基于沒食子酸和對硝基酚雙功能化銀納米粒子檢測水中Cr3+

王鳳鳳，張國文

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西 南昌 330047）

Cr3+是人體必需的微量元素之一，對維持葡萄糖、膽固醇和脂肪酸的正常代謝發揮著重要作用［1］。其攝入不足會增加糖尿病和心血管疾病的風險指數，攝入過量則會引起遺傳毒性［2，3］。另一方面，由于其廣泛的工業和農業用途，Cr3+也已成為一種常見的環境污染物［4-5］。因此，研究新的Cr3+檢測方法尤為重要。目前檢測Cr3+的主要方法有X射線熒光光譜法［6］、電感耦合等離子體原子發射光譜法［7］、電化學方法［8］、熒光光譜法［9］、石墨爐原子吸收光譜法［10-11］和色譜法［12-13］等。但這些方法往往需要大型設備和復雜的操作過程，造價高、專業性強且耗時較長。由此，開發一種方便快捷的比色傳感器測定Cr3+具有重要的現實意義。近年來，基于納米粒子構建的比色傳感器以其簡單、靈敏、經濟和快速的優點在檢測方面受到了廣泛應用。通過在納米粒子表面修飾合適的配體，由檢測對象與配體之間的相互作用引起納米粒子的聚集，而導致顏色發生變化，進而達到檢測的目的。Du等［14］將L-半胱氨酸修飾到金銀合金納米粒子上比色檢測鎘離子；Zhou等［15］采用4-巰基苯甲酸和三聚氰胺作為修飾劑共同修飾銀納米粒子用于飲用水中錳離子的比色檢測。Song等［16］制備對氨基苯磺酸修飾的銀納米粒子對牛奶中的三聚氰胺進行可視化檢測。Hu等［17］使用對氨基苯磺酸修飾的金銀合金納米粒子探針用于萊克多巴胺的檢測。本文通過硼氫化鈉還原法將沒食子酸和對硝基苯酚修飾到銀納米粒子上，從而構建了一種雙配體功能化銀納米粒子檢測Cr3+的比色傳感器。該方法選擇性較好、效率高，成功用于實際水樣中Cr3+的檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV-2450紫外-可見分光光度計（日本島津公司）；pHS-3E型酸度計（上海雷磁儀器廠）；JEM-2100高分辨率透射電子顯微鏡（日本電子株式會社）；Nano ZS90馬爾文粒度儀（Malvern，英國）；85-2控溫磁力攪拌器（金壇市醫療儀器廠）；Millipore Simplicity水純化系統（法國密理博公司）；Finnpipette可調式移液器；Nicolet-5700傅里葉紅外光譜（美國賽默飛）。

AgNO3（純度≥99.8%，上海試劑一廠）；沒食子酸（純度99.0%，西亞試劑）；對硝基苯酚（純度＞99.0%，阿拉丁試劑上海有限公司）；氯化鉻（純度≥99.0%）用超純水配制成濃度為1.0mmol·L-1Cr3+儲備液；自來水、湖水分別取自南昌大學和江西省南昌市艾溪湖。

1.2 實驗方法

1.2.1 沒食子酸和對硝基苯酚共修飾的銀納米粒子（GA-PNP-AgNPs）的制備

將新鮮配制的AgNO3水溶液（0.1mmol·L-1，100mL）置于150mL燒杯中，利用磁力攪拌器劇烈振動，將0.010g NaBH4加入到上述AgNO3水溶液中，繼續避光攪拌10min后，得到淺黃色的銀納米粒子［18］。

為獲得雙配體功能化的銀納米粒子，將新鮮配制的1mL 0.01mmol·L-1沒食子酸溶液和1mL 0.1mmol·L-1對硝基苯酚溶液加入到上述制備的銀納米溶液中，避光條件下攪拌30min，以確保其在銀納米粒子表面進行組裝，進而得到淡黃色的GA-PNP-AgNPs溶液。實驗中所用的玻璃儀器均用鉻酸洗液浸泡過夜，隨后用超純水進行充分洗滌，置于烘箱中干燥后使用。所有實驗均在室溫下進行。

