对苯二酚(hydroquinone,HQ)是一种重要的有机原料,广泛用于化妆品、农药、油漆和制药行业[1–2]。研究表明,HQ具有较高的毒性和较低的生物降解性,已被世界卫生组织(WHO)、欧盟(EU)和美国环境保护署(USEPA)认定为新兴致癌物[3–4]。随着工业的现代化,生产和应用过程中很容易将HQ作为污染物排放到自然环境中,从而对环境和人类健康造成重大危害[5]。因此,加快发展能够对水体中HQ浓度进行简便、灵敏检测的技术具有重要意义[6]。目前,已经报道的检测HQ的方法有很多,包括荧光法、气相色谱法、质谱法、毛细管电泳法、高效液相色谱法和电化学传感法等[7–8]。在众多的检测方法中,比色法检测因其具有成本低、精度高、操作简单等优点而备受关注[9]。
纳米酶是一种利用化学方法人工合成的材料,不仅拥有天然酶的催化活性,而且具有稳定性好、易于储存、制备方便等优点[10]。自从2007年磁性Fe3O4纳米颗粒具有过氧化物模拟酶性能被报道以来,大量的具有良好的催化性能的金属氧化物作为纳米酶被报道[11–12]。例如,Panneerselvam等基于Fe3O4@ZnO纳米酶制备的传感器,能够检测湖水中的汞离子[13]。Ren等基于NiFe2O4/NiO构建的比色传感平台能够有效检测有机磷农药[14]。在这些比色传感检测过程中,由于纳米酶可以将无色3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)氧化为蓝色的二亚胺产物ox-TMB,而待测物又能够将ox-TMB还原为无色TMB。基于以上原理,探索能够高效催化产生活性物质的金属氧化物是搭建高性能比色传感平台的有效途径。
铜元素不仅是天然酶活性中心金属元素之一,而且在自然界含量高、价格低,因此铜基纳米酶受到了广泛关注和深入研究[15]。将铜基纳米酶与其他金属或金属氧化物复合,能获得更加优异的纳米酶活性,例如,Zhou等[16]将铜基氧化物和氧化银复合,获得了良好的氧化酶活性。但该复合材料不可避免的会存在两种材料之间的界面缺陷,而双金属氧化物,不仅保留金属离子间的协同作用[17],且使得双金属氧化物作为单一材料展现出良好的模拟酶活性,有效避免了复合材料在制备工艺和催化性能方面存在的问题。因此,探究Ag2Cu2O3的纳米酶活性,并基于此进行比色传感器的开发具有一定的研究意义。
本文采用硝酸银和硝酸铜为原料,通过共沉淀法合成Ag2Cu2O3纳米材料。利用Ag2Cu2O3良好的氧化物模拟酶性质,构建了比色传感平台用于检测污染物HQ,如图1所示。经过一系列比色传感分析测试,结果表明Ag2Cu2O3能够较好催化产生活性中间体。此外,以Ag2Cu2O3构建的比色传感器表现出良好的灵敏度和选择性,能够进行河水中HQ的实时检测,具有一定的实际应用价值。
主要化学试剂有:三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O,分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、硝酸银(AgNO3,分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、氢氧化钠(NaOH,分析纯,国药集团化学试剂有限公司)、异丙醇(IPA,分析纯,成都市科龙化工试剂场)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA,分析纯,成都市科龙化工试剂厂)、对苯醌(PBQ,分析纯,成都市科龙化工试剂厂)、3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB,分析纯,北京索莱宝科技有限公司),实验中所用的水全部为去离子水,由实验室低有机物超纯水机自制。
