唐寧莉,陳永寧,張容琿,覃溫露

(桂林理工大學(xué)　化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西　桂林　541004)

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錳(Ⅱ)-納米銀體系共振散射光譜法檢測(cè)痕量過(guò)氧化氫

唐寧莉*,陳永寧,張容琿,覃溫露

(桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西桂林541004)

利用納米銀(AgNPs)作為共振散射探針,根據(jù)反應(yīng)前后納米銀聚集狀態(tài)改變所引起的體系的共振散射信號(hào)的變化,對(duì)H2O2進(jìn)行定量檢測(cè)。采用硼氫化鈉還原法,在檸檬酸三鈉保護(hù)下將銀從硝酸銀中還原,合成了平均粒徑約為4 nm的銀納米微粒。Mn2+和覆蓋在納米銀表面的檸檬酸根負(fù)離子絡(luò)合誘導(dǎo)納米銀聚集,導(dǎo)致體系的共振散射強(qiáng)度增強(qiáng)；當(dāng)體系中存在H2O2時(shí),H2O2和Mn2+發(fā)生類(lèi)Fenton反應(yīng)生成Mn3+和羥基自由基(·OH)。Mn3+和納米銀不能形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,·OH氧化蝕刻納米銀,兩種反應(yīng)共同導(dǎo)致納米銀的聚集程度減弱,體系的共振散射信號(hào)強(qiáng)度相應(yīng)減弱,據(jù)此建立了一種檢測(cè)痕量H2O2的共振散射光譜新方法。在最佳條件下,波長(zhǎng)411 nm處,體系的共振散射強(qiáng)度變化值(ΔI)與H2O2濃度在7.88×10-8～1.418×10-5mol/L范圍內(nèi)呈線(xiàn)性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.996 7,檢出限為4.04×10-8mol/L。該方法應(yīng)用于湖水和雨水中H2O2的檢測(cè),結(jié)果滿(mǎn)意。

過(guò)氧化氫；納米銀；共振散射；類(lèi)Fenton反應(yīng)

過(guò)氧化氫(H2O2)是一種常見(jiàn)且常用的消毒劑和漂白劑,被廣泛應(yīng)用于食品、制藥、臨床醫(yī)學(xué)、有機(jī)合成、環(huán)境分析等行業(yè)。另一方面,H2O2參與人體細(xì)胞免疫和細(xì)胞信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程,是人體細(xì)胞內(nèi)葡萄糖的氧化代謝產(chǎn)物[1]。然而,空氣中存在的H2O2與酸雨的形成有著密切關(guān)系,對(duì)環(huán)境破壞起到一定的推動(dòng)作用[2]；H2O2也是一種強(qiáng)氧化劑,在生物體內(nèi)若不能及時(shí)分解,則會(huì)瓦解細(xì)胞膜,使機(jī)體部分功能喪失。人體內(nèi)如果存在過(guò)多的H2O2,H2O2將會(huì)轉(zhuǎn)變成毒性的·OH從而加速人體老化,降低生育率,并對(duì)人體造成嚴(yán)重傷害[3]。因此,H2O2含量的測(cè)定顯得尤為重要。

目前測(cè)定H2O2的方法有分光光度法[4-6]、熒光光度法(FS)[7-9]、高效液相色譜法(HPLC)[10-11]、電化學(xué)分析法(EC)[12-15]、化學(xué)發(fā)光法(CL)[16]、共振散射光譜法(RLS)[17-19]和比色法[20-21]等。共振散射光譜法因具有簡(jiǎn)便快速、靈敏度高、檢出限低等特點(diǎn)而引起了廣大分析工作者的關(guān)注。納米技術(shù)是一項(xiàng)新興的科學(xué)技術(shù),基于金屬納米粒子特殊的表面性質(zhì),納米金屬已被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[22-23]。納米銀因具有獨(dú)特的局部表面等離子共振(LSPR)特性而被應(yīng)用于一些物質(zhì)的共振散射光譜分析[24]。本文研究了納米銀與Mn2+的絡(luò)合反應(yīng)以及Mn2+和H2O2的類(lèi)Fenton反應(yīng),并建立了一種簡(jiǎn)單快速、高靈敏測(cè)定痕量H2O2的共振散射光譜新方法。

