一种用于Hg2+检测的SiO2/Au纳米复合材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种用于Hg2+检测的SiO2/Au纳米复合材料及其制备方法，属于重金属离子检测技术领域，所制备SiO2/Au纳米复合材料具有较高的Hg2+检测灵敏度且可多次重复使用。所述制备方法包括：向有机溶剂中加入巯基硅烷和二氧化硅前驱体，搅拌均匀，得到硅烷混合溶液；将硅烷混合溶液加入到一维短肽自组装溶液中，混合均匀，调节溶液pH至指定值，反应一定时间后离心、洗涤处理，得到白色沉淀；将所述白色沉淀分散于水中，与纳米金溶液混合，一定温度下搅拌反应一定时间，经离心、洗涤、干燥处理，得到一维SiO2/Au纳米复合材料。本发明用以制备可用于Hg2+检测的SiO2/Au纳米复合材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种重金属离子检测技术领域，Hg²⁺响应的SiO₂/Au复合材料，特别涉及一种荧光光谱法检测环境中Hg²⁺浓度的SiO₂/Au纳米复合材料的制备方法。

背景技术

汞离子(Hg²⁺)是有毒的重金属离子之一，环境中的汞离子能够通过食物链富集，最终在人体内积累，造成大脑及中枢神经的损伤、肾脏衰竭、DNA破坏等，对人类的健康和生命造成严重威胁(参见Clarkson>

目前用于Hg²⁺检测的方法有原子荧光法、冷原子吸收法、电感耦合等离子体质谱分析技术、比色法、荧光光谱法等。相比于其它几种检测方法，荧光光谱法具有灵敏度高，选择性好，用样量少、方法简便，工作曲线线性范围宽等优点，在汞离子检测领域具有广阔的应用前景(参见胥月等，《分析化学》，2014，42:1252)。

纳米金由于其独特的物理、化学特性在分析检测领域得到了广泛的应用。尤其是粒径小于5纳米的金颗粒，量子效应导致其在光激发时产生荧光，而且发射荧光的波长可以调节。小颗粒纳米金的这种荧光特性可被用来检测环境中汞离子的存在(参见Fang C.等,《纳米研究快报》，2010，5:1856)。常见离子中只有汞与巯基的结合能力超过了金与巯基的结合能力，因此这种方法的显著优点是抗干扰性强(参见Dingbin L.等,《分析化学》，2010，82：9606)。但这种方法通常是一次性的，即只能用于一次检测，造成资源的浪费。开发能够重复利用的、更高灵敏度的检测方法具有重要的应用价值。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种一维SiO₂/Au纳米复合材料及其制备方法，可重复应用于重金属Hg²⁺的检测。

本发明提供了一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)向有机溶剂中加入巯基硅烷和二氧化硅前驱体，搅拌均匀，得到硅烷混合溶液；

2)将硅烷混合溶液加入到一维短肽自组装溶液中，混合均匀，调节溶液pH至指定值，反应一定时间后离心、洗涤处理，得到白色沉淀；

3)将所述白色沉淀分散于水中，与所述的纳米金溶液混合，一定温度下搅拌反应一定时间，经离心、洗涤、干燥处理，得到一维SiO₂/Au纳米复合材料。

可选的，所述巯基硅烷为巯丙基三乙氧基硅烷、巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸中的至少一种，溶剂为异丙醇、乙醇、甲醇、丙酮中至少一种。

优选的，所述巯基硅烷与二氧化硅前驱体的比例为1:2-1:20。

可选的，所述一维短肽自组装溶液通过以下方法制备：

将一定质量的短肽(X_mY_n型短肽，X为甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸中的至少一种，Y为赖氨酸、精氨酸、组氨酸中的至少一种，m不大于6，n不大于2)溶解于水中，超声分散，调节至适宜pH值，室温静置，得到一维短肽组装溶液。

可选的，所述纳米金溶液通过如下方法制备：

取一定量的谷胱甘肽溶液、氯金酸溶液、超纯水混合，谷胱甘肽与氯金酸的摩尔比为1:5-1:30，在30-90℃下反应1-12小时，得到谷胱甘肽保护的纳米金溶液。

优选的，所述白色沉淀与纳米金的反应时间为3-8小时，反应温度10-40℃。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，包括巯基修饰的一维二 氧化硅和能够发射荧光的纳米金，当将被检测物质加入所述SiO₂/Au溶液中，若被检测物质含有Hg²⁺，则所述SiO₂/Au溶液荧光发射强度降低。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，所述纳米金和一维二氧化硅之间通过巯基连接。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，当Hg²⁺浓度介于5-200nmol>-1时，所述的SiO₂/Au溶液荧光发射强度与Hg²⁺浓度具有良好的线性关系，因此可用于Hg²⁺的定量检测。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，可重复用于Hg²⁺的检测。

