纳米金催化甲酸还原磷钼酸耦合电置换反应-共振瑞利散射测定痕量汞

2022-03-25刘奇文黄小芳梁爱惠蒋治良

广西师范大学学报（自然科学版） 2022年2期

刘奇文，李丹，黄小芳，梁爱惠*，蒋治良*

(1. 珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学)，广西桂林 541006； 2. 广西环境污染控制理论与技术重点实验室(广西师范大学)，广西桂林 541006)

电置换反应(GR)指一种较活泼金属被一种较不活泼的金属侵蚀，反应较快，常在几分钟内发生[1]。由于纳米表面的高催化活性，纳米粒子表面的GR反应更快。GR反应由于具有高度的可调性而引起人们的极大兴趣，可用于研究金属纳米结构表面错综复杂的合金化和去合金化反应[2]；GR反应还提供一种非常简易、多功能路径制备可控空心和多孔壁纳米结构材料方法[3]。Sun等[4]采用Ag作为模板金属，和Au3+发生氧化还原反应，制备了Au中空结构，并对其反应机理进行了解释。Liu等[5]利用超小ssDNA-模板化银纳米簇与Cu(II)发生拮抗电置换反应制备了Ag-Cu合金，并用光散射技术检测反应的发生。Bi等[6]通过Ag/AgCl核壳纳米线和H2PtCl6发生电置换反应得到较高电催化活性的纳米管。近年来，GR反应在纳米分析检测技术中的应用也较活跃[7-10]。Netzer等[7]将GR反应与银纳米线Langmuir-Blodgett膜技术有机结合成功地制备了高活性SERS基底，基于1 394 cm-1处的灵敏拉曼峰可用于检测8 nmol/L 4-氨基硫酚。共振瑞利散射(RRS)不仅是一种简便灵敏的分子光谱分析技术，也是一种研究纳米微粒反应的灵敏光谱技术[11-13]，纳米催化放大是提高分析方法灵敏度的重要途径之一[14]。RRS与纳米催化技术结合构建了重金属环境污染物RRS分析新方法。Wang等[15]以掺钯共价有机骨架(TpPaPd)为催化剂，催化次磷酸钠还原Ni(II)形成Ni-P合金，该产物具有RRS信号，将纳米催化反应与基于Pb2+的DNA酶反应相结合，建立了检测0.001～0.100 nmol/L Pb2+的RRS分析方法，其检出限为0.4 pmol/L。Zhang等[16]利用掺金碳点(CDAu)对AgNO3-葡萄糖反应具有强催化，其产物银纳米粒子(AgNPs)具有SPR效应。结合Apt特异性反应与纳米催化放大信号，建立了RRS法检测水中痕量As3+，线性范围为0.025～0.750 μg/L ，检出限为0.01 μg/L。但尚未见基于纳米金催化甲酸还原磷钼酸耦合金纳米粒子(AuNPs)-汞离子电置换反应，RRS测定痕量汞的研究报道。

