ABSTRACT

Sodium citrate reduction method was used to prepare nano gold particles (AuNPs) as a colorimetric solution. Papain was modified on the surface of AuNPs to form a stable papain AuNPs water soluble complex. According to the specific binding between papain and Cu²⁺, papain-AuNPs aggregation was induced, and the color of the solution changed from red to blue violet. The colorimetric detection of Cu²⁺ in water is realized. The experimental results show that the detection range of the method is 0.5~25 μg∙mL⁻¹, the detection limit is 0.3 μg∙mL⁻¹, and other heavy metal ions have little interference. The method is simple and easy to prepare. It can be used for rapid detection of Cu²⁺ in water.

Keywords:Copper Ions, Au Nanoparticles, Functionalized, Papain, Colorimetric Analysis

功能化纳米金检测铜金属离子

黄嘉婕，戴正宇，刘聿，严瑾，苏润，周亚红

江苏警官学院刑事科学技术系，江苏 南京

收稿日期：2018年4月29日；录用日期：2018年5月14日；发布日期：2018年5月28日

摘 要

采用柠檬酸钠还原法制备纳米金颗粒(AuNPs)作为比色溶液，将木瓜蛋白酶修饰于AuNPs 表面，形成稳定的木瓜蛋白酶- AuNPs水溶复合物，根据木瓜蛋白酶和Cu²⁺之间的特异性结合引起木瓜蛋白酶- AuNPs聚集，使溶液颜色由红色变为蓝紫色，实现了水中Cu²⁺的比色检测。实验结果显示该方法的检测范围为0.5~25 μg∙mL⁻¹，检出限为0.3 μg∙mL⁻¹，其他重金属离子干扰较小。该方法具有制备和操作简单等优点，可望用于水体中Cu²⁺的现场快速检测。

关键词 :金属铜离子，纳米金，功能化，木瓜蛋白酶，比色分析

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1. 引言

铜元素在微量元素中占据重要地位，长期食用含铜量较高的食物会伤害人体的健康。人口服硫酸铜致死量约为10 g。大量调查研究显示，Cu的毒性受其形态影响，游离的Cu²⁺拥有更强的毒性，对生物体的破坏更大。在实验室，常用的Cu²⁺检测方法有原子吸收光谱法、电感耦合等离子发射光谱法、分光光度法等 [1] [2] [3] [4] ，这些检测方法不适宜应用于食药环案件现场的快速检测。因此，研究一种能适用于食药环案件现场快速检测食品或水中Cu²⁺的方法是很有必要的。

纳米金颗粒(AuNPs)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，或解职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。本论文主要以AuNPs为基础与木瓜蛋白酶合成功能化纳米金，寻找反应的最佳条件，建立木瓜蛋白酶-AuNPs快速检测Cu²⁺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Cu²⁺。

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

铜标准溶液(G62024-90) 1 mg∙mL⁻¹ (10% HCl)；木瓜蛋白酶(含量不少于98.5%阿拉丁试剂公司)；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)。

称取木瓜蛋白酶0.0220 g用100 mL容量瓶定溶配置成0.22 mg∙mL⁻¹的木瓜蛋白酶溶液。

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铜标准溶液于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. 纳米金的合成和表征

纳米金制备 [5] [6] [7] [8] ：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%柠檬酸三钠水溶液，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波长范围表征纳米金溶液，并考察其稳定性。

用透射电子显微镜测定表征上述溶液中纳米金颗粒度。

3.2. 功能化纳米金的合成和表征

精确移取4 mL的柠檬酸钠溶液分别加入到含有1，2，4 mL的木瓜蛋白酶溶液的试管中并且充分振荡；移取2 mL 1%的氯金酸至装有100 mL水和磁石的250 mL的烧杯内，将烧杯置于磁力搅拌器上加热至沸腾，迅速加入柠檬酸钠和木瓜蛋白酶混合溶液。半分钟后溶液开始由无色透明变黑，变紫接着变蓝，煮沸2~3分钟后出现透明酒红色，继续加热搅拌数分钟至5分钟移去热源，同时停止搅拌，冷却至室温后转移到棕色试剂瓶中避光保存，即胶体金溶液，用紫外可见分光光光度计检测，选择最佳配比；用透射电子显微镜表征功能化纳米金的颗粒度。

3.3. 水中铜离子的测定

3.3.1. 吸收光谱法检测铜离子 [9]

Cu²⁺标准曲线的制备：在1 mL木瓜蛋白酶-AuNPs溶液，分别加入1 mL 1.0、2.5、5.0、7.5、8.0 μg∙mL⁻¹的硝酸铜溶液，充分混合后，用紫外分光光度计测量其吸光度，建立标准曲线。