本发明提供了一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料及其制备方法，与现有技术相比，本发明通过将能够发射荧光的纳米金与一维的二氧化硅通过巯基结合，在保持纳米金荧光法检测Hg²⁺抗干扰性强的同时，在微小区域提高了纳米金的相对浓度，放大了团聚引起的荧光强度降低现象，使得测试结果对Au的团聚现象更敏感。同时，一维SiO₂/Au纳米复合材料对溶液中Hg²⁺具有富集效应，进一步提高了Hg²⁺检测的灵敏度。另外，所制备的一维SiO₂/Au纳米复合材料径向尺寸为纳米级，轴向尺寸达到了微米级，即同时具有较大的接触响应面积和可回收再利用的特点，因此具有较高的经济价值。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一维SiO₂/Au纳米复合材料的透射电子显微镜照片；

图2为本发明实施例提供的一维SiO₂/Au纳米复合材料的荧光发射谱图(激发波长为400nm)；

图3为不同金属离子存在时，本发明实施例提供的一维SiO₂/Au纳米复合材料溶液的荧光发射谱图(A)及600nm处的荧光强度值(B)；

图4为本发明实施例提供的一维SiO₂/Au纳米复合材料溶液中加入不同汞离子浓度时的荧光发射谱图；

图5为根据图4得到的荧光强度(600nm)与汞离子浓度间的关系曲线(A) 和线性关系范围(B)；

图6为本发明实施例提供的一维SiO₂/Au纳米复合材料溶液的荧光强度保持系数与循环使用次数的关系曲线。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：向有机溶剂中加入巯基硅烷和二氧化硅前驱体，搅拌均匀，得到硅烷混合溶液。

在本步骤中，巯基硅烷的引入是为了获得表面巯基修饰的二氧化硅纳米材料，从而给纳米金提供可靠的锚定位点，并进一步获得SiO₂/Au纳米复合材料。本步骤中，首先配制含有二者的前驱体溶液。具体的，将上述二者的前驱体溶于有机溶剂中，具体的，有机溶剂可选自甲醇、乙醇、叔丁醇和丙酮中的至少一种，本领域技术人员可根据使用情况自行选用。

S2：将硅烷混合溶液加入到一维短肽自组装溶液中，混合均匀，调节溶液pH至指定值，反应一定时间后离心、洗涤处理，得到白色沉淀；

本步骤中，一维短肽自组装溶液能够催化硅烷或二氧化硅的前驱体水解和缩聚反应，并诱导二氧化硅或巯基功能化的二氧化硅在短肽自组装体表面沉积，得到依附于组装体形貌的巯基功能化的二氧化硅纳米材料。矿化反应的pH对产物的生成速率、产物形貌和结构具有重要影响，在本实施例中，pH值在5-9之间较好，例如pH 5，pH 6，pH 7，pH 8，pH 9均可制备出符合要求的一维二氧化硅纳米材料。具体的，将硅烷混合溶液滴加到一维短肽自组装溶液中，混匀后调节至适宜的pH，反应完成后通过离心、洗涤得到白色沉淀。

S3：将所述白色沉淀分散于水中，与所述的纳米金溶液混合，一定温度下 搅拌反应一定时间，经离心、洗涤、干燥处理，得到一维SiO₂/Au纳米复合材料。

在本步骤中，分散的纳米金通过巯基锚定在一维二氧化硅纳米纤维上，多余的纳米金、稳定剂等通过离心和洗涤的方式除去，纯化效果利用荧光发射光谱进行检验，直到离心后上清液的荧光强度接近零为止，干燥后得到纯净的一维SiO₂/Au纳米复合材料。

本发明提供了一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料及其制备方法，与现有技术相比，本发明通过将能够发射荧光的纳米金与一维的二氧化硅通过巯基结合，在保持纳米金荧光法检测Hg²⁺抗干扰性强的同时，在微小区域提高了纳米金的相对浓度，放大了团聚引起的荧光强度降低现象，使得测试结果对Au的团聚现象更敏感。同时，一维SiO₂/Au纳米复合材料对溶液中Hg²⁺具有富集效应，进一步提高了Hg²⁺检测的灵敏度。另外，所制备的一维SiO₂/Au纳米复合材料径向尺寸为纳米级，轴向尺寸达到了微米级，即同时具有较大的接触响应面积和可回收再利用的特点，因此具有较高的经济价值。

在本发明的一实施例中，巯基硅烷为巯丙基三乙氧基硅烷、巯丙基三甲氧基硅烷中的至少一种，二氧化硅前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、正硅酸中的至少一种，溶剂为异丙醇、乙醇、甲醇、丙酮中至少一种。巯基硅烷的引入是为了得到表面巯基修饰的一维纳米二氧化硅纤维，但如果采用单纯的巯基硅烷，因为其反应活性低而难以得到稳定的一维二氧化硅纳米纤维，因此使其与高反应活性的二氧化硅前驱体共缩聚制备表面巯基修饰的一维二氧化硅纳米纤维。将巯基硅烷和二氧化硅前驱体首先加入溶剂是为了提高其在水中的分散性，以便反应能够平稳的进行。具体的，有机溶剂可任选一种，本领域技术人员可根据情况自行选用。

