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金银合金纳米粒子的制备及其在比色检测水中Cr3+的应用

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第41卷第1期 2017年2月 南昌大学学报(理科版) Journal of Nanchang University(Natural Science) VoII 4l NO.1 Feb.2Ol7 文章编号:1006—0464(2017)01 0052—05 金银合金纳米粒子的制备及其 在比色检测水中Cr3+的应用 杜佳炜,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) 摘要:以柠檬酸根同时作为还原剂和保护剂,采用化学还原法通过冷凝回流实验.同时还原HAuCh和AgN()。, 制备了粒径为50 nm的金银合金纳米粒子并对其进行了表征。通过在合金纳米粒子表面修饰酒石酸作为识别分 子,建立了一种快速检测水中cr 的比色传感分析方法。在优化的实验条件下,该方法对cr 有较好的选择性, 检测Cr 浓度范围为(O.3~20.5) mol・I 一,最低检测限为0.22 mol・L一 。该方法检测时间短、操作简单、检 测费用低,用于检测水中的Cr 有良好的应用前景。 关键词:金银纳米合金;酒石酸;快速检测;Cr” 中图分类号:O657.3 文献标志码:A Au/Ag alloy nanoparticles preparation and colorimetric detection of Cr。+in water DU J iawei,ZHANG Guowen (State Key Laboratory of Food and Technology,Nanchang University,Nanchang 330047,China) Abstract:With the citrate as both protector and reducer,the Au/Ag alloy nanoparticles with a diameter of 5O nm were synthesized by reduction of HAuC1d and AgNO3,and the alloy nanoparticles were character— ized.With the use of tartaric acid as the recognition element for Cr”,a simple and sensitive colorimetric detection method for Cr was developed.Under the optimized conditions,the selectivity of the proposed method was very wel1.the linear ranges of the calibration curve for Cr抖were 0.3~2O.5 ptmol・I ~ ,and the limit of detection was 0.22 t,mol・I 一 .Due to the advantages of fast response,simplicity of operator and lower cost,the proposed method may have a promising prospect. Key words:Au/Ag alloy nanoparticles;tartaric acid;rapid detection;Cr” Cr汁是重金属铬在水溶液中的一种主要存在形 应,在催化、电学、光学及表面增强拉曼效应等诸多 式。过量摄人Cr”会导致其与DNA结合,对细胞 的结构产生影响并对细胞的组成成分产生破坏,甚 至诱发肿瘤 ],因此研究检测三价铬的方法具有重 要的意义。目前测定三价铬的方法主要有:火焰原 方面有良好的应用,尤其是金属纳米颗粒,其独特的 光学、电学、催化性质等在很多领域都具有潜在的应 用价值 一11l。合金纳米粒子具有不同于单组份金 属的催化性能、表面等离子共振及表面增强拉曼散 子吸收光谱法|_2 、石墨炉原子吸收光谱法 ]、电感耦 合等离子体原子激发光谱法 ]、原子荧光光谱法 和分子荧光光谱法l6 等。但是这些方法都需要大型 仪器、检测费用高、检测时间长、操作复杂等不足,使 其应用受到限制。纳米材料由于其特殊的尺寸效 射(SERS)等特性,其综合性能远超于各单组份金 属,而金和银由于具有非常相近的品格常数,因而在 溶液中还原金和银时非常容易形成金银合金。目前 纳米材料的合成方法主要有光化学法 j、电化学 收稿日期:2016-11-20。 