操江飛,韋壽蓮,陳淼鑫

(肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，廣東 肇慶 526061)

鉻元素通常以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)兩種形式廣泛存在于自然界及工業(yè)廢棄物、廢水中[1]。其中，Cr(Ⅲ)為人體必需的微量元素，正常食品補(bǔ)給劑量下無毒，但濃度較高時(shí)則會(huì)表現(xiàn)出細(xì)胞毒性反應(yīng)；而Cr(Ⅵ)易穿過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)被還原為Cr(Ⅲ)，并通過與細(xì)胞內(nèi)的大分子物質(zhì)相結(jié)合而干擾細(xì)胞、酶的正?；钚裕踔粮淖冞z傳密碼，成為致癌和致突變的誘發(fā)因子，濃度大時(shí)還會(huì)導(dǎo)致死亡[2-4]。目前，鉻已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，如鍍鉻、染料和顏料制造、皮革鞣革和食品包裝等，從而導(dǎo)致鉻在環(huán)境中的暴露，對人體健康造成巨大威脅。因此，開發(fā)一種具有良好選擇性、高靈敏度的Cr(Ⅲ)檢測方法顯得尤為必要[5]。

目前，對于鉻離子的檢測方法主要有原子吸收光譜法[6-7]、伏安法[8-10]、分光光度法[11]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[12]和表面等離子體場增強(qiáng)共振光散射法[13]等。這些方法雖能較為準(zhǔn)確地測定樣品中的鉻離子含量且具有較低的檢出限，但需要借助價(jià)格較為昂貴的大型儀器設(shè)備，對運(yùn)行環(huán)境和維護(hù)費(fèi)用要求較高，不能滿足現(xiàn)場快速檢測的需要。納米材料在金屬離子的研究和運(yùn)用在一定程度上解決了上述方法的缺陷。最近，有文獻(xiàn)報(bào)道利用功能化的納米金檢測重金屬離子[14-16]，即氯金酸經(jīng)還原劑還原后生成納米金溶膠，再通過某種特定的化學(xué)鍵作用使納米金功能化，當(dāng)加入目標(biāo)離子后，金溶膠會(huì)由酒紅色變?yōu)榛宜{(lán)色。這種方法不僅能同時(shí)檢測多種重金屬離子，而且在實(shí)際操作中較為簡便，有較好的準(zhǔn)確度和精確度。然而，氯金酸較為昂貴，且功能化納米金的檢測受重金屬的干擾較大[17]。因此，納米金在重金屬的檢測中存在一定不足。

圖1 甲基紫吸附的納米銀制備及對Cr3+的檢測原理Fig.1 Preparation of silver nanoparticles adsorption by methyl violet and detection principles of Cr3+

本研究建立了一種甲基紫吸附的納米銀粒子比色檢測Cr(Ⅲ)的方法。在檸檬酸鈉作穩(wěn)定劑的溶液體系下，通過硼氫化鈉還原硝酸銀制備出納米銀。再加入甲基紫，通過甲基紫分子的N配位原子與納米銀溶膠通過橋聯(lián)作用[18]和靜電引力作用吸附于銀粒子表面，使納米銀穩(wěn)定，且納米銀粒子表面的銀原子能與甲基紫發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而使甲基紫強(qiáng)烈吸附于納米銀粒子表面。加入Cr(Ⅲ)溶液后，表面吸附甲基紫的納米銀粒子與Cr(Ⅲ)通過金屬配體反應(yīng)促使納米銀粒子發(fā)生團(tuán)聚，體系由亮黃色變成灰紅色(如圖1)，基于此原理，建立了可用于Cr(Ⅲ)檢測的分析方法。分別考察了水體和食品中常見金屬離子對檢測體系的影響，結(jié)果顯示上述金屬離子均不能使納米銀粒子發(fā)生團(tuán)聚。該方法中，合成納米銀所用硝酸銀的價(jià)格遠(yuǎn)低于合成納米金所用氯金酸的價(jià)格，且靈敏度高、選擇性好，具有很好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硝酸銀、硼氫化鈉、檸檬酸鈉、甲基紫、檸檬酸、磷酸氫二鈉、硝酸鉻、硝酸鈉、硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸鋇、硝酸鈣、硝酸鎘、硝酸銅、硝酸鈷、硝酸鉀、硝酸鐵、硝酸汞、硝酸鎳、硝酸鉛、硝酸鋅、硝酸錳、重鉻酸鉀、濃硝酸、30%過氧化氫、5%硝酸；以上試劑均為分析純，購于廣州化學(xué)試劑廠；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

UV-Vis916型紫外可見分光光度計(jì)(澳大利亞GBC科學(xué)儀器公司)，分析天平(上海精密儀器有限公司)，pH試紙(上海三愛思試劑有限公司)，Canon數(shù)碼相機(jī)(SX 240 HS，日本佳能公司)。

1.2 納米銀的制備

參照文獻(xiàn)[17]并稍加修改：向70.0 mL含0.01 mol·L-1硼氫化鈉和0.28 mmol·L-1檸檬酸鈉的溶液中逐滴滴加20.0 mL 1.0 mmol·L-1的硝酸銀，得到穩(wěn)定的亮黃色納米銀溶膠。

