基于銀納米增強(qiáng)的化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)對(duì)苯二酚

曹俊濤，王 輝，劉啟祥，劉彥明

(信陽師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 河南 信陽 464000)

0 引言

對(duì)苯二酚(HQ)是一種重要的化工原料和有機(jī)合成中間體.其作為還原劑、抗氧化劑、聚合抑制劑以及其他化學(xué)中間體已被廣泛使用.由于對(duì)苯二酚毒性較高且在生態(tài)系統(tǒng)中降解困難，其正成為一種重要的環(huán)境污染物，對(duì)人類健康產(chǎn)生威脅.因此，建立簡(jiǎn)單、快速、靈敏檢測(cè)對(duì)苯二酚的新方法具有重要意義.目前測(cè)定對(duì)苯二酚的主要方法有分光光度法[1]、高效液相色譜法[2]、熒光法[3]、局部表面等離子體共振光散射[4]、電化學(xué)法[5]等.這些方法均有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些不足之處，如靈敏度不高、裝置價(jià)格昂貴、耗時(shí)、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)分析等.

流動(dòng)注射分析(FI)是溶液自動(dòng)在線處理及測(cè)定的現(xiàn)代分析技術(shù)，具有分析速度快、準(zhǔn)確度和精密度高、設(shè)備和操作簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)、試樣和試劑用量少等特點(diǎn).化學(xué)發(fā)光分析方法(CL)具有檢測(cè)靈敏度高、線性范圍寬、儀器設(shè)備價(jià)格低等諸多優(yōu)點(diǎn)受到研究者的青睞.將CL檢測(cè)技術(shù)與FI分析法聯(lián)用形成的FI-CL不僅具有FI的各種優(yōu)點(diǎn)還保存了CL的特點(diǎn)，已越來越多的應(yīng)用于樣品在線分析[6-12].近年來，納米材料以其優(yōu)良的光、電、磁或催化性能在電化學(xué)、熒光、表面等離子共振光散射、化學(xué)發(fā)光等檢測(cè)當(dāng)中應(yīng)用廣泛[13-14].我們發(fā)現(xiàn)，銀納米粒子(AgNPs)對(duì)化學(xué)發(fā)光體系具有優(yōu)良的催化性能，對(duì)提高CL反應(yīng)靈敏度具有顯著增強(qiáng)作用.基于此，我們構(gòu)建luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs CL體系，而HQ對(duì)luminol- K3Fe(CN)6-AgNPs 化學(xué)發(fā)光體系具有顯著的抑制作用，結(jié)合流動(dòng)注射技術(shù)提出了luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs化學(xué)發(fā)光靈敏檢測(cè)對(duì)苯二酚的新方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器裝置

IFFM-E型FI-CL分析儀(西安瑞邁分析儀器有限公司)；聚四氟乙烯管(內(nèi)徑0.8 mm)；Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)(Varian，美國(guó))，使用前關(guān)閉激發(fā)光源；UVmini-1240型紫外可見分光光度計(jì)(Shimadzu，日本)；JEM-2100F型200 kV場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM，日本電子株式會(huì)社JEOL，日本).

1.2 試劑與溶液

對(duì)苯二酚、K3Fe(CN)6、NaBH4、Na3C6H5O7·2H2O和AgNO3均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；1.0 × 10-2mol · L-1魯米諾(luminol，蘇州亞科化學(xué)試劑股份有限公司)儲(chǔ)備液用0.1 mol · L-1NaOH配制；所用其他試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)溶液均由18.2 MΩ·cm純水(臺(tái)灣艾柯-成都康寧實(shí)驗(yàn)專用純水設(shè)備廠)配制.所有儲(chǔ)備液保存于4 ℃冰箱中.實(shí)驗(yàn)中所需各種工作溶液均由儲(chǔ)備液當(dāng)天稀釋后配制而成.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

基于AgNPs對(duì)luminol-K3Fe(CN)6化學(xué)發(fā)光的強(qiáng)增強(qiáng)作用構(gòu)建化學(xué)發(fā)光體系，利用對(duì)苯二酚對(duì)該體系的強(qiáng)烈抑制作用實(shí)現(xiàn)對(duì)苯二酚的靈敏檢測(cè).化學(xué)發(fā)光反應(yīng)線路如圖1所示，luminol(c管)和K3Fe(CN)6(d管)溶液預(yù)先經(jīng)P2泵入FI發(fā)光測(cè)量?jī)x，而對(duì)苯二酚(或空白)樣品(a管)溶液和AgNPs(b管)經(jīng)P1泵入，樣品進(jìn)入流通池后與反應(yīng)溶液發(fā)生反應(yīng)，并產(chǎn)生CL信號(hào)，最后由計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù).未注入對(duì)苯二酚樣品時(shí)，測(cè)得信號(hào)的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度記為I0，為發(fā)光體系的空白信號(hào)；當(dāng)注入對(duì)苯二酚樣品時(shí)，所測(cè)信號(hào)為抑制的CL信號(hào)，記為Is，則該樣品對(duì)的發(fā)光強(qiáng)度抑制量ΔICL=Is-I0，樣品的濃度與ΔICL呈正比關(guān)系，據(jù)此可得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后以同樣的測(cè)定方法再結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線就能測(cè)定對(duì)苯二酚的含量.

