基于對半胱胺保護的金納米粒子催化活性的抑制檢測氰根離子

趙丹 李娜 許艷杰 黃晶晶 陳傳霞

摘要利用氰根離子（CN對帶正電荷的半胱胺保護的金納米粒子（cystAuNPs）過氧化物模擬酶催化活性的抑制，建立了一種簡單、靈敏測定CN的比色傳感方法。CystAuNPs可催化過氧化氫（H2O2）氧化四甲基聯(lián)苯胺（TMB），生成藍色的oxTMB，最大吸收波長為652 nm。由于CN對cystAuNPs的蝕刻作用，cystAuNPs的催化活性減弱，導(dǎo)致生成的oxTMB量變少，溶液顏色變淺，652 nm處的吸光度下降，而顏色變淺和吸光度下降的程度與CN的濃度直接相關(guān)。基于催化體系的放大效應(yīng)，此比色方法的靈敏度高，在最佳條件下，檢測CN的線性范圍為2～10 μmol/L和10～140 μmol/L，檢出限為0.33mol/L（S/N=3）。本方法不需要對金納米粒子表面進行修飾，具有操作簡單、成本低、結(jié)果可視化等優(yōu)點，具有潛在的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞氰根離子; 比色方法; 半胱胺保護的金納米粒子; 過氧化物模擬酶活性

1引 言

氰根離子（CN是一種劇毒的陰離子，進入人體血液循環(huán)之后，可與體內(nèi)細胞色素氧化酶的Fe3+結(jié)合，降低細胞利用氧的能力，損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)[1]。作為一種重要的化學(xué)原料，CN被廣泛應(yīng)用于冶金、黃金開采、電鍍、纖維合成以及農(nóng)藥醫(yī)藥、樹脂生產(chǎn)等領(lǐng)域，對生態(tài)環(huán)境具有潛在的危害性[2]。CN可通過多種途徑被人體吸收，包括肺部的呼吸、皮膚的接觸以及被氰化物所污染的食物及飲用水的攝入等，極微量的CN便可致人死亡。世界衛(wèi)生組織和中國的《生活飲用水衛(wèi)生標準》規(guī)定飲用水中的CN的限量值為1.9 μmol/L[3，4]。因此，發(fā)展簡便快速、靈敏的檢測CN的方法，對于環(huán)境監(jiān)測、食品安全和人類健康具有重要意義。

目前，研究人員發(fā)展了多種用于檢測CN的方法，主要有比色法[5～7]、熒光法[8～11]、離子色譜法[12]、流動注射法[13]和電化學(xué)方法[14]等。這些方法大多較繁瑣耗時、操作復(fù)雜以及需要專業(yè)的操作人員。近年來，基于納米粒子的比色法因其成本低、簡單、可視化以及易進行表面修飾等優(yōu)點而備受關(guān)注。利用CN刻蝕貴金屬納米粒子（如金納米粒子（AuNPs）和銀納米粒子（AgNPs））的能力，已有簡便的比色法被報道用于檢測CN [15～17]。然而，這種方法靈敏度較低，檢測范圍較窄，而且需要對納米粒子表面進行功能化修飾。針對此問題，研究者分別基于CN對碳量子點AuNPs[18]和石墨烯量子點AgNPs[19]傳感體系熒光的恢復(fù)，發(fā)展了高靈敏度檢測CN的熒光方法。但是，此類傳感體系需要復(fù)雜熒光納米材料的合成與純化，繁瑣費時，且熒光儀器成本較高，不利于快速推廣。近年來，基于納米材料過氧化物模擬酶性質(zhì)的催化反應(yīng)成為放大比色檢測信號的主要策略，可實現(xiàn)痕量分析物的高靈敏度檢測。研究表明，一些納米材料，如金屬及金屬氧化物納米粒子、碳基納米材料、金屬納米簇、石墨烯、金屬二硫化物納米片等，具有催化活性，被稱為“納米酶”[20～23]。納米酶與天然酶在催化活性、表面電荷、形狀和尺寸方面具有相似之處，且具有價格低廉、性質(zhì)穩(wěn)定、可大量制備等優(yōu)點，在環(huán)境、食品和醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。如Huang等[24]基于SO24對納米二氧化鈰氧化酶活性的激活效應(yīng)，建立了高靈敏的谷胱甘肽的比色檢測方法; 吳亮亮等[25]通過對銀/鉑納米簇的表面修飾調(diào)控其催化活性，實現(xiàn)了對環(huán)境水樣中Cu2+的快速痕量檢測。然而，以納米酶催化的顯色反應(yīng)檢測CN的比色方法鮮有報道。

