聚乙烯醇增敏藏紅T為探針的共振瑞利散射法 測定陰離子表面活性劑

馬彩娟， 鐘衛(wèi)燁， 張偉愛， 白 研*

(廣東藥科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，廣東廣州 510310)

陰離子型表面活性劑具有良好的乳化、發(fā)泡、滲透、去污和分散性能，尤其是十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用較為廣泛[1]。然而，含有SDBS等陰離子表面活性劑的工業(yè)廢水和生活廢水大量排入水體，將嚴(yán)重影響水質(zhì)，甚至造成水生生物死亡。亞甲藍(lán)分光光度法[2]為檢測水體中的陰離子表面活性劑的國家標(biāo)準(zhǔn)方法(GB/T7494-1987)，但其前處理操作繁瑣，且萃取用的氯仿為有毒溶劑。目前，測定環(huán)境中陰離子表面活性劑較為普遍的方法是高效液相色譜法[3]、分光光度法[4 - 5]和流動(dòng)注射分析法[6 - 7]。共振瑞利散射(RRS)法是近年發(fā)展起來的一種新的分析技術(shù)，可用于痕量金屬[8]、藥物[9]、蛋白質(zhì)[10]及陰離子表面活性劑[11]的研究和測定，該方法操作簡便、快速且靈敏度較高。

藏紅T(Safranine T，ST)是一種具有吩嗪結(jié)構(gòu)的堿性染料，具有大共軛結(jié)構(gòu)，在弱酸性條件下可電離出陽離子，曾作為熒光探針[12]用于陰離子表面活性劑的測定。聚乙烯醇(PVA)分子鏈上含有大量羥基使其具有較強(qiáng)的親水性、成膜性，可用作分散劑和膠體保護(hù)劑。本文研究了在PVA存在下，SDBS與ST形成離子締合物的光譜特性、適宜的反應(yīng)條件和影響因素，建立了一種測定陰離子表面活性劑的RRS新方法。該方法靈敏度高，穩(wěn)定性和選擇性好，可用于環(huán)境水樣中陰離子表面活性劑的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

F-2500型熒光分光光度計(jì)，UV-3010型紫外分光光度計(jì)(日本，日立公司)；pHS-3C型精密酸度計(jì)(上海虹益儀器儀表有限公司)；CP124C型電子天平(上海奧豪斯有限公司)。所用玻璃儀器均以5%HNO3浸泡24 h以上，再以三次蒸餾水沖洗干凈、備用。

0.50 g/L SDBS標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：準(zhǔn)確稱取SDBS(Aladdin公司)0.050 g，溶于水并定容于100 mL容量瓶中，SDBS工作液為20.00 μg/mL，臨用前配制。1.0×10-3mol/L的ST溶液：準(zhǔn)確稱取0.088 g ST(Sigma公司)，溶于水中，定容于250 mL容量瓶中。1%PVA溶液：準(zhǔn)確稱取1.0 g PVA(天津市百世化工有限公司，平均聚合度為1750±50)于100 mL容量瓶中，以水定容至刻度后，超聲1 h，混勻，備用。檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液：由0.1 mol/L檸檬酸與0.2 mol/L檸檬酸鈉溶液按不同比例配制而成。實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級(jí)純或分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為三次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

于10 mL比色管中，依次加入pH=4.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液1.00 mL，適量SDBS工作液或者樣品測試液，ST溶液0.50 mL，PVA溶液0.20 mL，以水稀釋至刻度，于熒光分光光度計(jì)上，以λex=λem進(jìn)行同步掃描，記錄RRS光譜，再于λ=340 nm處，分別記錄各測試液的共振瑞利散射強(qiáng)度IRRS和試劑空白的共振瑞利散射強(qiáng)度I0，計(jì)算ΔI=IRRS-I0。

2 結(jié)果與討論

2.1 共振瑞利散射光譜

圖1 ST-SDBS-PVA體系的RRS光譜Fig.1 RRS spectra of ST-SDBS-PVA system A:1.cST:0.5×10-4 mol/L，cPVA:0.02%；2.cSDBS:2.5 μg/mL；3 - 7.cST:0.5×10-4 mol/L，cPVA:0.02%，cSDBS:1.0，2.0，3.0，4.0，5.0 μg/mL.B.1.cST:0.5×10-4 mol/L；2.cST:0.5×10-4 mol/L,cSDBS:1.0 μg/mL.C.The calibration curve of ST-SDBS-PVA system.