1　 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Cary Eclipse熒光分光光度計(jì)、Cary 50紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(美國(guó)Varian公司)；HH-42快速恒溫?cái)?shù)顯水箱(常州國(guó)華電器有限公司)；PHS-3C 精密pH計(jì)(上海雷磁儀器廠(chǎng))。

H2O2儲(chǔ)備溶液：取2 mL 30%(體積分?jǐn)?shù)) 的H2O2于500 mL容量瓶中,用超純水定容至刻度,用高錳酸鉀標(biāo)定法測(cè)得H2O2儲(chǔ)備溶液濃度為3.94×10-2mol/L,H2O2工作溶液(7.88×10-5mol/L)臨用前由儲(chǔ)備液用超純水稀釋得到；氯化錳(MnCl2)：1.0×10-3mol/L；硝酸銀：1.0×10-3mol/L；硼氫化鈉：2.0×10-3mol/L；檸檬酸三鈉：10 g/L；醋酸-醋酸鈉(HAc-NaAc)緩沖液：將0.1 mol/L醋酸溶液與0.1 mol/L醋酸鈉溶液混合,調(diào)至pH 4.0～5.5；Clark-Lubs(C-L)緩沖液：將0.1 mol/L鄰苯二甲酸氫鉀溶液和0.1 mol/L氫氧化鈉溶液混合,調(diào)至pH 4.0～5.5；Britton-Robinson( B-R)緩沖液：由濃度均為0.04 mol/L的醋酸、硼酸、磷酸溶液等體積混合,用0.2 mol/L氫氧化鈉溶液調(diào)至pH 4.0～5.5。所用試劑均為分析純,實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1納米銀的合成 納米銀參考文獻(xiàn)[25]稍作修改合成：室溫下,在劇烈攪拌(750 r/min)的75 mL 2.0×10-3mol/L硼氫化鈉溶液中逐滴勻速地加入25 mL 1.0×10-3mol/L的硝酸銀溶液,持續(xù)攪拌10 min后,快速加入5 mL 10 g/L的檸檬酸鈉溶液,以穩(wěn)定膠體。膠體繼續(xù)攪拌20 min后裝入棕色容量瓶,放入冰箱(4 ℃)保存孵化2 d后待用,膠體中銀納米微粒的濃度為2.5×10-4mol/L。

1.2.2過(guò)氧化氫的測(cè)定 在10 mL比色管中,依次加入1.0 mL HAc-NaAc緩沖溶液(pH 5.2)、150 μL 1.0×10-3mol/L的MnCl2溶液與一定量的H2O2工作液,室溫下放置20 min后,加入1.0 mL 2.5×10-4mol/L的納米銀溶液,用水定容至10.0 mL,反應(yīng)5 min后,在熒光光度計(jì)上以λem=λex(Δλ=0 nm)進(jìn)行同步掃描(狹縫2.5 nm,電壓650 V),測(cè)量波長(zhǎng)411 nm處反應(yīng)體系的共振散射強(qiáng)度I,同時(shí)以不加H2O2體系的共振散射強(qiáng)度作為空白I0,計(jì)算ΔI=I0-I。

2　結(jié)果與討論

2.1體系的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

圖1　體系的紫外-可見(jiàn)吸收光譜Fig.1　UV-Vis absorption spectra of different systemsa.MnCl2;b-g.MnCl2+AgNPs+(0,0.245, 1.636,3.068,4.908,6.953) μmol/L H2O2;h.AgNPs；[MnCl2]：1.5×10-5 mol/L,[AgNPs]：2.5×10-5 mol/L;insert:relation of absorbance changed value ΔA and concentration of H2O2

