《壳聚糖包裹纳米金粒子高灵敏检测汞离子【推荐论文】 .doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《壳聚糖包裹纳米金粒子高灵敏检测汞离子【推荐论文】 .doc(9页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、精品论文壳聚糖包裹纳米金粒子高灵敏检测汞离子裴金菊,刘翼振,陈勇,沈爱国,胡继明(武汉大学化学与分子科学学院,武汉 430072)5摘要:汞离子由于具有很强的毒性,且来源十分广泛,因此人们对于它的微量检测技术一直 都十分关注。为了实现汞离子的高灵敏度检测,将表面增强拉曼作为检测技术,制备出以对 巯基苯甲酸为信号分子,壳聚糖为包覆材料的拉曼探针:当溶液中存在汞离子时,汞离子和 壳聚糖会发生螯合作用,从而使纳米金团聚形成“热点”,产生表面增强拉曼散射效应。通过 检测对巯基苯甲酸的拉曼信号强度可绘制标准曲线达到高灵敏检测汞离子的目的。通过这种10方法虽然特异性不尽如人意,但是灵敏度却是达到了预期结果
2、,最终优化后汞离子分析测定 的线性范围为 40-200 nmol/L,最低检测浓度为 40 nmol/L。关键词:表面增强拉曼散射;壳聚糖;纳米金;汞离子中图分类号:O657.3715Highly sensitive determination of Hg2+ by chitosan coated gold nanoparticlesPEI Jinju, LIU Yizhen, CHEN Yong, SHEN Aiguo, HU Jiming(College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, WuHan 430072)
3、Abstract: People have always been concerned about mercury ion trace detection due to its highly20toxic and a wide range of sources.Surface-enhanced Raman scattering was applied as new technology to detect mercury ion with high sensitivity.Raman probe was developed using chitosanas coating material a
4、nd 4-MBA as Raman reporter:In the mercury ion solution,Chitosan coatedgold nanoparticles would be aggregated due to the coordination of chitosan and mercury ions.Then the “hot spot” will form and surface-enhanced Raman scattering effect will25appears.Purpose of highly sensitive detection of mercury
5、ions can be achieved by detecting thesignal strength of 4-MBA.Although the specificity of this approach is not satisfactory, the sensitivity has reached the requirements.After optimization, the detection range for mercury was40-200 nM/L and the limit of detection is 40 nM/L.Keywords: SERS; Chitosan;
6、 gold nanoparticles; Hg2+300引言近几十年来,重金属离子造成的环境污染一直是全世界都十分关注的问题1。重金属汞 是宇宙中最毒的元素之一,仅次于放射性元素钚。汞的来源十分广泛,燃煤电厂、海洋和火 山的排放物以及黄金采矿业和固体废物焚烧等都会产生严重污染2。因此,研究高灵敏度和35高选择性的 Hg2+检测方法,实时测定环境、水和食品中的汞含量,减少汞对人类的危害, 迫在眉睫3,4。尽管电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)是目前广泛用于检测重金属离子的有效方法, 但是其灵敏度不高,处理非常复杂,而且不适合在线监测。近年来,已经报道了一些利用荧 光、电化学、比色等实现汞离子
7、检测的方法5-9。但是这些方法仍然无法克服汞离子检测灵40敏性和选择性不足的缺点。表面增强拉曼散射(Surface enhancement Raman scattering,SERS) 是一种无损、超灵敏、能实现单分子水平检测的光谱技术10,11。利用 SERS 技术检测汞离子 的方法已有报道12,13,这些 SERS 检测 Hg2+方法特异性高,检测灵敏度较其他方法有所改善,基金项目:国家自然科学基金(Nos. 20927003, 90913013,20805034),高校博士点基金(20090141110044)作者简介:裴金菊,(1988-),女,硕士研究生,生物拉曼光谱。通信联系人:胡