根據(jù)文獻報道，帶正電的半胱胺保護的金納米粒子（cystAuNPs）具有過氧化物模擬酶的催化活性，其表面的金原子是促進其催化活性的主要因素[26，27]。另外，CN與Au具有較強的絡(luò)合能力，可蝕刻AuNPs [28]。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

UV1000紫外可見分光光度計（上海龍尼柯儀器有限公司）; Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡（美國FEI公司）; 力辰超純水機（力辰科技股份有限公司）。

三水合氯金酸（HAuCl4·3H2O）和半胱胺鹽酸鹽購于北京國藥集團; 四甲基聯(lián)苯胺（TMB，美國SigmaAldrich公司）; 其它試劑均為國產(chǎn)分析純。通過調(diào)節(jié)乙酸和乙酸鈉的混合比例配制不同pH值的乙酸鹽緩沖溶液（0.2 mol/L），并稀釋至所需濃度。實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm）。

2.2cystAuNPs的合成

根據(jù)文獻[29]的方法合成表面帶有正電荷的cystAuNPs，步驟如下： 向40 mL HAuCl4溶液（1.42 mmol/L）中加入400 μL半胱胺鹽酸鹽溶液（213 mmol/L），室溫下攪拌20 min后，逐滴快速加入10 μL新配制的NaBH4（10 mmol/L）。劇烈攪拌15 min后，得到酒紅色的cystAuNPs溶液。實驗全程需避光， 制備的cystAuNPs于4℃保存， 備用，在3個月內(nèi)不發(fā)生團聚，保持相對穩(wěn)定。

2.3CN

3結(jié)果與討論

3.1檢測機理

由TEM圖（圖1）可見，合成的cystAuNPs粒徑約為（23±4）nm。不同體系的吸收光譜見圖2。單獨的TMB無明顯的吸收峰（圖2曲線a），H2O2與TMB反應(yīng)后，

體系在652 nm處出現(xiàn)氧化態(tài)TMB（oxTMB）的特征吸收峰，但峰強度很弱（圖2曲線b），這是由于H2O2與TMB反應(yīng)很緩慢，此時體系呈無色澄清的溶液（圖2插圖b）。加入cystAuNPs后，體系在652 nm處的吸收明顯增強，同時溶液變?yōu)樯钏{色（圖2曲線d和插圖d），說明cystAuNPs具有過氧化物模擬酶的活性，能顯著催化H2O2氧化TMB的反應(yīng)。但是，當(dāng)體系中存在20

3.2.2pH值的優(yōu)化pH值影響cystAuNPs的帶電狀態(tài)、 穩(wěn)定性及催化性能等，對pH值對體系的影響進行了考察。結(jié)果表明，只有在酸性條件下，cystAuNPs表面才具有足夠的正電荷，保證其穩(wěn)定性。根據(jù)文獻[31]報道，H2O2在水中能電離產(chǎn)生過氧根孤對電子，而cystAuNPs中的Au核外電子軌道有空軌道，易與過氧根的孤對電子配位; 在弱酸條件下，過氧根吸附在AuNPs表面，使其OO鍵斷裂，從而持續(xù)產(chǎn)生羥基自由基（·OH），在cystAuNPs周圍這些活性自由基的局部濃度增高，具有極強的氧化能力[32]，顯著加快了TMB轉(zhuǎn)化成oxTMB的速率，從而使AuNPs表現(xiàn)出過氧化物模擬酶的特性。如圖5A所示，隨著pH值增加，ΔA652先增加后減小， pH=4.0時， 加入CNSymbolm@@引起的吸光度差值ΔA652達到最大值，檢測的靈敏度最高。因此，本研究選取pH 4.0作為最佳pH值。

3.2.3反應(yīng)溫度和時間的優(yōu)化與辣根過氧化物酶類似，cystAuNPs的催化活性與體系溫度密切相關(guān)。分別在25℃、 30℃、 35℃、 40℃、 45℃和50℃的水浴中反應(yīng)后，測定體系在652 nm處的吸光度。結(jié)果表明，體系在40℃時具有最大的催化活性; 繼續(xù)升高溫度，H2O2分解加速，cystAuNPs的催化活性下降。此外，較高溫度不利于cystAuNPs與CN之間的相互作用。如圖5B所示，隨著溫度升高，ΔA652先增加后減小，在30℃時達到最大值。因此，選擇30℃作為測定CN的最適反應(yīng)溫度。

3.4特異性分析

為了評估cystAuNPsTMBH2O2比色體系對CN的選擇性，考察了環(huán)境中一些常見的陰、 陽離子

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