环糊精修饰金纳米粒子检测镉离子的研究*

关桦楠 ，龚德状 ，瑙阿敏 ，徐丽萍 ，景芳一

（1.哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150076；2.东北林业大学 盐碱地生物资源环境研究中心，黑龙江 哈尔滨150040）

环糊精修饰金纳米粒子检测镉离子的研究*

关桦楠1,2，龚德状1，瑙阿敏1，徐丽萍1，景芳一1

（1.哈尔滨商业大学 食品工程学院，黑龙江 哈尔滨 150076；2.东北林业大学 盐碱地生物资源环境研究中心，黑龙江 哈尔滨150040）

本文采用绿色还原法制备金纳米粒子，并利用环糊精修饰金纳米粒子，构建出一套便捷且高效的Cd（II）残留比色检测体系。实验结果表明，当整个体系中镉离子浓度增加时，溶液颜色发生变化，颜色由酒红色变成蓝紫色；在 Cd（II）浓度为 0.1～100μmol·L-1和 200～2000μmol·L-1范围内时，其浓度与体系吸光度比值（A525/A650）呈现明显的线性关系，相关系数分别为0.9763和0.9787，检出限为0.085μmol·L-1；环糊精功能化金纳米粒子检测镉离子的体系具有较高的检测选择性能。

金纳米粒子；环糊精；镉离子；比色检测体系

镉（Cadmium，Cd）是一种重金属元素，在工业生产中有广泛应用，对电镀、印刷及农业生产等方面起着重要作用，但正是这种金属镉的大量投入却对环境造成了严重的污染。镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒，镉被人体吸收后，在体内形成镉硫蛋白，选择性地蓄积肝、肾中。所以研究镉离子及其他重金属检测、分离和防控对人类生产生活具有重要意义[1-3]。目前，Cd（II）的检测主要为原子光谱法、紫外-可见分光光度法、质谱法、中子活化分析法和电化学分析法等[4-7]。这些检测方法虽然能精确测量大多数样品中重金属含量，但存在检测仪器设备昂贵，操作繁琐，难以适应现场检测等缺陷[8]。因此，需要寻求一种简单快速的定性定量技术来测定样品中可能存在的Cd（II）。金纳米材料由于其结构、形貌、粒径大小及表面修饰的基团不同，会导致其化学性质有明显的差异[9，10]。近年来，金纳米材料以其在超导、光电、抗菌、催化等方面的广泛应用，已经成为当今的研究热点之一[11-14]。本研究中，采用绿色还原法制备金纳米粒子，采用自组装法将环糊精修饰到金纳米粒子表面，所制备出的功能化金纳米粒子具有固定Cd（II）的特性。当体系中存在Cd（II）时，可以通过吸附作用引起聚集，从而造成溶液颜色发生变化，进而判断样品中Cd（II）的浓度，实现样品的快速检测。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

β-环糊精（上海化学试剂有限公司）；氯金酸（天津市科密欧化学试剂有限公司）；氯化镉（上海振兴化工一厂）；KBr（上海振兴化工一厂）；苯丙氨酸（国药集团化学试剂有限公司）；甘氨酸（国药集团化学试剂有限公司）；赖氨酸（国药集团化学试剂有限公司）；脯氨酸（国药集团化学试剂有限公司）；K2SO4（上海振兴化工一厂）；MgCl2（上海振兴化工一厂）；Ca（NO3）2（上海振兴化工一厂）。

MAGNA-IR560E.S.P型傅里叶变换红外光谱仪（美国Nicolet公司）；JEM210型透射电子显微镜（日本电子株式会社）；CJJ79-1型磁力搅拌加热器（杭州仪表电机厂）；UV2250型紫外-可见光分光光度计（北京桑翌科技发展有限公司）；FC204型电子天平（沈阳龙腾电子有限公司）；PHS-3C型pH计（上海雷磁精密科学仪器有限公司）；HWS24型电热恒温水浴锅（上海一恒科学仪器有限公司）。

1.2 环糊精功能化金纳米粒子的制备

将100g葡萄皮浸泡于200mL水温为80℃的去离子水中，自然冷却至室温。将浸泡液于4000r·min-1条件下，离心3min，取上清液，此上清液作为母液。采用去离子水将母液稀释获得浓度为母液20%的葡萄皮工作液200mL，冰箱4℃条件下保存（不超过2天），室温条件下，将提前4℃预冷的20mL氯金酸溶液（1%，W/V）置于反应皿中，伴随磁力搅拌器温和搅动；2min后，迅速加入20%的工作液5mL，随即观察颜色的变化，即由黄色变为紫色再变为酒红色，当体系颜色出现酒红色时，搅拌速度提升，20min后结束反应，将反应液置于冰箱4℃条件下保存。在4℃预冷的20mL的双蒸水中，加入0.5mL金纳米粒子溶胶；再加入0.2mol·L-1的碳酸钾溶液0.1mL；在磁力搅拌的条件下，迅速加入不同浓度1mL β-环糊精水溶液（质量浓度为 1mg·mL-1），搅拌 45min，采用0.22μm滤膜过滤反应溶液，即可获得β-CD-AuNPs溶液，4℃静置保存。