8、继明,(1952-),男,教授,激光光谱分析与分析仪器研制。E-mail: - 9 -但是这些方法使用的都是单分散的纳米金作为 SERS 基底,信号较弱,灵敏度有限。本章提出基于壳聚糖对汞离子的螯合作用实现 SERS 检测汞离子的方法,如图 1 所示,45首先合成纳米金胶体,对巯基苯甲酸(MBA)作为信号分子自组装修饰在纳米金粒子表面, 然后将壳聚糖包裹 MBA 修饰的纳米金得到稳定的 SERS 探针。由于纳米金表面包裹的壳聚 糖对汞离子的螯合作用,当 SERS 探针溶液中加入汞离子后,汞离子趋向“拉近”SERS 探 针之间的距离,可形成拉曼信号增强的热点区域,探针信号增强,从而实现对汞离子高
9、灵敏 检测。50图 1 SERS 探针制备及实验原理示意图Fig.1 The schematic diagram of SERS probe Preparation and Experimental1实验部分551.1 药品与仪器实验药品:柠檬酸钠、氯金酸,壳聚糖(Chitosan,CS),无水乙醇,冰醋酸,硼酸,磷 酸,醋酸汞购于国药集团化学试剂有限公司;对巯基苯甲酸(4-Mercaptobenzoic acid, MBA) 购于 Fluka 公司,去离子水自制。实验仪器:JEOL JEM-2100 型透射电镜(日本 JEOL 公司);UB-7 型 pH 计(美国 DENVER60INSTR
10、UMENT 公司);Direct-Q 3 超纯水器(美国 Millipore);HR-800 型拉曼光谱仪(法 国 Jobin Yvon 公司);Shimadzu UV-2550 型紫外可见吸收光谱仪(日本岛津公司)。1.2 纳米金的制备取 45.6 mg 柠檬酸钠溶于 4 mL 去离子水中。取 500 L 1% 氯金酸加入到装有 50 mL 去 离子水的 150 mL 圆底烧瓶中,搅拌加热至回流,5 min 后,一次性加入一定量柠檬酸钠溶65液,继续搅拌 20 min,停止加热、搅拌,冷却至室温待用14。通过控制柠檬酸钠的量来制 备不同粒径的纳米金粒子。按照柠檬酸钠溶液的体积为 500 L、
11、1000 L 分别制备粒径为 40 nm、20 nm 的纳米金。1.3 MBA 修饰纳米金称取 15.2 mg MBA 溶于 100 mL 无水乙醇中,配制成 10-3 mol/L MBA 溶液。取 1 mL 上70述制备的纳米金溶液,加入一定体积上述配制的 MBA 溶液,振荡 2 min,静置 12 h。每毫 升 40 nm 纳米金溶液加入 1 L MBA,每毫升 20 nm 纳米金溶液加入 5 L MBA。精品论文1.4 壳聚糖包裹 MBA 修饰的纳米金溶胶取 10 mL 上述 MBA 修饰的纳米金溶胶,慢慢滴加到 1mL 0.1 mg/mL 的壳聚糖溶液中, 搅拌 6 h,停止搅拌待用,
12、制备成 Au-CS 纳米粒子作为 SERS 探针(以下简称 SERS 探针)。751.5 汞离子检测为了保证壳聚糖将纳米金完全包裹,在上一实验步骤中,加入的壳聚糖是过量的。因此, 必须通过多次离心去除溶液中多余的壳聚糖。取离心后探针溶液 180 L,将 20 L 不同浓度的汞离子加入到溶液中,振荡 1 h,将溶 液滴在锡纸上,检测溶液的拉曼光谱信号。801.6 表征与测试拉曼光谱采集条件如下:激光光源选择激发波长为 633 nm 的氦氖激光器,检测镜头为50 倍长焦镜头,狭缝宽度为 200 m,光栅刻线为 600 grooves/mm,信号采集时间为 5 s,累 计扫描 2 次,采谱范围为 7
13、00-1800 cm-1。每次开机前通过硅片校正,使达到最佳准确性和 灵敏度;85紫外可见吸收光谱采谱条件:扫描范围设置为 300-750 nm,扫描速度为中速, 11 cm石英比色皿作为样品池。2结果与讨论2.1 SERS 探针的各种表征本章中使用的纳米金都是柠檬酸钠还原氯金酸制备的,通过控制还原剂的量来制备出不90同粒径的纳米金。柠檬酸钠的量越大,制备的纳米金的粒径越小,因为柠檬酸钠加入量越大, 溶液中形成纳米金晶核的机率越大、数量越多,最终导致单个纳米金颗粒的粒径相应减小。图 2 纳米金的 TEM 图 20 nm(左);40 nm(右)Fig.2 TEM image of gold na
14、noparticles 20 nm(left);40 nm(right)95图 2 分别给出所制备的 20 nm、40 nm 的纳米金的 TEM 图。从图中可以看出,纳米金粒径比较均一,形状类似球形,分散性较好,粒径大小也在控制范围内。如图 3 所示,a,b分别为 20 nm、40 nm 纳米金的紫外可见吸收光谱。20 nm 纳米金吸收峰大约在 525 nm 处,40 nm 纳米金吸收峰大约在 531 nm 处,纳米金最大吸收峰位置发生红移。纳米金的等离子100105110体共振(surface plasmon resonance, SPR) 频率由其自身的组成、形状、大小及其溶剂所决定,并且
15、随着粒径增加,其吸收峰红移。本实验合成的两种纳米金组成相同,形状都是类似 球形,处于相同介质中,因此图 3 中出现的吸收峰红移现象,主要是纳米金粒径不同引起的。 所以图 2 的 TEM 图与图 3 的紫外可见吸收光谱图相互吻合,与文献报道一致15。图 3 纳米金的紫外可见吸收光谱 20 nm(a);40 nm(b)Fig.3 UV-visible absorption spectrum of the gold nanoparticles 20 nm(a);40 nm(b)图 4 a,b 分别为壳聚糖包裹纳米金的 TEM 图Fig.4 TEM images of gold nanoparticl
