蓮藕中重金屬Cu2+納米金快速檢測(cè)法

易甜 劉騫

摘要 [目的]建立一種能適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)Cu2+的方法。[方法]以納米金顆粒（AuNPs）為基礎(chǔ)制備檢測(cè)探針，構(gòu)建可視化檢測(cè)蓮藕中重金屬Cu2+的快速檢測(cè)體系。[結(jié)果]AuNPs比色檢測(cè)法對(duì)Cu2+選擇特異性強(qiáng)，通過(guò)肉眼可視從而快捷、準(zhǔn)確地進(jìn)行快速檢測(cè)，蓮藕樣品中各個(gè)水平的加標(biāo)回收率的結(jié)果在86.0%～94.4%，檢測(cè)效果穩(wěn)定。[結(jié)論]研究可為蓮藕中重金屬的快速檢測(cè)提供參考。

關(guān)鍵詞 蓮藕；納米金；重金屬；快速檢測(cè)

中圖分類號(hào) TS207.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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

蓮藕中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)素，是一種藥食同源的水生蔬菜[1]。蓮藕主要生長(zhǎng)在池塘和湖泊中，但隨著我國(guó)城市化進(jìn)程步伐的加快，導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題日益突顯，水體環(huán)境極易遭受工業(yè)廢水的污染。進(jìn)入水環(huán)境的重金屬離子也會(huì)被淤泥吸附而沉積為底泥，蓮藕的根系會(huì)從土壤環(huán)境中吸收重金屬離子。由于蓮藕具有發(fā)達(dá)的維管束，極易產(chǎn)生一次富集效應(yīng)。而富集部位大部分是蓮藕的食用部，食用受到污染的蓮藕會(huì)對(duì)人體健康構(gòu)成威脅[2]。

微量元素家族中銅（Cu）是一位重要的成員，長(zhǎng)期攝入高Cu含量食物會(huì)對(duì)人體健康造成損害[3-4]。大量研究表明，Cu的毒性與它的形態(tài)有關(guān)，游離的銅離子（Cu2+）對(duì)生物體毒性最大[5]。常用的Cu2+檢測(cè)的方法有原子吸收光譜法、電感耦合等離子發(fā)射光譜法、分光光度法等，這些檢測(cè)方法復(fù)雜繁瑣，儀器造價(jià)昂貴，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于大規(guī)模農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。因此，建立一種能適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)Cu2+的方法是非常有必要的。

納米金顆粒（AuNPs）在可見(jiàn)光區(qū)具有很強(qiáng)的表面等離子體共振，制備方法簡(jiǎn)單，具有很高的穩(wěn)定性以及良好的生物相容性，任何表面結(jié)構(gòu)的改變、聚集，或介質(zhì)折射率的改變可能都會(huì)改變其分散性，最終導(dǎo)致顏色變化，成為最常用的光學(xué)傳感材料[6]。重金屬離子可以使聚集的AuNPs重新分散，也可以與修飾在AuNPs表面的物質(zhì)形成沉淀，從而使AuNPs的顏色和吸光度值發(fā)生改變，基于該理論的AuNPs傳感器的選擇靈敏度是由納米金的尺寸、濃度、被識(shí)別元素的性質(zhì)和密度、pH、離子強(qiáng)度、緩沖溶液的類型以及溫度等決定的[7-8]。筆者主要以AuNPs為基礎(chǔ)制備檢測(cè)探針，建立AuNPs-谷胱甘肽（GSH）快速檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)蓮藕中重金屬Cu2+的快速可視化檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 材料 新鮮蓮藕，市售。UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，日本島津集團(tuán)；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)公司；電子萬(wàn)用爐，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；H-7650透射電子顯微鏡，日本日立公司；AFS-8230原子熒光光譜儀，北京吉天儀器有限公司；VISTA-MPX電感耦合等離子發(fā)射光譜儀、AA240FS原子吸收光譜儀，美國(guó)瓦里安公司。

1.2 方法

1.2.1 AuNPs的合成。

250 mL圓底兩口燒瓶中加入100 mL 0.01%氯金酸溶液，油浴，沸騰后迅速加入1 mL 1%的檸檬酸鈉溶液，劇烈攪拌，回流加熱，待溶液由藍(lán)色迅速變成紫紅色，繼續(xù)加熱5 min，冷卻至室溫后用0.22 μm水系濾膜過(guò)濾，避光保存于4 ℃冰箱，備用[9]。