1.3 环糊精功能化金纳米粒子的表征

吸取1mL所制备的金纳米粒子溶胶，加入到比色皿中，再加入2mL去离子水，混合均匀后，置于紫外-可见光分光光度计中，扫描金纳米粒子的吸收光谱，确定最大吸收峰波长，比较所制备的金纳米粒子可见光吸收光谱，进而初步判别金纳米粒子的粒径和含量。

1.4 比色检测镉离子体系的构建

筛选合适的金纳米粒子构建Cd（II）的比色检测体系。向容量为2mL样品瓶中加入0.2mL的去离子水，再加入100μL不同浓度的 Cd（II）标液（0、0.01、0.1、1.0、50、100、200、500、1000、2000 和 5000μmol·L-1）。充分混匀后，再加入金纳米粒子溶胶0.5mL，室温条件下反应15min。观察记录颜色的变化，采用紫外-可见光分光光度计扫描整个体系的吸收光谱。Cd（II）浓度为横坐标，吸收峰的峰值为纵坐标，评估镉离子比色检测体系线性范围和最低检出限。

1.5 比色检测体系的选择性研究

以 2000μmol·L-1的 Cd（II）标准液作为实验对照，分别向最适体系中添加5倍于Cd（II）浓度（即10nmol·L-1） 的食品中常见的金属离子 K+、Mg2+和Ca2+，以及苯丙氨酸、甘氨酸、赖氨酸和脯氨酸，观察记录颜色的变化，采用紫外-可见光分光光度计扫描整个体系的吸收光谱，分析是否影响检测结果。

2 结果与讨论

2.1 环糊精修饰金纳米粒子的表征

环糊精修饰金纳米粒子（β-CD-AuNPs）的透射电子显微镜图片见图1。

图1 β-CD-AuNPs透射电子显微镜照片（放大100000倍）Fig.1 TEM image of β-CD-AuNPs（100000×）

由图1可知，修饰后的金纳米粒子整体形态为球型颗粒状，且分散均匀没有明显的聚集，也进一步说明环糊精修饰到金纳米粒子表面后具有保护剂的作用，阻碍了金纳米粒子的聚集。

图2 β-CD-AuNPs粒径分布Fig.2 Particle size distribution of β-CD-AuNPs

从图2可知，β-CD-AuNPs的粒径大小多分布在6～8.5nm区间，其中50%的粒子多分布在7～8nm区间。由激光粒度仪分析结果可知，β-CD-AuNPs的平均粒径为7.7±0.8nm。粒径大小相比于修饰之前稍有增加（7.1±0.6nm）。

图3显示了经过环糊精修饰后的金纳米粒子（β-CD-AuNPs）的FTIR光谱图。

图3 β-CD-AuNPs傅里叶红外光谱图Fig.3 FTIR spectra of β-CD-AuNPs

从图3中可以明显观察到在2230和1560 cm-1处有的吸收波长，这是羟基的特征吸收波长，因而证明了羟基的存在，说明环糊精成功地修饰到了金纳米粒子的表面[16,17]。

2.2 重金属镉离子检测比色传感体系的构建

通过检测AuNPs溶液的紫外可见光谱和颜色变化来判断该方法对不同浓度梯度 Cd（II）（0～5000μmol·L-1）比色检测的灵敏度。采用上述的方法，将不同浓度的 Cd（II）溶液分别添加β-CD-AuNPs溶液中，导致AuNPs聚集，使得溶液的颜色随着Cd（II）浓度的增加由红色变为蓝色或者紫色。

图4 β-环糊精功能化金纳米粒子对不同浓度Cd（II）检测Fig.4 Colorimetric detection of Cd（II） based on Gold Nanoparticles modified by Cyclodextrin

