對(duì)氨基苯甲酸修飾的金納米粒子比色法檢測水樣中痕量殺螟丹

易 永， 肖石妹， 郭 嵐*,， 鄢愛平， 姚恬恬， 萬益群,

(1.南昌大學(xué)化學(xué)學(xué)院，江西南昌,330031;2.南昌大學(xué)分析測試中心，江西南昌,330047;3.江西省分析測試研究所，江西南昌,330000)

殺螟丹(2-(二甲氨基)-1，3-丙二硫醇二氨基甲酸甲酯鹽酸鹽)是一種模擬沙蠶毒素合成的仿生性農(nóng)藥，1967年在日本首次應(yīng)用[1]。殺螟丹作為一種高效殺蟲劑，被廣泛應(yīng)用于水稻、果樹、蔬菜、茶樹和甘蔗等農(nóng)作物的生產(chǎn)中，其用量極大，目前全世界殺螟丹的需求量約為8 000噸/年。因?yàn)闅⒚さ亩拘?，尤其?duì)水生生物毒性極高，其大量使用所產(chǎn)生的殘留必然對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良的影響，進(jìn)而對(duì)人體健康造成威脅[2-3]，因此國內(nèi)外相關(guān)部門對(duì)農(nóng)作物、食品中殺螟丹的含量做出了相關(guān)限制和規(guī)定[4]。

目前檢測殺螟丹主要采用高效液相色譜[5]、氣相色譜[6]、氣相色譜-質(zhì)譜[7]、液相色譜-質(zhì)譜[8]和薄層色譜[9]等方法。此類方法雖然靈敏度較高，但儀器設(shè)備昂貴、分析時(shí)間長且樣品前處理復(fù)雜，因此發(fā)展快速、簡單、低成本的有效檢測方法具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

隨著納米科學(xué)的發(fā)展，基于貴金屬納米粒子的比色法因?yàn)榫哂锌梢曅?、簡單、靈敏、實(shí)時(shí)分析等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[10-11]。其中金納米粒子(AuNPs)由于具有高的摩爾吸光系數(shù)、穩(wěn)定性強(qiáng)以及易被有機(jī)配體修飾等特性而成為最受歡迎的貴金屬納米材料，目前已有許多文獻(xiàn)報(bào)道利用AuNPs比色法檢測金屬離子[12-13]、氨基酸[14]、有機(jī)污染物[15]和農(nóng)藥殘留[16-17]等物質(zhì)。本文以對(duì)氨基苯甲酸修飾的AuNPs為探針，提出了一種檢測殺螟丹的比色方法。該方法簡單、快速、靈敏、選擇性好，可應(yīng)用于環(huán)境水樣中的痕量殺螟丹的檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV-2501PC紫外-可見分光光度計(jì)(日本，島津公司)；JEM-2100透射電鏡(日本，電子公司)；Nicolet 5700傅里葉變換紅外光譜儀(美國，尼高力公司)；PSA NANO 2590納米粒度儀及Zeta電位分析儀(英國，馬爾文公司)。

農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品：殺螟丹、西維因、噻草平、蟲螨威、氯苯胺靈、害撲威、福美雙、甲磺隆、甲胺磷、氯草靈、完滅硫磷、甲基硫菌靈、百菌清、雷多米爾、乙酰甲胺磷、殺螟硫磷、殺蟲環(huán)和殺蟲雙，均購自百靈威科技有限公司。HAuCl4·4H2O(百靈威科技有限公司)；對(duì)氨基苯甲酸(PABA)、三水合檸檬酸鈉(上海晶純生化科技股份有限公司)；NaCl、MgCl2、ZnCl2、KCl、CaCl2、AlCl3、FeCl3、CuCl2、MnCl2、Na2CO3、NaHPO4、NaNO3、K2SO4、HAc、NaAc(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；上述試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(18.2 MΩ·cm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1AuNPs的合成AuNPs采用檸檬酸鈉還原法[18]制備。將50 mL HAuCl4溶液(0.25 mmol/L) 加熱至沸并持續(xù)5 min，向溶液中快速加入 1.3 mL 1%檸檬酸三鈉溶液，繼續(xù)加熱反應(yīng)約15 min，當(dāng)溶液變成酒紅色之后即為反應(yīng)終點(diǎn)，可得到粒徑約為13 nm的AuNPs，保存于4 ℃冰箱中，備用。AuNPs的濃度根據(jù)比爾定律計(jì)算確定為5 nmol/L(13 nm的AuNPs在最大吸收波長520 nm的摩爾吸光系數(shù)ε為2.78×108L·mol-1·cm- 1。

1.2.2PABA-AuNPs的合成將0.05 mL PABA(30 μmol/L)加入到 4 mL AuNPs溶液 (5 nmol/L)中，使PABA和AuNPs的投料摩爾比為75∶1,在室溫下孵育2 h得到PABA修飾的AuNPs，即PABA-AuNPs。