基金项目:国家自然科学基金资助项目(31460422,21167013);江西省自然科学基金资助项目(20143ACB20006);高等学校博 士点专项科研基金项目(20123601110005);食品科学与技术国家重点实验室目标导向课题(SKI F-ZZA-201612)。 作者简介:杜佳炜(1 992~),男,硕士生。*通信作者:张国文(1966一),男,教授,博士,博士生导师。E—mail:gwzhang@ ncu.edu.cn。 !崩 }I: : 银合金纳米粒子的制备及其存比色检测水中(、r 的应用 ・53・ 法~ 一、微乳液法 、辐射法 和化学还原法 等. 其中化学还原法操作方便、工艺简 。得到了』 泛应 用。本文通过控制合适的条件.同时还原HAu(、1 和AgN()。制得了金银合金纳米粒子,并通过在其 表面修饰洒 酸.建 _r一种能够特异性识别水中 Cr 的快速检测方法。泼办法检测时间短、操作简 单.对水中Cr。的检测限为().22 lmlOl・I 。 1 实验部分 1.1仪器及试剂 UV一2,t 紫外一町 分光光度汁(口本岛津 公_I_i_J):仪器工作参数:扫描波长300~800 ilm;JEM 2lO(j高分辨率透射电f显微镜(口本电子株式会 社);Nicomp 380ZI S纳米粒度仪(美国PSS粒度仪 公一j);pHS 3{2型酸度汁(I 海街磁仪器厂);双向 磁力搅拌器(常州国华电器有限公司);Millipore Simplicity水纯化系统。 HAu(、I (纯度≥9 cj ).h海源叶生物科技有 限公司)和AgN()..(纯度≥99.8 ),上海试剂一厂) 用超纯水配制成1.0 储备液;酒石酸用超纯水配 制成1.0 mmol・l 溶液.柠檬酸三钠朋超纯水溶 解,配制成0. 4 lnl1]TI( 】.1 溶液;Cr。 。标准溶液用氯 化铬(纯度≥99 L海试一化学试剂彳『限公司)配 制成1.0 ITIIll()]・I 的标准溶液。其他金属离子用 超纯水配制成相应浓度的溶液;门来水、湖水取自南 昌大学校园内。 1.2试验方法 1.2.1 汹石睃修饰金银合金纳米粒子的制备 准 确移取48 tJ.1 1.0 AgN(): 溶液和47 I 1.0 I-{AuCl 溶液分别加入到装有15 mI 超纯水的烧瓶 中,冷凝 流JJlJ热5 rain后同时加入0.4 mmol・ I 柠檬酸一钠溶液250 f I ,{耳加热2 rain,然后立 即混合并继续搅拌加热1 5 rain,得到橘黄色澄清且 稳定均匀的溶液。 住-1:述新合成的金银合金溶液中加入1.4 mI 1.0 mmol・I 洒石酸溶液匀速搅拌2 h,得到酒石 酸包裹的金锹纳米合金溶液。 1.2.2 检测条件的优化 在检测水中Cr 的过程 中.检测条什的/f 同会对最终的检测结果产生明显 影响。为了获得更高的检测灵敏度和准确性,在控 制其他条件相f 的情况下.本实验依次考察了酒石 酸浓度、检测时问、pH 对检测结果的影响。 1.2.3 比色检测水【}l c、r 不同浓度的Cr“分别 加入到2 mI 制 好的洒 酸修饰的金银纳米合金 溶液中,孵化5 min。待反应完全后,可以观察到明 ’} 的颜色变化,采用紫外一可见分光光度法测定溶 液的吸光度。 1.2.4 实际水样的检测 采集南昌大学校园内的 自来水和湖水,通过沉淀、过滤、调_节pH等预处理 后。测定水中Cr 一含量并采用标准加入法进行加标 叫收分析。 2 结果与讨论 2.J 酒石酸修饰金银合金纳米粒子的合成 图1A为合成好的金银合金纳米粒子的紫外一 可见吸收光谱,可以看出在检测波长范围内该合金 纳米粒子仅在435 nm处有一个吸收峰,该吸收峰 值于银(400 nm)和金(520 nm)纳米粒子最大吸收 峰之问,表明已成功合成了金银合金纳米粒子 。 2.2金银合金纳米粒子的表征 2.2.1 合金纳米粒子的光谱表征 图1Ij曲线C显 :。未修饰合金纳米粒子加入Cr 后,纳米粒子溶 液吸收光谱无明显变化,但从图1B曲线b可看f 纳米粒子表面修饰酒石酸并加入Cr 后,纳米粒 子溶液在600 rim附近处出现一个新的吸收峰,并 儿溶液的颜色发生明显的变化,说明酒石酸成功修 饰剑纳米粒子表面,且能特异性识别水中Cr。一。 x/nm O.9 O 6 0.3 0.0 4oo 5o0 600 700 X/rim 图1 (A)金(a)、银(b)、金银合金纳米粒子(c,)紫外吸收光 谱;(Ij)加入10 l ̄mol・I (、r 前后酒石酸修饰合金纳米粒 子( I))及加入10 p.mol・I Cr。 后合金纳米粒子( )的吸 收光谱及其溶液颜色变化 ・54・ 『幸i 火学学报(理科版) 2.2.2合金纳米粒子的电镜及粒径表征 透射电 镜(TEM)图像显示(图2),合金纳米粒=I=f二粒径较小, 呈规则的球形,粒径分布较均匀( 2A);加入Cr。‘一 在极短时问内反应完成,5 lllin 本达到稳定,因 此,5 min被选取为后续的反应时间。 