碳納米微粒共振瑞利散射能量轉(zhuǎn)移測(cè)定鉻(Ⅵ)

劉慶業(yè)，汪　花，黃丹華，何世赫，李　嬌，羅鈞恒，張杏輝，溫桂清，梁愛(ài)惠，蔣治良

(1.廣西師范大學(xué)巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；2.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西桂林541004)

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碳納米微粒共振瑞利散射能量轉(zhuǎn)移測(cè)定鉻(Ⅵ)

劉慶業(yè)1，2，汪花1，2，黃丹華1，2，何世赫1，2，李嬌1，2，羅鈞恒1，2，張杏輝1，2，溫桂清1，2，梁愛(ài)惠1，2，蔣治良1，2

(1.廣西師范大學(xué)巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；2.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要：在pH5.0 NaAc-HAc緩沖溶液介質(zhì)，活化劑鄰菲啰啉(phen)、增敏劑十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)和氧化劑H2O2體系中，碳納米微粒(CNPs)在423 nm處產(chǎn)生較強(qiáng)的共振瑞利散射，顯色劑茜素紅(ARS)的吸收光譜與CNPs的共振瑞利散射光譜(RRS)重疊，二者產(chǎn)生等離子共振瑞利散射能量轉(zhuǎn)移(SPRRS-ET)，導(dǎo)致散射光強(qiáng)度降低。Cr(Ⅵ) 對(duì)H2O2具有催化氧化ARS作用，隨著Cr(Ⅵ)濃度增加，ARS濃度降低，SPRRS-ET減弱，散射光增強(qiáng)，據(jù)此建立測(cè)定痕量Cr(Ⅵ)的共振光散射能量轉(zhuǎn)移光譜分析法。Cr(Ⅵ)濃度在0.004～0.16 mg/L范圍內(nèi)與共振光散射增強(qiáng)ΔI呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，回歸方程ΔI423 nm=49 442 C+65.1，相關(guān)系數(shù)0.996 9，檢出限8.0 μg/L，回收率為96.82%～101.13%，用于環(huán)境水樣Cr(Ⅵ)的測(cè)定，結(jié)果滿(mǎn)意。

關(guān)鍵詞：碳納米微粒；Cr(Ⅵ)；催化；共振瑞利散射-能量轉(zhuǎn)移

鉻是一種用途非常廣泛的金屬元素，但其在開(kāi)采、冶煉及鉻鹽的制造、使用過(guò)程中都對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的污染。鉻的毒性與其存在形式有關(guān)，金屬鉻毒性最小，Cr(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)的毒性稍大，Cr(Ⅵ)毒性最大。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，Cr(Ⅵ)的毒性約為Cr(Ⅲ)的100多倍，是強(qiáng)致癌致突變物質(zhì)。Cr(Ⅵ)易溶于酸并隨水遷移后進(jìn)入環(huán)境造成污染，能被人體吸收并在體內(nèi)蓄積，長(zhǎng)期攝入高濃度的Cr(Ⅵ)會(huì)引起扁平上腺癌、肺癌、皮膚癌等疾病[1]，因此對(duì)Cr(Ⅵ)在環(huán)境中的測(cè)定具有重要意義。目前，Cr(Ⅵ)的測(cè)定方法主要有光度法[2-3]、示波極譜法[4]、原子吸收光譜法[5]、等離子體發(fā)射光譜法[6]、熒光猝滅法[7]、連續(xù)流動(dòng)注射法[8]及共振瑞利散射光譜法[9]等，其中，共振散射光譜法具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn)[10-12]。納米金具有良好的光學(xué)、電學(xué)特性和生物相容性及共振瑞利散射效應(yīng)，在共振散射分析法中得到廣泛的應(yīng)用[13-14]。納米碳具有價(jià)廉、穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛用于碳素墨水，其主要成分是炭黑與明膠經(jīng)膠體磨研而制成[15]，若以碳素墨水作為共振瑞利散射光譜探針，具有獲取容易、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[16]報(bào)道液相碳納米微粒濃度與其共振光散射強(qiáng)度I470 nm呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，具有靈敏度高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。但碳納米微粒在共振瑞利散射痕量分析的應(yīng)用報(bào)道較少。本文研究Cr(Ⅵ)-ARS-phen-CTMAB體系與納米碳相互作用共振散射光譜，據(jù)此建立一種檢測(cè)痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光譜能量轉(zhuǎn)移分析法，并進(jìn)行環(huán)境水樣中Cr(Ⅵ)的分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

