纳米金可视化检测苯代三聚氰胺
时间：2022-12-06 08:55:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
陈娜,甘庆洁,秦茹瑾,张裕平
（河南科技学院化学化工学院,河南 新乡 453003）
纳米金是一种处于亚稳状态的粒子其粒径在1.00~100 nm 之间.由于纳米金可与生物大分子反应且不影响其生物活性以及独特的光学特性,在太阳能电池[1]、传感技术[2-3]、光学成像[4]、生物医学[5-6]、催化[7]、电子[8]和食品安全检测[9]等领域广泛应用.目前,纳米金的检测通常采用分光光度法[10]、电化学法[11]、比色法[12]、荧光法[13]等.
利用纳米金检测样品已经成为现代检测的重要手段之一,田欣雨等[14]构建了纳米金对尿酸的检测,得出检测限为1.00×10-7mol/L,线性方程为y=0.263 2 x+0.891 1,该检测方法灵敏度高、检出限低,但该方法相关性较差,r 为0.984 3.张建等[15]利用纳米金构建了左旋多巴的检测方法,得出检测限为4×10-6mol/L,线性方程为y=2.121 8 x+0.041 6,该检测方法成本低、样品用量少,但检出限高.张万方等[16]构建了对氨苄青霉素的检测,得出最低检测限为1×10-8mol/L,线性方程为y=0.163 6 x+0.02 5,r=0.997 6,该检测方法灵敏度高,反应快,但所用仪器相对昂贵.
苯代三聚氰胺（2,4- 二氨基-6- 苯基-1,3,5- 三嗪）常作为制取热固性树脂、氨基涂料[17]、医药及改良树脂与染料[18]的原材料,也可用作树脂纤维的助化剂.同时,人们也注意到了其危害性.我国于2016年颁布的GB／T 9685—2016《食品接触材料及制品用添加剂使用标准》法规明确规定,在食品包装材料中苯代三聚氰胺的特定迁移量不得超过5.0 mg/kg.在实验室研究中,对于苯代三聚氰胺的测定多采用高效液相色谱—串联质谱联用[19]、毛细管电泳[20]等方法.这些方法虽然灵敏度高、精密度好,但存在所需仪器设备昂贵,不能在非试验条件下实现快速检测.因此构建纳米金可视化检测苯代三聚氰胺,在一定程度上可以降低对场地和精密仪器的依赖,降低检测成本.
本研究基于纳米金（AuNPs）的团聚显色,构建了苯代三聚氰胺的检测方法.当纳米金与苯代三聚氰胺发生相互作用时,AuNPs 发生团聚显色,使其最大紫外吸收峰发生红移,由此建立了苯代三聚氰胺的可视化测定方法.大量的柠檬酸覆盖在纳米金（AuNPs）表面,此时纳米金表面带负电,通过静电作用而稳定存在.苯代三聚氰胺中带有一个氨基,通过氨基和AuNPs 化学键合,促使AuNPs 颗粒间的距离减少,在NaCl 的诱导作用下,使AuNPs 发生明显的团聚,溶液由红色变成蓝色.该检测方法结果便于观察,操作简单,且不局限于固定的试验环境,可用于苯代三聚氰胺快速检测.
1.1 仪器与试剂
101 型电热鼓风干燥箱,北京市永光医疗仪器有限公司;TU-1901 双光束紫外可见分光光度计,北京普析通用仪器有限责任公司;SB-5200DT 超声波清洗机,郑州生元仪器有限公司;JEM- 2010 透射电子显微镜,日本电子株式会社;101-E 真空干燥箱,上海一恒科学仪器有限公司;HT7700 BT-Zeta100 Zeta 电位/粒度/分子量分析仪,丹东百特仪器有限公司;ME104F 电子天平,上海梅特勒- 托利多仪器有限公司;98-2 数显恒温磁力搅拌器,金坛市华峰仪器有限公司.
苯代三聚氰胺（BG）,北京百灵威科技有限公司;氯金酸,国药集团化学试剂有限公司;无水乙醇,天津市德恩化学试剂有限公司;氯化钠,天津市大茂化学试剂厂;柠檬酸钠,北京双环化学试剂厂.试验试剂均为分析纯,试验用水为超纯水.
1.2 检测机理
纳米金的制备及其可视化检测苯代三聚氰胺的检测机理如图1 所示.
图1 金纳米颗粒制作机理和团聚机理Fig.1 Fabrication mechanism and Agglomeration mechanism of gold nanoparticles
采用柠檬酸钠作为还原剂,还原氯金酸得到表面带负电的金纳米颗粒（如图1-a）,再利用金纳米颗粒在特定条件下可以与氨基化合物发生显色反应的特点,使其与苯代三聚氰胺反应,观察反应现象（如图1-b）.反应机理如图1 所示,氯金酸中的金离子与柠檬酸钠接触后,还原生成金原子,金原子的数目迅速上升至饱和,并在剩余柠檬酸钠的保护下与金原子结合形成带负电的纳米金粒子,使得纳米金在静电效应的作用下相互排斥,呈游离状,分布均匀.在生成的纳米金粒子中加入苯代三聚氰胺,游离的纳米金颗粒与苯代三聚氰胺上的氨基反应,使其有机地连接起来,从而发生团聚现象,溶液由酒红色变为蓝色.因此可以通过观察混合溶液体系的颜色变化实现对苯代三聚氰胺的可视化检测.