在本发明的一实施例中，巯基硅烷与二氧化硅前驱体的比例为1:2-1:20。二者的比例不同，矿化反应的速率、所生成二氧化硅的结构和表面巯基含量会有不同，本领域技术人员可以理解的是，在上述范围内配制的硅烷混合溶液均可以满足后续制备巯基修饰的一维二氧化硅纳米纤维的要求，可根据实际需要在上述范围内进行调节，例如1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1： 11、1:12、1:13、1:14、1:15、1:16、1:17、1:18、1:19、1:20等。

在本发明的一实施例中，一维短肽自组装溶液按照如下方式配制：将一定质量的短肽(X_mY_n型短肽，X为甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸中的至少一种，Y为赖氨酸、精氨酸、组氨酸中的至少一种，m不大于6，n不大于2)溶解于水中，超声分散，调节至适宜pH值，室温静置，得到一维短肽组装溶液。两亲性短肽可通过疏水作用、氢键、静电作用、分子手性等驱动组装成一维纳米结构，亲水的功能性基团分布在组装体的表面以稳定组装体结构，同时，这些功能性基团对于硅氧硅键的形成具有促进作用，通过这样一种分子，得到具有催化矿化能力的一维短肽自组装体，为后续二氧化硅的沉积提供模板和催化中心。通过亲水性氨基酸和疏水性氨基酸的变化，可用以调节自组装体的结构、尺寸和表面性质等。

在本发明的一实施例中，纳米金溶液通过以下方式制备：取一定量的谷胱甘肽溶液、氯金酸溶液、超纯水混合，谷胱甘肽与氯金酸的摩尔比为1:5-1:30，在30-90℃下反应1-12小时，得到谷胱甘肽保护的纳米金溶液。为了得到能够发射荧光的纳米金，通过谷胱甘肽还原金离子并稳定生成的纳米金，防止纳米金团聚而失去荧光发射能力。具体的，首先配制一定浓度的谷胱甘肽溶液和氯金酸溶液，以1:5-1:30的摩尔比将它们与超纯水混合，然后在一定温度下反应一定时间。本领域技术人员可以理解的是，上述范围内配制的前驱体溶液均可制备纳米金，例如1:5、1:10、1:15、1:20、1:25、1:30等，除此之外，只要是谷胱甘肽与氯金酸的摩尔比处于上述范围的任意值均可。对于反应的温度和时间，本申请中并不做具体限定，通常是温度高需要的反应时间短，只要能够得到具有荧光发射能力的纳米金即可，合成效果用荧光发射光谱中是否有明显的荧光发射峰进行验证。

在本发明的一实施例中，白色沉淀与纳米金的反应时间为3-8小时，反应温度10-40℃。在本实施例中，目的是将游离的纳米金通过巯基连接在一维二氧化硅纳米纤维上，本申请对于具体的反应温度和时间不做具体限定，反应效果采用荧光发射光谱进行验证。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，包括巯基修饰的一维二氧化硅和能够发射荧光的纳米金，当将被检测物质加入所述SiO₂/Au溶液中，若被检测物质含有Hg²⁺，则所述SiO₂/Au溶液荧光发射强度降低。当被检测物质中含有Hg²⁺时，由于巯基与Hg²⁺的结合能比金大而导致纳米金团聚引起荧光发射强度降低。由于常见离子中只有Hg²⁺的结合能比金大，因此其它离子对检测效果的影响较小，表现出较强的抗离子干扰能力。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，纳米金和一维二氧化硅之间通过巯基连接。由于巯基与Hg²⁺的结合能比金大，Hg²⁺夺取巯基而使纳米金团聚，表现为荧光发射强度降低。但其它离子由于与巯基的结合能力比金弱而产生的干扰较小，因此一维SiO₂/Au纳米复合材料在用于Hg²⁺检测时具有良好的选择性。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，当被检测物质中Hg²⁺浓度介于5-200nmol>-1时，所述一维SiO₂/Au纳米复合材料溶液荧光发射强度与Hg²⁺浓度具有良好的线性关系，因此可用于Hg²⁺的定量检测。在Hg²⁺浓度5-200nmol>-1时，线性相关性标准方差为0.999；在Hg²⁺浓度5-500nmol>-1时，线性相关性标准方差为0.985，说明一维SiO₂/Au纳米复合材料可用于较宽浓度范围内Hg²⁺的定量检测。通过计算知道所述一维SiO₂/Au纳米复合材料对Hg²⁺的检出限为4nmol>-1。

