基于没食子酸和对硝基酚双功能化银纳米粒子检测水中Cr3+

王凤凤，张国文

（南昌大学食品科学与技术国家重点实验室，江西 南昌 330047）

Cr3+是人体必需的微量元素之一，对维持葡萄糖、胆固醇和脂肪酸的正常代谢发挥着重要作用［1］。其摄入不足会增加糖尿病和心血管疾病的风险指数，摄入过量则会引起遗传毒性［2，3］。另一方面，由于其广泛的工业和农业用途，Cr3+也已成为一种常见的环境污染物［4-5］。因此，研究新的Cr3+检测方法尤为重要。目前检测Cr3+的主要方法有X射线荧光光谱法［6］、电感耦合等离子体原子发射光谱法［7］、电化学方法［8］、荧光光谱法［9］、石墨炉原子吸收光谱法［10-11］和色谱法［12-13］等。但这些方法往往需要大型设备和复杂的操作过程，造价高、专业性强且耗时较长。由此，开发一种方便快捷的比色传感器测定Cr3+具有重要的现实意义。近年来，基于纳米粒子构建的比色传感器以其简单、灵敏、经济和快速的优点在检测方面受到了广泛应用。通过在纳米粒子表面修饰合适的配体，由检测对象与配体之间的相互作用引起纳米粒子的聚集，而导致颜色发生变化，进而达到检测的目的。Du等［14］将L-半胱氨酸修饰到金银合金纳米粒子上比色检测镉离子；Zhou等［15］采用4-巯基苯甲酸和三聚氰胺作为修饰剂共同修饰银纳米粒子用于饮用水中锰离子的比色检测。Song等［16］制备对氨基苯磺酸修饰的银纳米粒子对牛奶中的三聚氰胺进行可视化检测。Hu等［17］使用对氨基苯磺酸修饰的金银合金纳米粒子探针用于莱克多巴胺的检测。本文通过硼氢化钠还原法将没食子酸和对硝基苯酚修饰到银纳米粒子上，从而构建了一种双配体功能化银纳米粒子检测Cr3+的比色传感器。该方法选择性较好、效率高，成功用于实际水样中Cr3+的检测。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

UV-2450紫外-可见分光光度计（日本岛津公司）；pHS-3E型酸度计（上海雷磁仪器厂）；JEM-2100高分辨率透射电子显微镜（日本电子株式会社）；Nano ZS90马尔文粒度仪（Malvern，英国）；85-2控温磁力搅拌器（金坛市医疗仪器厂）；Millipore Simplicity水纯化系统（法国密理博公司）；Finnpipette可调式移液器；Nicolet-5700傅里叶红外光谱（美国赛默飞）。

AgNO3（纯度≥99.8%，上海试剂一厂）；没食子酸（纯度99.0%，西亚试剂）；对硝基苯酚（纯度＞99.0%，阿拉丁试剂上海有限公司）；氯化铬（纯度≥99.0%）用超纯水配制成浓度为1.0mmol·L-1Cr3+储备液；自来水、湖水分别取自南昌大学和江西省南昌市艾溪湖。

1.2 实验方法

1.2.1 没食子酸和对硝基苯酚共修饰的银纳米粒子（GA-PNP-AgNPs）的制备

将新鲜配制的AgNO3水溶液（0.1mmol·L-1，100mL）置于150mL烧杯中，利用磁力搅拌器剧烈振动，将0.010g NaBH4加入到上述AgNO3水溶液中，继续避光搅拌10min后，得到浅黄色的银纳米粒子［18］。

为获得双配体功能化的银纳米粒子，将新鲜配制的1mL 0.01mmol·L-1没食子酸溶液和1mL 0.1mmol·L-1对硝基苯酚溶液加入到上述制备的银纳米溶液中，避光条件下搅拌30min，以确保其在银纳米粒子表面进行组装，进而得到淡黄色的GA-PNP-AgNPs溶液。实验中所用的玻璃仪器均用铬酸洗液浸泡过夜，随后用超纯水进行充分洗涤，置于烘箱中干燥后使用。所有实验均在室温下进行。