2.3.3 合金溶液pH值的影响 考察lr pH在5~ 11之间合金纳米粒 对Cr 的检测灵敏度的影响。 图3C显示,在相同的(、r 浓度下, pH一6.0时 可获得最大的吸收峰比值。因此,选择pH一6.0进 后合金纳米粒子发生明显的聚集(图2B)。粒径表 征表明,合金纳米粒子的粒径约为50 nFll(插图。图 2A)。加入l 5/xmol・L (、 ’后粒径增大为500 nm(插图.图2B),表明Cr 的JJjj入引起_厂洒石酸修 行检测。 饰的金银合金纳米粒子的聚集,使得其粒径增大,并 导致溶液颜色的变化。 图:加入l 0 pmol。I C1’、前(A)后(13)金银合金 纳米粒子的电镜及粒径图 2.3实验条件的优化 2.3.1 洒石酸浓度的优化 水溶液中金银合金纳 米粒子的聚集足通过Cr 和修饰在合金表而的洒 酸特 性结合而实现的, 此ff}li石酸的浓度对陔 PH 检测方法的检测灵敏度有很大的影响。酒石酸的浓 图3酒石酸浓度(A)、检测时间(1j】及溶液pH(L、】对 度越高合金就越容易聚集。但足洒 酸浓度过高会 (、r 检测的影响 导致合金粒子之问的自聚集, 敛检测灵敏度的降 2.4 比色检测水中Cr 低。住12 tzn ̄()l・I cr 下.随着酒石酸 在优化条件F.绘制r检测 一 的工作曲线。 ( FA)浓度的增加.吸收峰比值增_人.检测效果越明 如图4A所示.随着(、r 浓度的增大,溶液在435 nm 显( 3A).但当浓度超过 t 4.5肚mol・I 时.检测 处的吸收峰不断减小.而 600 llnl处出现的新的吸 效果明显降低,冈此,选择.1 1.5 f』tool・I 。作为最 收峰不断增强。 “检测的工作曲线如图4B所示, 佳的酒 酸浓度。 在Cr 的检测浓度范I_{;1内.并未单一的线性检测方 2.3.2检测时间的选择 3B为任常温(25 C) 程,而是分两个浓发段的线性响应。当( 浓度为 条件下检测时间对检测结果的影响。从图巾可以看 0.3~10 t ̄mol・I,。。时(【冬1 4C),线性方程为y一0.02l }』I涌石酸修饰的金银合金纳米粒子对( r 的检测 ( +0.055(R 一0.9900); Cr 浓度为10~20.5 第1期 杜佳炜等:金银合金纳米粒子的制备及其在比色检测水中cr”的应用 ・55・ O 0 O O / ̄mol・L (图4D),线性方程为Y=O.42C一0.15(R 9 6 3 O 一0.994 3),最低检测限为0.22/ ̄mol・L_。,其检测 限明显低于使用火焰原子吸收光谱法测定水中总铬 的检测限1.04/2mol・I 。 4o0 5o0 6oo 700 A/nm 馨 孕 辜 cc|3+/( ̄mol・L一 ) 图4 (A)不同Cr。 浓度下酒石酸修饰金银合金纳米 溶液吸收光谱图;金银合金纳米溶液吸光度比值(Asoo/A一) 与Cr。 浓度关系图B。C,D)。 2.5选择性实验 分另0 i贝0定了Cr。 、A1。 、Co。 、Mn。 、Zn 、 Ba +、Hg。+、Ni。+、Mg。+、Fe +、Cu。+、K+、Fe。+、 Pb抖、Cr 在相同浓度下金银合金纳米粒子溶液的 吸收峰比值(图5B),结果显示仅在加入Cr抖时溶 液有明显的吸光度比值的变化,而其他离子基本无 变化(吸光度比值与空白基本相同),表明该方法对 Cr什检测有很好的选择性。 2.6金银合金纳米粒子的稳定性 制备好的金银合金纳米粒子溶液在较长的时间 内仍保持澄清透明,其吸收光谱和吸收峰强度在15 d内几乎没有变化(图5),表明合成的金银合金纳米 粒子溶液有较好的稳定性。 a/nm 图5 (A)酒石酸修饰合金纳米溶液的稳定性;(B)不同 金属离子存在下对合金纳米溶液吸收峰比值的影响 2.7实际水样的检测 分别取1O L预处理过的实际水样,按照上述 方法进行Cr件测定,并进行1.0,9.0,15.0/ ̄mol・ L 3个水平Cr抖浓度的加标回收实验,记录光谱 数据并进行数学处理,计算得到的加标回收率为 99.1 ~109.6 (表1),实验结果令人满意。 ・ 56 ・ 南昌大学学报(理科版) 2O17年 表1样品分析结果与回收率 3 结论 采用化学还原法同时还原HAuCL 和AgNO。, 成功合成了稳定的金银合金纳米粒子。基于cr抖 能引起酒石酸修饰的金银合金纳米粒子发生聚集导 致溶液颜色发生变化,建立了一种对水中Cr'抖快速 检测的方法,该方法选择性好、操作简单、检测时间 短、仪器价廉,灵敏度较高,能够满足水中Cr计的检 测。 参考文献: [1]BAGCHI D,STOHS S J,DOWNS B W,et a1.Cytotox mlty and Oxidative Mechanisms o{Dlifferent Forms of ChromiumFJ].Toxicology,2003,186(1):175—177. 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