1.3 納米銀-甲基紫探針的制備

準(zhǔn)確配制濃度為1.0×10-6mol·L-1甲基紫溶液。取1.0 mL甲基紫加至2.0 mL納米銀溶膠中，用檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液將體系調(diào)至pH 4.0，將混合溶液振搖5 min，于室溫下靜置15 min，得到黃色的納米銀-甲基紫探針溶液。

1.4 比色法檢測Cr3+

將不同濃度的Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加至納米銀-甲基紫探針溶液中，溶液在室溫下由黃色變成紅色，分別將加入Cr3+前后的溶液用紫外可見分光光度計(jì)檢測，吸光度比值ΔA/A0與Cr3+濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系(ΔA=A0-A)，其中A0表示未加Cr3+的納米銀-甲基紫探針溶液的吸光度，A表示加Cr3+后納米銀-甲基紫探針溶液的吸光度[17]。通過此關(guān)系，可檢測出Cr3+濃度并確定此方法的裸眼檢出限。

1.5 樣品前處理

在肇慶市天龍油墨廠污水排水口5 m處采集水樣和自來水進(jìn)行樣品分析。由于印染廢水的色度直接影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此需要對樣品進(jìn)行前處理[19-20]：取25 mL印染廢水，加入3.0 mL濃硝酸和1.0 mL 30%的過氧化氫溶液，加熱蒸發(fā)至溶液呈無色澄清或者微黃色后，用5%硝酸定容至25 mL。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米銀、納米銀-甲基紫探針及納米銀團(tuán)聚后的吸收波長分析

圖2 不同形態(tài)納米銀粒子的紫外-可見光譜Fig.2 Ultraviolet-visible spectra of silver nanoparticles in different formsa.silver nanoparticles;b.silver nanoparticles adsorption by methyl violet;c.silver nanoparticles aggregation in 1 mmol·L-1 Cr3+

按照上述“1.2～1.3”制備納米銀和納米銀-甲基紫探針，分別用紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，譜圖如圖2 a、b所示，納米銀在399 nm處有1明顯吸收峰，這與文獻(xiàn)一致[17]。加入甲基紫后，納米銀的最大吸收波長由399 nm紅移至405 nm，說明甲基紫成功吸附在納米銀粒子表面。在1.0 mmol·L-1Cr3+溶液中加入納米銀-甲基紫探針，納米銀發(fā)生團(tuán)聚后進(jìn)行光譜掃描。結(jié)果顯示，當(dāng)納米銀-甲基紫探針溶液中加入Cr3+時(shí)，體系的顏色在數(shù)分鐘內(nèi)由亮黃色變成灰紅色，吸光度顯著降低，最大吸收峰從405 nm紅移至426 nm，說明Cr3+可與納米銀通過螯合配體發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。

2.2 甲基紫用量對納米銀粒子分散程度的影響

分別向2.0 mL納米銀溶膠中加入不同體積(0.5、1.0、1.5、2.0 mL)的1.0×10-6mol·L-1甲基紫溶液，考察甲基紫用量對納米銀粒子分散程度的影響。結(jié)果顯示，甲基紫的用量為1.0 mL時(shí)，納米銀的吸光度最大，說明此用量下納米銀粒子的分散最均勻，高于或低于此用量，均會(huì)導(dǎo)致納米銀的吸光度降低。因此，本實(shí)驗(yàn)選定2.0 mL納米銀中，甲基紫的最佳用量為1.0 mL。

2.3 pH值對納米銀-甲基紫探針團(tuán)聚的影響

圖3 100 μmol·L-1 Cr3+濃度下，pH值對納米銀吸光度的影響Fig.3 Effect of pH value on absorbance of silver nanoparticles in 100 μmol·L-1 Cr3+

由于納米銀粒子在不同pH值下的團(tuán)聚情況不同，因此考察了不同pH值的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液體系對納米銀-甲基紫探針團(tuán)聚的影響。結(jié)果顯示，在pH 4.0～7.0范圍內(nèi)，溶液呈亮黃色，而在pH 2.0、3.0時(shí)，納米銀溶膠因發(fā)生團(tuán)聚而呈深灰色。其團(tuán)聚原因是納米銀粒子存在偶電層(Ag+—負(fù)吸附質(zhì))，隨著pH值減小，溶液中H+濃度增大，有利于H+與甲基紫形成競爭作用吸附在納米銀粒子表面，使得吸附于納米銀粒子的甲基紫減少，納米銀失去穩(wěn)定而團(tuán)聚變色[21]。分別在pH 3.2～7.0的溶液中滴加100 μmol·L-1Cr3+溶液，結(jié)果只有pH 4.0時(shí)納米銀發(fā)生團(tuán)聚而變成紅棕色，且此時(shí)溶液的吸光度比值(ΔA/A0)最大(圖3)，表明此時(shí)Cr3+對納米銀的團(tuán)聚作用最強(qiáng)。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇最佳pH值為4.0。

