S2-对人体健康有显著负面影响,摄入过量S2-可引发呕吐、呼吸困难等急性中毒症状,长期接触S2-更可能诱发心脑血管疾病,所以对S2-的高效检测与严格控制对人的生命健康有重要意义[1]。传统的S2-检测方法通常需要将其转化为SO2,采用滴定法和盐酸副玫瑰苯胺比色法等进行测定[2],操作复杂,误差较大。许多研究者采用荧光分析、化学发光检测和电化学传感等方法简化操作步骤,增加反应灵敏度[3],但不适于现场快速检测。而基于纳米材料的比色分析法以简便快速、高灵敏度等优势展现出广阔的应用前景。
纳米材料显著改善了传统比色法终点判定模糊、反应时间长等问题[4]。其中纳米银因其可调控的局域表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)特性[5],广泛应用于S2-检测中。S2-能蚀刻纳米银,在颗粒边缘及尖端形成硫化银沉淀,改变纳米银形貌,进而引起光学性质的显著变化[6]。王燚等[7]采用柠檬酸还原法合成三角形银纳米片(AgNPRs),实现了对硫普罗宁的比色检测,其可视化检测范围为0.01～0.5 μmol/L。白珊等[8]进一步优化了实验条件,系统考察了pH、反应时间及温度等因素对体系吸光度的影响,并建立了S2-定量分析方法,其线性检测范围为0.024～0.48 mg/L,检出限0.01 mg/L。然而,纳米银的高反应性尖端易被氧化,导致纳米银团聚,功能丧失[9],所以要对其进行保护修饰。LI等[10]开发了一种基于β-环糊精(β-cyclodextrin, β-CD)修饰金纳米颗粒的比色传感器阵列,该体系具有较高的稳定性,能够实现对5种生物硫醇的高效区分。但β-CD具有强疏水的环状空腔结构[11],降低了对含硫化合物的吸附能力。综上,可用于S2-检测的高稳定性、高灵敏度纳米材料仍有待开发。
针对当前硫响应型纳米传感材料稳定性不足和检测过程易受干扰等问题,本研究创新性地提出了一种基于乙二胺四乙酸(ethylenediaminetetraacetic acid, EDTA)、Ca2+和β-CD三元复合物诱导纳米银定向演化的策略。通过优化种子生长法与溶液自组装工艺,成功构建了高稳定性、高灵敏度的三角形银纳米片(AgNPRs)探针,分析了其优异性能的形成机制,并应用于食品中S2-的定量检测。本研究开发了基于EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的S2-检测方法,该方法操作简便、选择性好,为食品中S2-的现场快速检测提供了一种新策略。
1 材料与方法
1.1 材料与试剂
NaNO3、KNO3、Mg(NO3)2、Ca(NO3)2,国药化学试剂有限公司;β-CD,云浮市力创新科技有限公司;NaBH4、AgNO3、H2O2、NaOH、硫化钠、柠檬酸钠、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide, DMF)、乙二胺四乙酸二酐(EDTAD),上海麦克林生化科技有限公司;味精,莲花健康产业集团食品有限公司;去离子水,实验室水净化系统获得,电阻率约为18.2 MΩ·cm;所有试剂均按接收时的原样使用。
1.2 仪器与设备
SU8100冷场发射扫描电镜(scanning electron microscope, SEM),日本Hitachi公司;T-6V紫外-可见分光光度计,南京菲勒仪器有限公司;NANO等温量热滴定仪(isothermal titration calorimetry, ITC),美国TA公司;T18高速剪切机,德国IKA有限公司;SCIENTZ150高压均质机,宁波新芝生物科技股份有限公司;IS10傅里叶红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer, FTIR),美国Nicolet公司;C-MAG HS10加热磁力搅拌器,美墨尔特贸易有限公司;L530R低速台式冷冻离心机,湖南湘仪实验室仪器开发有限公司;Multiskan FC酶标仪,ESCALAB250Xi X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)仪,上海赛默飞世尔科技公司;ZetaSizer nano ZS纳米粒度及Zeta电位仪,英国马尔文公司元素分析;Vario EL Ⅲ元素分析仪,德国Elementar公司。
1.3 实验方法
1.3.1 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的合成
本研究中AgNPRs的制备过程需要对已有技术进行细微修改[12-13],分为以下3个步骤:
稳定剂的制备:将β-CD与EDTAD按1∶>7(质量比)加入到DMF溶液中,65 ℃搅拌反应24 h。过滤分离产物,按醇洗、水洗、0.01 mol/L NaOH溶液碱洗和水洗的顺序进行洗涤,以去除未反应的EDTAD。所得产物烘箱干燥,得到EDTA-CD。将0.5 g干燥后的EDTA-CD溶于150 mL水中,剪切均质使其分散均匀。剪切速率1.0×104 r/min,剪切时间2 min,均质压力400 bar,得到分散均匀的CD-EDTA溶液。
