蓮藕中重金屬Cu2+納米金快速檢測法

易甜 劉騫

摘要 [目的]建立一種能適用于現場快速檢測Cu2+的方法。[方法]以納米金顆粒（AuNPs）為基礎制備檢測探針，構建可視化檢測蓮藕中重金屬Cu2+的快速檢測體系。[結果]AuNPs比色檢測法對Cu2+選擇特異性強，通過肉眼可視從而快捷、準確地進行快速檢測，蓮藕樣品中各個水平的加標回收率的結果在86.0%～94.4%，檢測效果穩定。[結論]研究可為蓮藕中重金屬的快速檢測提供參考。

關鍵詞 蓮藕；納米金；重金屬；快速檢測

中圖分類號 TS207.5+1 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0083-03

Abstract [Objective] To develop a method for rapid detection of copper ions on site.[Method] The detection probes were prepared on the basis of gold nanoparticles，the rapid detection system for visual detection of heavy metal Cu2+ in lotus was constructed.[Result] The result showed that AuNPs colorimetric assay has a strong selectivity for Cu2+，and it can be quickly and accurately detected by the naked eye.The results of spiked recovery rate were from 86.0% to 94.4%，the detection results were stable.[Conclusion] The study can provide reference for rapid detection of heavy metals in lotus.

Key words Lotus；AuNPs；Heavy metal；Rapid detection

蓮藕中含有豐富的營養素，是一種藥食同源的水生蔬菜[1]。蓮藕主要生長在池塘和湖泊中，但隨著我國城市化進程步伐的加快，導致環境污染問題日益突顯，水體環境極易遭受工業廢水的污染。進入水環境的重金屬離子也會被淤泥吸附而沉積為底泥，蓮藕的根系會從土壤環境中吸收重金屬離子。由于蓮藕具有發達的維管束，極易產生一次富集效應。而富集部位大部分是蓮藕的食用部，食用受到污染的蓮藕會對人體健康構成威脅[2]。

微量元素家族中銅（Cu）是一位重要的成員，長期攝入高Cu含量食物會對人體健康造成損害[3-4]。大量研究表明，Cu的毒性與它的形態有關，游離的銅離子（Cu2+）對生物體毒性最大[5]。常用的Cu2+檢測的方法有原子吸收光譜法、電感耦合等離子發射光譜法、分光光度法等，這些檢測方法復雜繁瑣，儀器造價昂貴，檢測時間較長，不適用于大規模農產品的現場快速檢測。因此，建立一種能適用于現場快速檢測Cu2+的方法是非常有必要的。

納米金顆粒（AuNPs）在可見光區具有很強的表面等離子體共振，制備方法簡單，具有很高的穩定性以及良好的生物相容性，任何表面結構的改變、聚集，或介質折射率的改變可能都會改變其分散性，最終導致顏色變化，成為最常用的光學傳感材料[6]。重金屬離子可以使聚集的AuNPs重新分散，也可以與修飾在AuNPs表面的物質形成沉淀，從而使AuNPs的顏色和吸光度值發生改變，基于該理論的AuNPs傳感器的選擇靈敏度是由納米金的尺寸、濃度、被識別元素的性質和密度、pH、離子強度、緩沖溶液的類型以及溫度等決定的[7-8]。筆者主要以AuNPs為基礎制備檢測探針，建立AuNPs-谷胱甘肽（GSH）快速檢測體系，實現蓮藕中重金屬Cu2+的快速可視化檢測。

1 材料與方法

1.1 材料 新鮮蓮藕，市售。UV-2450紫外-可見分光光度計，日本島津集團；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責公司；電子萬用爐，北京市永光明醫療儀器廠；H-7650透射電子顯微鏡，日本日立公司；AFS-8230原子熒光光譜儀，北京吉天儀器有限公司；VISTA-MPX電感耦合等離子發射光譜儀、AA240FS原子吸收光譜儀，美國瓦里安公司。

1.2 方法

1.2.1 AuNPs的合成。

250 mL圓底兩口燒瓶中加入100 mL 0.01%氯金酸溶液，油浴，沸騰后迅速加入1 mL 1%的檸檬酸鈉溶液，劇烈攪拌，回流加熱，待溶液由藍色迅速變成紫紅色，繼續加熱5 min，冷卻至室溫后用0.22 μm水系濾膜過濾，避光保存于4 ℃冰箱，備用[9]。

