基于對半胱胺保護的金納米粒子催化活性的抑制檢測氰根離子

趙丹 李娜 許艷杰 黃晶晶 陳傳霞

摘要利用氰根離子（CN對帶正電荷的半胱胺保護的金納米粒子（cystAuNPs）過氧化物模擬酶催化活性的抑制，建立了一種簡單、靈敏測定CN的比色傳感方法。CystAuNPs可催化過氧化氫（H2O2）氧化四甲基聯苯胺（TMB），生成藍色的oxTMB，最大吸收波長為652 nm。由于CN對cystAuNPs的蝕刻作用，cystAuNPs的催化活性減弱，導致生成的oxTMB量變少，溶液顏色變淺，652 nm處的吸光度下降，而顏色變淺和吸光度下降的程度與CN的濃度直接相關。基于催化體系的放大效應，此比色方法的靈敏度高，在最佳條件下，檢測CN的線性范圍為2～10 μmol/L和10～140 μmol/L，檢出限為0.33mol/L（S/N=3）。本方法不需要對金納米粒子表面進行修飾，具有操作簡單、成本低、結果可視化等優點，具有潛在的實際應用價值。

關鍵詞氰根離子; 比色方法; 半胱胺保護的金納米粒子; 過氧化物模擬酶活性

1引 言

氰根離子（CN是一種劇毒的陰離子，進入人體血液循環之后，可與體內細胞色素氧化酶的Fe3+結合，降低細胞利用氧的能力，損害中樞神經系統[1]。作為一種重要的化學原料，CN被廣泛應用于冶金、黃金開采、電鍍、纖維合成以及農藥醫藥、樹脂生產等領域，對生態環境具有潛在的危害性[2]。CN可通過多種途徑被人體吸收，包括肺部的呼吸、皮膚的接觸以及被氰化物所污染的食物及飲用水的攝入等，極微量的CN便可致人死亡。世界衛生組織和中國的《生活飲用水衛生標準》規定飲用水中的CN的限量值為1.9 μmol/L[3，4]。因此，發展簡便快速、靈敏的檢測CN的方法，對于環境監測、食品安全和人類健康具有重要意義。

目前，研究人員發展了多種用于檢測CN的方法，主要有比色法[5～7]、熒光法[8～11]、離子色譜法[12]、流動注射法[13]和電化學方法[14]等。這些方法大多較繁瑣耗時、操作復雜以及需要專業的操作人員。近年來，基于納米粒子的比色法因其成本低、簡單、可視化以及易進行表面修飾等優點而備受關注。利用CN刻蝕貴金屬納米粒子（如金納米粒子（AuNPs）和銀納米粒子（AgNPs））的能力，已有簡便的比色法被報道用于檢測CN [15～17]。然而，這種方法靈敏度較低，檢測范圍較窄，而且需要對納米粒子表面進行功能化修飾。針對此問題，研究者分別基于CN對碳量子點AuNPs[18]和石墨烯量子點AgNPs[19]傳感體系熒光的恢復，發展了高靈敏度檢測CN的熒光方法。但是，此類傳感體系需要復雜熒光納米材料的合成與純化，繁瑣費時，且熒光儀器成本較高，不利于快速推廣。近年來，基于納米材料過氧化物模擬酶性質的催化反應成為放大比色檢測信號的主要策略，可實現痕量分析物的高靈敏度檢測。研究表明，一些納米材料，如金屬及金屬氧化物納米粒子、碳基納米材料、金屬納米簇、石墨烯、金屬二硫化物納米片等，具有催化活性，被稱為“納米酶”[20～23]。納米酶與天然酶在催化活性、表面電荷、形狀和尺寸方面具有相似之處，且具有價格低廉、性質穩定、可大量制備等優點，在環境、食品和醫藥領域具有廣闊的應用前景。如Huang等[24]基于SO24對納米二氧化鈰氧化酶活性的激活效應，建立了高靈敏的谷胱甘肽的比色檢測方法; 吳亮亮等[25]通過對銀/鉑納米簇的表面修飾調控其催化活性，實現了對環境水樣中Cu2+的快速痕量檢測。然而，以納米酶催化的顯色反應檢測CN的比色方法鮮有報道。