1.2.2 檢測條件的優化

為考察Cr3+檢測的最佳條件，本實驗對沒食子酸與對硝基苯酚摩爾比（nGA∶nPNP）、pH及反應時間進行了優化。分別取1.5mL不同摩爾比nGA∶nPNP（1∶3，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30）所制備的GA-PNP-AgNPs與1mL超純水混合，再加入1.4 μmol·L-1Cr3+混合3min后測定紫外-可見吸收光譜強度。然后調節不同pH 值（4，5，6，7，8，9，10，11，12），將1.5mL GA-PNP-AgNPs和1mL超純水混合液與1.4μmol·L-1Cr3+反應3min后測定吸收光譜。最后考察在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，反應時間對體系紫外吸收的影響。

1.2.3 比色檢測Cr3+

取1mL超純水與1.5mL GA-PNP-AgNPs溶液混合，再將不同濃度的Cr3+（0～2.0μmol·L-1）加入到上述GA-PNP-AgNPs溶液中，混合均勻，室溫下反應3min，用紫外可見分光光度計掃描350～600nm處的吸收光譜，記錄GA-PNP-AgNPs的吸光度比值（A550／A390）。以Cr3+濃度為橫坐標，吸光度比值（A550／A390）為縱坐標繪制標準曲線。

1.2.4 實際樣品預處理

采集南昌大學自來水和江西省南昌市艾溪湖湖水樣，靜置過夜后，離心（20min，2 000r·min-1）取上層清液，將上清液用0.22μm濾膜進行過濾以除去濾液中的雜物，隨后將Cr3+標準溶液加入到經上述處理的自來水與湖水樣液中。分別用GA-PNPAgNPs比色傳感器和石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS）檢測樣品中Cr3+含量，并將兩種方法的實驗結果進行比較。

2 結果與討論

2.1 GA-PNP-AgNPs的表征

圖1為GA-PNP-AgNPs加入Cr3+前后的紫外-可見光譜圖，制備出的GA-PNP-AgNPs溶液為淡黃色，其在390nm處有明顯的特征吸收峰，此為銀納米粒子的表面等離子體共振特征吸收峰［19］。加入Cr3+后，390nm處的吸收峰明顯降低，550nm附近出現了一個新的吸收峰，溶液顏色也由淡黃色變為橙紅色。圖2為不同條件下GA-PNP-AgNPs相應的透射電鏡圖（TEM）和粒徑分布圖。體系中未加入Cr3+前，單獨的GA-PNP-AgNPs呈分散的球形（圖2a），粒徑約21nm左右（圖2c）；加入Cr3+后，GA-PNP-AgNPs由分散狀態變為聚集狀態（圖2b），粒徑明顯增大。圖3為 GA（a）、PNP（b）及GA-PNP-AgNPs（c）的紅外光譜圖。3 283cm-1及3 317cm-1分別為GA和PNP的-OH振動吸收峰，對GA-PNP-AgNPs而言，這些-OH峰明顯減弱，表明GA與PNP可能是通過羥基修飾到Ag-NPs上；同時，在GA-PNP-AgNPs光譜上，依然可以找到GA在1 698cm-1的-COOH振動吸收峰及PNP在1 322cm-1處的-NO2振動吸收峰，且發生了輕微的偏移，說明-COOH和-NO2官能團也已附著在AgNPs表面上，表明成功制備出了GA-PNP-AgNPs粒子。如圖4GA-PNP-AgNPs檢測Cr3+示意圖所示，GA與PNP通過羥基修飾到AgNPs上，當加入Cr3+時，AgNPs上的 GA與PNP可分別通過羧基與硝基協同識別Cr3+，與其發生相互作用，進而引起銀納米粒子的聚集，同時使得溶液顏色發生改變。