AgNPRs种子溶液的制备:首先,在烧杯中倒入50 mL去离子水,在室温下连续搅拌。然后加入40 μL 0.1 mol/L AgNO3溶液和0.8%(体积分数)EDTA-CD溶液。混合均匀后,依次加入40 μL 30%(质量分数)H2O2溶液,100 μL 0.01 mol/L Ca(NO3)2溶液,暗反应2 min。向得到的混合溶液中加入250 μL 0.1 mol/L NaBH4溶液,快速搅拌。此时,溶液由黑色转变为黄色。
AgNPRs的生长:上述溶液变为黄色后,依次向其中加入20 μL 0.1 mol/L AgNO3溶液和250 μL 0.1 mol/L NaBH4溶液,缓慢搅拌,暗反应10 min。随着搅拌时间增加,溶液颜色由黄色逐渐转变为红色再转变为蓝色,得到EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs悬浮液,放入4 ℃冰箱保存。
1.3.2 CA@AgNPRs的合成
首先,在烧杯中倒入50 mL去离子水,在室温下连续搅拌。然后加入40 μL 0.1 mol/L AgNO3溶液和2 mL 75 mmol/L柠檬酸钠溶液。混合均匀后,加入40 μL 30% H2O2溶液,暗反应2 min。向得到的混合溶液中加入250 μL 0.1 mol/L NaBH4溶液,快速搅拌,暗反应10 min。随着搅拌时间增加,溶液颜色由黄色逐渐转变为红色再转变为蓝色,得到CA@AgNPRs悬浮液,放入4 ℃冰箱保存。
1.3.3 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的稳定性测定
参照文献[12]的方法,将制备得到的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs悬浮液放入4 ℃冰箱中保存30 d,分别取新鲜的和保存30 d后的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs悬浮液测定紫外吸收光谱以反映时间稳定性。
分别取1 mL EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs悬浮液,用0.1 mol/L NaOH和Britton-Robinson缓冲液调节体系的pH值为3～11,反应5 min,测定紫外吸收光谱以反映pH稳定性。
1.3.4 SEM分析
参照文献[14]的方法,采用SEM观察CA@AgNPRs和EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的形貌和结构特征,将样品悬浮液滴注到单晶硅上,干燥,用于SEM成像。
1.3.5 XPS分析
参照文献[15]的方法,采用XPS检测EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的化学结合态。使用AlKα辐射(hv=1 486.6 eV)进行分析。所有的结合能都由284.80 eV的C1 s峰校准。
1.3.6 粒径、聚合物分散性指数(polymer dispersity index, PDI)、Zeta电位分析
参照文献[16]的方法,使用Zeta电位分析仪测试EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs分散在水性介质中时的粒径和表面荷电情况。
1.3.7 紫外-可见光谱(ultraviolet-visible spectra, UV-Vis)测定
参照文献[17]的方法,使用UV-Vis获得EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs悬浮液的紫外-可见吸收光谱。对于与含硫化合物反应后的UV-Vis吸收光谱,首先将预定量的含硫化合物固体溶解在去离子水中。然后将不同体积的该溶液与790 mL待测AgNPRs悬浮液混合,并用去离子水将总体积调节至1 mL。将所得混合物充分混合,在300～900 nm范围内,记录UV-Vis吸收光谱。
1.3.8 ITC分析
参照文献[18]的方法,基于Independent模型拟合,表征EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs与S2-之间的相互作用,获得有关分子相互作用的详细热力学参数。
1.3.9 硫化动力学分析