汞离子是重金属中最重要的污染物之一，其不可生物降解，容易通过食物链在鱼类和贝类中积累[17]。此外，汞离子在自然环境中可以转化为高毒性甲基汞，比Hg2+更容易穿过细胞膜，对脑组织、肾脏、神经系统、泌尿系统和内分泌系统造成严重损害[18]。鉴于Hg2+在环境和生物系统中的毒性，因此，开发一种快速、高效、灵敏检测痕量Hg2+的方法至关重要。最近，已有学者给出了一些用于检测Hg2+的传感平台，包括比色法[19]、电化学法[20]、荧光法[21]和RRS法[22]。在这些方法中，RRS法因其高灵敏度、高选择性、操作简单和响应速度快等独特优势而备受关注。Zhang等[23]合成了二维纳米复合物rGO/PEI/Pd，借助其过氧化物酶活性，开发了一种快速、高度选择性和超痕量肉眼比色法检测水溶液中Hg2+的通用策略。主要基于在汞离子存在下，rGO/PEI/Pd可以促进3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)的有效氧化，使其颜色变为肉眼和吸收光谱法可检测到的深蓝色，最低检测浓度为0.39 nmol/L Hg2+。Tan等[24]制备并表征了电化学衍生的还原型氧化石墨烯化学阻抗传感器，该传感器对Hg2+表现出选择性响应，将其用于水样中Hg2+的检测，最低检测浓度为0.5 nmol/L。Yu等[25]以金华佛手柑为碳源，水热法制备了具有较高光致发光性水溶性荧光碳点，基于Hg2+会导致碳点发生荧光猝灭，建立一个荧光检测0.01～100 μmol/L Hg2+的分析方法，其检出限为5.5 nmol/L。Ngernpimai等[26]利用Hg2+可诱导单链DNA的构象变化，进一步导致金纳米棒(GNR)聚集，引起RRS强度的增强，建立共振瑞利散射法检测Hg2+的策略，其检出限为0.23 nmol/L。但上述方法有的灵敏度欠佳，有的分析过程复杂。

本文利用AuNPs催化磷钼酸-甲酸反应，结合AuNPs与Hg2+的GR反应，以磷钼酸颗粒为RRS指示剂，建立一种简便、灵敏的检测Hg2+的RRS分析新方法，检出限为0.18 nmol/L。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

日立F-7000荧光分光光度计(日立高新技术公司)；TU-1901型双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；SYZ-550型石英亚沸蒸馏水器(江苏晶玻仪器厂)；KQ3200DB型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司，功率150 W，工作频率40 kHz)；pH计(梅特勒-托利多仪器上海有限公司)；Nano-23型纳米粒度与电位分析仪(英国Malvern公司)；FEI Quanta 200-场发射扫描电子显微镜(FEI公司)。

5.0 mmol/L磷钼酸(中国菱湖化工试剂厂，分析纯)；0.1 mol/L甲酸、质量分数0.05% NaBH4(汕头市西陇化工厂)；0.1 mol/L NaOH(天津市百世化工有限公司)；质量分数1%柠檬酸三钠(汕头市西陇化工厂)；0.01 mol/L HAuCl4(国药集团化学试剂公司)；0.01 mol/L HgSO4(汕头市西陇化工厂)储备液；pH3.1 HCOOH-HCOONa缓冲液：10 mL离心管中加入2.0 mL 0.1 mol/L NaOH溶液和8.0 mL 0.1 mol/L HCOOH溶液，充分混合，得浓度为5.0 mmol/L的HCOOH-HCOONa缓冲溶液(浓度以醋酸根计)。

金纳米粒子(AuNPs)：常温下，量取40.0 mL二次水于锥形瓶，在搅拌下加入0.5 mL质量分数1% HAuCl4溶液和3.5 mL质量分数1%柠檬酸钠水溶液，充分混合后，在搅拌下缓慢滴加4.0 mL质量分数0.05%的NaBH4溶液，加完后继续搅拌10 min，最后定容至50.0 mL，其浓度为58 mg/L AuNPs。

1.2 实验方法

在5.0 mL 的刻度试管中，依次移取170 μL 5 mmol/L磷钼酸、500 μL pH=3.1的HCOOH-HCOONa缓冲液、50 μL 58 mg/L的AuNPs及一定浓度的Hg2+，定容至2.0 mL，混匀。80 ℃水浴35 min后，冰水终止反应。取溶液于石英皿内，在400 V，激发和发射狭缝10 nm，用荧光分光光度计扫描，获得共振瑞利散射光谱；不加Hg2+做空白，测定溶液450 nm处的RRS峰值，计算ΔI=I450 nm-(I450 nm)0。

2 结果与讨论

2.1 分析原理

在实验条件下，磷钼酸具有共振瑞利散射信号，可作为该分析反应的指示组分。AuNPs可以催化磷钼酸与甲酸反应，生成磷钼蓝而吸收瑞利散射光，使得体系的RRS信号降低。Hg2+与AuNP发生电置换反应生成稳定的金汞齐(AuHg)而覆盖在其表面，抑制了AuNPs的催化活性，使得生成的磷钼蓝降低，导致体系的RRS信号增强，据此可以建立测定Hg2+的共振瑞利散射新方法(图1)。