2.2 檢測條件的優化

2.2.1 沒食子酸與對硝基苯酚摩爾比（nGA∶nPNP）對檢測體系的影響

沒食子酸與對硝基苯酚作為配體修飾到銀納米粒子表面，其配比不僅會影響銀納米粒子的穩定性，還會對Cr3+的響應產生直接的影響。當nGA∶nPNP過低時，合成的GA-PNP-AgNPs不穩定，可能會發生一定程度的自聚集；當nGA∶nPNP過高時，合成的GA-PNP-AgNPs對Cr3+的響應容易達到飽和，導致檢測靈敏度較低。實驗結果表明，在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，當nGA∶nPNP為1∶10時，體系對Cr3+檢測最靈敏（圖5a），因此選擇GA與PNP摩爾比值為1∶10作為后續實驗條件。

2.2.2 pH對檢測體系的影響

GA-PNP-AgNPs粒子與金屬離子間的配合作用還受溶液pH影響，因此考察了pH對Cr3+檢測靈敏度的影響。實驗選取了磷酸鹽緩沖溶液用于調節溶液pH，結果發現，當向GA-PNP-AgNPs中加入緩沖鹽時會使其穩定性變弱，對Cr3+的響應也明顯降低。實驗中制備的GA-PNP-AgNPs溶液的pH為8.07，因此選擇原溶液的pH用于后續實驗。

2.2.3 反應時間對檢測體系的影響

為實現實時快速的檢測Cr3+，考察了反應時間對Cr3+檢測的影響。從圖5b可以看出，GA-PNPAgNPs吸光度比值在2min內迅速增加，3min基本達到穩定，因此選擇3min作為后續反應時間。

2.3 GA-PNP-AgNPs對Cr3+的定量檢測

在最佳檢測條件下，將不同濃度的Cr3+加入到GA-PNP-AgNPs溶液中反應3min后依次檢測。其紫外可見吸收光譜如圖6a所示，隨著Cr3+濃度的增加，390nm處的吸收峰逐漸下降，550nm處出現的新吸收峰逐漸增強。GA-PNP-AgNPs的吸光度比值（A550／A390）與Cr3+濃度呈線性關系，且在不同濃度范圍內呈現不同的線性關系，其檢測的工作曲線如圖6b所示，當Cr3+濃度為0.04～1.2μmol·L-1時，線性方程為y=0.052 8c+0.012 7（R2=0.991 7）；當Cr3+濃度為1.2～2.0μmol·L-1時，線性方程為y=0.469 3c-0.483 6（R2=0.990 0），檢測限為0.013μmol·L-1。

2.4 選擇性實驗

通過視覺和紫外-可見分光光譜考察了實際樣品中可能存在的一些干擾離子對 GA-PNP-AgNPs吸光度比值A550／A390的影響。圖7a顯示了GA-PNP-AgNPs對不同類型的離子響應情況。在1.4μmol·L-1濃度下，只有Cr3+的加入會使GA-PNP-AgNPs發生聚集，顏色由淡黃色變為橙紅色，而其他離子均無顏色變化。圖7b顯示了不同離子加入到GA-PNPAgNPs體系中反應3min后的吸光度比值A550／A390，當且僅當Cr3+加入時，體系吸光度比值A550／A390明顯上升，而其他離子與空白對照組基本一致，無明顯變化。表明該方法對Cr3+的檢測具有較好的選擇性。

2.5 實際水樣的測定

為探究該方法的實用性，對自來水和湖水進行了加標回收實驗。實驗結果如表1所示，將該方法用于實際水樣中Cr3+含量的測定，湖水和自來水的加標回收率分別為107.0%～117.5%和97.2%～105.0%。此外，該方法的檢測結果與GF-AAS所測得的結果吻合，表明該比色傳感器能夠用于實際水樣中Cr3+分析測定。

表1 樣品分析結果及回收率（n=3）

3 結論

本文采用沒食子酸和對硝基苯酚作為修飾劑制備了雙功能化的銀納米粒子（GA-PNP-AgNPs），基于Cr3+能夠誘導GA-PNP-AgNPs發生聚集，同時伴隨溶液顏色由淡黃色變為橙紅色，建立了對水中Cr3+的比色檢測法。該方法操作簡單、響應迅速，靈敏度和選擇性較好，能夠成功用于實際水樣中Cr3+的定量檢測，且檢測結果與石墨爐原子吸收光譜法測得的結果一致，表明該方法準確度較高，具有良好的應用前景。