陳皮提取物綠色合成納米銀無標記比色法檢測汞離子

楊博玥，張 衛，孫 奕，董 晨，符偉杰，諸 杰

(1.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水利部南京水利水文自動化研究所，江蘇 南京 210012；3.水利部水文水資源監控工程技術研究中心，江蘇 南京 210012；4.南京郵電大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

當前，汞污染防治形勢嚴峻，保守估計全球約有800萬人面臨汞污染威脅[1]。汞及其化合物會對口腔、肝、腎及神經系統造成嚴重損害[2-5]。水體中的汞離子(Hg2+)經過微生物作用轉化為甲基汞[6-7]，在水生生物中富集并最終通過食物鏈傳遞給人體，對人類健康造成嚴重威脅。2007年，Sunderland[8]指出，美國90%以上汞污染威脅來自于水產品，伊拉克及日本也都曾爆發過大規模水俁病。由此可見，監測水體中Hg2+含量在防控汞污染、避免汞中毒方面具有重要意義。

常見的Hg2+檢測方法有原子吸收光譜法[9-10]、原子熒光光譜法(AFS)[11]、質譜法[12]、高效液相色譜法[13]等，這些方法多數需要精密昂貴的設備，樣品處理或檢測步驟復雜。基于金屬納米材料的Hg2+檢測方法，如比色法[14-15]、熒光法[16]、電化學法[17]、表面增強拉曼光譜法(SERS)[18-19]等，普遍具有檢測設備要求較低、樣品處理相對簡單等優勢，逐漸成為快速檢測Hg2+的新方法；但傳感器的制備需先合成納米粒子，再在其表面修飾探針分子，探針分子不僅價格昂貴而且修飾時間過長，修飾過程中還會使用有毒化學試劑，對環境造成二次污染。如Kandjani等[20]以ZnO/Ag為SERS基底提出了一種快速檢測痕量Hg2+的方法，其中的拉曼信號分子羅丹明B被認為具有致癌作用[21]。因此，開發一種相對環保、便捷、靈敏的Hg2+檢測方法具有重要的實用意義。

納米銀(Ag NPs)廣泛應用于醫療抗菌、光電池制造、分析檢測等領域[22-26]。傳統的Ag NPs合成方法因為使用有毒化學試劑、高成本和能源需求等受到限制[27]。Mukherjee等[28]、Kim等[29]提出利用微生物、植物提取物或天然聚合物等替代有毒化學試劑合成Ag NPs。Roy等[30]指出，Ag NPs表面的植物提取物可為Ag NPs提供天然的保護劑，使Ag NPs@植物提取物具有良好的分散性和更強的抗菌性。目前，Ag NPs@植物提取物的應用大多集中在抗菌和藥用領域，在檢測Hg2+方面的報道還較少。基于此，作者以陳皮提取物為還原劑和表面保護劑，一步法合成Ag NPs@陳皮，采用紫外可見吸收光譜、透射電鏡及X-射線衍射等對其進行表征，并將Ag NPs@陳皮作為Hg2+傳感探針，采用比色法檢測水體中Hg2+，擬為Hg2+快速、便捷、環保檢測提供一種新方法。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

陳皮(PericarpiumCitriReticulatae，PCR)，江蘇先聲藥業有限公司。

Hg(NO3)2標準溶液(1 mg·mL-1)、AgNO3，阿拉丁；NaCl、ZnCl2、Cu(NO3)2、KCl、CaCl2·2H2O、MgCl2·6H2O、MnCl2·4H2O、FeCl3·6H2O、CoCl2·6H2O、NiCl2·6H2O等均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；實驗用水為三級純水(9.5 MΩ·cm)。

BSA-124S型電子天平，德國Sartorius公司；DF-101S型集熱式磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司；759MC型雙光束紫外可見分光光度計，上海菁華科技儀器有限公司；H-7500型透射電子顯微鏡，日本Hitachi公司；D8 Advance型X-射線粉末衍射儀，德國Bruker AXS公司；Zeta PALS型電位分析儀，美國Brookhaven公司。

1.2 Ag NPs@陳皮的合成

將陳皮用純水洗凈、烘干、粉碎，過40目篩，得陳皮粉末。稱取5 g陳皮粉末，加入200 mL純水，超聲振蕩10 min后，置于95 ℃水浴中恒溫保持10 min，取出，用G4砂芯漏斗抽濾2遍，去除濾渣，即得陳皮提取液。

