guī)律性變化，出現(xiàn)了一個(gè)較寬的色域包括酒紅色、棕色、綠色、藍(lán)色、紫色、粉紅色，不同氧化程度的GNRs溶膠呈現(xiàn)出不同的顏色。Fe2+與H2O2組成芬頓試劑，比其它離子（Na+, K+, Li+, Hg2+, Mg2+, Ni+, Sn2+, Co2+, Cd2+, Cr3+, Zn2+, Ba2+, Cu2+，F(xiàn)e3+）與H2O2的組合的氧化性要強(qiáng)很多，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e2+與H2O2的組合具有更強(qiáng)的氧化性，使得GNRs溶膠率先到達(dá)色域中的下一個(gè)特征顏色。因此，通過觀察樣品顏色即可實(shí)現(xiàn)對Fe2+的選擇性檢測和比色檢測。

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Colorimetric Detection of Fe2+Based on Gold Nanorods

Huang Shuai, Liu Xianjie, You Li

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

Detection of Fe with simpleness and efficiency is of great significance in biochemical sensing field. In this paper, colorimetric detection of ferrous ion Fe is realized based on Fenton reagent (a mixture of Fe and H2O2)(). The color of GNRs sol turns from crimson to brown, green, blue, purple, and pink when Fenton reagent is introduced, based on which visual detection of Fe could be realized. A high Fe detection selectivity over other metal ions, such as Hg, Mg, Cu, Fe, Sn, Co, Cd, Cr, Zn, Ba, Ni, etc., was demonstrated.

()(Fe)

TU991

A

1003-4862（2019）03-0043-04

2018-10-30

黃帥（1991-），男，助理工程師。研究方向：微納金屬和高溫銀漿。E-mail: huangshuaiwhut@sina.com