从图4可见，不含镉离子的金胶体溶液为淡红色；当 Cd（II）浓度增加到 200μmol·L-1时，溶液颜色会从淡红色变为深红色；当Cd（II）浓度增加到1000μmol·L-1时，溶液颜色会有深红色变为紫红色；当 Cd（II）浓度增加到 5000μmol·L-1时，溶液颜色会从红紫色变为蓝紫色；可以通过裸眼观察到。利用整个分子围城一个空腔的结构，将分散在溶液中的金纳米粒子能通过弱相互作用包结到环糊精的腔内，使金纳米粒子立刻被β-环糊精稳定，在溶液中以均匀的粒径良好分散，得到β-环糊精功能化金纳米粒子（β-CD-AuNPs）溶液呈现淡红色。在实验条件下，波长在500～800nm区间的共振光散射强度较小，加入镉离子反应后，在波长在500～800nm区间的共振光散射强度明显增大。原因是在实验条件下，β-CD-AuNPs对Cd（II）的化学吸附使得溶液中的β-CD-AuQDs粒径减小，使金纳米粒子从单分散状态变成网状超分子结构，随着镉离子浓度的增加，就会有越多的超分子结构，从而使整个溶液的共振光散射增强的幅度越大，直观上即可观察到样品颜色上的不同程度变化[15-17]。

图5 比色传感检测的紫外-可见光光谱Fig.5 UV-VIS spectroscopy of the colorimetric sensing mechanism for Cd（II）detection

伴随着Cd（II）浓度的提高，吸收峰的位置逐渐发生蓝移，吸收峰的波长由525nm变为545nm左右，当体系中的 Cd（II）的浓度为 0.01μmol·L-1时，吸收峰位置出现在波长528nm左右；当体系中的Cd（II）的浓度为 200μmol·L-1时，吸收峰的位置则出现在波长540nm左右；当体系中的Cd（II）的浓度在0.01～1μmol·L-1时，吸收峰的位置基本维系不变，在波长525nm处；当浓度继续增加至5000μmol·L-1时，吸收峰移至545nm左右。说明金纳米粒子逐渐聚集，粒径逐渐变大。整个比色体系是由于金纳米粒子的形态发生变化引起的等离子共振的吸收峰发生了偏移，由初始的波长525 nm移至650 nm，颜色也由酒红色逐渐变为蓝紫色。因此，通过考量两个波长所对应的吸光度的比值（A530/A640）与 Cd（II）浓度的线性关系，可以构建出Cd（II）比色检测体系的线性方程，在 0.1～100μmol·L-1和 200～2000μmol·L-1范围内Cd（II）浓度与吸光度比值呈现出一定的线性关系，回归方程分别为Y=5.37×10-4x+0.57和Y=2.12×10-4x+1.88，其中 Y 为吸光度比值，x为 Cd（II）浓度（μmol·L-1）。两个标准曲线的相关系数R分别为 0.9763 和 0.9787，最低检出限为 0.085μmol·L-1。

2.3 比色检测体系的选择性研究

本研究选择含有 2000μmol·L-1Cd（II）的体系作为参照，添加8种样品中常见的物质用作抗干扰性研究，分别为苯丙氨酸、甘氨酸、赖氨酸、K2SO4、MgCl2、脯氨酸和 Ca（NO3）2，每种干扰物质的浓度为Cd（II）浓度的 5 倍，即 10nmol·L-1。

图6 Cd（II）比色传感体系选择性研究Fig.6 Selectivity detection of Cd（II） based on the colorimetric sensing mechanism

3 结论

本文旨在构建简单高效的重金属Cd（II）比色检测传感体系。研究中以绿色还原法制备金纳米粒子，环糊精作为修饰物功能化金纳米粒子，构建环糊精功能化金纳米粒子，并对其具有螯合二价重金属离子的特性进行评估以及比色检测体系的抗干扰性研究。研究结果表明，所制备的功能化金纳米粒子在检测Cd（II）时具有较高的灵敏度、准确度和重复性,可用于现场快速检测。

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Detection for cadmium ion based on gold nanoparticles modified by cyclodextrin*

GUAN Huan-nan1,2,GONG De-zhuang1，Nao A-min1，XU Li-ping1，JING Fang-yi1
（1.College of Food Engineering,Harbin University of Commerce,Harbin 150076,China;2.Alkali Soil Natural Environmental Science Center,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China）

A simple colorimetric assay for rapid and selective sensing cadmium ion,has been developed using gold nanoparticles（AuNPs）decorated with cyclodextrin.The results showed that the concentration of cadmium ion was increased in the system,the color of the solution was from red to purple changes intuitively.The absorbance ratio（A525/A650）was linear with the Cd（II）concentration in the range of 0.1～100μmol·L-1and 200～2000μmol·L-1,with the correlation coefficients of 0.9894 and 0.9843,respectively.The limit of detection was 0.085μmol·L-1.The colorimetric sensing mechanism for gold nanoparticles modified by cyclodextrin showed high selectivity for common substance.

gold nanoparticles；cyclodentrin；cadmiumion；color detection system

TS207.3

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171107

2017-07-20

国家自然科学基金资助项目（31201376）；黑龙江省自然科学基金项目（C2016034）；中国博士后基金资助项目（2014 T70304 和 2013M531009）

关桦楠（1983-），男，副教授，博士。