1.2.2 AuNPs比色法檢測法。

取10 μL pH為7.0的磷酸鹽緩沖液，加入10 μL濃度為3 μmol/L的GSH溶液，再加入10 μL樣品溶液，混合反應1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應1～2 min，最后加入10 μL濃度0.2 mol/L的氯化鈉溶液；同時，用超純水做空白對照。反應30 s后觀察混合溶液的顏色變化，并與空白組對照。若樣品中含有Cu2+且濃度大于等于0.04 mg/L，可以觀察到肉眼可見顏色變化，溶液由紫紅色變為淡藍色；若樣品中不含有Cu2+或者含有的Cu2+濃度低于0.04 mg/L，則無變化。

1.2.3 Cu2+選擇性測試。

為了考察AuNPs檢測Cu2+的選擇性，用硝酸鎂[Mg（NO3）2]、氯化鈣（CaCl2）、硫酸銅（CuSO4）、氯化鉻（CdCl2）、醋酸錳（C4H6MnO4）、醋酸鈷（C4H6CoO4）、醋酸鋅（C4H6O4Zn）、硝酸鎳[Ni（NO3）2]、硝酸汞[Hg（NO3）2]、硝酸鉛[Pb（NO3）2]、硝酸鐵[Fe（NO3）3]、氯化亞鐵（FeCl2）、硫酸鋁[Al2（SO4）3]、重鉻酸鉀（K2Cr2O7）、氯化鋇（BaCl2）的超純水溶液代替超純水，做試驗對照，方法同“1.2.2”。

1.2.4 AuNPs比色法檢測蓮藕中Cu2+。

將蓮藕用超純水洗凈，晾干后去皮放在干凈的研缽中搗碎成泥，放入干凈的燒杯中保鮮膜封口后放在冰箱中4 ℃冷藏保存。稱取樣品（10.0±0.5）g于100 mL燒杯中，加入數粒沸石，向燒杯中加入高氯酸和硝酸混合酸（V/V，4∶1）20 mL，電爐上消化并趕酸至溶液澄清透明，冷卻，移至50 mL容量瓶中，超純水定容，用封口膠密封，放于4 ℃冰箱保存，同時做試劑空白。采用“1.2.2”中的方法檢測樣品，若樣品中含有Cu2+且濃度大于等于0.04 mg/L，則可以觀察到溶液由紫紅色變為淡藍色；若樣品中不含Cu2+或者濃度低于0.04 mg/L，則溶液無變化。配置一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液，取10 μL的磷酸鹽緩沖液（pH 7.0，0.2 mol/L），加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液與10 μL超純水，混合反應1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應1～2 min，最后加入10 μL濃度為0.2 mol/L的氯化鈉溶液，同時以相同的方法，用10 μL的一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液替代超純水溶液，30 s后測定各種混和溶液的紫外-可見吸收光譜。以混合溶液的吸光度為縱坐標，Cu2+的濃度為橫坐標繪制標準曲線，來定量檢測樣品溶液中的Cu2+的含量。

1.2.5 加標回收試驗。

配置一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液（Cu2+的濃度分別為0.01、0.02、0.04、0.06 mg/L），取10 μL的磷酸鹽緩沖液（pH 7.0，0.2 mol/L），加入10 μL 3 μmol/L GSH溶液，加入10 μL超純水，混合反應1～2 min，加入60 μL上述制備的AuNPs溶液，混合反應1～2 min，最后加入10 μL濃度為0.2 mol/L的氯化鈉溶液，同時以相同的方法，用10 μL的一系列不同濃度的Cu2+的超純水溶液、樣品消解液以及加標樣品消解液替代超純水溶液，30 s后測定各種混和溶液的紫外-可見吸收光譜。以混合溶液的吸光度為縱坐標，Cu2+的濃度為橫坐標繪制標準曲線，來定量檢測樣品消解液和加標樣品消解液的Cu2+的含量，并計算樣品的加標回收率。

2 結果與分析

2.1 AuNPs的合成

通過測定AuNPs溶液的紫外-可見光譜得到AuNPs溶液的紫外-可見光譜圖。由圖1可知，合成的AuNPs的表面等離子特征峰是529 nm，峰型光滑。AuNPs粒徑分布圖如圖2所示，如圖2可知，合成的AuNPs有較好的分散性，粒徑尺寸分布在較窄的范圍內，平均粒徑為42.73 nm。