體系的紫外-可見(jiàn)吸收光譜見(jiàn)圖1(插圖為吸光度差值ΔA與H2O2濃度的線(xiàn)性關(guān)系)。由圖1可知,納米銀在398 nm附近有明顯的吸收(圖1曲線(xiàn)h),而MnCl2幾乎無(wú)吸收(圖1曲線(xiàn)a)。當(dāng)向納米銀溶液中加入MnCl2溶液后,納米銀的吸收峰急劇下降(圖1曲線(xiàn)b),說(shuō)明此時(shí)納米銀和MnCl2發(fā)生了反應(yīng)。當(dāng)MnCl2和H2O2同時(shí)存在時(shí),納米銀的吸收峰下降程度減弱,且隨著H2O2濃度的增大,納米銀吸收峰的降低越不明顯(圖1曲線(xiàn)c～g),說(shuō)明H2O2的存在阻礙了納米銀和MnCl2的反應(yīng)。

圖2　體系的共振散射光譜Fig.2　Resonance light scattering(RLS)spectra of systemsa.MnCl2+ AgNPs;b-i.MnCl2+AgNPs+(0.078 8,1.58,3.94,6.30,7.88,9.46,11.82,14.18) μmol/L H2O2；[MnCl2]：1.5×10-5 mol/L，[AgNPs]：2.5×10-5 mol/L;insert:calibration curve of H2O2

2.2體系的共振散射光譜

體系的共振散射光譜如圖2所示。在pH 5.2的HAc-NaAc緩沖溶液中,Mn2+的作用下,納米銀發(fā)生聚集,其共振散射信號(hào)增大,最強(qiáng)散射峰位于411 nm處(圖2曲線(xiàn)a)。當(dāng)體系中繼續(xù)加入H2O2時(shí),納米銀的聚集程度相比加入H2O2前有所減弱,產(chǎn)生的共振散射信號(hào)隨之減弱,且共振散射強(qiáng)度隨著H2O2加入量的增加而減小,減弱程度與H2O2加入量呈一定的線(xiàn)性關(guān)系(圖2曲線(xiàn)b～i)。

2.3反應(yīng)機(jī)理

實(shí)驗(yàn)合成的納米銀以小顆粒(約4 nm)狀態(tài)均勻分布在溶液中(圖3A),其表面覆蓋著大量的檸檬酸根。具有3d軌道的Mn2+為5配位或6配位,—COOH與金屬離子之間具有極強(qiáng)的吸引力[26-27],因此Mn2+不僅可與任意一個(gè)納米銀表面帶—COOH的檸檬酸根通過(guò)金屬配位作用絡(luò)合,也可與鄰近納米銀表面上的檸檬酸根絡(luò)合,從而降低了納米銀表面檸檬酸根的覆蓋密度,減少了納米銀表面的負(fù)電荷,并導(dǎo)致納米銀大量聚集[28](圖3B)。

大多數(shù)過(guò)渡金屬離子與H2O2可發(fā)生Fenton或類(lèi)Fenton反應(yīng),反應(yīng)方程式為：

產(chǎn)物中的金屬陽(yáng)離子以不穩(wěn)定的氧化態(tài)存在[29]。Mn2+與H2O2可發(fā)生類(lèi)Fenton反應(yīng),生成不穩(wěn)定的Mn3+[30-31],反應(yīng)方程式為：

文獻(xiàn)表明,Mn3+對(duì)H2O2具有更強(qiáng)烈的催化分解作用[31]；Fenton或類(lèi)Fenton反應(yīng)產(chǎn)生的·OH可以氧化納米銀[32]。故當(dāng)納米銀與Mn2+配位絡(luò)合,同時(shí)存在H2O2時(shí),發(fā)生類(lèi)Fenton反應(yīng),生成Mn3+,使Mn2+濃度不斷降低,而生成的Mn3+與納米銀表面的檸檬酸根不能形成穩(wěn)定絡(luò)合物；同時(shí)銀納米微粒不斷被·OH氧化蝕刻,其濃度降低,這兩種反應(yīng)的結(jié)果使得納米銀與Mn2+絡(luò)合后的聚集程度減弱(圖3C),體系的共振散射強(qiáng)度則隨H2O2的加入而減弱,所得透射電子顯微鏡(TEM)結(jié)果與共振散射光譜結(jié)果相一致。

