纳米金的制备及其检测水中重金属Cr³⁺的应用研究

Preparation of Nano Gold and Its Application in Detection of Heavy Metal Cr³⁺ in Water

摘要: 用偏钨酸铵修饰于纳米金颗粒(AuNPs)表面，并用少量的pH = 6.86的混合磷酸盐缓冲溶液调节pH值，使功能化纳米金溶液呈中性。当偏钨酸铵-AuNPs与Cr³⁺水溶液反应时，会产生颜色变化，可以用于比色分析。实验结果得到分光光度法的线性方程为y = 0.8901x − 0.2814，线性范围0.3~1 μg∙mL⁻¹，其检出限达0.14 μg∙mL⁻¹。因此，研究偏钨酸铵-AuNPs分光光度法可用于水中Cr³⁺的快速检测。

Abstract: The functionalized nanogold solution was neutralized by modifying the surface of the gold nano-particles (AuNPs) with ammonium metatungstate and adjusting the pH with a small amount of mixed phosphate buffer solution with pH = 6.86. When ammonium metatungstate-AuNPs are re-acted with an aqueous solution of Cr³⁺, a color change is produced which can be used for colorimetric analysis. The experimental results show that the linear equation of spectrophotometry is y = 0.8901x − 0.2814, the linear range is 0.3 - 1 μg∙mL⁻¹, and the detection limit is 0.14 μg∙mL⁻¹. Therefore, the study of ammonium metatungstate-AuNPs spectrophotometry can be used for the rapid detection of Cr³⁺ in water.

1. 引言

铬是人体的一种必需微量元素。虽然需要量很少，正常人体内只含有6~7毫克，但对人体很重要。主要分布于骨骼、皮肤、肾上腺、大脑和肌肉之中。它是正常生长发育和调节血糖的重要元素。同时具有保护心血管、控制体重的功能。但体内过量摄入的Cr³⁺则会与DNA结合，影响细胞结构和破坏细胞的组成成分，甚至诱发肿瘤 [1] 。

铬及其化合物所引起的环境污染主要来源于劣质化妆品原料、皮革制剂、金属部件镀铬部分，工业颜料以及鞣革、橡胶和陶瓷原料等；如误食饮用，可致腹部不适及腹泻等中毒症状，引起过敏性皮炎或湿疹，呼吸进入，对呼吸道有刺激和腐蚀作用，引起咽炎、支气管炎等。水污染严重地区居民，经常接触或过量摄入者，易得鼻炎、结核病、腹泻、支气管炎、皮炎等。因此开发一种快速、高灵敏检测水中Cr³⁺的简单方法尤为必要。但是，目前广泛采用的原子吸收光谱法和电感耦合等离子质谱法 [2] [3] 均存在费时、仪器昂贵以及操作繁琐等问题。

纳米金(AuNPs)的尺寸一般处在1~100纳米之间，在可见光区具有很高的稳定性以及良好的生物相容性，任何表面结构的改变、聚集，或介质折射率的改变可能都会改变其分散性，最终导致颜色变化，成为最常用的光学传感材料 [4] [5] 。本论文主要以AuNPs为基础与偏钨酸铵合成功能化纳米金，寻找反应的最佳条件，建立偏钨酸铵-AuNPs快速检测Cr³⁺方法，该方法操作简便，灵敏度高，能应用于食药环案件现场快速检测食品或水中的Cr³⁺。

2. 材料与方法

2.1. 仪器设备

UV/VIS Lambda 25紫外–可见分光光度计，美国PerkinElmer公司；

JEOL-2100透射电镜，日本电子公司；

85-2型恒温磁力搅拌器，上海司乐仪器有限公司；

超声波清洗器，上海金棋实业公司；

十万分之一电子天平，德国赛多利斯公司。

2.2. 试剂及溶液配制

铬标准溶液(G62024-90) 1 mg∙mL⁻¹ (10% HCl)；偏钨酸铵/AMT (含量不少于99%都莱生物)；氯金酸(分析纯，上海试剂一厂)，柠檬酸三钠(分析纯，南京化学试剂厂)。