將陳皮提取液用純水稀釋，快速加入AgNO3溶液(100 mmol·L-1)，80 ℃下磁力攪拌2 min后，靜置反應3 h，溶液顏色逐漸由淺黃色變為橘黃色最終變為棕褐色，10 000 r·min-1離心15 min，棄上清液，即得Ag NPs@陳皮，用純水再分散，置于4 ℃冰箱中保存，備用。

1.3 Hg2+的檢測

在3 675 μL含Hg2+水樣中依次加入225 μL NaCl溶液(0.1 mol·L-1)和600 μL Ag NPs@陳皮，混勻后靜置反應5 min，采用紫外可見分光光度計測定水樣在408 nm處的吸光度，按下式計算含Hg2+水樣吸光度變化百分比Ic(%)：

式中：I0為不含Hg2+水樣的吸光度；I為含Hg2+水樣的吸光度。

2 結果與討論

2.1 Ag NPs@陳皮的表征(圖1)

圖1 Ag NPs@陳皮合成前后的UV-Vis吸收光譜(a)，Ag NPs@陳皮合成過程中的顏色變化照片(b)，Ag NPs@陳皮的TEM照片(c)及XRD圖譜(d)

從圖1a可以看出，AgNO3溶液和陳皮提取液在408 nm處沒有吸收峰，而Ag NPs@陳皮在408 nm處有吸收峰。

從圖1b可以看出，將AgNO3溶液與陳皮提取液混合反應，溶液顏色從透明、淺黃色、橘黃色到棕褐色逐漸加深。

從圖1c可以看出，合成的Ag NPs@陳皮呈分散分布，形狀近似球形，粒徑為(39.35±0.83)nm。Zeta電位表征結果顯示，Ag NPs@陳皮顆粒表面電位為(-132.64±11.13)mV，顆粒相互之間具有較大的靜電斥力，可以有效避免顆粒聚集，提高顆粒穩定性。

從圖1d可以看出，Ag NPs@陳皮的衍射峰位置與標準卡片(JCPDS No.87-0720)一致，分別歸屬于Ag的(111)、(200)、(220)、(311)晶面，屬于多晶納米顆粒[31]。表明Ag NPs@陳皮具有面心立方結構。

Li等[32]利用辣椒植株(CapsicumannuumL.)葉片提取物一步法合成Ag NPs，并采用循環伏安法對辣椒植株葉片提取物進行表征，證明了提取物中富含多種還原性物質，使得Ag+可以被還原成Ag，并進一步成核生長。與此類似，陳皮提取物中富含類黃酮、可溶性酚酸及醇等多種物質，這些物質部分具有還原性[33]。因此，可以推測Ag NPs@陳皮的合成過程為：部分Ag+通過靜電作用吸附到陳皮提取物有效成分表面，加熱后，Ag+被還原性物質還原成 Ag，并進一步生長為Ag NPs。由于Ag NPs表面附著帶負電的陳皮提取物，停止加熱后，Ag NPs之間的靜電斥力作用阻止了Ag NPs顆粒之間的進一步聚集長大。

2.2 Hg2+的檢測原理

目前，多數綠色合成的Ag NPs對Hg2+的檢測原理尚無定論，常見的推論認為：Ag+/Ag標準電極電位(0.80 V)與Hg2+/Hg標準電極電位(0.85 V)存在差異，使得Hg2+可以在Ag NPs表面發生氧化還原反應，Hg2+被還原為Hg，Ag被氧化為Ag+，Ag NPs粒徑減小，隨后Hg在Ag NPs表面形成汞齊，逐漸形成Ag@Hg NPs[34]。由于Hg是無色的，因此可以觀察到顆粒膠體顏色消失，Ag NPs的吸收強度下降，吸收峰藍移。在本實驗中，隨著加入的Hg2+濃度升高，Ag NPs@陳皮膠體顏色由棕褐色逐漸變淺直至透明，吸收峰發生藍移，吸收強度降低；同時膠體顆粒表面電位大幅度提升，由(-132.64±11.13)mV升至(-34.34±7.40)mV。此外，與Ag NPs@陳皮相比，用艾葉、紅葉石楠、枸杞等植物提取物合成的Ag NPs對于同等濃度的Hg2+則無上述實驗現象，可以推測，Ag NPs@陳皮對Hg2+有特異性的識別作用。因此，Ag NPs@陳皮對Hg2+的檢測原理(圖2)可能為：Hg2+通過靜電吸引、形成有機金屬配合物而被Ag NPs表面的陳皮提取物捕獲，同時陳皮提取物可以促進Hg2+和Ag NPs表面間的靜電-離子吸引，促進Hg2+和AgNPs之間發生氧化還原反應，使得Ag NPs的吸收強度下降，且Ic與Hg2+濃度有關。