1.2.3吸收光譜的掃描在10 mL塑料離心管中，加入0.5 mL HAc-NaAc緩沖溶液(pH=5.5)和4 mL PABA-AuNPs 溶液，再加入0.1 mL殺螟丹標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品溶液，用超純水定容至5 mL。混合均勻后，室溫下孵育4 min，用1 cm石英比色皿，以超純水為參比，用紫外-可見分光光度計(jì)掃描得到400～800 nm波長范圍內(nèi)吸收光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征

2.1.1AuNPs的表征合成得到的AuNPs溶液顏色為酒紅色，通過納米粒度儀和紫外-可見分光光度計(jì)對(duì)其進(jìn)行表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明合成得到的納米材料平均粒徑為13 nm，最大吸收波長為520 nm，與文獻(xiàn)報(bào)道[18]一致，說明成功合成了AuNPs。

圖1 PABA(a)和 PABA-AuNPs(b)的紅外光譜圖Fig.1 The infrared spectra of PABA(a) and PABA-AuNPs(b)

2.1.2PABA-AuNPs的表征通過傅立葉紅外光譜以及透射電鏡對(duì)制備好的PABA-AuNPs進(jìn)行表征。圖1給出了PABA和PABA-AuNPs的紅外特征吸收譜圖。PABA有兩個(gè)功能團(tuán)，氨基和羧基。從圖中可以明顯看到PABA在3 401 cm-1和 3 493 cm-1有吸收，分別對(duì)應(yīng)氨基的對(duì)稱和非對(duì)稱伸縮振動(dòng)譜帶，然而在PABA-AuNPs紅外光譜圖中，這兩個(gè)峰卻消失了，但羧基的C=O 伸縮振動(dòng)峰(1 704 cm-1)和O-H的伸縮振動(dòng)峰(3 081 cm-1)仍然存在。結(jié)果表明已成功合成了PABA-AuNPs，而且PABA是通過氨基修飾到了AuNPs粒子的表面，而把羧基暴露在外面。由透射電鏡圖可以看出PABA-AuNPs呈球形且分散均勻，平均粒徑約13 nm(圖2A)，當(dāng)向溶液中加入0.6 mg/L的殺螟丹后，PABA-AuNPs迅速發(fā)生聚集(圖2B)。

圖2 PABA-AuNPs(A)和加入0.6 mg/L殺螟丹后PABA-AuNPs(B)的透射電鏡(TEM)圖Fig.2 TEM images of PABA-AuNPs(A) and PABA-AuNPs after the addition of 0.6 mg/L cartap(B)

2.2 PABA-AuNPs探針比色法檢測殺螟丹

對(duì)PABA-AuNPs表面進(jìn)行了電位分析，測得材料表面Zeta電位為-56.2 mV，這應(yīng)該是由于材料表面存在大量羧基的緣故。由于PABA-AuNPs表面的負(fù)電荷存在靜電排斥作用，因此粒子呈現(xiàn)出良好的分散狀態(tài)。當(dāng)加入殺螟丹后，殺螟丹的氨基作為氫鍵給體會(huì)與AuNPs表面的羧基形成氫鍵，誘導(dǎo)AuNPs發(fā)生聚集，機(jī)理如圖3所示。

圖3 PABA-AuNPs比色法檢測殺螟丹原理圖Fig.3 The possible mechanism of cartap detection using the PABA-AuNPs colorimetric assay

圖4 PABA-AuNPs在加入殺螟丹前(a)后(b)的吸收光譜(pH=5.5)Fig.4 Absorption spectra of PABA-AuNPs solution in the presence of none(a),0.6 mg/L cartap(b),the determination medium is acetic acid-sodium acetate buffer solution(pH=5.5) (Insert a-b is corresponding photos of two samples mentioned above)

溶液中處于良好分散狀態(tài)的PABA-AuNPs呈酒紅色，吸收光譜如圖4曲線a所示，在520 nm處有最大吸收峰。當(dāng)向PABA-AuNPs中加入殺螟丹后，溶液的顏色從酒紅色變成藍(lán)色，吸收光譜如圖4曲線b所示，520 nm處的吸收強(qiáng)度降低，在690 nm處出現(xiàn)了新吸收峰，表明AuNPs發(fā)生了聚集。在PABA-AuNPs溶液中分別加入0、0.15、0.25、0.35、0.45、0.55 mg/L殺螟丹溶液，測得納米粒子的平均粒徑分別為13、29、145、191、531和1 271 nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步推斷出殺螟丹的加入引起了PABA-AuNPs的聚集，而且聚集程度與殺螟丹的濃度呈正相關(guān)。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.3.1合成PABA-AuNPs投料比的影響將PABA修飾在AuNPs表面，一方面使AuNPs表面帶負(fù)電荷，以維持相對(duì)穩(wěn)定的分散體系，另一方面在AuNPs表面提供殺螟丹的識(shí)別位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)采用摩爾比(nPABA∶nAuNPs)分別為50∶1、75∶1、100∶1、150∶1進(jìn)行投料，合成了4種PABA-AuNPs，并對(duì)其檢測殺螟丹的效果分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。由圖可知，當(dāng)投料比為75∶1時(shí)，PABA-AuNPs對(duì)殺螟丹的識(shí)別靈敏度最高且線性范圍最寬；當(dāng)投料比低于75∶1時(shí)，修飾到AuNPs上的PABA太少，導(dǎo)致殺螟丹的識(shí)別靈敏度降低；而當(dāng)投料比高于75∶1時(shí)，過量的PABA會(huì)導(dǎo)致PABA-AuNPs溶液發(fā)生一定程度上的聚集，使得線性范圍變窄且靈敏度降低。因此本實(shí)驗(yàn)最終選擇75∶1作為最佳投料比。