a.對(duì)苯二酚; b.AgNPs; c.luminol 溶液; d.K3Fe(CN)6溶液; P1.主蠕動(dòng)泵; P2.副蠕動(dòng)泵; Y1和Y2.混合器; S.六通閥進(jìn)樣器; F.流通池; W.廢液; PMT.光電倍增管; NHV.光電倍增管的負(fù)高壓; PC.計(jì)算機(jī).圖1 FI-CL檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the FI-CL system

1.4 AgNPs的合成

AgNPs采用文獻(xiàn)[15]方法制備.首先，稱取0.004 25 g AgNO3和0.007 35 g Na3C6H5O7· 2H2O溶于100 mL水中(二者濃度均為0.25 mmol · L-1)，攪拌30 s.然后將新配制的3 mL，1.0 mmol ·L-1NaBH4快速加入上述混合溶液中，溶液顏色立即變?yōu)辄S色，持續(xù)攪拌60 s.所制備AgNPs溶液于4 ℃冰箱中保存.

2 結(jié)果與討論

2.1 AgNPs的表征

AgNPs的粒徑大小、形態(tài)和分散性通過透射電子顯微鏡進(jìn)行表征.如圖2a所示，AgNPs的平均粒徑約為5 nm, 濃度約6.5 × 10-8mol ·L-1[16].紫外可見光譜表明，所制備的AgNPs在390 nm處有一個(gè)強(qiáng)表面等離子共振峰(見圖2b).

圖2 AgNPs的TEM圖(a)和UV-vis吸收光譜(b)Fig.2 TEM image (a) and UV-vis spectrum (b) of AgNPs

2.2 CL檢測(cè)條件優(yōu)化

2.2.1 NaOH濃度的影響

魯米諾的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)通常在堿性介質(zhì)(如NaOH)中進(jìn)行.考察了NaOH濃度在0.01～0.2 mol· L-1范圍內(nèi)對(duì)ΔICL的影響.結(jié)果表明，ΔICL隨著NaOH濃度的增加而增強(qiáng)，在0.15 mol ·L-1時(shí)ΔICL達(dá)到最大，之后逐漸降低.所以，選擇0.15 mol · L-1NaOH作為稀釋luminol儲(chǔ)備液的緩沖介質(zhì).

2.2.2 Luminol濃度的影響

作為發(fā)光劑，luminol的濃度有重要影響.考察了luminol在1.0 × 10-6～1.0 × 10-5mol · L-1濃度范圍內(nèi)對(duì)ΔICL的影響.ΔICL隨著luminol濃度的增加而增強(qiáng)，至8.0 × 10-6mol ·L-1后逐漸降低.因此，選取luminol的濃度為8.0 × 10-6mol ·L-1.

2.2.3 K3Fe(CN)6濃度的影響

考察了氧化劑K3Fe(CN)6濃度在1.0 × 10-6～1.0 × 10-5mol ·L-1范圍內(nèi)對(duì)ΔICL的影響.在1.0 × 10-6～5.0 × 10-5mol ·L-1內(nèi)ΔICL隨濃度增加而增強(qiáng)，當(dāng)K3Fe(CN)6濃度高于1.0 × 10-5mol ·L-1后ΔICL逐漸減弱.K3Fe(CN)6的最佳濃度選擇為1.0 × 10-5mol ·L-1.

2.2.4 AgNPs濃度的影響

在luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs發(fā)光體系中，作為增強(qiáng)信號(hào)的AgNPs的濃度對(duì)CL信號(hào)也有重要的影響.考察了6.5 × 10-10～6.5 × 10-8mol ·L-1濃度范圍內(nèi)AgNPs的影響.ΔICL隨著AgNPs濃度的增加而增強(qiáng)，當(dāng)濃度高于3.2 × 10-8mol ·L-1時(shí)，ΔICL增強(qiáng)較小.選擇AgNPs 的濃度為3.2 × 10-8mol ·L-1.

2.3 FI-CL運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

為了獲得高的檢測(cè)靈敏度和好的重現(xiàn)性，對(duì)采樣和測(cè)量的運(yùn)行時(shí)間及P1和P2的流速進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果列于表1.

