華針 陳金剛 趙雪豐

摘 要：文章介紹了一種基于胸腺嘧啶（T）修飾的二氧化硅納米顆粒（SNPs-T）去除水體中汞離子的方法。采用3-氨丙基三甲氧基硅烷對(duì)二氧化硅納米顆粒（SNPs）表面進(jìn)行氨基修飾，再利用氨基與胸腺嘧啶-1-乙酸進(jìn)行脫水縮合作用在SNPs表面進(jìn)行功能化修飾得到SNPs-T。功能化的SNPs-T通過胸腺嘧啶與汞離子特異性配位結(jié)合（T-Hg2+-T）來固定，收集水溶液中的汞離子。文章通過XPS方法證明了SNPs-T對(duì)Hg2+的吸附作用。

關(guān)鍵詞：SNPs；胸腺嘧啶；汞離子；吸附

引言

汞及其化合物隨工業(yè)和生活中的廢液廢渣被排放進(jìn)入水體中，通過水生生物富集作用經(jīng)食物鏈最后進(jìn)入并累積在人體內(nèi)，危害人體內(nèi)腎臟，肝臟，心臟等正常功能，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)紊亂，甚至引發(fā)癌癥和導(dǎo)致死亡[1，2]。因此，水體中汞離子的檢測及去除具有重大意義。目前國內(nèi)外關(guān)于汞離子檢測方法已經(jīng)有了很多的報(bào)道。早期的方法多基于物理原子光譜特性來檢測水溶液中的汞離子，例如原子吸收光譜法（AAS），原子發(fā)射光譜法（AES），中子活化分析法（NAA），電感耦合質(zhì)譜法（ICP-MS）等[3，4]。這些物理光譜法需要大量有機(jī)試劑對(duì)樣品進(jìn)行前期處理和高溫條件下反應(yīng)，并且存在操作繁瑣、設(shè)備昂貴、抗干擾性差等缺點(diǎn)?；诠δ苄宰R(shí)別基團(tuán)選擇性結(jié)合汞離子的化學(xué)方法能夠簡單有效的檢測水溶液中的汞離子。熒光比色法和電化學(xué)方法是最為典型的化學(xué)檢測方法[5，6]。其原理為通過識(shí)別基團(tuán)與Hg2+特異性結(jié)合改變了識(shí)別基團(tuán)和信號(hào)基團(tuán)之間的空間結(jié)構(gòu)，或者在電極表面產(chǎn)生電信號(hào)變化如電位變化來檢測水溶液中的Hg2+。然而，化學(xué)方法需要前期大量的化學(xué)合成，存在周期長，穩(wěn)定性較差，大量有機(jī)溶劑的使用等缺陷。生物化學(xué)方法是在化學(xué)技術(shù)和生物物質(zhì)的基礎(chǔ)上形成的一門新型交叉學(xué)科。研究人員通過研究多肽，蛋白酶和DNA等生物物質(zhì)與Hg2+的特異性結(jié)合進(jìn)行檢測，并且取得了突破性的進(jìn)展。其中基于DNA鏈的生物傳感器檢測水溶液中Hg2+的方法已成為近期最為熱門的研究方向[7-9]。Ono等人最早發(fā)表關(guān)于DNA對(duì)Hg2+檢測的研究，胸腺嘧啶（T）與Hg2+通過質(zhì)子取代原理形成T-Hg2+-T的錯(cuò)配堿基對(duì)，導(dǎo)致DNA單鏈中出現(xiàn)發(fā)卡結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起鏈兩端的熒光物質(zhì)和淬滅劑產(chǎn)生熒光改變。基于T-Hg2+-T配位結(jié)合原理，很多DNA鏈被設(shè)計(jì)和合成用于檢測Hg2+。近幾年，納米材料的使用已成為主流趨勢。在納米表面進(jìn)行修飾接枝能夠使其功能化，基于DNA的生物傳感器能夠特異性的快速靈敏的檢測水溶液中的Hg2+，其穩(wěn)定性能好，抗干擾性能強(qiáng)，能夠用于復(fù)雜的生態(tài)水環(huán)境檢測。