Ag2Cu2O3的制备参考已有的文献报道[18]。将7.74 g Cu(NO3)2·3H2O和5.44 g AgNO3溶解在20 ml去离子水中,并滴加40 ml NaOH (3 mol·L−1)溶液,当溶液变成深绿色悬浮液时,连续搅拌4 h。最后再加入40 ml去离子水,通过离心收集黑色沉淀,用去离子水和无水乙醇冲洗几次,干燥12 h以获得最终产物。
将1600 μl HAc-NaAc缓冲液(0.2 mol·L−1,pH为5.0)、200 μl Ag2Cu2O3溶液(0.8 mg·ml−1)、200 μl TMB溶液(1 mmol·L−1)加入到2 ml离心管中,在最佳条件下反应3 min,使用紫外-可见光光谱测试652 nm处的吸光度值。
将1400 μl HAc-NaAc缓冲液(0.2 mol·L−1,pH为5.0)、200 μl Ag2Cu2O3分散液(0.8 mg·ml−1)、200 μl TMB溶液(1 mmol·L−1)和200 μl不同浓度的HQ加入到2 ml离心管中,在最佳条件下反应3 min,观察652 nm处的吸光度值与HQ浓度之间的关系,并计算出线性关系。
通过X射线粉末衍射(XRD)对产物进行物相表征,如图2所示,可以看到,在17.18°,29.27°,30.34°,33.50°,34.77°,43.44°,55.95°,60.71°,63.12°,73.39°和74.13°处存在衍射峰,这些衍射峰分别对应Ag2Cu2O3的(101),(103),(200),(004),(202),(220),(224),(206),(400),(404)和(422)晶面(PDF#01-073-6753)[18],证明了Ag2Cu2O3的成功制备。
随后,通过扫描电子显微镜(SEM)对Ag2Cu2O3的形貌进行表征,如图3所示。可以发现,Ag2Cu2O3以光滑且规则的短棒为主要形貌,短棒的长度在0.63~1.54 μm之间,直径在0.15~0.47 μm之间。
为进一步对Ag2Cu2O3进行分析,使用X射线光电子能谱(XPS)对Ag2Cu2O3的元素组成及价态进行表征分析,如图4所示。从图4(a)的XPS总谱中可以清楚的观察到Cu 2p,Ag 3d和O 1s峰,说明材料中存在Cu,Ag和O元素。对O 1s谱图进行分峰,见图4(b),有3个位于529.5,531.2和532.2 eV处的峰,分别对应于晶格氧(OL)、吸附氧(OA)和吸附H2O中的氧()[19]。图4(c)是Cu 2p的谱图,Cu 2p1/2和Cu 2p3/2的峰分别是结合能为953.6和933.75 eV的峰[15]。933.75 eV处的峰以及位于962.1,943.9和941.4 eV处的卫星峰属于Ag2Cu2O3中的Cu2+[20]。在图4(d)的Ag 3d的谱图中,位于374.2和368.3 eV的峰分别属于Ag 3d3/2和Ag 3d5/2,对应了Ag(I)的氧化态[21]。
为了研究Ag2Cu2O3的氧化酶活性,选择TMB作为显色底物,将催化剂Ag2Cu2O3与底物一起孵育,观察变化,结果如图5所示。可以看出,当Ag2Cu2O3和TMB共同存在时,在652 nm处具有明显的特征吸收峰(曲线A),说明Ag2Cu2O3具有氧化物模拟酶活性,TMB被氧化成蓝色的ox-TMB。而线条B和C中,Ag2Cu2O3和TMB的溶液均没有吸光度的变化,且颜色均为无色。相对应的颜色变化可以在图5的插图中看出。