1.2.2 AuNPs比色法檢測(cè)法。

取10 μL pH為7.0的磷酸鹽緩沖液，加入10 μL濃度為3 μmol/L的GSH溶液，再加入10 μL樣品溶液，混合反應(yīng)1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應(yīng)1～2 min，最后加入10 μL濃度0.2 mol/L的氯化鈉溶液；同時(shí)，用超純水做空白對(duì)照。反應(yīng)30 s后觀察混合溶液的顏色變化，并與空白組對(duì)照。若樣品中含有Cu2+且濃度大于等于0.04 mg/L，可以觀察到肉眼可見(jiàn)顏色變化，溶液由紫紅色變?yōu)榈{(lán)色；若樣品中不含有Cu2+或者含有的Cu2+濃度低于0.04 mg/L，則無(wú)變化。

1.2.3 Cu2+選擇性測(cè)試。

為了考察AuNPs檢測(cè)Cu2+的選擇性，用硝酸鎂[Mg（NO3）2]、氯化鈣（CaCl2）、硫酸銅（CuSO4）、氯化鉻（CdCl2）、醋酸錳（C4H6MnO4）、醋酸鈷（C4H6CoO4）、醋酸鋅（C4H6O4Zn）、硝酸鎳[Ni（NO3）2]、硝酸汞[Hg（NO3）2]、硝酸鉛[Pb（NO3）2]、硝酸鐵[Fe（NO3）3]、氯化亞鐵（FeCl2）、硫酸鋁[Al2（SO4）3]、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、氯化鋇（BaCl2）的超純水溶液代替超純水，做試驗(yàn)對(duì)照，方法同“1.2.2”。

1.2.4 AuNPs比色法檢測(cè)蓮藕中Cu2+。

將蓮藕用超純水洗凈，晾干后去皮放在干凈的研缽中搗碎成泥，放入干凈的燒杯中保鮮膜封口后放在冰箱中4 ℃冷藏保存。稱取樣品（10.0±0.5）g于100 mL燒杯中，加入數(shù)粒沸石，向燒杯中加入高氯酸和硝酸混合酸（V/V，4∶1）20 mL，電爐上消化并趕酸至溶液澄清透明，冷卻，移至50 mL容量瓶中，超純水定容，用封口膠密封，放于4 ℃冰箱保存，同時(shí)做試劑空白。采用“1.2.2”中的方法檢測(cè)樣品，若樣品中含有Cu2+且濃度大于等于0.04 mg/L，則可以觀察到溶液由紫紅色變?yōu)榈{(lán)色；若樣品中不含Cu2+或者濃度低于0.04 mg/L，則溶液無(wú)變化。配置一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液，取10 μL的磷酸鹽緩沖液（pH 7.0，0.2 mol/L），加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液與10 μL超純水，混合反應(yīng)1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應(yīng)1～2 min，最后加入10 μL濃度為0.2 mol/L的氯化鈉溶液，同時(shí)以相同的方法，用10 μL的一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液替代超純水溶液，30 s后測(cè)定各種混和溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。以混合溶液的吸光度為縱坐標(biāo)，Cu2+的濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，來(lái)定量檢測(cè)樣品溶液中的Cu2+的含量。

1.2.5 加標(biāo)回收試驗(yàn)。

配置一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液（Cu2+的濃度分別為0.01、0.02、0.04、0.06 mg/L），取10 μL的磷酸鹽緩沖液（pH 7.0，0.2 mol/L），加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液，加入10 μL超純水，混合反應(yīng)1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應(yīng)1～2 min，最后加入10 μL濃度為0.2 mol/L的氯化鈉溶液，同時(shí)以相同的方法，用10 μL的一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液、樣品消解液以及加標(biāo)樣品消解液替代超純水溶液，30 s后測(cè)定各種混和溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜。以混合溶液的吸光度為縱坐標(biāo)，Cu2+的濃度為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，來(lái)定量檢測(cè)樣品消解液和加標(biāo)樣品消解液的Cu2+的含量，并計(jì)算樣品的加標(biāo)回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 AuNPs的合成