通过测定不同时间反应体系中游离硫化物的含量监测EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的硫化过程。根据GB/T 16489—1996《水质 硫化物的测定 亚甲基蓝分光光度法》测量反应体系中的游离硫化物(H2S、HS-、S2-)含量,所用试剂按该标准逐一配制。在10 mL的离心管中,加入2 mL配制好的乙酸锌-乙酸钠溶液,取0～0.7 mL系列体积硫化钠标准溶液,用去离子水稀释至6 mL,缓慢向其中加入1 mL的N,N-二甲基对苯二胺溶液,缓慢倒转后,加入0.1 mL硫酸铁铵溶液,密封后充分摇匀,用去离子水稀释至10 mL。以纯水作对照用紫外分光光度计测量665 nm处的吸光度。以各标准溶液减去空白实验的吸光度为纵坐标,以硫离子的含量为横坐标绘制校准曲线。用重铬酸钾溶液标定Na2S2O3标准溶液,再用Na2S2O3标准溶液标定硫化钠标准溶液的准确浓度。
Na2S2O3标准溶液浓度的计算如公式(1)所示:
(1)
式中:V1,滴定重铬酸钾标准溶液消耗Na2S2O3标准溶液的体积,mL;V2,滴定空白溶液消耗Na2S2O3标准溶液的体积,mL。
硫化钠标准溶液中硫化物含量的计算如公式(2)所示:
硫化物含量
(2)
式中:V0,滴定空白溶液消耗Na2S2O3标准溶液的体积,mL;V1,滴定硫化钠标准溶液消耗Na2S2O3标准溶液的体积,mL。
参照文献[19]采用沉淀分离法分离EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs硫化反应中残留的S2-。在1.5 mL的离心管中加入一系列1 mL EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs、CA@AgNPRs悬浮液和10 μL 0.1 mol/L NaBH4溶液,分别向其中加入2、4、6、8 μmol/L硫化钠标准溶液。将反应结束后的混合物离心过滤,分离出上清液置于50 mL离心管中。测定的吸光度减去空白试验的吸光度后,根据校准曲线计算S2-的含量。
1.4 数据统计分析
使用Origin软件进行数据统计与分析,采用单因素方差(ANOVA)对数据进行显著性分析(P<0.05)。所有实验数据均测定3次,结果以“平均值±标准差”表示。
2 结果与分析
2.1 硫响应型纳米传感材料EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的各向异性生长
S2-可以改变AgNPRs形貌,导致LSPR特性改变,使反应前后的紫外-可见吸收光谱的峰值发生偏移,从而实现S2-快速检测[20]。种子生长法是调控AgNPRs各向异性生长的常用方法,分为种子的制备与生长[21]。在制备过程中,用还原剂将银源溶液中的Ag+迅速还原为Ag0。通过控制反应条件,使Ag0在种子表面沉积,逐渐生长成特定尺寸和形貌的纳米银。预实验结果表明,当体系中存在阳离子时,AgNPRs才会产生明显的硫化现象。有研究表明,这可能是由于环糊精的空间位阻形成屏障,使S2-难以穿过。而且,EDTA在溶液中去质子化,其多个羟基带负电,从而使整个AgNPRs带负电荷,因此S2-在静电斥力的作用下难以靠近AgNPRs[22]。加入阳离子后,其一端与EDTA的羧基端结合,一端与S2-结合,在两者之间起桥联作用。另外,大量阳离子加入,会压缩AgNPRs周围的双电层,中和负电荷,削弱静电排斥力,从而极大地促进反应速率[23]。进一步测定不同阳离子种类与浓度对AgNPRs的影响。为了屏蔽阴离子对体系的影响,选择了水质中常见的阳离子电解质KNO3、NaNO3、Mg(NO3)2和Ca(NO3)2进行研究。
2.1.1 阳离子种类与浓度
在不同电解质溶液下,AgNPRs的硫化行为如图1所示。阳离子的引入明显增强了AgNPRs对S2-的选择性吸附,其中Ca2+的吸附效果最好。随体系中Ca2+浓度增大,制备得到的AgNPRs的硫化效果最显著。但当Ca2+浓度超过20 μmol/L时,溶液仍是澄清透明状态,不能合成AgNPRs,根据BAALOUSHA等[24]的研究结果分析,原因可能是过度的电荷中和会诱导AgNPRs聚集。此外,Ca2+的加入减弱了S2-的水合作用,并减少了其向AgNPRs表面扩散路径上的静电阻碍,从而促进了二者的接触与反应。同时,β-CD空腔极大地提高了局部S2-浓度,增加其与AgNPRs表面活性位点的有效碰撞频率。而且Ca2+诱导AgNPRs形成切角三角形形貌,这种形貌暴露出更多的活性晶面。SIEKKINEN等[25]用大量的刻蚀实验揭示了S2-对AgNPRs不同晶面的选择作用。研究表明,S2-会优先攻击纳米银的高能位点,即从各边和角开始反应。XING等[26]也用吸附模型反应证明,具有更多缺陷的银表面具有更高的化学吸附能力和反应速率。所以选择20 μmol/L Ca2+作为调控因子。
a-Ca(NO3)2;b-NaNO3;c-Mg(NO3)2;d-KNO3
图1 阳离子类型和浓度对S2-检测的影响
Fig.1 Effect of cation type and concentration on S2- detection
注:Δλ为峰值的偏移量,不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
2.1.2 稳定剂EDTA-CD含量