根據文獻報道，帶正電的半胱胺保護的金納米粒子（cystAuNPs）具有過氧化物模擬酶的催化活性，其表面的金原子是促進其催化活性的主要因素[26，27]。另外，CN與Au具有較強的絡合能力，可蝕刻AuNPs [28]。

2實驗部分

2.1儀器與試劑

UV1000紫外可見分光光度計（上海龍尼柯儀器有限公司）; Tecnai G2 F20透射電子顯微鏡（美國FEI公司）; 力辰超純水機（力辰科技股份有限公司）。

三水合氯金酸（HAuCl4·3H2O）和半胱胺鹽酸鹽購于北京國藥集團; 四甲基聯苯胺（TMB，美國SigmaAldrich公司）; 其它試劑均為國產分析純。通過調節乙酸和乙酸鈉的混合比例配制不同pH值的乙酸鹽緩沖溶液（0.2 mol/L），并稀釋至所需濃度。實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm）。

2.2cystAuNPs的合成

根據文獻[29]的方法合成表面帶有正電荷的cystAuNPs，步驟如下： 向40 mL HAuCl4溶液（1.42 mmol/L）中加入400 μL半胱胺鹽酸鹽溶液（213 mmol/L），室溫下攪拌20 min后，逐滴快速加入10 μL新配制的NaBH4（10 mmol/L）。劇烈攪拌15 min后，得到酒紅色的cystAuNPs溶液。實驗全程需避光， 制備的cystAuNPs于4℃保存， 備用，在3個月內不發生團聚，保持相對穩定。

2.3CN

3結果與討論

3.1檢測機理

由TEM圖（圖1）可見，合成的cystAuNPs粒徑約為（23±4）nm。不同體系的吸收光譜見圖2。單獨的TMB無明顯的吸收峰（圖2曲線a），H2O2與TMB反應后，

體系在652 nm處出現氧化態TMB（oxTMB）的特征吸收峰，但峰強度很弱（圖2曲線b），這是由于H2O2與TMB反應很緩慢，此時體系呈無色澄清的溶液（圖2插圖b）。加入cystAuNPs后，體系在652 nm處的吸收明顯增強，同時溶液變為深藍色（圖2曲線d和插圖d），說明cystAuNPs具有過氧化物模擬酶的活性，能顯著催化H2O2氧化TMB的反應。但是，當體系中存在20

3.2.2pH值的優化pH值影響cystAuNPs的帶電狀態、 穩定性及催化性能等，對pH值對體系的影響進行了考察。結果表明，只有在酸性條件下，cystAuNPs表面才具有足夠的正電荷，保證其穩定性。根據文獻[31]報道，H2O2在水中能電離產生過氧根孤對電子，而cystAuNPs中的Au核外電子軌道有空軌道，易與過氧根的孤對電子配位; 在弱酸條件下，過氧根吸附在AuNPs表面，使其OO鍵斷裂，從而持續產生羥基自由基（·OH），在cystAuNPs周圍這些活性自由基的局部濃度增高，具有極強的氧化能力[32]，顯著加快了TMB轉化成oxTMB的速率，從而使AuNPs表現出過氧化物模擬酶的特性。如圖5A所示，隨著pH值增加，ΔA652先增加后減小， pH=4.0時， 加入CNSymbolm@@引起的吸光度差值ΔA652達到最大值，檢測的靈敏度最高。因此，本研究選取pH 4.0作為最佳pH值。

3.2.3反應溫度和時間的優化與辣根過氧化物酶類似，cystAuNPs的催化活性與體系溫度密切相關。分別在25℃、 30℃、 35℃、 40℃、 45℃和50℃的水浴中反應后，測定體系在652 nm處的吸光度。結果表明，體系在40℃時具有最大的催化活性; 繼續升高溫度，H2O2分解加速，cystAuNPs的催化活性下降。此外，較高溫度不利于cystAuNPs與CN之間的相互作用。如圖5B所示，隨著溫度升高，ΔA652先增加后減小，在30℃時達到最大值。因此，選擇30℃作為測定CN的最適反應溫度。

3.4特異性分析

為了評估cystAuNPsTMBH2O2比色體系對CN的選擇性，考察了環境中一些常見的陰、 陽離子

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