16、es of chitosan coated a(coated);b(uncoated)实验中选择壳聚糖作为包裹材料,壳聚糖包裹纳米金后,通过 TEM 观察纳米金在包裹 前与包裹后形貌和结构的变化。如图 4 所示,a 图是未包裹壳聚糖的纳米金,b 图是壳聚糖 包裹后的纳米金,仔细比较两图后,发现粒径尺寸变化不大,但是可以明显观察到,在壳聚 糖包裹后的纳米金表面出现一层约为 3 nm 左右衬度较低的物质层,包围在纳米金周围形成精品论文115120125130135140一层“白晕”,而未包裹壳聚糖的纳米金未见这层物质出现。为了进一步验证壳聚糖成功包裹在纳米金表面,尝试比较纳米金在包裹前后的紫外可见
17、吸收光谱的变化。如图 2.5 所示,a 线为纳米金的紫外可见吸收光谱,b 线为壳聚糖包裹的纳米金的紫外可见吸收光谱,可以看 出 40 nm 纳米金最大吸收峰在 531 nm 处,而壳聚糖包裹的纳米金最大吸收峰在 534 nm 处, 最大吸收峰的位置发生了 3-4 nm 的红移,与文献报道一致16。在前面提及,纳米金的等离 子共振吸收频率与其组成相关,壳聚糖包裹纳米金后其表面物质组成发生了变化,进而引起 壳聚糖包裹的纳米金的 SPR 共振吸收峰发生红移。结合 TEM 图和紫外可见吸收光谱,不难 得出,TEM 图中纳米金表面的“白晕”应是壳聚糖,由于壳聚糖主要由 C、H、O 轻元素组 成,相比于
18、Au 等重金属,更容易被电子束穿过,所以形成衬度较低的图像。壳聚糖包裹在 纳米金表面,主要依靠壳聚糖上氨基与纳米金的作用,壳聚糖在纳米金表面的自组装,又因 MBA 修饰后的纳米金表面作用位点有限,导致壳聚糖在纳米金表面吸附量有限,因此,壳 聚糖层的厚度很薄。在绪论中提到,“热点”效应源于相邻金属纳米粒子表面等离子体共振耦 合形成的电场叠加,所以“热点”效应对金属纳米粒子之间的距离非常敏感,只有在金属纳米 粒子间的距离足够小(小于 10 nm)时,才能产生热点效应。正因为此点,所以纳米金表面 的包裹层不宜太厚,才能获得较强的 SERS 信号。选择壳聚糖包裹正是此实验设计的关键。 本章实验得到的
19、Au-CS 纳米粒子外层壳聚糖控制在纳米尺寸,有利于热点效应的产生。图 5 a,b 分别为 40 nm 纳米金在壳聚糖包裹前后的紫外可见光谱Fig.5 UV-Vis spectra of 40 nm gold nanoparticles of chitosan wrapped a(coated);b(uncoated)2.2 壳聚糖分子量的影响壳聚糖的分子量对其溶解性有重要的影响。已报道的文献中既有使用小分子量壳聚糖包 裹纳米粒子的,也有使用大分子量壳聚糖的。因此,为了选择分子量合适的壳聚糖,本实验 尝试利用小分子量(分子量为 3000)和大分子量(分子量为 3 万左右)的壳聚糖分别包裹 纳米
20、金,观察实验效果。小分子量的壳聚糖水溶性很好,按照前面的实验步骤将 MBA 修饰 的纳米金溶液加入到小分子量壳聚糖溶液中,搅拌,纳米金迅速沉淀,溶液由红色几乎变为精品论文145150155160165无色。大分子量的壳聚糖,分子间相互缠结严重,溶解性较差,不能溶于水,文献中常用1%乙酸溶液(pH=3)溶解大分子量壳聚糖。按照实验步骤将 MBA 修饰的纳米金溶液加入 到大分子量壳聚糖溶液,搅拌,发现溶液颜色略偏深并无大变化,如图 6。其紫外-可见光 谱表明,大分子量壳聚糖包裹后的纳米金稳定性较好。因此本实验最终选用大分子量的壳聚 糖包裹纳米金。图 6 1,2 分别小分子量、大分量壳聚糖包裹的纳米
21、金溶胶Fig.6 gold nanoparticle of chitosan wcoated Left(3000);Right(30000)2.3 pH 值的选择现有文献报道,pH 值对壳聚糖螯合重金属离子的能力有重要的影响:pH6 时,pH 值 对壳聚糖螯合重金属离子的能力影响不大,当 6pH8 时,壳聚糖对重金属离子的螯合能力不再发生变化。从壳聚 糖的结构来分析,主要是氨基和羟基表现出金属螯合能力。当 pH 值低时,溶液中羟基稳定 存在,-NH2 也变成-NH3 +,致使氨基配位能力下降;随着 pH 值增加,氨基游离出来,结合 羟基表现出更强的金属螯合能力17。在本实验中,为了保证大分子量
22、壳聚糖的可溶性,体 系 pH 值必然小于 6,在此范围内,pH 值对壳聚糖螯合重金属离子的能力影响不大,所以 pH 值在本实验中无需优化。而另一方面,为了保证壳聚糖包裹后纳米金的稳定性,保持实 验过程中溶液体系的 pH 值为 3。2.4 SERS 探针检测汞离子配制的不同浓度汞离子溶液,将其加入到制备的 SERS 探针溶液中,振荡 1 h,将溶液 滴在锡纸上,检测拉曼信号强度。图 7 中给出了不同浓度汞离子存在情况下的溶液的拉曼光 谱图,从下到上汞离子浓度依为 0 nmolL-1,50 nmolL-1,60 nmolL-1,100 nmolL-1,200 nmolL-1。图中 1076 cm-
23、1、1586 cm-1 处的尖峰为 MBA 较强的两个特征峰,一般选择 MBA 在 1076 cm-1 处特征峰的峰强作为标准,比较反应前后峰强的变化。图 2.8 是不同浓度汞离子存在时溶液 1076 cm-1 特征峰强度的变化。结合图 7 和图 8 发170175现,汞离子浓度在 40 nmolL-1 至 200 nmolL-1 范围时,随汞离子浓度的增加,拉曼信号强度 增加。而当汞离子浓度超过 200 nmolL-1 后,随其浓度增强,拉曼信号强度不再发生变化。 说明该探针能够用于检测汞离子,检测范围为 40-200 nmolL-1 ,最低检测浓度为在 40 nmolL-1。图 7 不同浓