称取偏钨酸铵0.0224 g用100 mL容量瓶定溶配置成0.22 mg∙mL⁻¹的偏钨酸铵溶液。

氯金酸称得0.9280克于棕色容量瓶中配成100 mL溶液，置内避光存放。

柠檬酸三钠配成质量分数为1%的溶液。

精确移取1.00 mL铬标准溶液于100 mL容量瓶中，加二次蒸馏水稀释至刻度，配成0.0100 mg∙mL⁻¹母液。

3. 实验内容

3.1. 纳米金(AuNPs)的合成

纳米金制备 [6] [7] [8] [9] ：移取2.00 mL 1%的氯金酸至装有100 mL水和磁石的烧杯中，将烧杯置于磁力加热搅拌器上加热至沸腾，开动磁力搅拌器搅拌的同时迅速加入4 mL 1%柠檬酸钠溶液，开始有些变黑，经过一段时间，变蓝，再加热出现红色。煮沸两到三分钟后，出现透明的酒红色，继续加热搅拌至5分钟，移去热源同时停止搅拌。冷却至室温，避光保存即得胶体金溶液。

用紫外可见光谱仪在400~700 nm波长范围和透射电镜表征纳米金溶液，并考察其稳定性。

3.2. 功能化纳米金的合成

取冷却后的胶体金溶液，然后加入不同浓度(0.6~4.8 μg∙mL⁻¹)偏钨酸铵与AuNPs溶液充分混合后，调节溶液的pH，用紫外可见分光光光度计进行表征，选择最佳功能化纳米金的条件。

3.3. 水中铬离子的测定

Cr³⁺标准曲线的制备：在一定量的偏钨酸铵-AuNPs溶液，分别加入15 μL、20 μL、30 μL、40 μL、50 μL的铬离子溶液，充分混合，使其浓度为0.3 μg∙mL⁻¹，0.4 μg∙mL⁻¹，0.6 μg∙mL⁻¹，0.79 μg∙mL⁻¹，0.98 μg∙mL⁻¹，用紫外分光光度计测量其吸光度，建立标准曲线。

4. 结果与讨论

4.1. 纳米金的合成与表征

按照2.1制备纳米金溶液，得到酒红色溶液，并考察了氯酸金与柠檬酸三钠的配比，见图1。图中样品1.1是氯金酸与柠檬酸三钠的比值为1:1时合成的1%的AuNPs溶液，样品1.2是氯金酸与柠檬酸三钠的比值为1:2时合成的1%的AuNPs溶液。实验结果表明，合成AuNPs溶液氯金酸与柠檬酸三钠的优化比例为1:2，此时特征峰为520.07 nm。

Figure 1. Chlorauric acid and citric acid three sodium and ratio spectra

图1. 氯金酸和柠檬酸三钠比例不同时的光谱图

在最佳比例条件下合成纳米金溶液的颗粒度在透射电镜下检测，其结果见图2。

Figure 2. Determination of nanoscale gold transmission electron microscopy

图2. 纳米金透射电子显微镜测定表征

由图2可以看出制备的纳米金颗粒大小在10~15 nm之间，分离度较好。

将合成的纳米金溶液在棕色瓶中放置6个月后，测定其可见区的吸收光谱，并与之前的吸收光谱比较，考察了该纳米金溶液的稳定性。

Figure 3. Stability comparison of nanoscale gold solution before and after half a year

图3. 纳米金溶液半年前后稳定性比较

由图3可以知道所合成的纳米金溶液在半年前后的最大吸收峰的波长不变，只是吸光度略微减小，因此，纳米金溶液在避光保存的条件下稳定性较好，可以长期保存。

4.2. 功能化纳米金的制备与表征

采用偏钨酸铵为功能化试剂，制备功能化纳米金。在溶液pH = 6.86的情况下，。通过调整加入的偏钨酸铵溶液的浓度，选择功能化纳米金的最佳浓度，用紫外可见吸收光谱表征实验结果，见图4。

Figure 4. Spectra of Ammonium Metatungstate in nanogold at different concentrations

图4. 纳米金中偏钨酸铵浓度不同时的光谱图

实验结果表明，当加入的偏钨酸铵的浓度为1.2 μg∙mL⁻¹时，合成的偏钨酸铵-AuNPs溶液吸光度最高，为最佳比例。故本实验选取修饰AuNPs的偏钨酸铵浓度为1.2 μg∙mL⁻¹。

