莲藕中重金属Cu2+纳米金快速检测法

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  摘要 [目的]建立一种能适用于现场快速检测Cu2+的方法。[方法]以纳米金颗粒(AuNPs)为基础制备检测探针,构建可视化检测莲藕中重金属Cu2+的快速检测体系。[结果]AuNPs比色检测法对Cu2+选择特异性强,通过肉眼可视从而快捷、准确地进行快速检测,莲藕样品中各个水平的加标回收率的结果在86.0%~94.4%,检测效果稳定。[结论]研究可为莲藕中重金属的快速检测提供参考。
  关键词 莲藕;纳米金;重金属;快速检测
  中图分类号 TS207.5+1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2017)18-0083-03
  Abstract [Objective] To develop a method for rapid detection of copper ions on site.[Method] The detection probes were prepared on the basis of gold nanoparticles,the rapid detection system for visual detection of heavy metal Cu2+ in lotus was constructed.[Result] The result showed that AuNPs colorimetric assay has a strong selectivity for Cu2+,and it can be quickly and accurately detected by the naked eye.The results of spiked recovery rate were from 86.0% to 94.4%,the detection results were stable.[Conclusion] The study can provide reference for rapid detection of heavy metals in lotus.
  Key words Lotus;AuNPs;Heavy metal;Rapid detection
  蓮藕中含有丰富的营养素,是一种药食同源的水生蔬菜[1]。莲藕主要生长在池塘和湖泊中,但随着我国城市化进程步伐的加快,导致环境污染问题日益突显,水体环境极易遭受工业废水的污染。进入水环境的重金属离子也会被淤泥吸附而沉积为底泥,莲藕的根系会从土壤环境中吸收重金属离子。由于莲藕具有发达的维管束,极易产生一次富集效应。而富集部位大部分是莲藕的食用部,食用受到污染的莲藕会对人体健康构成威胁[2]。
  微量元素家族中铜(Cu)是一位重要的成员,长期摄入高Cu含量食物会对人体健康造成损害[3-4]。大量研究表明,Cu的毒性与它的形态有关,游离的铜离子(Cu2+)对生物体毒性最大[5]。常用的Cu2+检测的方法有原子吸收光谱法、电感耦合等离子发射光谱法、分光光度法等,这些检测方法复杂繁琐,仪器造价昂贵,检测时间较长,不适用于大规模农产品的现场快速检测。因此,建立一种能适用于现场快速检测Cu2+的方法是非常有必要的。
  纳米金颗粒(AuNPs)在可见光区具有很强的表面等离子体共振,制备方法简单,具有很高的稳定性以及良好的生物相容性,任何表面结构的改变、聚集,或介质折射率的改变可能都会改变其分散性,最终导致颜色变化,成为最常用的光学传感材料[6]。重金属离子可以使聚集的AuNPs重新分散,也可以与修饰在AuNPs表面的物质形成沉淀,从而使AuNPs的颜色和吸光度值发生改变,基于该理论的AuNPs传感器的选择灵敏度是由纳米金的尺寸、浓度、被识别元素的性质和密度、pH、离子强度、缓冲溶液的类型以及温度等决定的[7-8]。笔者主要以AuNPs为基础制备检测探针,建立AuNPs-谷胱甘肽(GSH)快速检测体系,实现莲藕中重金属Cu2+的快速可视化检测。