1.3 试验方法
1.3.1 纳米金的制备 根据文献[21]和[22]采用柠檬酸钠合成法制备AuNPs：500 mL 的棕色瓶中加入30 mg 氯金酸,300 mL 水,在磁力搅拌器上加热,并在沸腾后迅速加入15 mL 质量为0.15 g 柠檬酸钠,持续加热10 min,溶液由淡黄色变为酒红色,停止加热,继续搅拌溶液冷却至室温.
1.3.2 AuNPs-NaCl-BG 反应测定 在一系列4 mL 的比色瓶中,加入2 mL 纳米金,100 μL浓度为0.1 mol/L NaCl 及一系列浓度（5、10、25、40、60、100、200、300 μmol/L）的苯代三聚氰胺（BG）,静置5 min,观察颜色变化.
以不添加目标物的体系为参比,利用TU－1901 双光束紫外可见分光光度计进行光谱扫描,测定混合溶液在400~800 nm 的紫外吸收光谱.根据不同浓度苯代三聚氰胺吸收情况绘制波长λ 与吸光度的关系图,计算苯代三聚氰胺浓度与吸光度A630之间的线性关系.
1.3.3 纳米金与BG 反应的影响因素（1）NaCl 浓度：配置系列浓度（0、0.067、0.100、0.120、0.130、0.140、0.150 mol/L）的NaCl 溶液,在一系列4 mL 的比色瓶中,加入2 mL 纳米金,100 μL 系列浓度的NaCl,1 mL浓度为100 μmol/L 苯代三聚氰胺（BG）,混合均匀,静置5 min,观察不同NaCl 浓度反应显色现象.
（2）pH 值：配制系列（3、4、5、6、7、8）pH 值的纳米金溶液,依次滴加0.2 mL系列pH 的纳米金,10 μL浓度为0.1 mol/LNaCl,100 μL 系列浓度的苯代三聚氰胺溶液,静置5 min 观察溶液颜色变化.
2.1 纳米金选择性分析
苯代三聚氰胺选择性紫外光谱图如图2 所示.
图2 苯代三聚氰胺选择性紫外光谱图Fig.2 The UV spectrum of phenylmelamine
分别考察了单一BG、NaCl 对纳米金,以及BG 和NaCl 同时存在时对纳米金的影响.由图2 可知,单一的纳米金溶液呈酒红色,单独加入BG 或NaCl 时,纳米金溶液都不发生颜色变化.当BG、NaCl 同时存在时,游离金颗粒与氨基发生反应,聚集产生团聚,颗粒变大,溶液由酒红色变为蓝色.用TU-1901 双光束紫外可见分光光度计检测发现,单独加入BG 或NaCl 时,溶液的最大吸收峰在520 nm 左右,当同时加入BG、NaCl 时,溶液的最大吸收峰发生红移至665 nm,表明溶液发生了团聚反应.
2.2 AuNPs 与AuNPs-NaCl-BG 的形貌特征
为了验证纳米金与苯代三聚氰胺的显色现象是由纳米金的团聚反应产生的,利用透射电子显微镜和Zeta 电位/粒度/分子量分析仪对AuNPs 与AuNPs-NaCl-BG 的粒径、微观形貌进行分析.如图3 所示.
图3 纳米金与BG 的电镜分析及粒径分析Fig.3 The SEMand particle size analysis of AuNPs and BG
从图3 可知,柠檬酸钠还原氯金酸制备的纳米金溶液尺寸均一,分布均匀（如图3-a）.当加入NaCl及苯代三聚氰胺反应后,纳米金颗粒发生团聚现象,粒径明显增大（如图3-b）.由粒径分析图可以看出,游离的纳米金粒子粒径在10 nm 左右,尺寸单一,分布均匀（如图3-c）.当纳米金、NaCl 和苯代三聚氰胺发生反应后（如图3-d）,可以观察到游离的纳米金粒子发生团聚现象,粒径明显变大,约为100 nm.由此表明,苯代三聚氰胺与纳米金粒子的显色反应是由纳米金的团聚反应造成.