圖3　體系的透射電子顯微鏡圖Fig.3　TEM images of systemsA.AgNPs；B.MnCl2+ AgNPs；C.MnCl2+ AgNPs+ H2O2;[MnCl2]：1.5×10-5 mol/L,[AgNPs]：2.5×10-5 mol/L,[H2O2]：4.728 μmol/L

據(jù)此本文提出了Mn2+-AgNPs-H2O2體系的反應(yīng)機(jī)理(如圖4)。

圖4　體系的反應(yīng)機(jī)理Fig.4　The reaction mechanism of systems

2.4反應(yīng)條件的選擇

2.4.1緩沖溶液的選擇分別考察了B-R、HAc-NaAc和C-L緩沖溶液對(duì)體系ΔI值的影響。結(jié)果顯示,在HAc-NaAc緩沖溶液(pH 5.2)中,體系的ΔI值最大,反應(yīng)最靈敏,故以HAc-NaAc緩沖溶液(pH 5.2)作為反應(yīng)的最佳介質(zhì)。

2.4.2緩沖溶液用量的選擇比較了HAc-NaAc緩沖溶液(pH 5.2)不同用量條件下體系ΔI值的大小。結(jié)果表明,當(dāng)緩沖溶液的用量為1.0 mL時(shí),ΔI值最大,故實(shí)驗(yàn)選擇加入1.0 mL的HAc-NaAc緩沖溶液。

2.4.3MnCl2用量的選擇考察了MnCl2用量對(duì)體系ΔI值的影響。結(jié)果表明,MnCl2用量為150 μL時(shí),體系的ΔI值最大,當(dāng)MnCl2用量大于150 μL時(shí),ΔI值隨用量的增加反而減少,故選擇加入MnCl2溶液150 μL。

2.4.4納米銀用量的選擇 考察了納米銀用量對(duì)體系ΔI值的影響。結(jié)果表明,當(dāng)納米銀用量為1.0 mL時(shí),體系的ΔI值達(dá)到最大,隨著納米銀用量的繼續(xù)增大,體系ΔI值減小,因此納米銀的最佳用量為1.0 mL。

2.4.5反應(yīng)時(shí)間的選擇考察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)體系ΔI值的影響。使MnCl2和H2O2反應(yīng)20 min后再加入AgNPs,體系ΔI值達(dá)到最大且最穩(wěn)定。加入AgNPs后在1～100 min內(nèi)體系穩(wěn)定。故實(shí)驗(yàn)選擇在MnCl2和H2O2反應(yīng)20 min后加入AgNPs,并于定容5 min后測(cè)定。

2.5標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)與方法檢出限

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下,測(cè)定含不同濃度(0.078 8,1.58,3.94,6.30,7.88,9.46,11.82,14.18 μmol/L)H2O2的反應(yīng)體系的共振散射強(qiáng)度值。在波長(zhǎng)411 nm處,H2O2濃度(c,mol/L)在7.88×10-8～1.418×10-5mol/L范圍內(nèi)與體系ΔI值呈良好線(xiàn)性關(guān)系，回歸方程為ΔI=1.780×107c+57.42,相關(guān)系數(shù)(r)為0.996 7。按照實(shí)驗(yàn)方法平行測(cè)定空白體系11次,標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.24,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.059%,根據(jù)DL=3S/K求得方法檢出限(DL)為4.04×10-8mol/L。與已報(bào)道的方法相比,本方法所用試劑種類(lèi)少,操作簡(jiǎn)便,線(xiàn)性范圍寬,靈敏度高(見(jiàn)表1)。