  1 材料与方法
  1.1 材料 新鲜莲藕,市售。UV-2450紫外-可见分光光度计,日本岛津集团;DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责公司;电子万用炉,北京市永光明医疗仪器厂;H-7650透射电子显微镜,日本日立公司;AFS-8230原子荧光光谱仪,北京吉天仪器有限公司;VISTA-MPX电感耦合等离子发射光谱仪、AA240FS原子吸收光谱仪,美国瓦里安公司。
  1.2 方法
  1.2.1 AuNPs的合成。
  250 mL圆底两口烧瓶中加入100 mL 0.01%氯金酸溶液,油浴,沸腾后迅速加入1 mL 1%的柠檬酸钠溶液,剧烈搅拌,回流加热,待溶液由蓝色迅速变成紫红色,继续加热5 min,冷却至室温后用0.22 μm水系滤膜过滤,避光保存于4 ℃冰箱,备用[9]。
  1.2.2 AuNPs比色法检测法。
  取10 μL pH为7.0的磷酸盐缓冲液,加入10 μL浓度为3 μmol/L的GSH溶液,再加入10 μL样品溶液,混合反应1~2 min,加入60 μL上述制备的AuNPs溶液,混合反应1~2 min,最后加入10 μL浓度0.2 mol/L的氯化钠溶液;同时,用超纯水做空白对照。反应30 s后观察混合溶液的颜色变化,并与空白组对照。若样品中含有Cu2+且浓度大于等于0.04 mg/L,可以观察到肉眼可见颜色变化,溶液由紫红色变为淡蓝色;若样品中不含有Cu2+或者含有的Cu2+浓度低于0.04 mg/L,则无变化。
  1.2.3 Cu2+選择性测试。
  为了考察AuNPs检测Cu2+的选择性,用硝酸镁[Mg(NO3)2]、氯化钙(CaCl2)、硫酸铜(CuSO4)、氯化铬(CdCl2)、醋酸锰(C4H6MnO4)、醋酸钴(C4H6CoO4)、醋酸锌(C4H6O4Zn)、硝酸镍[Ni(NO3)2]、硝酸汞[Hg(NO3)2]、硝酸铅[Pb(NO3)2]、硝酸铁[Fe(NO3)3]、氯化亚铁(FeCl2)、硫酸铝[Al2(SO4)3]、重铬酸钾(K2Cr2O7)、氯化钡(BaCl2)的超纯水溶液代替超纯水,做试验对照,方法同“1.2.2”。   1.2.4 AuNPs比色法檢测莲藕中Cu2+。
  将莲藕用超纯水洗净,晾干后去皮放在干净的研钵中捣碎成泥,放入干净的烧杯中保鲜膜封口后放在冰箱中4 ℃冷藏保存。称取样品(10.0±0.5)g于100 mL烧杯中,加入数粒沸石,向烧杯中加入高氯酸和硝酸混合酸(V/V,4∶1)20 mL,电炉上消化并赶酸至溶液澄清透明,冷却,移至50 mL容量瓶中,超纯水定容,用封口胶密封,放于4 ℃冰箱保存,同时做试剂空白。采用“1.2.2”中的方法检测样品,若样品中含有Cu2+且浓度大于等于0.04 mg/L,则可以观察到溶液由紫红色变为淡蓝色;若样品中不含Cu2+或者浓度低于0.04 mg/L,则溶液无变化。配置一系列不同浓度的Cu2+的超纯水溶液,取10 μL的磷酸盐缓冲液(pH 7.0,0.2 mol/L),加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液与10 μL超纯水,混合反应1~2 min,加入60 μL上述制备的AuNPs溶液,混合反应1~2 min,最后加入10 μL浓度为0.2 mol/L的氯化钠溶液,同时以相同的方法,用10 μL的一系列不同浓度的Cu2+的超纯水溶液替代超纯水溶液,30 s后测定各种混和溶液的紫外-可见吸收光谱。以混合溶液的吸光度为纵坐标,Cu2+的浓度为横坐标绘制标准曲线,来定量检测样品溶液中的Cu2+的含量。
  1.2.5 加标回收试验。
