金纳米簇的制备及对重金属汞的检测

蔡宇玲 张纪梅

摘 要 以谷胱甘肽（GSH）为还原剂和稳定剂制备金纳米簇（Au NCs）。Au NCs具有類过氧化物酶活性，可催化过氧化氢（H2O2）和3，3'，5，5'-四甲基联苯胺（TMB）的反应，使溶液变为蓝色；当溶液引入Hg2+，Hg2+吸附在金团簇表面，抑制其催化活性，使得反应体系颜色变浅。基于Hg2+的抑制作用设计了Hg2+比色传感器，考察了缓冲溶液pH值、底物浓度及时间对检测Hg2+的影响。在最佳条件下，方法的线性范围为10～300 nmol/L（R2=0.997），检出限为6.26 nmol/L。本方法选择性好，灵敏度高，为水质分析提供了一种新方法。

关键词 金纳米簇；类过氧化物酶；比色；汞离子

1 引 言

工业的快速发展给人们生活带来了便利，同时也产生了一些污染环境的废弃物，其中的重金属不仅会污染周围的土壤及水生生态系统，也会对人体健康造成威胁。汞是一种广泛分布的剧毒污染物，可通过食物链在体内积累，从而对人体器官（如脑、肺、肾）及免疫系统造成不良影响[1～4]，如孕妇摄入汞，可能会导致儿童发育迟缓[5]。因此，对Hg2+进行检测十分重要。目前，用于检测水体中Hg2+的方法包括电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）[6～8]、溶出伏安法[9]、荧光光谱法[10，11]等。Wu等[12]使用铋膜修饰玻碳电极，采用阳极溶出伏安法对溶液中的Hg2+进行检测。刘士坤等[13]利用Hg2+能够增强探针3'，6'-双（二乙氨基）-2-（（4-氟基苯亚甲基）氨基）螺[异吲哚-1，9'-氧杂蒽]-3-硫酮的荧光，实现对Hg2+的检测。但是，这些方法耗时，操作复杂，对分析人员的要求较高，不利于Hg2+检测的实际应用。因此，开发简单、选择性好、灵敏度高、成本低的Hg2+检测方法具有重要的实际应用价值。

近年来，随着纳米材料研究的不断深入，多种无机纳米材料，包括Fe3O4[14]、V2O5纳米线[15]、碳点[16]等，均被发现具有类过氧化物酶活性。与天然酶相比，纳米模拟酶显示出许多独特的优点，包括制备简单、价格低廉、稳定性好、催化活性高等。目前，许多纳米材料模拟酶被广泛应用于金属离子的检测。Long等[17]利用金纳米粒子的类过氧化物酶活性可视化检测Hg2+。Zhang等[18]利用Hg2+对纳米复合材料rGO/PEI/Pd类酶活性的增强作用，实现了废水及人血清中Hg2+的超灵敏检测。 彭涛等[19]制备了蛋白杂化荧光金纳米簇用于Hg2+的检测。 Gao等[20]利用Ag+对PVP保护的铂立方体纳米粒子类过氧化物酶活性的抑制作用，实现了对Ag+的检测。目前，基于Hg2+对纳米材料类过氧化物酶活性的抑制作用比色检测Hg2+的报道较少。

GSH稳定的Au NCs具有较高的类过氧化物酶活性，能够催化H2O2-TMB发生显色反应，使溶液变为蓝色；当溶液中存在Hg2+时，Hg2+抑制Au NCs的类过氧化物酶活性，使体系颜色变浅。基于此，本研究构建了Hg2+的可视化检测体系，并成功应用于实际水样中Hg2+的检测。