Cary Eclipse型熒光分光光度計(jì)(美國(guó)Varian公司)；TU-1901型雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；Nano ZS90型激光散射儀(美國(guó) Varian公司)；PHS-3C酸度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；SK2200HP超聲波反應(yīng)器(上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司，工作頻率為53 kHz)。

1∶3 000(體積比)CNPs溶液：移取50 μL碳素墨水(上海精細(xì)文化用品有限公司)加入3 mL水中，加水定容至5 mL，移取其中150 μL加水定容至5 mL；100 mg/L Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：準(zhǔn)確稱(chēng)取K2Cr2O7(經(jīng)過(guò)105 ℃烘至恒質(zhì)量) 0.282 9 g溶于適量水，定容至1 000 mL，用時(shí)稀釋成1.0 mg/L Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)工作液；ARS溶液：2.0×10-3mol/L；CTMAB溶液：10 g/L；NaAc-HAc緩沖溶液(pH4.0～5.5)：0.2 mol/L；phen溶液：3.0×10-3mol/L；H2O2溶液：90 g/L，現(xiàn)配現(xiàn)用。所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為亞沸蒸餾水。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

取兩支10 mL的具塞刻度試管，其中一支加入適量的Cr(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，另一支不加(非催化體系，作空白對(duì)照)。向兩支試管分別加入500 μL ARS溶液、500 μL pH5.0 NaAc-HAc溶液、200 μL phen溶液、300 μL CTMAB溶液、600 μL H2O2，加水定容至5 mL，混勻后于100 ℃水浴加熱反應(yīng)3 min，用流水冷卻5 min。再分別向兩支試管中加入200 μL CNPs溶液，搖勻，取適量于石英比色皿中，置熒光分光光度計(jì)上，PMT電壓為450 V，狹縫為 5.0 nm，同步掃描(λem=λex)獲得體系的共振散射光譜。在423 nm波長(zhǎng)處測(cè)定體系的散射光強(qiáng)度I423 nm和空白試劑 (不加Cr(Ⅵ)的反應(yīng)液)的散射光強(qiáng)度I0，計(jì)算ΔI423 nm=I423 nm-I0。

2結(jié)果與討論

2.1體系的共振瑞利散射光譜與吸收光譜

在分析體系中，CNPs在423 nm處產(chǎn)生強(qiáng)烈的共振瑞利散射峰(圖1a)，ARS在425 nm處有吸收峰(圖1b)，溶液中的ARS吸收CPNs的共振散射能量，體系中供體CNPs的共振散射峰與受體ARS吸收峰相距很近，幾乎重疊，供體CNPs的共振能量轉(zhuǎn)移(RRS-ET)給受體ARS，導(dǎo)致體系的共振散射強(qiáng)度變?nèi)?。Cr(Ⅵ)能催化H2O2氧化ARS，當(dāng)Cr(Ⅵ)濃度增加，ARS濃度降低，RRS-ET減弱，散射光強(qiáng)度則增強(qiáng)，檢測(cè)到的散射信號(hào)上升(圖2)。在423 nm處共振散射光強(qiáng)度增大值與Cr(Ⅵ)濃度呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，利用此原理可建立檢測(cè)痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光譜能量轉(zhuǎn)移分析方法。本文選擇423 nm波長(zhǎng)測(cè)定Cr(Ⅵ)，體系的共振散射光譜如圖3。

圖1　受體ARS吸收峰和供體CNPs散射峰的關(guān)系Fig.1　The relationship between the acceptor ARS absorption peak and the donor CPNs RS peak