3.3.2. 应用

取可疑铜污染水质的检材1 mL，加入1 mL木瓜蛋白酶-AuNPs溶液，充分混合后，用紫外分光光度计测量其吸光度，并计算水中铜离子的浓度。

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最佳比例为1:2，此时特征峰为520.07 nm。

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。

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。

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

采用木瓜蛋白酶为功能化试剂，制备功能化纳米金。通过调整氯金酸和木瓜蛋白酶的加入比值，选

图1. 氯金酸和柠檬酸三钠比例不同时的光谱图

图2. 纳米金透射电子显微镜测定表征

图3. 纳米金溶液半年前后稳定性比较

择其最佳配比，用紫外可见吸收光谱表征实验结果，见图4。

由图4可以看出氯酸金与木瓜蛋白酶的比例不同，其最大吸收峰和吸光度都会发生变化，具体数据见表1。

实验结果表明，氯金酸与木瓜蛋白酶比例为1:2合成的木瓜蛋白酶-AuNPs溶液吸光度最高，为最佳比例。

透射电镜表征上述制备的功能化纳米金，结果见图5。

1:2合成的AuNPs-木瓜蛋白酶的颗粒基本呈圆形，粒度在10~20之间，尺寸分别较均匀。

4.3. 功能化纳米金测定Cu²⁺

4.3.1. 功能化纳米金测定铜离子的标准曲线

为了考察木瓜蛋白酶-AuNPs快速检测Cu²⁺离子的适用性，在上述优化条件下，在木瓜蛋白酶-AuNPs溶液中加入不同浓度Cu²⁺离子反应两分钟，结果发现无Cu²⁺离子存在时，溶液保持红色不变，随Cu²⁺离子浓度增加，溶液逐渐由红色变为蓝紫色。且在521 nm处的吸光度逐渐降低。体系对不同浓度Cu²⁺离子的响应表明，木瓜蛋白酶-AuNPs溶液在521 nm处的吸光度减去和不同浓度Cu²⁺离子反应后的溶液在521 nm处的吸光度即为 A₅₂₁(y)与Cu²⁺离子浓度(x, μg∙mL⁻¹)成良好的线性关系，标准曲线见图6。

实验结果得到，其线性方程为：y = 150.48x − 0.0514，R² = 0.9978，线性范围0.5~25 μg∙mL⁻¹。

4.3.2. 功能化纳米金木瓜蛋白酶测定铜离子的精确度和检出限

在同样条件下，取三份1 mL 5.0 μg∙mL⁻¹铜溶液分别加入1 mL木瓜蛋白酶-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2.36%，如图7所示。

表1. 氯酸金与木瓜蛋白酶不同比例的特征峰和吸光度

图4. 氯金酸和木瓜蛋白酶比例不同时的光谱图

图5. 功能化纳米金木瓜蛋白酶的颗粒

图6. 功能化纳米金木瓜蛋白酶测定铜离子浓度的标准曲线

图7. 木瓜蛋白酶-AuNPs溶液精确度测定光谱图

取不同浓度的铜标准溶液分别加入1 mL木瓜蛋白酶-AuNPs溶液中。经过紫外分光光度计测定，木瓜蛋白酶-AuNPs检测Cu(Ⅱ)的检出限(3 S/N)为0.3 μg∙mL⁻¹。

4.4. 方法应用

取可疑铜污染水质的检材1 mL，加入1 mL木瓜蛋白酶-AuNPs溶液中。经紫外分光光度计测定，测得其在521 nm处的吸光度为0.7931 A，木瓜蛋白酶-AuNPs溶液在521 nm处的吸光度减去其在521 nm处的吸光度，并将其代入其线性方程为：y = 150.48x − 0.0514，R² = 0.9978，测得其铜离子浓度为4.4 μg∙mL⁻¹。

5. 结论

基于Cu²⁺离子能够引起含巯基(-SH)的木瓜蛋白酶-AuNPs溶液相互形成Cu-S键，诱导纳米金发生团聚导致溶液颜色发生变化，实现了水中Cu²⁺的比色检测，其检出限为0.3 μg∙mL⁻¹；同时该方法具有简单的、成本低、效益高和快速比色法检测Cu²⁺离子等优点。因此，在水环境中Cu²⁺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：201610329004Z；江苏警官学院《物证分析新技术》创新团队2015SJYTZ02；江苏省“十三五”一级学科省重点建设学科资助项目；江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

文章引用

黄嘉婕,戴正宇,刘 聿,严 瑾,苏 润,周亚红. 功能化纳米金检测铜金属离子
Investigation of Functionalized Au Nanoparticles for Copper Ions[J]. 分析化学进展, 2018, 08(02): 58-64. https://doi.org/10.12677/AAC.2018.82008

参考文献