碳量子点–高锰酸钾–鲁米诺化学发光体系测定食品包装材料中的银溶出量

Determination of Leaching Silver in Food Packaging Materials by Carbon Dots KMnO4-Luminol Chemiluminescence System

摘要: 通过一步水热法制备了铕掺杂的碳量子点(Eu-CDs)，在磷酸盐缓冲介质中，Eu-CDs对鲁米诺–高锰酸钾化学发光体系具有增敏作用，而Ag⁺对Eu-CDs-Luminol-KMnO₄化学发光体系有明显增强作用，据此建立了化学发光法测定痕量Ag⁺的新方法，线性范围是0.5~30 ng∙mL⁻¹，方法检出限是0.08 ng∙mL⁻¹，相对标准偏差为2.1% (n = 11, c = 15 ng∙mL⁻¹)。该方法成功应用于食品包装材料中银离子的检测，回收率在91%~117%之间。

Abstract: Europiumdoped Carbondots (Eu-CDs) was prepared through one step hydrothermal method. In phosphate buffer medium, Eu-CDs has great sensibilization to the Luminol-KMnO4 chemilumines-cence. Furthermore, it was found that Ag⁺ could enhance the Eu-CDs-Luminol-KMnO₄ chemilumi-nescence system. Based on this, a new method for the determination of trace Ag⁺ by chemilumi-nescence was established. The linear range was 0.5 - 30 ng∙mL⁻¹. The detection limit was 0.08 ng∙mL⁻¹; the relative standard deviation was 2.1% (n = 11, c = 15 ng∙mL⁻¹). The authors successfully applied this method to the detection of silver ions in food antibacterial packaging boxes, and the recovery rate was between 91% and 117%.

1. 引言

众所周知，银和银离子是广谱抗菌剂，具有强烈的抑菌和杀菌作用 [1] 。 一般认为，银离子与细菌体内蛋白质上的巯基(-SH)发生化学反应，导致蛋白质失活 [2] 。从抗菌产品到环境中的银离子浸出风险很大，中国的饮用水和地表水质量标准设定为0.05 ng∙mL⁻¹。因此，越来越需要监测抗菌产品浸出溶液中浓度不断降低的银含量。为此，需要灵敏度高，便捷，快速且低成本的分析方法。

目前，Ag⁺检测方法主要集中在火焰原子吸收法(FAAS) [3] [4] [5] ，电感耦合等离子体–原子发射光谱法/质谱法(ICP-AEC/MS) [6] ，荧光分析法 [7] [8] [9] [10] ，电化学方法(ECL) [11] [12] [13] 等等。与其他光谱分析方法相比，化学发光法无背景光干扰，操作简单，仪器价格适中，无需专业培训，检测时间短，灵敏度高等优点，受到了越来越多的关注 [14] [15] [16] [17] 。

本文制备的Eu-CDs，对Luminol-KMnO₄具有强烈增敏作用，而Ag⁺可以增加Luminol-KMnO₄-Eu-CDs体系的化学发光强度，从而建立了一种快速，高效，灵敏的检测痕量Ag⁺的方法，实验表明此方法对痕量Ag⁺的检测效果良好。

2. 实验部分

2.1. 仪器设备

BPCL-1-KGC型超微弱发光测量仪(中科院生物物理研究所)

RF-6000荧光分光光度计(岛津企业管理中国有限公司)

UV-2450紫外可见分光光度计(岛津企业管理中国有限公司)

QF-510FT-IR傅里叶变换红外光谱仪(北京瑞利分析仪器公司)

ESCALAB 250Xi X射线光电子能谱仪(XPS，赛默飞中国有限公司)

JEOJ JEM-2011透射电子显微镜(TEM，日本电子株式会社)

2.2. 试剂及溶液配制

鲁米诺(Luminol)，高锰酸钾(KMnO₄)，三乙烯四胺(TETA)，氢氧化钠，硝酸银(AgNO₃)六水合氯化铕(EuCl₃·6H₂O)，乙二胺四乙酸二钠(EDTA)，等均购于上海阿拉丁生化科技有限公司，实验用水均为超纯水(18 MΩ·cm⁻¹)。