1.2.2 检测条件的优化

为考察Cr3+检测的最佳条件，本实验对没食子酸与对硝基苯酚摩尔比（nGA∶nPNP）、pH及反应时间进行了优化。分别取1.5mL不同摩尔比nGA∶nPNP（1∶3，1∶5，1∶10，1∶20，1∶30）所制备的GA-PNP-AgNPs与1mL超纯水混合，再加入1.4 μmol·L-1Cr3+混合3min后测定紫外-可见吸收光谱强度。然后调节不同pH 值（4，5，6，7，8，9，10，11，12），将1.5mL GA-PNP-AgNPs和1mL超纯水混合液与1.4μmol·L-1Cr3+反应3min后测定吸收光谱。最后考察在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，反应时间对体系紫外吸收的影响。

1.2.3 比色检测Cr3+

取1mL超纯水与1.5mL GA-PNP-AgNPs溶液混合，再将不同浓度的Cr3+（0～2.0μmol·L-1）加入到上述GA-PNP-AgNPs溶液中，混合均匀，室温下反应3min，用紫外可见分光光度计扫描350～600nm处的吸收光谱，记录GA-PNP-AgNPs的吸光度比值（A550／A390）。以Cr3+浓度为横坐标，吸光度比值（A550／A390）为纵坐标绘制标准曲线。

1.2.4 实际样品预处理

采集南昌大学自来水和江西省南昌市艾溪湖湖水样，静置过夜后，离心（20min，2 000r·min-1）取上层清液，将上清液用0.22μm滤膜进行过滤以除去滤液中的杂物，随后将Cr3+标准溶液加入到经上述处理的自来水与湖水样液中。分别用GA-PNPAgNPs比色传感器和石墨炉原子吸收光谱法（GFAAS）检测样品中Cr3+含量，并将两种方法的实验结果进行比较。

2 结果与讨论

2.1 GA-PNP-AgNPs的表征

图1为GA-PNP-AgNPs加入Cr3+前后的紫外-可见光谱图，制备出的GA-PNP-AgNPs溶液为淡黄色，其在390nm处有明显的特征吸收峰，此为银纳米粒子的表面等离子体共振特征吸收峰［19］。加入Cr3+后，390nm处的吸收峰明显降低，550nm附近出现了一个新的吸收峰，溶液颜色也由淡黄色变为橙红色。图2为不同条件下GA-PNP-AgNPs相应的透射电镜图（TEM）和粒径分布图。体系中未加入Cr3+前，单独的GA-PNP-AgNPs呈分散的球形（图2a），粒径约21nm左右（图2c）；加入Cr3+后，GA-PNP-AgNPs由分散状态变为聚集状态（图2b），粒径明显增大。图3为 GA（a）、PNP（b）及GA-PNP-AgNPs（c）的红外光谱图。3 283cm-1及3 317cm-1分别为GA和PNP的-OH振动吸收峰，对GA-PNP-AgNPs而言，这些-OH峰明显减弱，表明GA与PNP可能是通过羟基修饰到Ag-NPs上；同时，在GA-PNP-AgNPs光谱上，依然可以找到GA在1 698cm-1的-COOH振动吸收峰及PNP在1 322cm-1处的-NO2振动吸收峰，且发生了轻微的偏移，说明-COOH和-NO2官能团也已附着在AgNPs表面上，表明成功制备出了GA-PNP-AgNPs粒子。如图4GA-PNP-AgNPs检测Cr3+示意图所示，GA与PNP通过羟基修饰到AgNPs上，当加入Cr3+时，AgNPs上的 GA与PNP可分别通过羧基与硝基协同识别Cr3+，与其发生相互作用，进而引起银纳米粒子的聚集，同时使得溶液颜色发生改变。