圖4 緩沖溶液濃度對納米銀-甲基紫探針團(tuán)聚的影響Fig.4 Effect of buffer solution concentration on aggregation of silver nanoparticles-methyl violet probe

2.4 緩沖溶液濃度對納米銀-甲基紫探針團(tuán)聚的影響

分別用濃度為0.05、0.10、0.15、0.20 mol·L-1的檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液將納米銀-甲基紫探針體系調(diào)至pH 4.0，考察了緩沖溶液濃度對納米銀團(tuán)聚程度的影響(見圖4)。結(jié)果顯示，緩沖溶液濃度為0.2 mol·L-1時(shí)，ΔA/A0的值最大，表明隨著鹽濃度的增大，納米銀粒子之間的靜電排斥力降低，其團(tuán)聚程度增強(qiáng)。當(dāng)緩沖溶液濃度為0.1 mol·L-1時(shí)，ΔA/A0的值最小，說明此濃度下納米銀粒子的團(tuán)聚程度最小。因此，本實(shí)驗(yàn)選定檸檬酸-磷酸氫二鈉緩沖溶液的最佳濃度為0.1 mol·L-1。

2.5 反應(yīng)時(shí)間的選擇

在pH 4.0體系中，向納米銀-甲基紫探針溶膠中分別滴加濃度為5、10 、40 μmol·L-1的Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液，考察了反應(yīng)時(shí)間的影響。結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，體系的ΔA/A0值增大，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到30 min后，繼續(xù)增大反應(yīng)時(shí)間，其ΔA/A0值基本不變，表明納米銀的團(tuán)聚程度已達(dá)到飽和。因此，實(shí)驗(yàn)選擇最佳反應(yīng)時(shí)間為30 min。

2.6 反應(yīng)溫度的選擇

在pH 4.0體系內(nèi)，分別于不同溫度(10、15、20、25、30 ℃)的納米銀-甲基紫探針溶膠中滴加一定濃度Cr3+溶液，反應(yīng)30 min，考察反應(yīng)溫度的影響。結(jié)果顯示，25 ℃時(shí)，體系的ΔA/A0值最大，高于或低于此溫度，該比值均會(huì)降低，說明此溫度下Cr3+對納米銀的團(tuán)聚作用最強(qiáng)。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇最佳反應(yīng)溫度為25 ℃。

圖5 裸眼檢出限顯色圖Fig.5 Detection limit of naked eye and coloring diagram

2.7 線性范圍與檢出限

在選定實(shí)驗(yàn)條件下，運(yùn)用“1.4”實(shí)驗(yàn)方法對不同濃度Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測定。結(jié)果顯示，隨著體系中Cr3+濃度的增加，溶液的變色程度逐漸加深，即納米銀的團(tuán)聚程度越來越大(見圖5)。當(dāng)體系中Cr3+濃度低于0.3 μmol·L-1時(shí)，無法通過裸眼分辨出納米銀-甲基紫探針溶膠的變色情況，即裸眼檢出限為0.3 μmol·L-1。研究顯示，在2.0～10.0 μmol·L-1濃度范圍內(nèi)，ΔA/A0(y)與Cr3+濃度(x,μmol·L-1)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為y=0.071 8x+0.072 0，相關(guān)系數(shù)(r)為0.997 6。

2.8 重現(xiàn)性與選擇性

對5.0、8.0 μmol·L-1Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定5次以考察該方法的重現(xiàn)性，測得其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為1.4%、2.2%，說明該方法的重現(xiàn)性良好。

為評價(jià)該方法對Cr3+的選擇性，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，考察了常見金屬離子Na+、Mg2+、Al3+、Ba2+、Cr(Ⅵ)、Ca2+、Pb2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、K+、Fe3+、Hg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+對納米銀-甲基紫探針的響應(yīng)。結(jié)果顯示，Cr3+能使納米銀發(fā)生團(tuán)聚，而其他金屬離子均無明顯影響，表明該方法對檢測Cr3+具有良好的選擇性。

2.9 實(shí)際樣品的檢測

分別取自來水(A)和肇慶市天龍油墨廠的印染廢水(B)進(jìn)行樣品檢測。按照“1.5”對樣品進(jìn)行前處理后，按照“1.4”進(jìn)行檢測并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表可知，采用本方法在自來水中未檢出Cr3+，印染廢水中檢出一定量的Cr3+，且后者檢測結(jié)果與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-AES)的測定結(jié)果一致。按5.00 μmol·L-1Cr(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加標(biāo),測得上述樣品的回收率為93.2%～100%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于1.5%。

表1 實(shí)際樣品中Cr3+的檢測結(jié)果(n=5)Table 1 Detection results of Cr3+ in actual samples(n=5)

*no detected

3 結(jié) 論

本研究建立了一種納米銀-甲基紫探針比色法快速檢測Cr3+的方法。納米銀-甲基紫探針能特異性地結(jié)合Cr3+，并使溶液體系的顏色由亮黃色變至灰紅色。方法測得Cr3+的線性范圍為2.0～10.0 μmol·L-1,裸眼檢出限為0.3 μmol·L-1。方法的檢出限低、選擇性高、重現(xiàn)性好且操作簡便、檢測迅速、成本低，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。