2.3.2溶液pH和反應(yīng)時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)考察了溶液pH對(duì)殺螟丹檢測靈敏度的影響。從圖6中可以看出，由于殺螟丹在堿性條件下不穩(wěn)定，隨著pH的升高，吸光度的比值明顯下降。在酸性條件下，由于水合質(zhì)子容易與羧基的孤對(duì)電子形成氫鍵，對(duì)殺螟丹中氨基造成競爭，因此隨著pH的降低，對(duì)殺螟丹的識(shí)別靈敏度急劇下降。實(shí)驗(yàn)最終選擇pH=5.5作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的最佳條件。同時(shí)考察反應(yīng)平衡時(shí)間的影響，4 min 之后顏色和吸光度比值都不再改變，因此選擇4 min為反應(yīng)時(shí)間。

圖5 不同投料比合成的PABA-AuNPs對(duì)殺螟丹的響應(yīng)(pH=5.5)Fig.5 The absorption intensity ratio (A690nm/A520nm,nPABA∶nAuNPs) of these four types of PABA-AuNPs as a function of cartap concentrations(pH=5.5)

圖6 pH值條件的優(yōu)化(c殺螟丹=0.6 mg/L)Fig.6 Optimization of pH (ccartap=0.6 mg/L)

2.4 干擾實(shí)驗(yàn)

2.5 PABA-AuNPs溶液的穩(wěn)定性

實(shí)驗(yàn)對(duì)PABA-AuNPs 的穩(wěn)定性進(jìn)行了三個(gè)月的跟蹤考察，發(fā)現(xiàn)在此期間，納米粒子平均粒徑穩(wěn)定在13 nm左右，未出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，說明合成的PABA-AuNPs具有良好的穩(wěn)定性，有利于實(shí)際應(yīng)用。

2.6 分析應(yīng)用

2.6.1工作曲線及檢出限在優(yōu)化條件下，分別取不同濃度殺螟丹標(biāo)準(zhǔn)溶液與PABA-AuNPs反應(yīng)，如圖7(A) 所示，隨著殺螟丹溶液濃度的增加，PABA-AuNPs在520 nm處的吸光度值逐漸降低，而在690 nm處的吸光度值逐漸升高，且顏色的變化可以通過肉眼觀察到，見圖7(A)中的內(nèi)插圖。以A690nm/A520nm對(duì)殺螟丹濃度作圖，見圖7(B)。當(dāng)殺螟丹濃度在0.08～0.7 mg/L范圍時(shí)，線性回歸方程為:y=1.5833c-0.00836，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.9957；當(dāng)殺螟丹濃度在0.75～1.0 mg/L范圍時(shí)，線性方程為:y=0.75429c+0.57667,R2=0.9914(分別對(duì)應(yīng)圖7(B)中的a和b)。根據(jù)檢測限公式：3S0/K，S0是測量空白時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=13)，K是校準(zhǔn)曲線的斜率，得到紫外-可見分光光度法的檢測限為0.02 mg/L。裸眼檢測限為0.15 mg/L。

2.6.2樣品檢測對(duì)實(shí)際環(huán)境水樣中殺螟丹含量進(jìn)行測定(水樣先用砂芯漏斗過濾，然后過0.45 μm水相膜)，并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表1。實(shí)際水樣的加標(biāo)回收率在101%～107%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在2.1%～4.7%之間。此結(jié)果表明，本方法在環(huán)境水樣中檢測可行。

圖7 (A)不同濃度殺螟丹的PABA-AuNPs的吸收光譜圖(內(nèi)插圖是比色圖片)；(B)殺螟丹的標(biāo)準(zhǔn)曲線(pH=5.5)Fig.7 (A)Absorption spectra of the PABA-AuNPs in the presence of different concentrations of cartap(Inset is the selected photograph);(B)Calibration curve of absorption ratio(A690nm/A520nm) versus cartap concentration (pH=5.5)

SampleFound(mg/L)Added(mg/L)Average recovery(%)RSD(%)SampleFound(mg/L)Added(mg/L)Average recovery(%)RSD(%)Qingshan lake waterND0.20.40.61061021034.74.22.1Rice field waterND0.20.40.61041051044.43.73.3Yao lake waterND0.20.40.61071051013.52.92.1Rice field waterND0.20.40.61051041014.54.13.8

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3 結(jié)論

以合成的PABA-AuNPs為探針，通過其與殺螟丹的氫鍵作用產(chǎn)生不同程度的聚集，而引起金納米粒子溶液顏色的改變，建立了一種殺螟丹的比色檢測新方法。該方法簡單快速，分析成本低，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備，甚至用裸眼觀測即能得到不錯(cuò)的靈敏度，具有較好的應(yīng)用前景。