圖2 Ag NPs@陳皮檢測Hg2+的原理示意圖

2.3 Hg2+標準曲線的繪制

將Hg2+標準溶液(1 mg·mL-1)用純水稀釋成不同濃度的Hg2+溶液，按1.3方法制成水樣，其UV-Vis吸收光譜及對應Ic如圖3所示，其中圖3b中插圖為0.01～20 μmol·L-1范圍內(lgcHg2+)5/2與Ic的校正曲線。

a～l,Hg2+濃度(μmol·L-1)：0、0.001、0.01、0.1、0.5、1、5、10、20、50、100、500

從圖3a可以看出，Hg2+濃度在0.01～20 μmol·L-1范圍內，Ag NPs@陳皮在408 nm處的吸光度隨著Hg2+濃度的升高而逐漸降低；當Hg2+濃度超過20 μmol·L-1后，吸光度下降幅度保持約為45%，不再進一步下降，吸收峰藍移明顯，此時Ag NPs@陳皮已不能對高濃度Hg2+有所響應，溶液顏色由橘黃色快速變為淺黃接近透明。以(lgcHg2+)5/2為橫坐標、Ic為縱坐標繪制標準曲線(圖3 b)，Hg2+濃度在0.010～20 μmol·L-1范圍內時，(lgcHg2+)5/2與Ic存在良好的線性關系：Ic= 1.0783×(lgcHg2+)5/2-0.7639(R2=0.9985)，檢出限為8.93 nmol·L-1(S/N=3)。

2.4 Hg2+檢測的選擇性

為了驗證所述檢測方法是否易受其它離子的干擾，分別檢測了含有1 μmol·L-1Ca2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+、Ba2+、Co2+、Fe3+、Ni2+、Hg2+水樣以及9種離子混合水樣，結果如圖4所示。

圖4 Ag NPs@陳皮對Hg2+檢測的選擇性

從圖4可以看出，Ca2+和Mn2+分別造成1.46%、1.41%的信號上升，其余離子對于信號的影響小于±1%，而Hg2+水樣及離子混合水樣中的Hg2+分別引起15.08%和14.97%的信號下降，與其它離子所產生的結果區別明顯，表明其它離子對Ag NPs@陳皮檢測Hg2+無明顯干擾。

2.5 實際水樣的檢測

取南京外秦淮河鐵心橋段河水，用孔徑12.5 μm砂芯漏斗抽濾一次，去除水中較大的不溶性雜質，不做其它任何處理。向河水水樣中分別加入濃度(nmol·L-1)為0、50、1 000的Hg2+標準溶液，混勻后，對水樣進行檢測，結果見表1。

表1 Hg2+的加標回收率

從表1可知，Hg2+加標回收率在101.8%～105.9%之間，RSD小于7%。表明該方法在實際環境水體檢測中具有實用性和推廣應用的潛力。

3 結論

以陳皮提取物為還原劑和表面保護劑，一步法合成Ag NPs@陳皮，采用紫外可見吸收光譜、透射電鏡及X-射線衍射等對其進行表征，并將Ag NPs@陳皮作為Hg2+傳感探針，采用比色法檢測水體中Hg2+。結果表明，Ag NPs@陳皮具有面心立方結構，呈分散分布，形狀近似球形，粒徑為(39.35±0.83)nm。Ag NPs@陳皮可特異性識別Hg2+，Hg2+濃度在0.010～20 μmol·L-1范圍內，Ag NPs@陳皮在408 nm處的Ic與(lgcHg2+)5/2呈良好的線性關系，檢出限為8.93 nmol·L-1(S/N=3)。河水水樣Hg2+加標回收率在101.8%～105.9%之間(n=3)，RSD小于7%。該方法中陳皮提取物起到Ag+還原劑、Ag NPs保護劑和Hg2+識別探針三重作用，極大地精簡了Hg2+探針構建步驟，減少有毒化學試劑使用，降低了Hg2+檢測成本，為Hg2+檢測提供了一種快速、便捷且相對環保的新方法。