稳定剂是影响AgNPRs最终形貌的关键因素:稳定剂浓度过低,AgNPRs容易聚集;稳定剂浓度过高,AgNPRs表面过度钝化,限制生长。如图2-a和图2-b所示,随着EDTA-CD含量的增加,Zeta电位升高,证明EDTA的羧酸根离子成功修饰在AgNPRs表面。根据DLVO理论[27],静电排斥力与β-CD提供的空间位阻协同作用,使AgNPRs具有长期稳定性,这是AgNPRs在最优浓度下的分散性最好的原因。如图2-c所示,LSPR峰的演变是AgNPRs各向异性增加的典型标志,EDTA-CD含量在0.7%～0.9%(体积分数)时,能获得强烈的长波长LSPR峰,表明合成了AgNPRs。根据介电增强效应[28],长波长LSPR峰对S2-引起的介电环境变化更敏感,导致更显著的红移,所以三角片状的纳米银对S2-的检测效果更显著。综上,选择EDTA-CD含量为0.8%(体积分数)。
a-粒径、PDI;b-Zeta电位;c-紫外吸收光谱;d-Δλ;e-AgNPRs的颜色照片;f-硫化后AgNPRs的颜色照片
图2 EDTA-CD含量对AgNPRs制备和传感性能优化的影响
Fig.2 Effects of EDTA-CD content on the preparation and sensing performance of AgNPRs
a-不同浓度的S2-对AgNPR的紫外-可见吸收光谱;b-AgNPRs检测S2-的线性范围
图3 AgNPRs检测S2-的线性范围
Fig.3 Detection performance of the EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs sensor for S2-
2.2 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs对S2-的检测效果与稳定性评价
2.2.1 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs检测S2-的线性范围
采用上述条件制得的AgNPRs对水溶液中的硫化钠进行检测,评价其线性范围(图3)。AgNPRs的LSPR峰随S2-浓度的增加而降低,表明其对S2-有较高的光学灵敏度。当S2-浓度为0.5～8 μmol/L时,Δλ=24.07[S2-]+0.975,相关系数R2=0.980。S2-的检出限使用公式3σ/S(S:斜率;σ:10个空白样品的标准偏差)计算,结果为68.2 nmol/L。其检测范围比张治国[13]用桉木纳米纤维素制备的纳米银的检测范围扩大了近3倍,极大地拓展了AgNPRs的应用领域。
2.2.2 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的稳定性
柠檬酸钠制备的纳米银(CA@AgNPRs)已经广泛应用于S2-检测,对比了EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs与CA@AgNPRs悬浮液的贮藏稳定性与pH稳定性,结果如图4和图5所示。
图4 贮存0 d和30 d的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的紫外吸收光谱
Fig.4 UV-Vis absorption spectra of EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs and CA@AgNPRs recorded immediately after preparation (0 d) and after 30 d of storage
a-EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs;b-CA@AgNPRs
图5 不同pH条件下AgNPRs的紫外光谱变化
Fig.5 Spectral changes of AgNPRs under different pH conditions
由图4显示,在室温下贮存30 d后,大多数CA@AgNPRs尖角被氧化蚀刻,而大多数EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs仍然保持原始形态。这可能归因于EDTA与Ag+螯合,阻止其参与氧化反应。β-CD也可以保护AgNPRs尖端的活性部位。表1显示,贮存前后的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的Δλ的偏差较小,而CA@AgNPRs的偏差较大,说明在贮存过程中,CA@AgNPRs不稳定且部分被氧化。
表1 贮存0 d和30 d的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的硫化情况