圖2　催化納米碳共振瑞利散射光譜能量轉(zhuǎn)移法測(cè)Cr(Ⅵ)的原理Fig.2　The principle of catalytic SPRRS-ET detection of Cr(Ⅵ) using CPNs as probe

a. 2.4×10-4 mol/L ARS+2.4×10-2 mol/L pH5.0 NaAc-HAc+6.0×10-5 mol/L phen+1 g/L CTMAB+0.36 mol/L H2O2+200 μL CNPs；b. a+0.016 mg/L Cr(Ⅵ)；c. a+0.02 mg/L Cr(Ⅵ)； d. a+0.04 mg/L Cr(Ⅵ)；e. a+0.06 mg/L Cr(Ⅵ)； f. a+0.08 mg/L Cr(Ⅵ)； g. a+0.12 mg/L Cr(Ⅵ)； h. a+0.16 mg/L Cr(Ⅵ)。圖3　CNPs-催化體系的共振瑞利散射光譜Fig.3　Resonance Rayleigh scattering spectra of the CNPs-catalytic system

2.2體系的激光散射

激光散射分析表明，非催化體系中存在CNPs，其平均粒徑為362 nm，在70～400 nm、400～3 000 nm和3 000～7 000 nm有3個(gè)粒徑分布峰，如圖4a，說(shuō)明體系中存在CNPs聚集體。加入Cr(Ⅵ)后，催化氧化ARS褪色，而對(duì)CNPs的粒徑影響較小，其平均粒徑為356 nm，見(jiàn)圖4b。

a. 2.4×10-4 mol/L ARS+2.4×10-2 mol/L pH 5.0 (NaAc-Hac)+6.0×10-5 mol/L phen+1 g/L CTMAB〗+0.36 mol/L H2O2+200 μL CNPs；b. a+0.02 mg/L Cr(Ⅵ)。圖4　激光散射光譜Fig.4　Laser light scattering spectrometer

2.3反應(yīng)條件的選擇

考察了NaAc-HAc緩沖溶液pH值對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)緩沖溶液pH=5.0時(shí)，ΔI達(dá)到最大，故選擇pH值為5.0的NaAc-HAc緩沖溶液?？疾炝薔aAc-HAc緩沖溶液濃度對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)緩沖溶液濃度為0.025 mol/L時(shí)，體系的ΔI達(dá)到最大，故選擇pH5.0的NaAc-HAc緩沖溶液濃度為0.025 mol/L?？疾炝孙@色劑ARS對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)ARS濃度在0.22×10-3mol/L處，體系的ΔI最大，故選擇ARS濃度為0.22×10-3mol/L?？疾炝嘶罨瘎﹑hen溶液對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)phen濃度為0.6×10-2mol/L，體系的ΔI最大，故選擇phen溶液最佳濃度為0.6×10-2mol/L。考察了增敏劑CTMAB溶液對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)CTMAB質(zhì)量濃度為0.4 g/L時(shí)，體系的ΔI達(dá)到最大，故選擇CTMAB溶液質(zhì)量濃度為0.4 g/L?？疾炝薍2O2濃度對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)H2O2濃度為0.36 mol/L時(shí)，體系的ΔI最大，故選擇H2O2溶液濃度為0.36 mol/L。考察了體系的反應(yīng)溫度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在常溫到100 ℃之間，隨溫度增加ΔI增大，100 ℃時(shí)體系ΔI達(dá)到最大，故選擇反應(yīng)溫度為100 ℃?？疾炝朔磻?yīng)時(shí)間對(duì)體系ΔI的影響，當(dāng)加熱時(shí)間超過(guò)3 min時(shí)，ΔI達(dá)到最大，故選擇加熱時(shí)間為3 min。

2.4干擾實(shí)驗(yàn)

表1　共存物質(zhì)的影響

2.5標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)和檢出限

在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)條件下，量取不同濃度的Cr(Ⅵ) 標(biāo)準(zhǔn)工作液按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，以共振光散射強(qiáng)度ΔI423 nm與Cr(Ⅵ) 濃度作圖，Cr(Ⅵ)濃度在0.004～0.16 mg/L與共振瑞利散射光強(qiáng)度ΔI423 nm呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，回歸方程為ΔI423 nm=49 442C+65.1，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)為0.996 9，對(duì)空白試樣平行測(cè)定11次得出標(biāo)準(zhǔn)偏差Sb=132.3，按公式LOD=3×Sb/K(K為工作曲線(xiàn)斜率)計(jì)算得出該方法的檢出限為8.0 μg/L。