2.3 AuNPs-NaCl-BG 溶液的线性范围
在最佳试验条件下,纳米金的显色现象随苯代三聚氰胺浓度增大呈梯度变化,如图4 所示.由酒红色变为紫色,最后变为蓝色.使100 μL 浓度为0.1 mol/L NaCl、2 mL 纳米金、100 μL 系列浓度苯代三聚氰胺反应,由图4 可以看出,当苯代三聚氰胺浓度在0~300 μmoL/L 时,随苯代三聚氰胺浓度的变大,AuNPs-NaCl-BG 混合溶液吸收光谱在520 nm 处的峰值不断下降,同时产生红移,说明该现象与纳米金的团聚反应有关.当苯代三聚氰胺浓度高于40 μmoL/L 时,710 nm 处凸起一个新的吸收峰.该现象表明纳米金溶液发生了团聚反应,颗粒变大产生了新的吸收峰.
图4 不同浓度苯代三聚氰胺吸光度与波长的紫外光谱图Fig.4 UV-vis absorbance of AuNPs upon addition of different concentrations of benzoguanamine.
根据试验结果绘制不同浓度BG、纳米金与NaCl反应后的吸光度关系图以及苯代三聚氰胺在5~90μmoL/L浓度范围内的线性关系如图5 所示.
图5 630 nm 波长下纳米金、NaCl 与不同浓度BG 的关系Fig.5 Relationship between AuNPs,NaCl and different concentrations of BG at 630 nm wavelength
由图5 可以看出,当苯代三聚氰胺浓度在0~90 μmoL/L 时,溶液的吸光度随苯代三聚氰胺的浓度增大逐渐变大.当苯代三聚氰胺浓度大于90 μmoL/L 时,溶液的吸光度变化趋于稳定,且随着苯代三聚氰胺浓度的增大,吸光度不再变化,表明纳米金完全发生团聚.同时当苯代三聚氰胺的浓度在0~90 μmoL/L时,溶液的吸光度随苯代三聚氰胺的浓度呈良好的线性关系,其线性关系为y=0.003 9 x+0.063 5,r=0.994 9、检测限为6.00 μg/L,故AuNPs-NaCl-BG 混合溶液线性关系良好.
2.4 纳米金与BG 反应的影响因素
2.4.1 盐浓度的影响 盐作为一种诱导剂,一直是影响纳米金团聚反应的重要因素,盐浓度过低纳米金与苯代三聚氰胺不能发生团聚现象,浓度过高会使纳米金与苯代三聚氰胺的混合溶液直接发生聚沉.在比色瓶中加入100 μL系列浓度的NaCl,100 μL浓度为100 μmol/L 苯代三聚氰胺,2 mL 纳米金,混合均匀,观察溶液颜色变化.显色反应如图6 所示.
图6 BG 与AuNPs 在不同NaCl 浓度下的显色反应Fig.6 Color reaction of BG and AuNPs under different NaCl concentrations
由图6 可知,NaCl 浓度对纳米金的显色反应有着显著的影响.随着NaCl 浓度增大,混合溶液的颜色由酒红色逐渐变为蓝色.当盐浓度低于0.067 mol/L 时,肉眼难以观察到纳米金的显色现象,当盐浓度大于0.067 mol/L 时,可以明显观察到纳米金溶液变为蓝色,随着NaCl 浓度的增大,溶液颜色发生酒红色-紫色- 蓝色的变化,而当盐浓度大于0.150 mol/L 时,纳米金溶液则直接发生聚沉.因此在纳米金的显色反应中,采用NaCl 的最佳浓度为0.100 mol/L.
2.4.2 pH 值的影响 pH 值一直都是化学反应中的重要影响条件,溶液的pH 值对反应的选择性灵敏度等因素也有着较大的影响.配制一系列pH 值的纳米金溶液,并利用比色板进行不同浓度、不同pH 值和不同苯代三聚氰胺浓度的点板,试验结果如图7 所示.
图7 苯代三聚氰胺浓度与pH 值对纳米金团聚影响Fig.7 Effect of Benzoguanamine concentration and pH value on gold nanoparticles agglomeration.
由图7 可知,pH 值的大小对显色现象有着明显的影响,当pH 值在3~7 时,随着pH 值增大,溶液颜色发生蓝色- 紫色- 酒红色的变化,且随着苯代三聚氰胺浓度的增大,溶液逐渐由酒红色变为蓝色,当pH 值大于7 时,随苯代三聚氰胺浓度变化,溶液的显色反应不再明显.因此纳米金的显色现象随溶液BG浓度和酸性的增大不断增强——溶液颜色变化为：酒红色- 紫色- 蓝色.
基于氯金酸在柠檬酸钠的作用下制取纳米金（AuNPa）.研究表明,AuNPs 和苯代三聚氰胺在NaCl 的诱导作用下发生反应,溶液会从酒红色变成蓝色,且随苯代三聚氰胺、NaCl 浓度升高、酸性变强,溶液颜色越接近蓝色.在最佳的pH 和NaCl 浓度下,该方法对苯代三聚氰胺检测的检测限为6.00 μg/L,线性方程为y =0.003 9 x+0.063 5,相关系数r=0.994 9.该测定方法分析简单、灵敏度高、耗时短、成本低.
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