Table 1 Sulfidation extent of EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs and CA@AgNPRs after preparation (0 d) and after 30 d of storage
材料ΔλCA@AgNPRs370.00±5.57CA@AgNPRs(30 d)276.00±6.24EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs312.33±4.04EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs(30 d)322.67±2.08
由图5显示,在酸性环境中,CA@AgNPRs比EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的LSPR峰发生更显著的偏移与减弱,表明后者具有更优异的pH稳定性。这可归因于柠檬酸质子化的羧基与AgNPRs的亲和力远低于去质子化的羧基,削弱了柠檬酸的吸附作用,使活性银暴露,发生氧化溶解。而EDTA是六齿配体,即使部分羧基质子化,其余配位点依然能与Ag+形成稳定的螯合物[29]。在碱性条件下,两者的稳定性都得到提升,但EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs表现出更强的协同效应,EDTA的去质子化和β-CD的空间位阻有效屏蔽AgNPRs热力学活性最高的尖角和边缘,这些部位是化学蚀刻的起点[30]。
2.3 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs高效检测S2-的作用机制
2.3.1 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs经S2-蚀刻前后的形貌变化
通过SEM对比CA@AgNPRs和EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs与S2-反应前后的形貌变化。如图6所示,合成的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs显示出切角三角形形貌,CA@AgNPRs显示出尖角三角形形貌。这可能是因为CA选择性吸附在(100)晶面,使晶体沿(111)面横向扩展,形成尖锐的三角形。而EDTA-CD的大尺寸和特定的包合作用不仅使其吸附到(100)晶面,而且能干扰(111)晶面,从而暴露出更多高指数晶面作为过渡。研究表明,这种大分子复合物通常用来引导形成非常规的纳米银结构[31]。在加入S2-后,EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs被蚀刻成六边形,且无明显聚集现象,归因于EDTA-CD空间位阻和配位效应抑制了AgNPRs的聚集行为。而CA@AgNPRs的保护层失效易聚集,这是产生假阳性结果的原因。
a-初始EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs;b-初始CA@AgNPRs;c-硫化后的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs;d-硫化后的CA@AgNPRs
图6 AgNPRs形貌的SEM表征
Fig.6 SEM characterization of AgNPRs morphology
2.3.2 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的修饰层增强了其灵敏度与稳定性
利用XPS分析了CA@AgNPRs和EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的化学态和表面元素。在特定结合能范围(C1 s:292～282 eV;Ag3 d:376～366 eV;O1 s:538～528 eV)内进行峰微分和拟合,以检查碳、银和氧的氧化态。
如图7所示,C1 s光谱中显示CA@AgNPRs有相对较强的C
O(288.1 eV),这可能是由于CA分子高密度地排列在AgNPRs表面,而EDTA-CD分子的表面积大,表面覆盖远低于CA。可以推测CA形成了致密但稀薄的修饰层,而EDTA-CD形成了稀疏但厚实的修饰层。O1 s光谱中显示EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs有极强的Ag—O—Ag(530 eV)。有研究表明,单质银的O1 s信号非常弱,有机配体的引入会使其显著变化,说明EDTA中与银配位的羧酸氧的结合能可能会与晶格氧重叠。Ag3 d光谱中显示,EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs中Ag3 d双峰的对称性好,且没有明显的高结合能拖尾,这表明银主要以Ag0存在,EDTA-CD有效阻隔了氧气和水,抑制表面氧化。而CA@AgNPRs的Ag3 d峰展宽和强度降低表明在制样时发生氧化,以Ag0和Ag+的形式存在,并且在贮存过程中易吸附碳氢化合物[32]。