2.6樣品分析

在選定實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定自然水體的樣品(分別取自池塘水、河水、湖水)，將水樣用濾紙過(guò)濾，除去懸浮物、沉淀等雜質(zhì)，用NaOH 溶液調(diào)至微堿性，再加酸將pH調(diào)至弱酸性(pH=5.0)，測(cè)定水樣中的Cr(Ⅵ)濃度，并做樣品加標(biāo)回收試驗(yàn)，加入一定量的Cr(Ⅵ)測(cè)定回收率，重復(fù)測(cè)定6次，測(cè)定結(jié)果及回收率見(jiàn)表3。

表3　樣品分析結(jié)果

3結(jié)語(yǔ)

研究表明，在pH=5.0的NaAc-HAc緩沖溶液體系中，Cr(Ⅵ)催化H2O2氧化茜素紅褪色，利用納米碳散射峰波長(zhǎng)與茜素紅吸收峰波長(zhǎng)重疊，發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，改變散射強(qiáng)度，用熒光儀檢測(cè)共振散射強(qiáng)度的方法測(cè)定Cr(Ⅵ)的濃度，建立測(cè)定Cr(Ⅵ)的共振瑞利散射光譜分析新方法，其線(xiàn)性范圍為0.004～0.16 mg/L，回歸方程為ΔI423 nm= 49 442C+65.1，相關(guān)系數(shù)為0.996 9，檢出限為8.0 μg/L。用于環(huán)境水樣的分析，結(jié)果滿(mǎn)意。

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(責(zé)任編輯王龍杰)

Determination of Trace Chromium(Ⅵ) by Carbon Nanoparticles Resonance Energy Transfer Rayleigh Scattering

LIU Qingye1，2，WANG Hua1，2，HUANG Danhua1，2，HE Shihe1，2，LI Jiao1，2，LUO Junheng1，2，ZHANG Xinghui1，2，WEN Guiqing1，2，LIANG Aihui1，2，JIANG Zhiliang1，2

(1. University Key Laboratory of Karst Ecology and Environmental Change of Guangxi Province, Guangxi Normal University, Guilin Guangxi 541004, China; 2.College of Environment and Resource,Guangxi Normal University， Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:In HAc-NaAc buffer solution containing phenanthroline (phen) as activator，cetyl trimethyl ammonium bromide (CTMAB) as a sensitizer and H2O2 as an oxidant，the carbon nanoparticles(CNPs)exhibited a strong SPR Rayleigh scattering peak at 423 nm. The receptor of ARS closed to the donor of CNPs with strong plasmon resonance (SPR) Rayleigh scattering (RS)，the SPRRS-energy transfer (SPRRS-ET) take place，that caused the peak at 423 nm decreased，owing to the overlapping of CNPs RRS and ARS absorption spectra. The Cr(Ⅵ) exhibited strong catalytic effect on the slow reaction of ARS-H2O2，when the concentration of Cr(Ⅵ) increased，the concentration of ARS decreased，and the amount of SPRRS-ET decreased， as a result, the RS intensity at 423 nm increased linearly. thus，the analytical method was established for determination of trace Cr(Ⅵ). The increased intensity ΔI423 nmwas linear to the Cr (Ⅵ) concentration in the range of 0.004～0.16 mg/L，with a regression equation of ΔI423 nm= 49 442C+65.1，and a detection limit of 8.0 μg/L Cr (Ⅵ)．The SPRRS-ET assay was applied to the analysis of Cr (Ⅵ) in environmental water，with a satisfactory result．

Keywords:carbon nanoparticles； Cr (Ⅵ)； catalytic； Resonance Rayleigh scattering-energy transfer

中圖分類(lèi)號(hào)：O657.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-6600(2016)01-0128-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21447006，21567005，21267004，21367005，21307017，21365011，21467001，21477025，21465006)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013GXNSFFA019003，2014GXNSFAA118050)；廣西高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2013YB035)；2015年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助；巖溶生態(tài)與環(huán)境變化研究廣西高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任基金(YRHJ15Z011)

收稿日期：2015-10-04

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.020

通信聯(lián)系人：劉慶業(yè)(1963—)，男，廣西欽州人，廣西師范大學(xué)教授。E-mail: qyliu@mailbox.gxnu.edu.cn