采用F-2500型熒光分光光度計(jì)，分別對檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中不同體系以λex=λem進(jìn)行同步掃描，得到RRS光譜圖。由圖1可知，ST-PVA(圖1A曲線1)、SDBS(圖1A曲線2)及ST(圖1B曲線1)本身的RRS強(qiáng)度較弱(由于響應(yīng)值較弱，前兩條曲線幾乎重合)。但在弱酸性條件下，SDBS與ST可通過靜電引力和疏水作用力結(jié)合形成離子締合物，引起RRS強(qiáng)度增強(qiáng)，且在571 nm處有新的RRS峰產(chǎn)生(圖1B曲線2)。在此基礎(chǔ)上加入PVA后，PVA可在一定時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定吸附于ST-SDBS締合物表面，形成吸附層使分子團(tuán)體積增大，使RRS強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，同時(shí)聚合物分子團(tuán)與水溶液的親和性較好，阻止了微粒間的聚集，使體系在溶液中的穩(wěn)定性增強(qiáng)[13](圖1A曲線3～7)。體系的最大RRS峰位于340 nm處，在一定濃度范圍內(nèi)，RRS強(qiáng)度隨著SDBS濃度的增加呈線性增加趨勢，線性關(guān)系良好(圖1C)。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

圖2 pH對RRS強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of pH on RRS intensity cST:0.5×10-4 mol/L;cPVA:0.02%;cSPBS:3.0 μg/mL.

2.2.1緩沖體系及pH分別試驗(yàn)了檸檬酸-檸檬酸鈉、NaH2PO4-檸檬酸、B-R、HAc-NaAc四種緩沖溶液對體系RRS的影響。結(jié)果表明，體系在檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中ΔI最大，當(dāng)用檸檬酸-檸檬酸鈉作為緩沖介質(zhì)時(shí)，pH值對RRS的影響見圖2，結(jié)果表明最佳pH值范圍是3.0～5.0，實(shí)驗(yàn)選定pH為4.0，且通過實(shí)驗(yàn)得出緩沖溶液的最佳用量為1.00 mL。

2.2.2ST加入量考察了ST加入量對RRS強(qiáng)度的影響。當(dāng)ST濃度為0.3×10-4～1.0×10-4mol/L時(shí)，ΔI達(dá)到最大。當(dāng)ST用量過多或過少均會(huì)導(dǎo)致ΔI值降低。當(dāng)ST用量過少，體系反應(yīng)不完全，RRS強(qiáng)度降低；當(dāng)ST用量過多，過量的染料分子易在溶液中發(fā)生自聚集現(xiàn)象，不利于其與SDBS的締合作用，從而導(dǎo)致RRS強(qiáng)度降低。故實(shí)驗(yàn)選用ST濃度為0.5×10-4mol/L。

圖3 聚乙烯醇用量的影響Fig.3 Effect of PVA concentration on RRS intensity cST:0.5×10-4 mol/L;cSDBS:3.0 μg/mL.