AgNO₃储备液(1 mg·mL⁻¹)，准确称取0.3117 g AgNO₃于烧杯溶解并转移至棕色容量瓶，用超纯水定容至200 mL，低温避光保存；Luminol储备液(1.0 × 10⁻² mol·L⁻¹)：准确称取177 mg Luminol于棕色容量瓶，用氢氧化钠溶液(0.1 mol·L⁻¹)溶解，于100 mL棕色容量瓶中定容后摇匀低温避光一周后使用；KMnO₄储备液(2.0 × 10⁻² mol·L⁻¹)：配好后放置一周，使用前用草酸钠标准溶液标定。

2.3. Eu掺杂碳量子点(Eu-CDs)的制备

准确称取0.45 g EDTA和0.1418 g EuCl₃·6H₂O于锥形瓶中，加入0.5 mL TETA用25 mL水溶解，置于振荡器上摇匀30 min，转至PPL水热反应釜(60 mL)，在200℃条件下反应4 h，自然冷却后，所得溶液经离心去除不溶物后收集，用于后续实验。

2.4. 实验方法

于测量杯(3 mL)中依次加入0.2 mL Luminol溶液(1.0 × 10⁻⁵ mol∙L⁻¹)、0.2 mL Eu-CDs溶液、0.3 mL PB缓冲液(pH 9.5)和一定量Ag⁺标准溶液，采用静态注射化学发光方法，采样间隔0.1 s，采样时间30 s，在5s时用注射器将0.2 mL KMnO₄标准液(5.0 × 10⁻⁶ mol∙L⁻¹)注入测量杯中，记录化学发光强度信号I，同时做空白溶液(不加Ag⁺)的化学发光强度为I₀，计算 $\Delta I=I-I_0$ 。

3. 结果与讨论

3.1. Eu-CDs的表征

通过TEM、紫外吸收光谱、荧光光谱等手段对Eu-CDs进行了表征。图1(a)为Eu-CDs的透射电镜图，碳量子点的大小约为16 nm。如图1(b)可以看出，Eu-CDs在320 nm (蓝线)处有明显紫外吸收峰，当激发波长为320 nm时，Eu-CDs的荧光发射峰位于390 nm (红线)处。

(a) TEM pattern of Eu-CDs; (b) UV-vis Absorption spectrum and fluorescence emission spectra (excited at 320 nm)

Figure 1. Characterization of Eu-CDs

图1. Eu-CDs的表征

3.2. 化学发光体系的动力学曲线

考察了化学发光体系的动力学曲线，由图2看出，Eu-CDs对Luminol-KMnO₄化学发光体系具有明显的增敏作用(曲线2)，而Ag⁺的加入进一步增敏了Eu-CDs-Luminol-KMnO₄体系的化学发光(曲线3)。随着加入Ag⁺浓度的增加，Eu-CDs-Luminol-KMnO₄体系的化学发光也逐渐增加。

Luminol: 1.0 × 10⁻⁵ mol L⁻¹; PB: 5.0 × 10⁻² mol∙L⁻¹; KMnO₄: 5.0 × 10⁻⁶ mol∙L⁻¹; Eu CDs: (0.2 mL); Ag⁺(a~f): 5~30 ng∙mL⁻¹

Figure 2. Chemiluminescence kinetic curves of the CL systems

图2. 化学发光动力学曲线

3.3. 化学发光体系的优化

3.3.1. pH的影响

在碱性介质中，Luminol-KMnO₄化学发光体系能够产生化学发光信号。考察了不同Ph (7~10)条件，Ag⁺对Eu-CDs-Luminol-KMnO₄化学发光体系的增敏作用。结果如图3(a)所示，随着pH值的增大，Ag⁺对化学发光体系的增敏作用( $\Delta I$ )也逐渐增强；当pH超过9.0时， $\Delta I$ 的变化趋于平缓。由于在pH 9.5时，化学发光体系具有最高的强度值，因此选择9.5为体系最佳pH值。