納米二氧化硅（silica nanoparticles，SNPs）是納米學(xué)科中應(yīng)用最為廣泛的無機(jī)納米材料之一。SNPs具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如具有對(duì)抗紫外線的光學(xué)性能，能提高其他材料強(qiáng)度以及抗老化和耐化學(xué)性能，因此被廣泛的應(yīng)用于材料填充劑。因其比表面積大、表面吸附力強(qiáng)，其富含大量的表面活性羥基，所以可通過定向的表面修飾來獲得實(shí)驗(yàn)所需的特殊功能化SNPs。目前關(guān)于3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）對(duì)SNPs的表面修飾研究已有大量的文獻(xiàn)。氨基具有很強(qiáng)的活性并且能夠與很多基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)鍵結(jié)合，通過化學(xué)“點(diǎn)擊”方法能夠合成實(shí)驗(yàn)所需的特殊化SNPs。本實(shí)驗(yàn)先用3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）為偶聯(lián)劑進(jìn)行表面氨基化修飾，再通過化學(xué)“點(diǎn)擊”方法將胸腺嘧啶（T）接枝在SNPs表面使其功能化的檢測Hg2+。

1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

試劑：所用水為去離子水，氫氧化鈉，無水乙醇，無水甲苯，氯化鈉，3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS），N，N-二環(huán)己基碳酰亞胺（DCC），胸腺嘧啶-1-乙酸，1-羥基苯并三氮唑（HOBt），N，N-二甲基甲酰胺（DMF）高氯酸汞（HgCl2O8·3H2O），均為分析純。二氧化硅納米顆粒為德國進(jìn)口德固賽氣相白炭黑A200型，主要參數(shù)如表1：

儀器： PHS-4A型智能酸度計(jì)用于PH值測定，F(xiàn)TIR 820型紅外光譜儀和ESCALAB250Xi型X-射線光電子能譜儀用于材料結(jié)構(gòu)表征。

2 SNPs改性及表征

2.1 SNPs-T 的合成

SNPs-NH2的制備：稱取4g的SNPs，100mL無水甲苯，5mL的APS，放入圓底燒瓶中，磁力攪拌。110℃油浴加熱，氮?dú)獗Ｗo(hù)下反應(yīng)3小時(shí)，之后常溫放置6小時(shí)。反應(yīng)結(jié)束，抽濾得透明膠狀固體。將所得固體用100mL甲苯分散后再次抽濾。最后將所得固體放入干燥箱中，80℃下真空干燥24h。

SNPs-T的制備：稱取2g氨基化修飾的納米二氧化硅，0.72g的DCC和0.45g的HOBt加入到裝有50mL的DMF的圓底燒瓶中，磁力攪拌混合均勻。在室溫條件下，磁力攪拌反應(yīng)72h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾得一黃色固體。將所得固體用依次用50mLDMF，100mL去離子水分散后抽濾。最后將所得固體放入干燥箱中，50℃下真空干燥24h。

2.2 FT-IR表征

圖1 紅外光譜表征：（a）SNPs-OH，（b）SNPs-NH2，（c）SNPs-T

圖1為三種樣品的紅外光譜圖。圖1（a）為二氧化硅納米顆粒原料的紅外圖譜，在3430.47cm-1處有明顯的吸收峰，這是由SNPs表面的-OH伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的。位于1104.78cm-1處的高強(qiáng)度吸收峰是由納米結(jié)構(gòu)中的Si-O-Si的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的。圖1（b）為APS氨基化后的紅外圖譜。在2931.46cm-1處明顯的特征吸收峰是由APS中-CH2的伸縮振動(dòng)形成的。由此可以證明，納米二氧化硅表面氨基化修飾成功。圖1（c）為SNPs-T的紅外光譜圖，在2931.10cm-1處同樣存在有-CH2的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收，3327.52cm-1處的強(qiáng)烈的特征吸收峰是由胸腺嘧啶上的-NH伸縮運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。同時(shí)，在1674.41cm-1和643.51cm-1處的吸收峰是由-NH的變形振動(dòng)引起，這也同樣歸屬于胸腺嘧啶的特征吸收。通過紅外光譜分析可知胸腺嘧啶成功嫁接于SNPs表面。

3 Hg2+的吸附

3.1 吸附實(shí)驗(yàn)