与天然酶类似,纳米酶的活性会受到反应环境的影响。为了获得最佳的催化活性,通过调节pH和温度,探究Ag2Cu2O3氧化酶活性的影响。如图6(a)所示,可以看出,pH对此反应体系有明显影响,在pH等于5时,Ag2Cu2O3的氧化酶活性最高;当pH高于5或低于5时,其氧化酶活性显著下降。图6(b)显示的是Ag2Cu2O3的氧化酶活性随着反应温度的升高先升后降,在25 ℃时获得最高的活性。值得注意的是,中国定义的室温是25 ℃,因此基于Ag2Cu2O3氧化酶的传感系统可在室温下进行有效识别。后续的测试在pH等于5、温度为25 ℃的条件下进行测试。

为了进一步研究Ag2Cu2O3的氧化物模拟酶性能,将Ag2Cu2O3的浓度固定,通过改变TMB的浓度来进行稳态动力学分析,如图7所示。根据米氏方程:1/v=(Km/Vmax)*(1/[S])+1/Vmax (式中,v为反应速率,Km为米氏常数,S为底物浓度,Vmax为最大反应速率),计算得出米氏常数Km的值为0.0617 mmol·L−1,最大反应速率Vmax的值为172.11×10−8 mol·L−1·s−1。通常,Km值越低说明酶与底物之间的亲和力越好。将得到的数据与已经报道的纳米酶进行比较,如表1所示,可以发现该材料与TMB的亲和力较为优异。

通过捕获剂实验对催化过程中产生的自由基进行捕获,进一步研究TMB被氧化的机制。选择异丙醇(IPA)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)和对苯醌(PBQ)分别对羟基自由基(·OH)、空穴(h+)和超氧自由基(O2·−)进行捕获[27–28],结果如图8所示。可以看出,相对于没有捕获剂的情况(blank),IPA的引入对TMB的氧化影响较小。随着EDTA的加入,TMB的氧化会受到一定的影响。而当PBQ加入,会显著影响TMB的氧化,说明O2·−在Ag2Cu2O3氧化物模拟酶催化反应过程中具有重要作用。因此,在Ag2Cu2O3作为氧化物模拟酶催化反应过程中产生的自由基以O2·−为主,同时伴随着空穴的产生。
基于Ag2Cu2O3的类氧化物模拟酶活性,设计制备了一种用于检测HQ的比色传感平台。HQ作为一种有机化合物,常用于照相的显影剂,也可作为锅炉水的除氧剂。但HQ本身具有一定的毒性,被世界卫生组织认定为3类致癌物,且在自然环境中很难被去除。由于HQ本身具有还原性,可以将蓝色的ox-TMB还原为无色的TMB。基于此,探究了吸光度变化ΔA与HQ浓度之间的关系,其中,ΔA=Ablank-AHQ (式中,Ablank是不添加HQ时的652 nm处的吸光度,AHQ是添加HQ后652 nm处的吸光度)。从图9(a)可以看出,加入不同浓度的HQ会产生不同程度的褪色,添加的HQ浓度越高,褪色越明显。由图9(b)可以看出,浓度范围在3~30 μmol·L−1之间与ΔA有良好的线性关系,并构建了线形回归方程,计算出检测限为1.67 μmol·L−1。表2是与已经报道的检测HQ的方法的对比,可以看出该方法的检测限较低。

在实际样品的测试过程中,不可避免的会有许多干扰物质。HQ作为一种环境污染物常存在于自然界的水资源中,可能存在的主要干扰物质Na+,K+,Ca2+,Zn2+,NH4+,Mn2+,Cd2+和Mg2+等离子。所以选择不同离子对反应体系进行选择性和抗干扰测试,并采取干扰物质的浓度是HQ的浓度的10倍进行测试。如图10(a)所示,当反应体系中分别加入干扰物质后,反应体系的吸光度变化不明显,而当加入HQ后,吸光度的变化较大,说明该体系对HQ有较好的选择性。而当HQ分别和干扰离子一起加入到反应体系中,吸光度变化的程度与只含有HQ体系的吸光度变化程度几乎一致(图10(b)),说明该体系在检测HQ的过程中,抗干扰能力稳定。

为了评估该方法对能否对自然界中的水资源样品进行测试,选择本校墨水河中的水体样品进行测试研究。通过标准加入法进行测试,分别向水体样品中加入不同量的HQ,通过该方法进行测试。如表3所示,3次平行试验后,回收率在106.9%~107.7%之间,相对标准偏差RSD<2.31% (测试次数n=3)。河水样品中成分中复杂,有严重的干扰作用,但从表3可以看出该检测方法是可行有效的。
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