4.3. 酸度对偏钨酸铵-AuNPs的稳定性的影响

如图5所示，溶液体系pH值会影响偏钨酸铵-AuNPs的稳定性以及检测的选择性。在偏钨酸铵-AuNPs溶液中加入pH = 4的磷酸缓冲溶液，溶液为蓝紫色，说明偏钨酸铵-AuNPs颗粒已发生聚集。其原因可能为过量的H⁺中和了AuNPs表面的负电荷，使AuNPs间的静电排斥降低，从而导致偏钨酸铵-AuNPs发生团聚。而当偏钨酸铵-AuNPs溶液中加入pH = 6.86的混合磷酸盐缓冲溶液，溶液颜色未发生改变，说明此时偏钨酸铵-AuNPs未发生团聚。当偏钨酸铵-AuNPs溶液中加入pH = 9.18的NH₃NH₄Cl缓冲溶液，溶液颜色发生改变，变为紫色，说明此时的偏钨酸铵-AuNPs发生了高度聚集，且考虑到碱性条件下，OH⁻会与Cr³⁺结合，会影响实验结果，故本实验选取溶液pH = 6.86作为较优化反应条件。

Figure 5. Color of Ammonium Metatungstate-AuNPs Solution at Different pH

图5. 不同pH下偏钨酸铵-AuNPs溶液的颜色

4.4. 偏钨酸铵-AuNPs测定水中Cr³⁺方法的建立

4.4.1. 偏钨酸铵-AuNPs测定水中Cr³⁺标准曲线

在上述优化条件下，在偏钨酸铵-AuNPs溶液中分别加入不同浓度(0.3~0.98 μg∙mL⁻¹)的Cr³⁺，反应5 min。结果发现，随Cr³⁺浓度的增加，溶液逐渐由红色变为蓝紫色，且在520 nm处的吸光度逐渐降低。体系对不同浓度Cr³⁺的响应表明，在0.3~1 μg∙mL⁻¹浓度范围内，偏钨酸铵-AuNPs溶液在520 nm处的吸光度减去和不同浓度Cr³⁺离子反应后的溶液在520 nm处的吸光度即为ΔA₅₂₀(y)与Cr³⁺浓度(x, μg∙mL⁻¹)呈良好的线性关系，标准曲线见图6。

Figure 6. Standard curve of functionalized nanogold chromium ion concentration

图6. 功能化纳米金定铬离子浓度的标准曲线

实验结果得到：线性方程为y = 0.8901x − 0.2814，R² = 0.9929，线性范围0.3~1 μg∙mL⁻¹。

4.4.2. 功能化纳米金测定铬离子的精确度和检出限

在同样条件下，取三份1 mL 0.6 μg∙mL⁻¹铬溶液分别加入偏钨酸铵-AuNPs溶液，按照本方法进行测定，计算得出，其相对标准偏差(RSD, n = 3)为2.18%，如图7所示。

Figure 7. Spectrogram of ammonium Metatungstate-AuNPs solution accuracy measurement

图7. 偏钨酸铵-AuNPs溶液精确度测定光谱图

取不同浓度的铬标准溶液分别加入1 mL偏钨酸铵-AuNPs溶液中。经过紫外分光光度计测定，以信噪比S/N = 3计算，本方法的检出限可达0.14 μg∙mL⁻¹。

4.5. 排除干扰离子

本实验考察了偏钨酸铵-AuNPs方法对水环境中常见重金属离子Cr³⁺、Cu²⁺、Hg⁺、Pb²⁺、Cd²⁺的响应情况(见图8) (金属离子浓度均为0.6 μg∙mL⁻¹)。结果显示，除Cr³⁺出现明显的颜色变化外，其他离子均未出现颜色变化，说明该方法具有很好的选择性。

Figure 8. Reactions of ammonium Metatungstate-AuNPs with different heavy metal ions

图8. 偏钨酸铵-AuNPs与不同重金属离子的反应

5. 结论

基于Cr³⁺离子能够引起含巯基(−SH)的偏钨酸铵-AuNPs溶液相互形成Cr-S键，诱导纳米金发生团聚导致溶液颜色发生变化，实现了对水中Cr³⁺的快速检测，其检出限为0.14 μg∙mL⁻¹，Cu²⁺、Hg⁺、Pb²⁺、Cd²⁺重金属离子不干扰测定；同时，该方法具有操作简单、成本低、效益高和快速比色法检测Cr³⁺离子等优点。因此，在水环境中Cr³⁺的检测方面具有很好的应用前景。

基金项目

江苏警官学院重点项目，项目编号：SJYX2017Zd05；江苏省教育厅自然科学重大项目(18KJA620001)；江苏警官学院科研创新团队(2018SJYTD03)；江苏省“十三五”一级学科省重点建设学科资助项目；江苏省食品药品与环境犯罪检验技术工程实验室。

参考文献

NOTES

*通讯作者