(a) Effect of pH on CL intensity; (b) Effect of Luminol concentration on CL intensity; (c) Effect of KMnO₄concentrationon CL intensity，(Luminol: 1.0 × 10⁻⁵ mol∙L^-1; PB: 5.0 × 10⁻² mol∙L⁻¹；KMnO₄: 5.0 × 10⁻⁶ mol∙L⁻¹; Eu-CDs, (0.2 mL); Ag⁺: 10 ng∙mL⁻¹)

Figure 3. Effect of pH、Luminol and KMnO₄concentrationon CL intensity

图3. pH、Luminol浓度、KMnO₄浓度对化学发光的影响

3.3.2. Luminol浓度的影响

考察了Luminol浓度对化学发光体系 $\Delta I$ 和 $\Delta I/I$ 值的影响。实验结果如图3(b)所示，随着Luminol浓度的升高，体系 $\Delta I$ 随之增加，而体系 $\Delta I/I$ 随之升高后下降；当Luminol浓度为1.0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹时 $\Delta I/I$ 达到最大值。故Luminol的最佳浓度为1.0 × 10⁻⁵ mol·L⁻¹。

3.3.3. KMnO₄浓度的影响

考察了KMnO₄浓度对体系化学发光强度的影响。实验结果如图3(c)所示，随着KMnO₄浓度的增加，化学发光强度趋于稳定，当KMnO₄浓度大于5.0 × 10⁻⁶ mol·L⁻¹时，体系 $\Delta I$ 也随之下降，故KMnO₄的最佳浓度为5.0 × 10⁻⁶ mol·L⁻¹。

3.4. 干扰实验

在最佳条件下，考察样品中共存的组分或离子对Ag⁺的测定的影响。结果如图4所示，100倍的Al³⁺，Zn²⁺，La³⁺，Cu²⁺，Cr³⁺，S^2-，Cd²⁺，Pb²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，葡萄糖，精氨酸，苯丙氨酸，乳糖，甲硫氨酸，甘露糖，组氨酸，蔗糖，硫脲，柠檬酸，尿素；50倍的Ni²⁺，Fe³⁺，果糖，乳果糖；10倍的Hg²⁺对测定没有干扰。

Luminol:1.0 × 10⁻⁵ mol∙L⁻¹; PB: pH 9.5; Eu-CDs: (0.2 mL); KMnO₄: 5.0 × 10⁻⁶ mol∙L⁻¹; Ag⁺: 10 ng∙mL⁻¹; 图中Fe³⁺、Ni²⁺、乳果糖、果糖浓度均为5.0 × 10⁻⁶ mol∙L⁻¹

Figure 4. Effect of Metal ions and organic compounds

图4. 金属离子和有机物的干扰

3.5. 分析性能

在最佳实验条件下，考察Ag⁺对Eu-CDs-Luminol-KMnO₄体系化学发光信号的影响。结果如图5所示，在0.5~30 ng∙mL⁻¹范围内，体系 $\Delta I$ 与Ag⁺浓度呈良好的线性关系，标准曲线为 $\Delta I=651.1+2469.2C\left({\text{ngmL}}^{-1}\right)$ ，相关系数r为0.9993。根据IUPAC规定，该方法的检出限为0.08 ng·mL⁻¹，相对标准偏差(RSD)为2.1% (C = 15 ng·mL⁻¹)。

3.6. 样品测定

样品1、2、3均为食品抗菌塑料收纳盒，去除表面图案后将瓶身剪碎，称重17.5 g放于锥形瓶中，加入100 mL双重蒸馏水(pH 6.0)浸泡24 h后，整个过程避光保存。按照实验方法测定浸取液中痕量Ag⁺，同时进行加标回收实验，样品的加标回收率在91%~117% (表1)，测定结果令人满意。

Figure 5. Calibration curve of Ag⁺

图5. Ag⁺的工作曲线

Table 1. Results of the determination of Ag+ in samples (n = 3)

表1. 标样品加标回收实验(n = 3)

4. 结论

制备的Eu-CDs对Luminol-KMnO₄体系增敏效果明显，基于Ag⁺对Luminol-KMnO₄-Eu-CDs体系的增敏作用，建立了测定食品包装材料中Ag⁺的新方法。该方法操作简单，选择性好，分析时间短，成功应用于食品包装材料中银溶出量的测定。

NOTES

^*通讯作者。