  配置一系列不同浓度的Cu2+的超纯水溶液(Cu2+的濃度分别为0.01、0.02、0.04、0.06 mg/L),取10 μL的磷酸盐缓冲液(pH 7.0,0.2 mol/L),加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液,加入10 μL超纯水,混合反应1~2 min,加入60 μL上述制备的AuNPs溶液,混合反应1~2 min,最后加入10 μL浓度为0.2 mol/L的氯化钠溶液,同时以相同的方法,用10 μL的一系列不同浓度的Cu2+的超纯水溶液、样品消解液以及加标样品消解液替代超纯水溶液,30 s后测定各种混和溶液的紫外-可见吸收光谱。以混合溶液的吸光度为纵坐标,Cu2+的浓度为横坐标绘制标准曲线,来定量检测样品消解液和加标样品消解液的Cu2+的含量,并计算样品的加标回收率。
  2 结果与分析
  2.1 AuNPs的合成
  通过测定AuNPs溶液的紫外-可见光谱得到AuNPs溶液的紫外-可见光谱图。由图1可知,合成的AuNPs的表面等离子特征峰是529 nm,峰型光滑。AuNPs粒径分布图如图2所示,如图2可知,合成的AuNPs有较好的分散性,粒径尺寸分布在较窄的范围内,平均粒径为42.73 nm。
  根据设计的试验思路,用10 μL的超纯水做空白对照,反应30 s后观察到混合溶液的颜色由原来的紫粉色变成接近透明的淡粉色,测定反应体系的混合溶液的紫外-可见吸收光谱,混合溶液的特征吸收峰由529 nm红移至537 nm处,吸收值有明显的减小,如图3所示。结果表明,在检测体系中,Cu2+与GS配位结合形成带负电性的配合物,破坏了GSH在高浓度氯化钠溶液中保护AuNPs的作用,失去保护的AuNPs发生聚集,颗粒之间的距离发生改变,因此在混合体系紫外-可见光谱上会有特征吸收峰的红移现象。小的纳米颗粒聚集在一起形成较大的纳米颗粒时,当较大的纳米颗粒的粒径大于胶体粒径上限时,就会从溶液中沉淀出来,溶液中的AuNPs颗粒的减小,混合体系的吸收值明显减小。采用透射电镜对AuNPs进行扫描,进一步证实了团聚现象的发生,如图4所示。以上结果从理论上支持AuNPs快速检测莲藕中重金属Cu2+的可行性。
  2.2 Cu2+选择性测试
  为了考察已建立用于检测Cu2+的AuNPs比色法对Cu2+的检测是否具有选择特异性,该试验选择了水生蔬菜实际样品中大部分含有的金属离子作为研究对象,包括Mg2+、Ca2+、Cu2+、Cr3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、Cr2O72-、Ba2+。结果表明,从加入各种金属离子的混合溶液的可见-紫外光谱图可以看到,与空白对照组相比,只有加入Cu2+的混合溶液的吸收值有明显的降低,其特征吸收峰发生红移,如图5a所示;加入Cu2+的混合溶液的颜色由加入之前的紫红色变成接近透明的淡红色,加入其他离子的混合溶液的颜色与空白对照组的颜色没有肉眼可见的差别,如图5b所示。因此,可在选取的这些金属离子中,建立高选择性的AuNPs Cu2+检测法。
  2.3 莲藕中Cu2+的快速检测
  为了考察AuNPs-GSH快速检测莲藕中Cu2+的适用性,按照“2.2.2”中的方法检测,结果表明(图6),与空白组比较,加入样品消解液后AuNPs溶液的吸收值有明显的降低。
  为了进一步验证AuNPs体系检测Cu2+的可行性,做了AuNPs法检测莲藕样品中Cu2+的加标回收试验。表1结果表明,莲藕样品中各个水平的加标回收率的结果在86.0%~94.4%,证明此方法具有良好的可行性,可以应用到莲藕实样检测中。
  3 结论
  该研究利用GSH在高浓度氯化钠溶液中可以保护AuNPs不聚集,而Cu2+可以破坏GSH的保护作用的原理,建立了一种莲藕中重金属Cu2+的快速检测方法。试验结果表明,AuNPs比色检测法对Cu2+选择特异性强,检测方法快捷、
  准确,莲藕样品中各个水平的加标回收率的结果在86.0%~94.4%,检测效果稳定。在该方法中,AuNPs不需要化学修饰且合成方法成熟,绿色环保,成本低廉。利用该方法可以可视化快速检测Cu2+,为农产品中重金属Cu2+的现场快速检测提供理论基础。
  参考文献
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