3 结果与讨论

3.1 GSH保护的Au NCs的表征

使用透射电子显微镜（TEM）对谷胱甘肽保护的Au NCs进行表征，结果如图1A所示，制备的Au NCs分散性良好，并大致呈球形，尺寸均匀，粒径约为2.3 nm。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示制备的Au NCs的晶格间距为0.228 nm，对应于面心立方Au（111）晶格间距[22]。由Au NCs的紫外-可见吸收光谱曲线（图1B）可见，在500 nm及400 nm处出现很小的吸收峰，而在520 nm处并未出现大尺寸金纳米粒子所独有的表面等离子体共振（SPR）的特征[23]。原因是金纳米簇的尺寸接近费米能级波长，连续态分裂成离散电子态，使其具有类分子的属性，故Au NCs不具有SPR的性质[23～25]。从荧光光谱（图1B）可见，谷胱甘肽保护的金纳米簇在365和610 nm处分别对应最大激发和发射波长。此荧光Au NCs显示出宽的激发带和大的斯托克斯位移（>200 nm）。这些数据与文献中制备的Au NCs的表征结果一致。Au NCs的X射线光电子能谱（XPS）全谱图（图1C）上可见Au 4f，S 2s，C 1s，Au 4d，N 1s和O 1s的特征峰，证实Au NCs上存在GSH分子。如图1D所示，84.6和88.4 eV的结合能分别对应于零价的Au4f7/2和Au4f5/2，金膜的Au（0）的结合能为84.0 eV，金硫醇盐的Au（I）的结合能为85.0 eV， 而Au4f7/2的结合能为84.6 eV，位于上述两者之间，这说明在所制备的金团簇中Au（0）和Au（I）都存在[26，27]。以上实验结果表明本方法成功制备出Au NCs。

3.2 汞抑制的Au NCs类过氧化物酶活性研究

TMB常用作过氧化物酶的显色底物。TMB具有大的共轭体系，是良好的电子供体，自由基（如羟基自由基（·OH））常具有很强的得电子能力，当TMB与·OH发生作用时，·OH可夺取TMB中的电子，使其结构发生变化，TMB失去一个电子的产物在652 nm处有最大吸收，反应体系颜色由无色变为蓝色；若TMB再失去一个电子，其产物在450 nm处出现吸收峰，反应体系颜色由蓝色变为黄色。如图2所示，当溶液中只有H2O2和TMB存在时，溶液颜色基本无变化，对应吸收曲线在652 nm处无吸收峰（曲线a），表明H2O2单独存在并不能氧化TMB；当缓冲液中存在Au NCs时，体系颜色变为蓝色，对应吸收光谱图在652 nm处有氧化态TMB特征吸收峰（曲线b），表明Au NCs存在下能够催化H2O2氧化TMB，使体系颜色发生变化；当溶液中引入Hg2+时，体系颜色变浅（曲线c），说明Au NCs仍能够催化H2O2氧化TMB，只是催化能力降低。由以上实现结果可以判断，在PB缓冲体系中，Hg2+可抑制Au NCs的类过氧化物酶活性。

4 结 论

使用GSH作为还原剂及稳定剂制备出具有水溶性的熒光Au NCs。Au NCs具有类过氧化酶活性，可以催化H2O2-TMB体系，从而使得溶液颜色发生变化，而Hg2+可以抑制Au NCs的类过氧化酶活性，据此构建了一种检测Hg2+的方法，检出限为6.26 nmol/L。本检测方法选择性好，灵敏度高，用于实际湖水中Hg2+的检测，效果良好。

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Abstract A colorimetric method was developed for detection of mercury based on the inhibition of oxidation of peroxidase substrates. The as-prepared gold nanoclusters （Au NCs）， which has been stabilized and reduced by Glutathione （GSH）， can effectively catalyze the H2O2-TMB to generate a blue color signal. It is interestingly that Hg2+ can inhibit the oxidation of peroxidase substrates， thus causing a color diminished. Taking advantage of the inhibitive effect of Hg2+， a novel Hg2+ sensor has been developed. In this system， sensing conditions， including pH of the buffer solution， substrate concentration and time， were optimized. Under the optimal conditions， the probe showed a linear range of 10-300 nmol/L （R2=0.997） with a detection limit of 6.26 nmol/L. In addition， this sensor exhibited good selectivity and sensitivity for Hg2+ against other common environmental mental ions， providing a new method for water analysis.

Keywords Gold nanoclusters； Peroxidase-like activity； Colorimetric； Mercury ion

（Received 31 December 2017； accepted 8 April 2018）