图1 纳米金催化甲酸还原磷钼酸耦合电置换反应-RRS测定汞原理Fig. 1 Analytical principle of the RRS measurement of Hg2+ by coupling AuNP-phosphomolybdic acid-formic acid catalytic amplification with GR reaction of AuNP-Hg(Ⅱ)

2.2 RRS光谱

在pH=3.1的HCOOH-HCOONa缓冲溶液及常温下，磷钼酸与甲酸不反应，即使在沸水加热条件下反应也极难进行。AuNPs可催化磷钼酸-甲酸反应生成磷钼蓝，随着AuNPs浓度的增加，反应液的颜色逐渐从无色变为蓝色，体系在450 nm处的共振瑞利散射峰逐渐降低(图2A)，系生成蓝色的磷钼蓝对RRS光吸收所致。Hg2+可与Au发生电置换反应，生成的金汞齐覆盖在AuNPs表面抑制AuNPs的催化作用，在2.5×10-4～3.5 μmol/L随着Hg2+浓度的增加，AuNPs的催化作用逐渐减弱，反应液的颜色逐渐从蓝色变为无色，体系在450 nm处的共振瑞利散射峰线性升高(图2B)。

a: 0.425 mmol/L磷钼酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa; b: a+0.29 mg/L AuNPs; c: a+0.58 mg/L AuNPs; d: a+1.16 mg/L AuNPs; e: a+1.45 mg/L AuNPs; f: a+2.03 mg/L AuNPs; g: a+2.61 mg/L AuNPs

a: 0.425 mmol/L 磷钼酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+0.25 nmol/L Hg2+; c: a+5.0 nmol/L Hg2+; d: a+1.0 μmol/L Hg2+; e: a+1.5 μmol/L Hg2+; f: a+2.5 μmol/L Hg2+; g: a+3.5 μmol/L Hg2+

2.3 紫外吸收光谱

由图3A可知，AuNPs可催化磷钼酸-甲酸反应，其吸光度随着AuNPs浓度的增加线性增强。随着Hg2+浓度的增加，AuNPs对磷钼酸-甲酸反应的催化作用逐渐减弱，生成的磷钼蓝逐渐减少，在1.0×10-2～3.5 μmol/L范围内，随着Hg2+浓度的增大，体系在700 nm处的Abs信号线性降低(图3B)，此结论与RRS光谱结果一致。虽然紫外吸收光谱也可用于汞离子测定，但不及RRS灵敏。

2.4 扫描电镜(SEM)

图4A是磷钼酸的扫描电镜图，由图可见其颗粒均匀分散，这是由于磷钼酸分子具有较强的疏水性并聚集形成粒径约为8 μm的颗粒。随着Hg2+的加入，AuNP-磷钼酸-甲酸钠催化反应逐渐被抑制，但磷钼酸颗粒的形状变化不大(图4B)。

a: 0.425 mmol/L磷钼酸+5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa; b: a+0.29 mg/L AuNPs; c: a+0.58 mg/L AuNPs; d: a+0.87 mg/L AuNPs; e: a+1.16 mg/L AuNPs; f: a+1.45 mg/L AuNPs; g: a+2.03 mg/L AuNPs; h: a+2.32 mg/L AuNPs; i: a+2.61 mg/L AuNPs

a: 0.425 mmol/L 磷钼酸+ 5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+10 nmol/L Hg2+; c: a+0.2 μmol/L Hg2+; d: a+1.0 mmol/L Hg2+; e: a+1.5 mmol/L Hg2+; f: a+2.5 mmol/L Hg2+; g: a+3.5 mmol/L Hg2+