24、度汞离子存在时拉曼光谱Fig.8 Raman spectroscopy in the presence of different concentrations of mercury ions图 8 不同浓度汞离子存在时溶液 1076 cm-1 特征峰的强度的变化Fig.8 The intensity change of the peak of 1076 cm-1 in different Hg2+ concentrations1801851902.5 特异性检测为了研究壳聚糖包裹的纳米金 SERS 探针检测汞离子的特异性,在相同的条件下,用该 探针分别检测了 Hg2+、Pb2+、Cd2+(浓度
25、均为 100 nmolL-1)。以空白组拉曼光谱中 1076 cm-1 特征峰的强度为 R0,重金属离子存在时拉曼光谱中 1076 cm-1 特征峰的强度为 R,如图 8 给 出不同重金属离子存在时 R/ R0 的值。从图中可以看出,Hg2+存在时 R/R0 的值最大,大概是 Pb2+、Cd2+存在时的 2-3 倍。因为相比于 Pb2+、Cd2+等,Hg2+有更大的离子半径,更容易与 壳聚糖上的氨基发生螯合,形成更稳定的螯合物,所以在图 8 中 Hg2+存在时拉曼信号增强 的程度最高。实验数据显示该方法检测 Hg2+的特异性不够好,在其他重金属离子共存时, 会严重干扰的检测。因此,该方法只适合
26、于已经分离的 Hg2+的检测。图 9 不同重金属离子存在时拉曼光谱强度(R)与空白组拉曼拉曼光谱强度(R0)的比值Fig.9 The ratio of R and R0 in the different heavy metal ions1952003结论本章制备出壳聚糖包裹的纳米金 SERS 探针,紫外-可见光谱及透射电镜表征结果都显 示壳聚糖成功包裹在纳米金表面,壳聚糖厚度大约为 3 nm。由于壳聚糖与汞离子具有的螯 合作用,当探针溶液体系中存在一定浓度的汞离子时,汞离子通过 SERS 表面的壳聚糖拉近 了探针之间的距离,导致拉曼信号增强,从而实现汞离子的检测,最低可实现 40 nmolL-
27、1 汞离子的检测。虽然该方法检测汞离子灵敏度较高,但特异性不尽如人意,容易受到其他重 金属离子的干扰,因此,该方法只适于检测预处理分离后的汞离子待测体系。参考文献 (References)1 R. K. Shervedani and S. A. Mozaffari, Copper(II) nanosensor based on a gold cysteamine self-assembled205210215220225230235monolayer functionalized with salicylaldehyde. Analytical Chemistry, 2006. 78: 495
28、7-4963.JI X G, DENG Y Y, WANG P. Characters of atmosphere pressure, pure oxygen fixed bed gasification of seven kinds coalJ. Clean Coal Technology, 2004, 25(4): 50-52.2 X. F. Wang, Y. H. Shen, A. J. Xie, et al., Assembly of dandelion-like Au/PANI nanocomposites and their application as SERS nanosens
29、ors. Biosensors and Bioelectronics, 2011. 26: 3063-3067.3 F. Chai, C. G. Wang, T. T. Wang, et al., L-cysteine functionalized gold nanoparticles for the colorimetricdetection of Hg2+ induced by ultraviolet light. Nanotechnology, 2010. 21: 2055-2061.4 G. K. Darbha, A. K. Singh, U. S. Rai, et al., Sele
30、ctive detection of mercury (II) ion using nonlinear optical properties of gold nanoparticles. Journal of American Chemical Society, 2008. 130: 8038-8043.5 G. Q. Wang, C. Lim, L. X. Chen, et al., Surface-enhanced Raman scattering in nanoliter droplets: towards high-sensitivity detection of mercury (I