根據設計的試驗思路，用10 μL的超純水做空白對照，反應30 s后觀察到混合溶液的顏色由原來的紫粉色變成接近透明的淡粉色，測定反應體系的混合溶液的紫外-可見吸收光譜，混合溶液的特征吸收峰由529 nm紅移至537 nm處，吸收值有明顯的減小，如圖3所示。結果表明，在檢測體系中，Cu2+與GS配位結合形成帶負電性的配合物，破壞了GSH在高濃度氯化鈉溶液中保護AuNPs的作用，失去保護的AuNPs發生聚集，顆粒之間的距離發生改變，因此在混合體系紫外-可見光譜上會有特征吸收峰的紅移現象。小的納米顆粒聚集在一起形成較大的納米顆粒時，當較大的納米顆粒的粒徑大于膠體粒徑上限時，就會從溶液中沉淀出來，溶液中的AuNPs顆粒的減小，混合體系的吸收值明顯減小。采用透射電鏡對AuNPs進行掃描，進一步證實了團聚現象的發生，如圖4所示。以上結果從理論上支持AuNPs快速檢測蓮藕中重金屬Cu2+的可行性。

2.2 Cu2+選擇性測試

為了考察已建立用于檢測Cu2+的AuNPs比色法對Cu2+的檢測是否具有選擇特異性，該試驗選擇了水生蔬菜實際樣品中大部分含有的金屬離子作為研究對象，包括Mg2+、Ca2+、Cu2+、Cr3+、Mn2+、Co2+、Zn2+、Cd2+、Ni2+、Hg2+、Pb2+、Fe3+、Fe2+、Al3+、Cr2O72-、Ba2+。結果表明，從加入各種金屬離子的混合溶液的可見-紫外光譜圖可以看到，與空白對照組相比，只有加入Cu2+的混合溶液的吸收值有明顯的降低，其特征吸收峰發生紅移，如圖5a所示；加入Cu2+的混合溶液的顏色由加入之前的紫紅色變成接近透明的淡紅色，加入其他離子的混合溶液的顏色與空白對照組的顏色沒有肉眼可見的差別，如圖5b所示。因此，可在選取的這些金屬離子中，建立高選擇性的AuNPs Cu2+檢測法。

2.3 蓮藕中Cu2+的快速檢測

為了考察AuNPs-GSH快速檢測蓮藕中Cu2+的適用性，按照“2.2.2”中的方法檢測，結果表明（圖6），與空白組比較，加入樣品消解液后AuNPs溶液的吸收值有明顯的降低。

為了進一步驗證AuNPs體系檢測Cu2+的可行性，做了AuNPs法檢測蓮藕樣品中Cu2+的加標回收試驗。表1結果表明，蓮藕樣品中各個水平的加標回收率的結果在86.0%～94.4%，證明此方法具有良好的可行性，可以應用到蓮藕實樣檢測中。

3 結論

該研究利用GSH在高濃度氯化鈉溶液中可以保護AuNPs不聚集，而Cu2+可以破壞GSH的保護作用的原理，建立了一種蓮藕中重金屬Cu2+的快速檢測方法。試驗結果表明，AuNPs比色檢測法對Cu2+選擇特異性強，檢測方法快捷、

準確，蓮藕樣品中各個水平的加標回收率的結果在86.0%～94.4%，檢測效果穩定。在該方法中，AuNPs不需要化學修飾且合成方法成熟，綠色環保，成本低廉。利用該方法可以可視化快速檢測Cu2+，為農產品中重金屬Cu2+的現場快速檢測提供理論基礎。

參考文獻

[1] 張長貴，董加寶，王禎旭，等.蓮藕的營養保健功能及其開發利用[J].中國食物與營養，2006（1）：22-24.

[2] 王其創.蓮藕的營養價值及高產高效栽培技術[J].現代園藝，2012（10）：34.

[3] 向華，于曉英.銅污染對水體-水生植物的毒害效應研究進展[J].湖南農業科學，2009（11）：54-56.

[4] 曹利慧.食品中銅含量測定方法的研究進展[J].化工管理，2013（8）：185.

[5] 徐瓏，楊曦，張愛茜，等.水環境中銅的光化學研究進展[J].化學進展，2005，17（3）：412-416.

[6] PORTAKAL O.Biyolojik lcüm Ler ve Nanopartiküller[J].Türk Biyokimya Dergisi（Turk J Biochem），2008，33（1）：35-38.

[7] LIN Y W，HUANG C C，CHANG H T.Gold nanoparticle probes for the detection of mercury，lead and copper ions[J].Analyst，2011，136（5）：863-871.

[8] CHIU T C，HUANG C C.Aptamerfunctionalized nanobiosensors[J].Sensors，2009，9（12）：10356-10388.

[9] FRENS G.Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions[J].Nature physical science，1972，241：20-22.