2.2.3表面活性劑的選擇及用量考察了PVA，吐溫20和吐溫80三種表面活性劑對體系RRS的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入吐溫20或吐溫80，體系的RRS值均降低，僅PVA對ST-SDBS體系具有顯著增敏效果，且體系穩(wěn)定性提高。進(jìn)一步考察了PVA用量的影響，見圖3。當(dāng)在體系中加入一定量PVA時(shí)，RRS值明顯增大。實(shí)驗(yàn)選用PVA濃度為0.02%時(shí)，即PVA(1%)的用量為0.20 mL。

2.2.4溫度與反應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)表明，溫度對該反應(yīng)的影響較大，隨著溫度的升高，ΔI下降，反映出SDBS與ST的締合為放熱過程，因而反應(yīng)應(yīng)在室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)還考察了體系的反應(yīng)速度及穩(wěn)定時(shí)間，該體系在5 min內(nèi)反應(yīng)完全，90 min內(nèi)ΔI保持相對穩(wěn)定。

2.2.5離子強(qiáng)度的影響實(shí)驗(yàn)中用NaCl(0～0.2 mol/L)考察了離子強(qiáng)度對該體系RRS值的影響。結(jié)果表明，當(dāng)NaCl濃度在0～0.05 mol/L時(shí)，ΔI逐漸降低；當(dāng)NaCl濃度為0.05～0.20 mol/L時(shí)，ΔI保持相對穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)條件下，帶負(fù)電荷的SDBS與帶正電荷的ST通過靜電引力和疏水作用結(jié)合，當(dāng)體系中引入NaCl時(shí)，由于Na+和Cl-的加入，使SDBS與ST之間靜電作用減弱，干擾SDBS-ST締合物的形成，ΔI降低。但是，隨著離子強(qiáng)度的增加，大分子疏水作用也逐漸增大[14]，有利于SDBS與ST的締合，因此，體系的ΔI保持相對穩(wěn)定。

2.2.6試劑加入順序的影響實(shí)驗(yàn)考察了試劑加入順序?qū)w系的共振瑞利散射強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，加入順序按緩沖液+SDBS+ST+PVA時(shí)ΔI最大，即先加入緩沖溶液，為體系提供一個(gè)利于反應(yīng)的弱酸性條件，使SDBS與ST結(jié)合形成離子締合物，再加入PVA與前兩者結(jié)合，形成三元復(fù)合物。也可推斷PVA大分子在ST-SDBS締合物表面形成吸附層，分子團(tuán)體積增大，靈敏度提升。因而選擇該加入順序進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.3 線性關(guān)系與檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，測定不同濃度SDBS時(shí)的ΔI，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明：在0.15～5.0 μg/mL濃度范圍內(nèi)，ΔI與SDBS濃度c呈良好線性關(guān)系，線性方程為：ΔI=1824.2c-192.18(c：μg/mL)，相關(guān)系數(shù)R2=0.9969，檢出限為8.6 ng/mL。因而，構(gòu)建的RRS新方法操作簡便、快速，成本較低，適于痕量陰離子表面活性劑的測定。

2.4 方法的選擇性

按實(shí)驗(yàn)方法考察了環(huán)境水體中常見金屬離子對SDBS測定結(jié)果的影響，計(jì)算產(chǎn)生約≤±5%相對誤差(RE)時(shí)加入各共存物質(zhì)的濃度結(jié)果，見表1。通過抗干擾實(shí)驗(yàn)得出，0.5 mL的Na2EDTA(0.01 mol/L)可以掩蔽10倍Fe3+、Hg2+、Pb2+、Cd2+，5倍Al3+、Ba2+、Zn2+、Mn2+的干擾。Ca2+的干擾可加入草酸形成難溶物質(zhì)后，過濾去除。

表1 共存離子的影響(SDBS 2.00 μg/mL)Table 1 Effects of coexistent substances

2.5 實(shí)際樣品分析

2.5.1樣品的預(yù)處理用采水裝置分別于廣州A碼頭污染點(diǎn)及其下游50 m、下游150 m取得水樣，過濾除去不溶雜質(zhì)，然后分別準(zhǔn)確吸取50.00 mL水樣，用檸檬酸調(diào)pH至4.0，再加入1.00 mL草酸(1 000 μg/mL)溶液，搖勻并靜置30 min后過濾，以水定容至100 mL，作為樣品測試液。