31、I) ions. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2009. 394: 1827-1832.6 E. Coronado, J. R. Galan Mascaros, C. Marti Gastaldo, et al., Reversible colorimetric probes for mercury sensing. Journal of the American Chemical Society, 2005. 127: 12351-12356.7 R. Freeman, T. Finder, and I. Willner, Multiple
32、xed analysis of Hg(2+) and Ag(+) Ions by nucleic acid functionalized CdSe/ZnS quantum dots and their use for logic gate operations. Angewandte Chemie-International Edition, 2009. 48: 7818-7821.8 D. Han, Y. R. Kim, J. W. Oh, et al., A regenerative electrochemical sensor based on oligonucleotide for t
33、he selective determination of mercury(II). Analyst, 2009. 134: 1857-1862.9 X. F. Liu, Y. L. Tang, L. H. Wang, et al., Optical detection of mercury(II) in aqueous solutions by using conjugated polymers and label-free oligonucleotides. Advanced Materials, 2007. 19: 1471-147810 C. R. Yonzon, C. L. Hayn
34、es, X. Y. Zhang, et al., A glucose biosensor based on surface-enhanced Raman scattering: improved partition layer,temporal stability, reversibility, and resistance to serum protein interference. Analytical Chemistry, 2004. 76: 78-85.11 M. D. Porter, R. J. Lipert, L. M. Siperko, et al., SERS as a bio
35、assay platform: fundamentals, design, and applications. Chemical Society Reviews, 2008. 37: 1001-1011.12 D. Han, S. Y. Lim, B. J. Kim, et al., Mercury(ii) detection by SERS based on a single gold microshell. Chemical Communications, 2010. 46: 5587-5591.13 T. Senapati, D. Senapati, A. K. Singh, et al
36、., Highly selective SERS probe for Hg(ii) detection using tryptophan-protected popcorn shaped gold nanoparticles. Chemical Communications, 2011. 47: 10326-10329.14 A. G. Shen, L. F. Chen, W. Xie, et al., Triplex Au-Ag-C core-shell nanoparticles as a novel Raman label. Advanced Functional Materials,
37、2010. 20: 969-975.15 M. Potara, E. Jakab, A. Damert, et al., Synergistic antibacterial activity of chitosan-silver nanocomposites onStaphylococcus aureus. Nanotechnology, 2011. 22: 1-9.16 S. C. Boca, M. Potara, F. Toderas, et al., Uptake and biological effects of chitosan-capped gold nanoparticles on Chinese Hamster Ovary cells. Materials Science and Engineering C, 2010. 8: 184-189.17 F. C. Wu, R. L. Tseng, and R. S. Juang, Role of pH in metal adsorption from aqueous solutions containing chelating agents on chitosan. Industrial and Engineering Chemistry Research 1999. 38: 270-275.
链接地址:https://www.31doc.com/p-3626048.html