a-全谱;b-C1 s;c-O1 s;d-Ag3 d
图7 EDTA-Ca2+-CD @AgNPRs和CA@AgNPRs的XPS谱
Fig.7 XPS spectra of EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs and CA@AgNPRs
如图8所示,ITC分析显示以Na2S分别滴定EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs悬浮液时,CA@AgNPRs更容易达到饱和,说明CA@AgNPRs与Na2S之间的相互作用力更强,需要更多的硫化钠才能反应。表2显示,CA@AgNPRs的Kd明显低于EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs,这表明CA@AgNPRs有高亲和力但高能垒。这可能是柠檬酸的多齿配位及致密的表面层构成了一个高能垒的物理和化学屏障,延缓了S2-的取代反应,需要更高浓度的S2-才能推动反应达到饱和。EDTA-CD修饰可能形成较松散的表面覆盖,较弱的结合作用使S2-更容易穿透修饰层。此外,EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs化学计量比显著大于CA@AgNPRs,表明EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs在动态置换过程中提供更多攻击位点[33]。ITC结果表明EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs更适用于检测痕量的S2-。
表2 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的热力学参数表
Table 2 Thermodynamic parameters of EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs and CA@AgNPRs
材料Kd/MnΔH/(kJ/mol)ΔS/[(J/(mol·K)]EDTA-CD@AgNPRs3.54×10-42.533-48.62-97.01CA@AgNPRs3.92×10-51.228-46.6-71.95
a-EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的ITC曲线;b-CA@AgNPRs的ITC曲线
图8 ITC分析分子相互作用
Fig.8 ITC analysis of molecular interactions
表3显示,EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的粒径较大,而SEM结果显示实际核心更小,说明EDTA-CD稳定的结合在AgNPRs表面。CA@AgNPRs的强负电荷表面有助于溶液稳定,但会抑制S2-与银表面的接触。EDTA-CD修饰使AgNPRs带负电,但与Ca2+螯合后,削弱了表面负电荷的保护作用,这与ITC检测结果一致。
表3 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的粒径、Zeta电位
Table 3 Hydrodynamic size and Zeta potential of EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs and CA@AgNPRs
材料粒径/nmZeta电位/mVEDTA-CD@AgNPRs18.08±0.53-18.46±1.24CA@AgNPRs11.90±0.30-28.41±3.05
2.3.3 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的硫化动力学
通过对比EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs和CA@AgNPRs的硫化动力学行为,评估了二者的硫化反应效率。图9中的标准曲线可用于计算体系中可溶性硫化物浓度。图10反映了经无硫化物损失校正后的硫化物消耗曲线,硫化反应速率常数的计算如公式(3)所示:
(3)
图9 Na2S的标准曲线
Fig.9 Standard curve of Na2S
a-CA@AgNPRs的硫化曲线;b-EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的硫化曲线
图10 不同Na2S浓度下纳米银的硫化动力学曲线