2.5.2樣品含量的測定于10 mL比色管中，按先后順序加入pH=4.0的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖液1.00 mL，一定體積的SDBS標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品測試液，ST溶液0.50 mL，PVA溶液0.20 mL，0.50 mL Na2EDTA(0.01 mol/L)溶液。由于實(shí)際樣品中離子強(qiáng)度均較大，為消除因樣品與標(biāo)準(zhǔn)溶液之間離子強(qiáng)度的差異給測定結(jié)果帶來的誤差，在制備標(biāo)準(zhǔn)系列時(shí)，需向各標(biāo)準(zhǔn)管中另外加入0.10 mol/L NaCl溶液，再用水稀釋至刻度，搖勻，各平行三份。于F-2500型熒光分光光度計(jì)上測定各管的共振瑞利散射強(qiáng)度，并計(jì)算各樣品測試液中陰離子表面活性劑含量。根據(jù)樣品測試液含量(表2)，計(jì)算得出廣州A碼頭污染點(diǎn)及其下游50 m、下游150 m的SDBS平均含量分別為0.790、0.500、0.120 μg/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)分別為1.46%、1.22%、1.89%。同時(shí)，對樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，平均回收率為94.1%～95.7%，RSD為0.95%～1.50%。測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法亞甲藍(lán)分光光度法對照，通過SPSS22.0的T檢驗(yàn)法分析表明，本法結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定結(jié)果差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α=0.05)。

表2 回收率實(shí)驗(yàn)Table 2 Recovery test of samples

3 機(jī)理分析

3.1 體系散射光增強(qiáng)的原因分析

共振瑞利散射具有瑞利散射和電子吸收光譜的雙重特性，靈敏度與選擇性都有所提高[15]。該體系共振瑞利散射峰位于吸收帶上，因此瑞利散射能夠吸收光能而產(chǎn)生再散射，即產(chǎn)生一種散射增強(qiáng)效應(yīng)[16]。其次，SDBS與ST均有良好的水溶性，當(dāng)帶負(fù)電的SDBS與帶正電的ST結(jié)合后，兩者電荷被中和，失去親水性，離子締合物的疏水芳基骨架與水相之間易形成疏水界面，使散射強(qiáng)度增大。又由于具有大共軛分子結(jié)構(gòu)的染料ST與SDBS通過靜電引力結(jié)合后，電荷間的束縛作用以及分子體積的增大，限制了染料分子中芳基的轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了分子的平面性和剛性，也使散射強(qiáng)度增強(qiáng)。

3.2 PVA的增敏、增穩(wěn)機(jī)制

PVA的加入對體系的靈敏度有很大的提升，原因在于PVA可認(rèn)為是支鏈上帶有仲醇結(jié)構(gòu)的長鏈線性大分子化合物，在一定濃度下可形成三維立體的空間結(jié)構(gòu)，使ST-SDBS締合物處于其空間結(jié)構(gòu)中，分子團(tuán)穩(wěn)定性提高。另一方面，PVA支鏈上的活性氫可與ST-SDBS締合物的氮原子形成氫鍵，在締合物表面形成穩(wěn)定的吸附層，使分子團(tuán)體積增大，根據(jù)共振瑞利散射公式[17]，體系的分子團(tuán)體積增加，共振瑞利散射強(qiáng)度增強(qiáng)。同時(shí)，PVA支鏈的羥基結(jié)構(gòu)與水介質(zhì)有良好的親和性，此支鏈結(jié)構(gòu)在水溶液中形成空間位壘，阻止微粒的聚集，提高體系的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

建立了以ST為探針，PVA為增敏劑的測定陰離子表面活性劑的共振瑞利散射法。該方法操作簡便、靈敏度高，線性范圍寬，樣品測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)方法亞甲藍(lán)分光光度法相比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且避免了標(biāo)準(zhǔn)方法中使用氯仿多次萃取可能帶來的誤差以及對環(huán)境的二次污染，更有利于應(yīng)用普及。