2.5 激光散射

按实验方法制得反应液，用纳米粒度与Zeta电位分析仪记录其粒度。从实验结果可以看出，无Hg2+存在时，磷钼酸-甲酸钠反应在AuNPs的催化作用下反应充分，体系中的磷钼酸少量聚集，颗粒粒度较小(图5a)，其粒径分布在100～500 nm；随着Hg2+的加入，磷钼酸-甲酸钠反应逐渐被抑制，体系的颗粒分布在140～400 nm(图5b)。此激光散射粒径与SEM粒径不一致的主要原因是电镜制备样品需要脱水，此过程会导致颗粒聚集。

图4 体系扫描电镜Fig. 4 Scanning electron micrograph of the system

a: 0.425 mmol/L磷钼酸+ 5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa+1.45 mg/L AuNPs; b: a+0.35 μmol/L Hg2+图5 粒度分析Fig. 5 Particle size analysis

2.6 分析条件优化

考察磷钼酸浓度对体系RRS信号的影响，加入5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa缓冲溶液，1.45 mg/L AuNPs，1.0 μmol/L HgSO4和不同浓度的磷钼酸溶液，其余按照1.2节的实验步骤操作，当加入0.425 mmol/L 磷钼酸时ΔI达到最大，故选用0.425 mmol/L 磷钼酸(图6A)。随着AuNPs浓度的增加，其催化作用逐渐增强，当加入1.45 mg/L AuNPs时ΔI达到最大，故选用1.45 mg/L AuNPs(图6B)。考察了HCOOH-HCOONa缓冲溶液pH对体系RRS信号的影响，当加入pH=3.1的HCOOH-HCOONa缓冲溶液时ΔI达到最大，故选用pH=3.1的HCOOH-HCOONa缓冲溶液(图6C)。HCOOH-HCOONa缓冲溶液的浓度同样会对体系RRS信号产生影响，当加入5.0 mmol/L HCOOH-HCOONa缓冲溶液时ΔI达到最大，故选用5.0 mmol/L的HCOOH-HCOONa缓冲溶液(图6D)。考察反应温度对体系RRS信号的影响，当反应温度为80 ℃时ΔI达到最大，故选用80 ℃作为反应温度(图6E)。考察反应时间对体系RRS信号的影响，当反应时间为35 min时ΔI达到最大，故选用35 min作为反应时间(图6 F)。

图6 磷钼酸-AuNPs-HCOOH-HCOONa-Hg2+体系反应条件优化Fig. 6 Optimization of the conditions of phosphomolybdic acid-AuNPs-HCOOH-HCOONa-Hg2+ system

2.7 工作曲线

在最佳实验条件下，AuNPs表现出对于磷钼酸-甲酸钠RRS体系的催化作用，在0.29～2.61 mg/L AuNPs，450 nm处的RRS强度变化ΔI与AuNPs浓度呈线性关系，AuNPs的催化线性方程为y=288.39CAuNPs+26.9，线性相关系数R2为0.994(图2A)。基于磷钼酸-AuNPs-甲酸钠体系表现出对Hg2+浓度的响应，建立一个测定Hg2+的共振瑞利散射方法，在2.5×10-4～3.5 μmol/L Hg2+，450 nm处的RRS强度变化ΔI与Hg2+浓度呈线性关系，线性方程为y=0.32CHg2++46.1，线性相关系数R2为0.994 6(图2B)。对于磷钼酸-甲酸钠UV体系，在0.29～2.61 mg/L AuNP，700 nm处的UV强度变化ΔA与AuNPs浓度呈线性关系，线性方程为y=0.241CAuNPs+0.003，线性相关系数R2为0.994 8(图3A)。已知磷钼酸-AuNPs-甲酸钠体系可用于检测Hg2+，在1.0×10-2～3.5 μmol/L Hg2+，700 nm处的UV强度变化ΔA与Hg2+浓度呈线性关系，线性方程为y=0.000 1CHg2++0.028，线性相关系数R2为0.986 9(图3B)。表1是本方法与部分文献报道方法的对比。