配置濃度為1×10-3mol/L的Hg2+水溶液30mL，稱取4g SNPs-T加入到錐形瓶中，超聲振蕩使之均勻分散，磁力攪拌，室溫下反應(yīng)1h。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾。將所得固體用30 mL去離子水充分分散后再抽濾。固體在50℃條件下在真空干燥，得到產(chǎn)物進(jìn)行XPS表征。

3.2 XPS表征

通過對(duì)比SNPs-NH2，SNPs-T及SNPs-T吸附試驗(yàn)后的固體樣品的XPS測試結(jié)果可知，三個(gè)樣品中均出現(xiàn)了C、N、O、Si四種元素的特征峰。在吸附試驗(yàn)后SNPs-T的圖譜中出現(xiàn)汞的特征峰（Hg4f），同時(shí)觀察不到氯元素的特征峰，這表明汞以一種新的絡(luò)合形式存在。同時(shí)N原子的結(jié)合能由400.04 減小為399.67，說明N-Hg 鍵的形成。結(jié)合以上兩點(diǎn)，可以得出以下結(jié)論：在水體中，功能化的納米材料SNPs-T通過T-Hg-T 的絡(luò)合反應(yīng)能有效截獲Hg2+。

3.3 Hg2+的吸附機(jī)理

圖3為SNPs-T檢測水溶液中Hg2+的原理圖。胸腺嘧啶與Hg2+通過特異性的結(jié)合形成穩(wěn)定的T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)。SNPs通過表面修飾改性成為富含T的功能性納米材料SNPs-T，其表面的T能夠與Hg2+特異性的結(jié)合，這會(huì)引起納米顆粒的聚集，改變納米顆粒在水溶液中的分散狀態(tài)，形成聚合物而沉降來達(dá)到消除Hg2+的目的。

圖3 SNPs-T吸附水溶液中的Hg2+示意圖

4 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制備了一種基于胸腺嘧啶的功能化二氧化硅納米顆粒（SNPs-T），同時(shí)研究了其對(duì)水體中Hg2+的吸附作用。由FT-IR和XPS實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，胸腺嘧啶成功的接枝在SNPs表面，并通過T-Hg2+-T的配位結(jié)合作用有效地固定和吸附Hg2+。實(shí)驗(yàn)證明了胸腺嘧啶修飾改性的納米材料SNPs-T可作為水體中Hg2+的吸附劑。

參考文獻(xiàn)

[1]Methylmercury-induced neurotoxicity and apoptosis. Ceccatelli，S.，E.Dare，and M. Moors， Chem Biol Interact，2010.

[2]Human exposure and health effects of inorganic and elemental mercury. Park，J.D. and W. Zheng，J Prev Med Public Health，2012.

[3]Evaluation of different extraction procedures for determination of organic Mercury species in petroleum by high performance liquid chromatography coupled with cold vapor atomic fluorescence spectrometry. Talanta，Yun，Z.J.et al.，2013.

[4]Investigation into mercury bound to biothiols： structural identification using ESI-ion-trap MS and introduction of a method for their HPLC separation with simultaneous detection by ICP-MS and ESI-MS. Krupp，E.M.，et al.，Anal Bioanal Chem，2008.

[5]Solid-contact Hg（II）-selective electrode based on a carbon-epoxy composite containing a new dithiophosphate-based ionophore. Juarez

-Gomez，J.et al.Talanta，2013.

[6]Selective sensing of mercury（II） using PVC-based membranes incorporating recently synthesized 1，3-alternate thiacalix[4]crown ionophore. Mahajan，R.K.，et al.，Environ Sci Pollut Res Int，2013.

[7]A rapid and portable sensor based on protein-modified gold nanoparticle probes and lateral flow assay for naked eye detection of mercury ion. Microelectronic Engineering，Chao，C.H.，et al.，2012.

[8]Ultrasensitive electrochemiluminescence detection of mercury ions based on DNA oligonucleotides and cysteamine modified gold nanoparticles probes. Zhao，Z. and X.M. Zhou，Sensors and Actuators B-Chemical，2012.

[9]Highly sensitive，selective，and rapid fluorescence Hg2+ sensor based on DNA duplexes of poly（dT） and oxide. Zhang，J.R.et al.Analyst，2012.

作者簡介：華針（1989，10-），女，江西樂平，碩士研究生，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。