王鳳鳳，張國(guó)文

（南昌大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330047）

Cr3+是人體必需的微量元素之一，對(duì)維持葡萄糖、膽固醇和脂肪酸的正常代謝發(fā)揮著重要作用［1］。其攝入不足會(huì)增加糖尿病和心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，攝入過(guò)量則會(huì)引起遺傳毒性［2，3］。另一方面，由于其廣泛的工業(yè)和農(nóng)業(yè)用途，Cr3+也已成為一種常見(jiàn)的環(huán)境污染物［4-5］。因此，研究新的Cr3+檢測(cè)方法尤為重要。目前檢測(cè)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(fā)射光譜法［7］、電化學(xué)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(shè)備和復(fù)雜的操作過(guò)程，造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)且耗時(shí)較長(zhǎng)。由此，開(kāi)發(fā)一種方便快捷的比色傳感器測(cè)定Cr3+具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，基于納米粒子構(gòu)建的比色傳感器以其簡(jiǎn)單、靈敏、經(jīng)濟(jì)和快速的優(yōu)點(diǎn)在檢測(cè)方面受到了廣泛應(yīng)用。通過(guò)在納米粒子表面修飾合適的配體，由檢測(cè)對(duì)象與配體之間的相互作用引起納米粒子的聚集，而導(dǎo)致顏色發(fā)生變化，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)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(cè)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(cè)。Song等［16］制備對(duì)氨基苯磺酸修飾的銀納米粒子對(duì)牛奶中的三聚氰胺進(jìn)行可視化檢測(cè)。Hu等［17］使用對(duì)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(cè)。本文通過(guò)硼氫化鈉還原法將沒(méi)食子酸和對(duì)硝基苯酚修飾到銀納米粒子上，從而構(gòu)建了一種雙配體功能化銀納米粒子檢測(cè)Cr3+的比色傳感器。該方法選擇性較好、效率高，成功用于實(shí)際水樣中Cr3+的檢測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)（日本島津公司）；pHS-3E型酸度計(jì)（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(huì)社）；Nano ZS90馬爾文粒度儀（Malvern，英國(guó)）；85-2控溫磁力攪拌器（金壇市醫(yī)療儀器廠）；Millipore Simplicity水純化系統(tǒng)（法國(guó)密理博公司）；Finnpipette可調(diào)式移液器；Nicolet-5700傅里葉紅外光譜（美國(guó)賽默飛）。

AgNO3（純度≥99.8%，上海試劑一廠）；沒(méi)食子酸（純度99.0%，西亞試劑）；對(duì)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(chǔ)備液；自來(lái)水、湖水分別取自南昌大學(xué)和江西省南昌市艾溪湖。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 沒(méi)食子酸和對(duì)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(dòng)，將0.010g NaBH4加入到上述AgNO3水溶液中，繼續(xù)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(méi)食子酸溶液和1mL 0.1mmol·L-1對(duì)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(jìn)行組裝，進(jìn)而得到淡黃色的GA-PNP-AgNPs溶液。實(shí)驗(yàn)中所用的玻璃儀器均用鉻酸洗液浸泡過(guò)夜，隨后用超純水進(jìn)行充分洗滌，置于烘箱中干燥后使用。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。

1.2.2 檢測(cè)條件的優(yōu)化

為考察Cr3+檢測(cè)的最佳條件，本實(shí)驗(yàn)對(duì)沒(méi)食子酸與對(duì)硝基苯酚摩爾比（nGA∶nPNP）、pH及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)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(cè)定紫外-可見(jiàn)吸收光譜強(qiáng)度。然后調(diào)節(jié)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(yīng)3min后測(cè)定吸收光譜。最后考察在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系紫外吸收的影響。

1.2.3 比色檢測(cè)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(yīng)3min，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)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(biāo)，吸光度比值（A550／A390）為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.2.4 實(shí)際樣品預(yù)處理

采集南昌大學(xué)自來(lái)水和江西省南昌市艾溪湖湖水樣，靜置過(guò)夜后，離心（20min，2 000r·min-1）取上層清液，將上清液用0.22μm濾膜進(jìn)行過(guò)濾以除去濾液中的雜物，隨后將Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液加入到經(jīng)上述處理的自來(lái)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(cè)樣品中Cr3+含量，并將兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

2 結(jié)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(jiàn)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(xiàn)了一個(gè)新的吸收峰，溶液顏色也由淡黃色變?yōu)槌燃t色。圖2為不同條件下GA-PNP-AgNPs相應(yīng)的透射電鏡圖（TEM）和粒徑分布圖。體系中未加入Cr3+前，單獨(dú)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(tài)變?yōu)榫奂癄顟B(tài)（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(dòng)吸收峰，對(duì)GA-PNP-AgNPs而言，這些-OH峰明顯減弱，表明GA與PNP可能是通過(guò)羥基修飾到Ag-NPs上；同時(shí)，在GA-PNP-AgNPs光譜上，依然可以找到GA在1 698cm-1的-COOH振動(dòng)吸收峰及PNP在1 322cm-1處的-NO2振動(dòng)吸收峰，且發(fā)生了輕微的偏移，說(shuō)明-COOH和-NO2官能團(tuán)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(cè)Cr3+示意圖所示，GA與PNP通過(guò)羥基修飾到AgNPs上，當(dāng)加入Cr3+時(shí)，AgNPs上的 GA與PNP可分別通過(guò)羧基與硝基協(xié)同識(shí)別Cr3+，與其發(fā)生相互作用，進(jìn)而引起銀納米粒子的聚集，同時(shí)使得溶液顏色發(fā)生改變。