表1 FI-CL系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化及結(jié)果Tab.1 Effect of running parameters of FI-CL system and the optimum values

由表1可知，所提出的FI-CL方法測(cè)定一個(gè)HQ樣品的時(shí)間為34 s，即樣品的測(cè)定速率約為105 個(gè)/h.

2.4 線性范圍、檢出限和重現(xiàn)性

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)HQ進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)線性范圍在1.0 × 10-10～1.0 × 10-7mol ·L-1，線性方程為ΔICL= 3 889.1 + 1.1 × 1011C(C為HQ濃度， mol ·L-1)，相關(guān)系數(shù)r= 0.996，檢出限為3.0 × 10-11mol ·L-1.對(duì)5.0 × 10-9mol ·L-1HQ平行測(cè)定11次，RSD為1.4%.

2.5 干擾實(shí)驗(yàn)

在選定實(shí)驗(yàn)條件下，考察了一些可能共存物質(zhì)對(duì)HQ測(cè)定的影響.選用5.0 × 10-9mol ·L-1HQ 溶液，當(dāng)干擾水平不超過± 5 %時(shí)，認(rèn)為基本不干擾.結(jié)果表明，1 000倍的Na+、K+、Cl-、Br-、Ac-、CO32-，500倍的淀粉、葡萄糖、檸檬酸、SO32-、C2O42-，100倍的Ca2+、Mg2+、Zn2+、Al3+，10 倍的Cr3+、Cu2+、NO2-，1倍的多巴胺、抗壞血酸、苯酚基本不干擾.

2.6 實(shí)際樣品分析

將提出的方法應(yīng)用于信陽某一河水和自來水中HQ的測(cè)定.結(jié)果表明，在河水和自來水中均未檢出HQ.又進(jìn)行了3個(gè)不同濃度水平HQ的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2.

表2 提出的FI-CL方法測(cè)定不同濃度水平HQ在河水和自來水中的回收率Tab.2 Recovery for HQ at different spiked levels in river water and tap water samples by the FI-CL method

由表2可知，HQ的加標(biāo)回收率為98.0%～100.8%(河水)和99.1%～100.4%(自來水)，峰高的RSD不大于2.5%，結(jié)果令人滿意.

2.7 機(jī)理研究

實(shí)驗(yàn)表明，AgNPs對(duì)luminol-K3Fe(CN)6化學(xué)發(fā)光體系具有增強(qiáng)作用，HQ對(duì)luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs體系具有抑制效應(yīng)，結(jié)果見圖3.為了探討反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)行了CL光譜實(shí)驗(yàn)(見圖4).CL光譜表明，luminol-K3Fe(CN)6、luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs和luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs-HQ體系的最大發(fā)光波長(zhǎng)均為425 nm，與3-aminophthalate(luminol的氧化產(chǎn)物)的發(fā)光光譜一致，說明上述3個(gè)CL反應(yīng)體系均應(yīng)是3-aminophthalate發(fā)光.文獻(xiàn)[13-14]報(bào)道AgNPs作為催化劑可催化溶解氧生成含有活性氧的反應(yīng)中間體如OH·、O2·-等，據(jù)此推導(dǎo)AgNPs增強(qiáng)luminol-K3Fe(CN)6體系的可能反應(yīng)機(jī)理如下：

當(dāng)HQ引入luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs體系時(shí)，HQ分子結(jié)構(gòu)中的羥基和luminol中間體發(fā)生反應(yīng)從而抑制CL信號(hào).

圖3 HQ對(duì)luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的抑制作用Fig.3 HQ inhibition on luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs CL reactionConditions: a. luminol-K3Fe(CN)6；b. luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs；c. b + 1.0 × 10-9 mol ·L-1 HQ；d. b +1.0 × 10-7 mol ·L-1 HQ

圖4 化學(xué)發(fā)光光譜 Fig.4 Chemiluminescence spectrum of reactions(1) luminol-K3Fe(CN)6; (2) (1) + AgNPs; (3) (2) + HQ.

Condition:luminol, 8.0 × 10-6mol·L-1(0.15mol·L-1NaOH);K3Fe(CN)6, 1.0 × 10-5mol·L-1;AgNPs, 3.2 × 10-8mol·L-1;andHQ, 2.0 × 10-7mol·L-1

3 結(jié)論

基于在堿性介質(zhì)中HQ對(duì)luminol-K3Fe(CN)6-AgNPs化學(xué)發(fā)光體系的顯著抑制作用，建立了一種簡(jiǎn)單、快速、靈敏的FI-CL測(cè)定HQ的新方法，并應(yīng)用于河水和自來水的測(cè)定.結(jié)合化學(xué)發(fā)光光譜探討了反應(yīng)機(jī)理.該方法在環(huán)境樣品中HQ檢測(cè)具有應(yīng)用前景.