2.2 检测条件的优化

2.2.1 没食子酸与对硝基苯酚摩尔比（nGA∶nPNP）对检测体系的影响

没食子酸与对硝基苯酚作为配体修饰到银纳米粒子表面，其配比不仅会影响银纳米粒子的稳定性，还会对Cr3+的响应产生直接的影响。当nGA∶nPNP过低时，合成的GA-PNP-AgNPs不稳定，可能会发生一定程度的自聚集；当nGA∶nPNP过高时，合成的GA-PNP-AgNPs对Cr3+的响应容易达到饱和，导致检测灵敏度较低。实验结果表明，在1.4μmol·L-1Cr3+存在下，当nGA∶nPNP为1∶10时，体系对Cr3+检测最灵敏（图5a），因此选择GA与PNP摩尔比值为1∶10作为后续实验条件。

2.2.2 pH对检测体系的影响

GA-PNP-AgNPs粒子与金属离子间的配合作用还受溶液pH影响，因此考察了pH对Cr3+检测灵敏度的影响。实验选取了磷酸盐缓冲溶液用于调节溶液pH，结果发现，当向GA-PNP-AgNPs中加入缓冲盐时会使其稳定性变弱，对Cr3+的响应也明显降低。实验中制备的GA-PNP-AgNPs溶液的pH为8.07，因此选择原溶液的pH用于后续实验。

2.2.3 反应时间对检测体系的影响

为实现实时快速的检测Cr3+，考察了反应时间对Cr3+检测的影响。从图5b可以看出，GA-PNPAgNPs吸光度比值在2min内迅速增加，3min基本达到稳定，因此选择3min作为后续反应时间。

2.3 GA-PNP-AgNPs对Cr3+的定量检测

在最佳检测条件下，将不同浓度的Cr3+加入到GA-PNP-AgNPs溶液中反应3min后依次检测。其紫外可见吸收光谱如图6a所示，随着Cr3+浓度的增加，390nm处的吸收峰逐渐下降，550nm处出现的新吸收峰逐渐增强。GA-PNP-AgNPs的吸光度比值（A550／A390）与Cr3+浓度呈线性关系，且在不同浓度范围内呈现不同的线性关系，其检测的工作曲线如图6b所示，当Cr3+浓度为0.04～1.2μmol·L-1时，线性方程为y=0.052 8c+0.012 7（R2=0.991 7）；当Cr3+浓度为1.2～2.0μmol·L-1时，线性方程为y=0.469 3c-0.483 6（R2=0.990 0），检测限为0.013μmol·L-1。

2.4 选择性实验

通过视觉和紫外-可见分光光谱考察了实际样品中可能存在的一些干扰离子对 GA-PNP-AgNPs吸光度比值A550／A390的影响。图7a显示了GA-PNP-AgNPs对不同类型的离子响应情况。在1.4μmol·L-1浓度下，只有Cr3+的加入会使GA-PNP-AgNPs发生聚集，颜色由淡黄色变为橙红色，而其他离子均无颜色变化。图7b显示了不同离子加入到GA-PNPAgNPs体系中反应3min后的吸光度比值A550／A390，当且仅当Cr3+加入时，体系吸光度比值A550／A390明显上升，而其他离子与空白对照组基本一致，无明显变化。表明该方法对Cr3+的检测具有较好的选择性。

2.5 实际水样的测定

为探究该方法的实用性，对自来水和湖水进行了加标回收实验。实验结果如表1所示，将该方法用于实际水样中Cr3+含量的测定，湖水和自来水的加标回收率分别为107.0%～117.5%和97.2%～105.0%。此外，该方法的检测结果与GF-AAS所测得的结果吻合，表明该比色传感器能够用于实际水样中Cr3+分析测定。

表1 样品分析结果及回收率（n=3）

3 结论

本文采用没食子酸和对硝基苯酚作为修饰剂制备了双功能化的银纳米粒子（GA-PNP-AgNPs），基于Cr3+能够诱导GA-PNP-AgNPs发生聚集，同时伴随溶液颜色由淡黄色变为橙红色，建立了对水中Cr3+的比色检测法。该方法操作简单、响应迅速，灵敏度和选择性较好，能够成功用于实际水样中Cr3+的定量检测，且检测结果与石墨炉原子吸收光谱法测得的结果一致，表明该方法准确度较高，具有良好的应用前景。