通過(guò)測(cè)定AuNPs溶液的紫外-可見(jiàn)光譜得到AuNPs溶液的紫外-可見(jiàn)光譜圖。由圖1可知，合成的AuNPs的表面等離子特征峰是529 nm，峰型光滑。AuNPs粒徑分布圖如圖2所示，如圖2可知，合成的AuNPs有較好的分散性，粒徑尺寸分布在較窄的范圍內(nèi)，平均粒徑為42.73 nm。

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)思路，用10 μL的超純水做空白對(duì)照，反應(yīng)30 s后觀察到混合溶液的顏色由原來(lái)的紫粉色變成接近透明的淡粉色，測(cè)定反應(yīng)體系的混合溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，混合溶液的特征吸收峰由529 nm紅移至537 nm處，吸收值有明顯的減小，如圖3所示。結(jié)果表明，在檢測(cè)體系中，Cu2+與GS配位結(jié)合形成帶負(fù)電性的配合物，破壞了GSH在高濃度氯化鈉溶液中保護(hù)AuNPs的作用，失去保護(hù)的AuNPs發(fā)生聚集，顆粒之間的距離發(fā)生改變，因此在混合體系紫外-可見(jiàn)光譜上會(huì)有特征吸收峰的紅移現(xiàn)象。小的納米顆粒聚集在一起形成較大的納米顆粒時(shí)，當(dāng)較大的納米顆粒的粒徑大于膠體粒徑上限時(shí)，就會(huì)從溶液中沉淀出來(lái)，溶液中的AuNPs顆粒的減小，混合體系的吸收值明顯減小。采用透射電鏡對(duì)AuNPs進(jìn)行掃描，進(jìn)一步證實(shí)了團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，如圖4所示。以上結(jié)果從理論上支持AuNPs快速檢測(cè)蓮藕中重金屬Cu2+的可行性。

2.2 Cu2+選擇性測(cè)試

為了考察已建立用于檢測(cè)Cu2+的AuNPs比色法對(duì)Cu2+的檢測(cè)是否具有選擇特異性，該試驗(yàn)選擇了水生蔬菜實(shí)際樣品中大部分含有的金屬離子作為研究對(duì)象，包括Mg2+、Ca2+、Cu2+、Cr3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、Cr2O72-、Ba2+。結(jié)果表明，從加入各種金屬離子的混合溶液的可見(jiàn)-紫外光譜圖可以看到，與空白對(duì)照組相比，只有加入Cu2+的混合溶液的吸收值有明顯的降低，其特征吸收峰發(fā)生紅移，如圖5a所示；加入Cu2+的混合溶液的顏色由加入之前的紫紅色變成接近透明的淡紅色，加入其他離子的混合溶液的顏色與空白對(duì)照組的顏色沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的差別，如圖5b所示。因此，可在選取的這些金屬離子中，建立高選擇性的AuNPs Cu2+檢測(cè)法。

2.3 蓮藕中Cu2+的快速檢測(cè)

為了考察AuNPs-GSH快速檢測(cè)蓮藕中Cu2+的適用性，按照“2.2.2”中的方法檢測(cè)，結(jié)果表明（圖6），與空白組比較，加入樣品消解液后AuNPs溶液的吸收值有明顯的降低。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證AuNPs體系檢測(cè)Cu2+的可行性，做了AuNPs法檢測(cè)蓮藕樣品中Cu2+的加標(biāo)回收試驗(yàn)。表1結(jié)果表明，蓮藕樣品中各個(gè)水平的加標(biāo)回收率的結(jié)果在86.0%～94.4%，證明此方法具有良好的可行性，可以應(yīng)用到蓮藕實(shí)樣檢測(cè)中。

3 結(jié)論

該研究利用GSH在高濃度氯化鈉溶液中可以保護(hù)AuNPs不聚集，而Cu2+可以破壞GSH的保護(hù)作用的原理，建立了一種蓮藕中重金屬Cu2+的快速檢測(cè)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，AuNPs比色檢測(cè)法對(duì)Cu2+選擇特異性強(qiáng)，檢測(cè)方法快捷、

準(zhǔn)確，蓮藕樣品中各個(gè)水平的加標(biāo)回收率的結(jié)果在86.0%～94.4%，檢測(cè)效果穩(wěn)定。在該方法中，AuNPs不需要化學(xué)修飾且合成方法成熟，綠色環(huán)保，成本低廉。利用該方法可以可視化快速檢測(cè)Cu2+，為農(nóng)產(chǎn)品中重金屬Cu2+的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

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