Fig.10 The sulfurization kinetics curve of silver nanoparticles under different concentrations of Na2S
式中:[S]0,初始溶液中总硫化物浓度,μmol/L;[S]t,t h溶液中总硫化物的浓度,μmol/L。
图11反映了不同浓度Na2S体系中EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs与CA@AgNPRs的硫化反应速率常数。随体系中Na2S浓度从2 μmol/L增加到8 μmol/L,硫化反应速率常数逐渐增大,说明当S2-含量更高时,能快速的突破修饰层。相同S2-浓度下,CA@AgNPRs硫化反应速率常数更大,可能是因为CA@AgNPRs的尖端活性较高,极易被氧化,持续释放出游离的Ag+。加入S2-后,硫化反应路径为异相成核和均相成核,即S2-直接攻击银表面和S2-与溶液中游离的Ag+反应。而EDTA-CD的强螯合能力使溶液中游离Ag+的浓度降低,其硫化主要通过异相成核进行。均相成核的速率比异相成核的速率更快,所以CA@AgNPRs硫化的速率更高。此外,β-CD可能通过包合作用与EDTA形成“分子笼”效应提高局部反应浓度,这表明少量的S2-就能引起颗粒形貌和介电环境的显著、均一的变化,导致其LSPR峰发生明确的红移[34]。
图11 CA@AgNPRs和EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs硫化反应的速率常数
Fig.11 Rate constants of the sulfidation reaction for CA@AgNPRs and EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs
2.4 EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs检测味精中S2-的应用
为验证EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs的实际应用情况,选取了加标味精作为分析对象,对比了元素分析法、亚甲蓝分光光度法、本研究法对体系中S2-的检测效果,如表4所示。采用元素分析法测定味精样品中硫元素的含量时,尽管操作简便,但其检测结果存在较大误差,该方法不适用于痕量硫化物的检测。采用亚甲蓝分光光度法测量味精中的Na2S时,需要用蒸馏法对样品进行处理,通过蒸汽带出硫化物,并用NaOH溶液收集,避免谷氨酸钠对实验的干扰。该方法前处理复杂,且测定结果易产生误差。而采用EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs法测量味精中的硫化钠时,可检测到极低水平的Na2S,但Na2S浓度过高会导致AgNPRs快速蚀刻聚集,降低检测效果。根据GB 2760—2024《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》,味精中Na2S需“不得检出”,这意味着实测检出限必须≤1 mg/kg,EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs法完全可以满足其要求。
表4 不同方法检测味精样品中S2-的回收率评估
Table 4 Evaluation of the recovery rate of S2- in monosodium glutamate samples detected by different methods
样本检测方法添加量/(μmol/L)测定值/(μmol/L)回收率/%RSD/%味精元素分析法亚甲蓝分光光度法本研究方法00——0.5%0.3%60.002.531%0.449%44.900.5700.009——10.4242.004.3354.1783.402.8900.008——11.061063.2155.11102.21.54
注：相对标准偏差(relative standard deviation,RSD);—表示无数据。
3 结论
针对当前基于S2-传感特性的纳米材料稳定性不足和检测过程易受干扰等问题,本研究创新性地引入二价阳离子作为调控因子,基于EDTAD、Ca2+和β-环糊精三元复合物开发制备出S2-响应型纳米材料EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs。其可视化检测范围为0.5～8 μmol/L,检测限为68.2 nmol/L,比其他大分子修饰的纳米银检测范围扩大了178%,并显著提升了其贮藏稳定性与pH稳定性。本研究中开发的EDTA-Ca2+-CD@AgNPRs在复杂食品基质中的含硫化合物检测方面具有巨大潜力,且还有望通过比色传感器阵列实现多种含硫化合物的实时检测,在生物传感和生物成像领域同样具有良好前景。
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