一种用于Hg²⁺检测的一维SiO₂/Au纳米复合材料，可重复用于Hg²⁺的检测。由于一维SiO₂/Au纳米复合材料径向尺寸为纳米级，轴向尺寸达到了微米级，因此在具有较大的接触响应面积的同时可通过离心、处理后回收再利用，大大节约了成本，具有可观的经济价值。

以下将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

一维SiO2/Au纳米复合材料的制备

(1)一维短肽自组装溶液的配制

将一定质量的两亲性短肽溶解于水中，超声分散，调节至适宜pH值，室温 静置，得到一维短肽自组装溶液；

(2)纳米金的合成

取摩尔比为1:5-1:30的谷胱甘肽溶液、氯金酸溶液与超纯水混合，在30-90℃下反应1-12小时，得到谷胱甘肽保护的纳米金溶液；

(3)一维SiO2/Au纳米复合材料的制备

1)向有机溶剂中加入摩尔比为1:2-1:20的巯基硅烷和二氧化硅前驱体，搅拌均匀，得到硅烷混合溶液；

2)将硅烷混合溶液加入到(1)所得一维短肽自组装溶液中，混合均匀，调节溶液pH至5-9，反应一定时间后离心、洗涤处理，得到白色沉淀；

3)将所得白色沉淀分散于水中，与(2)所得纳米金溶液混合，10-40℃下搅拌反应3-8小时，经离心、洗涤、干燥处理，得到一维SiO₂/Au纳米复合材料。

实施例2

一维SiO₂/Au纳米复合材料的形貌、结构及荧光性质表征

高分辨透射电子显微镜，型号：JEM-2100UHR，仪器生产厂家：日本电子(JEOL)，加速电压：200kV；

荧光分光光度计，型号：FluoroMax-4，仪器生产厂家：法国Horiba Jobin Yvon公司生产；

原子吸收光谱，型号：Contr AA 700，仪器生产厂家：德国耶拿公司。

本实施例结合高分辨透射电子显微镜观察一维SiO₂/Au纳米复合材料的形貌、结构，具体的，首先将样品分散在无水乙醇中，滴在镀有碳膜的铜网上，5分钟后用滤纸吸除多余的液体，室温干燥1小时后放入样品室，抽真空，调节合适的分辨率和焦距，选择合适的曝光时间，拍照。

从样品的透射电镜图片(图1)可以看出，所得样品为直径为10-15纳米、长度达到几百甚至上千纳米的一维纳米结构，在这些纳米结构上，分布着一些衬度更高的黑点，直径仅有1-3纳米。样品的原子吸收光谱证明是金，表明纳米金已经成功锚定在二氧化硅纳米纤维上。

本实施例采用荧光分光光度计对所制备的一维SiO₂/Au纳米复合材料进行了表征，具体的，将样品在水中分散，置于光程为10毫米的荧光检测专用比色皿中，采用400纳米的波长进行激发，采集470-750纳米范围内的荧光发射光谱。

从样品的荧光发射光谱(图2)可以看出，一维SiO₂/Au纳米复合材料在600纳米附近有明显的荧光发射峰，而在连接金之前单独的一维二氧化硅纳米纤维在此区域没有相应的荧光发射峰存在，进一步证明纳米金已经连接在一维二氧化硅表面，且连接过程并没有改变其荧光性质。

将具有相同浓度的不同离子加入到一维SiO₂/Au纳米复合材料溶液中，利用荧光光谱法检验不同离子对其荧光发射行为的影响。如图3A所示，当加入Hg²⁺时，出现了明显的荧光猝灭现象，而其它离子的影响并不显著。通过不同离子在600纳米处的荧光发射强度值(图3B)比较发现，只有Hg²⁺能够显著降低一维SiO₂/Au纳米复合材料的荧光强度，表明所发明的一维SiO₂/Au纳米复合材料对Hg²⁺检测具有良好的抗干扰性。

实施例3

一维SiO₂/Au纳米复合材料在Hg²⁺检测中的应用

配制不同Hg²⁺浓度的标准溶液，与一维SiO₂/Au纳米复合材料混合后采用荧光分光光度计进行检测，如图4所示，随着待测样品中Hg²⁺浓度的增加，其在600纳米附近的荧光发射强度降低。将荧光发射强度与Hg²⁺浓度作图，如图5A所示，更清楚地展示了这一规律。尤其当Hg²⁺浓度在5-200nmol>-1时，其荧光发射强度与浓度具有良好的线性关系，如图5B所示，标准方差为0.999，因此可用于Hg²⁺的定量检测。

将使用过的一维SiO₂/Au纳米复合材料经处理后可重复用于Hg²⁺的检测，且保持了较高的荧光恢复效率，如图6所示，在经过5个循环后，其荧光恢复系数在95％以上。