2.2 檢測(cè)條件的優(yōu)化

2.2.1 沒(méi)食子酸與對(duì)硝基苯酚摩爾比（nGA∶nPNP）對(duì)檢測(cè)體系的影響

沒(méi)食子酸與對(duì)硝基苯酚作為配體修飾到銀納米粒子表面，其配比不僅會(huì)影響銀納米粒子的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)Cr3+的響應(yīng)產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)nGA∶nPNP過(guò)低時(shí)，合成的GA-PNP-AgNPs不穩(wěn)定，可能會(huì)發(fā)生一定程度的自聚集；當(dāng)nGA∶nPNP過(guò)高時(shí)，合成的GA-PNP-AgNPs對(duì)Cr3+的響應(yīng)容易達(dá)到飽和，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度較低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，當(dāng)nGA∶nPNP為1∶10時(shí)，體系對(duì)Cr3+檢測(cè)最靈敏（圖5a），因此選擇GA與PNP摩爾比值為1∶10作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)條件。

2.2.2 pH對(duì)檢測(cè)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(duì)Cr3+檢測(cè)靈敏度的影響。實(shí)驗(yàn)選取了磷酸鹽緩沖溶液用于調(diào)節(jié)溶液pH，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)向GA-PNP-AgNPs中加入緩沖鹽時(shí)會(huì)使其穩(wěn)定性變?nèi)?，?duì)Cr3+的響應(yīng)也明顯降低。實(shí)驗(yàn)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(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)檢測(cè)體系的影響

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速的檢測(cè)Cr3+，考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)Cr3+檢測(cè)的影響。從圖5b可以看出，GA-PNPAgNPs吸光度比值在2min內(nèi)迅速增加，3min基本達(dá)到穩(wěn)定，因此選擇3min作為后續(xù)反應(yīng)時(shí)間。

2.3 GA-PNP-AgNPs對(duì)Cr3+的定量檢測(cè)

在最佳檢測(cè)條件下，將不同濃度的Cr3+加入到GA-PNP-AgNPs溶液中反應(yīng)3min后依次檢測(cè)。其紫外可見(jiàn)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(xiàn)的新吸收峰逐漸增強(qiáng)。GA-PNP-AgNPs的吸光度比值（A550／A390）與Cr3+濃度呈線性關(guān)系，且在不同濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的線性關(guān)系，其檢測(cè)的工作曲線如圖6b所示，當(dāng)Cr3+濃度為0.04～1.2μmol·L-1時(shí)，線性方程為y=0.052 8c+0.012 7（R2=0.991 7）；當(dāng)Cr3+濃度為1.2～2.0μmol·L-1時(shí)，線性方程為y=0.469 3c-0.483 6（R2=0.990 0），檢測(cè)限為0.013μmol·L-1。

2.4 選擇性實(shí)驗(yàn)

通過(guò)視覺(jué)和紫外-可見(jiàn)分光光譜考察了實(shí)際樣品中可能存在的一些干擾離子對(duì) GA-PNP-AgNPs吸光度比值A(chǔ)550／A390的影響。圖7a顯示了GA-PNP-AgNPs對(duì)不同類型的離子響應(yīng)情況。在1.4μmol·L-1濃度下，只有Cr3+的加入會(huì)使GA-PNP-AgNPs發(fā)生聚集，顏色由淡黃色變?yōu)槌燃t色，而其他離子均無(wú)顏色變化。圖7b顯示了不同離子加入到GA-PNPAgNPs體系中反應(yīng)3min后的吸光度比值A(chǔ)550／A390，當(dāng)且僅當(dāng)Cr3+加入時(shí)，體系吸光度比值A(chǔ)550／A390明顯上升，而其他離子與空白對(duì)照組基本一致，無(wú)明顯變化。表明該方法對(duì)Cr3+的檢測(cè)具有較好的選擇性。

2.5 實(shí)際水樣的測(cè)定

為探究該方法的實(shí)用性，對(duì)自來(lái)水和湖水進(jìn)行了加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，將該方法用于實(shí)際水樣中Cr3+含量的測(cè)定，湖水和自來(lái)水的加標(biāo)回收率分別為107.0%～117.5%和97.2%～105.0%。此外，該方法的檢測(cè)結(jié)果與GF-AAS所測(cè)得的結(jié)果吻合，表明該比色傳感器能夠用于實(shí)際水樣中Cr3+分析測(cè)定。

表1 樣品分析結(jié)果及回收率（n=3）

3 結(jié)論

本文采用沒(méi)食子酸和對(duì)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(dǎo)GA-PNP-AgNPs發(fā)生聚集，同時(shí)伴隨溶液顏色由淡黃色變?yōu)槌燃t色，建立了對(duì)水中Cr3+的比色檢測(cè)法。該方法操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速，靈敏度和選擇性較好，能夠成功用于實(shí)際水樣中Cr3+的定量檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果與石墨爐原子吸收光譜法測(cè)得的結(jié)果一致，表明該方法準(zhǔn)確度較高，具有良好的應(yīng)用前景。