表1　過(guò)氧化氫測(cè)定方法的比較Table 1　Comparison of some assays for H2O2

2.6干擾物質(zhì)的影響

按實(shí)驗(yàn)方法,當(dāng)H2O2濃度為3.94×10-6mol/L時(shí),考察了共存物質(zhì)(CS)的干擾情況,當(dāng)相對(duì)誤差的≤± 5%時(shí),共存物質(zhì)的允許量見(jiàn)表2。由表2可知,除了少量金屬離子(Cu2+,Pb2+,Fe3+等)對(duì)體系的干擾較大外,其他常見(jiàn)物質(zhì)的允許濃度較大,對(duì)H2O2的測(cè)定幾乎無(wú)影響,方法的選擇性較好。

表2　共存物質(zhì)對(duì)體系的影響Table 2　Effect of coexisting substances on system

2.7樣品分析與回收率實(shí)驗(yàn)

采集學(xué)校校園內(nèi)湖水和新鮮雨水水樣各1份,經(jīng)過(guò)濾處理后,靜置10 min,分別移取水樣2.0 mL,按照本方法進(jìn)行測(cè)定,同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),取水樣2.0 mL加入 7.88×10-5mol/L H2O2標(biāo)準(zhǔn)工作液 0.3 mL,測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　水樣的分析結(jié)果及回收率(n=5)Table 3　Analytical results and recovery of samples(n=5)

3　結(jié)　論

本文首次將H2O2-Mn2+的類(lèi)Fenton反應(yīng)和納米銀-Mn2+的絡(luò)合反應(yīng)相結(jié)合,建立了一種測(cè)定痕量H2O2的共振散射光譜新方法,檢測(cè)H2O2的線(xiàn)性范圍為7.88×10-8～1.42×10-5mol/L,檢出限為4.04×10-8mol/L,方法靈敏度較高,線(xiàn)性范圍較寬。本文同時(shí)對(duì)體系的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了探討,并闡述了引起納米銀聚集狀態(tài)以及導(dǎo)致共振散射強(qiáng)度發(fā)生變化的原因。

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Determination of Trace Hydrogen Peroxide by Resonance Light Scattering Method Based on Mn(Ⅱ)-Silver Nanoparticles System

TANG Ning-li*,CHEN Yong-ning,ZHANG Rong-hui,QIN Wen-lu

(College of Chemistry and Biological Engineering,Guilin University of Technology,Guilin541004,China)

According to the system resonance light scattering intensity will change with the variation of AgNPs aggregation state before and after the reaction,a novel resonance light scattering(RLS) method for the quantitative determination of trace hydrogen peroxide was developed using silver nanoparticles(AgNPs) as the resonance scattering probe.The silver nanoparticle with an average particle size of 4 nm was synthesized through the reduction of silver nitrate by sodium borohydride,using trisodiumcitrate as the protecting agent.The detection of H2O2mechanism was based on that Mn2+was chelated by the citrate covering on the surface of the silver nanoparticles,inducing the aggregation of AgNPs with increasing of resonance scattering intensity of the system.When H2O2was added to the system,Mn2+participated in Fenton-like reaction with H2O2producing Mn3+and hydroxyl radical(·OH).The complexation reaction of citrate on the surface of the AgNPs with Mn3+formed unstable complexes,and ·OH oxidatively etched AgNPs.Both of the two reactions could result in non-aggregation of AgNPs as well as relatively weakening resonance scattering intensity of the system.Under the optimal conditions,the resonance light scattering intensity of system at 411 nm was decreased linearly with concentration of H2O2over the range of 7.88×10-8-1.418×10-5mol/L,with a correlation coefficient of 0.996 7 and a detection limit of 4.04×10-8mol/L.This method was applied in the analysis of hydrogen peroxide in the lake and rain water samples with satisfactory results.

hydrogen peroxide；silver nanoparticles；resonance light scattering；Fenton-like reaction

2016-01-14；

2016-03-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(21165008)

唐寧莉,碩士,教授,研究方向：分子光譜分析,Tel:0773-2538431,E-mail:ysshiyanshi@163.com

10.3969/j.issn.1004-4957.2016.09.003

O657.3；TQ123.6

A

1004-4957(2016)09-1094-06