基于改進(jìn)的銀鏡反應(yīng)生成的銀納米粒子比色法 測定環(huán)境中Cr(Ⅲ)

王惠英， 陳丁龍

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

Cr(Ⅲ)在人體及動物體內(nèi)的各種生物化學(xué)反應(yīng)中都扮演著關(guān)鍵的角色，是一種必需的微量元素[1]。它不僅可以調(diào)節(jié)生物體內(nèi)血糖濃度，還會影響代謝過程，幫助酶、胰島素、膽固醇、氨基酸在體內(nèi)保持著正常的運(yùn)轉(zhuǎn)[2]。但當(dāng)人或動物體內(nèi)的Cr(Ⅲ)處于高濃度時，將影響機(jī)體內(nèi)正常的運(yùn)作而產(chǎn)生遺傳毒性[3]。同時Cr(Ⅲ)還是制革、催化劑、染料和玻璃等工業(yè)和農(nóng)業(yè)的環(huán)境污染物之一[4]。傳統(tǒng)測定Cr(Ⅲ)的方法如電感耦合等離子質(zhì)譜法[5]、原子吸收光譜法[6]和高效液相色譜法[7]等需要昂貴的精密儀器，也不能進(jìn)行實(shí)時的、現(xiàn)場的測試或需要繁瑣的樣品預(yù)處理。

近年來，納米粒子尤其是銀納米粒子(AgNPs)以其高的摩爾吸光系數(shù)、價格便宜和制備簡單而被廣泛應(yīng)用于比色傳感器中[8 - 11]?；诟倪M(jìn)的銀鏡反應(yīng)，我們制備了沒食子酸(GA)還原和穩(wěn)定的AgNPs，發(fā)現(xiàn)在酸性條件下，Cr(Ⅲ)的加入可以引起AgNPs的特異性聚集，而其它常見金屬離子不干擾，據(jù)此建立了比色測定湖水中Cr(Ⅲ)的方法，取得了較好的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

TU-1950型紫外可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)；H-7500型透射電子顯微鏡(日本，日立公司)；MVS-1型漩渦攪拌儀(北京金北德工貿(mào)有限公司)。實(shí)驗(yàn)所用玻璃器皿需在濃HNO3中浸泡12 h，然后用蒸餾水沖洗3遍，干燥后方可使用。比色皿在每次使用前需要用濃HNO3清洗后再用蒸餾水沖洗干凈。

AgNO3(分析純，天津市贏達(dá)稀貴化學(xué)試劑廠);Cr(NO3)3、3，4，5-三羥基苯甲酸(GA)(分析純，北京化工廠)，其它試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1GA修飾的AgNPs的制備AgNPs參照改進(jìn)后的銀鏡方法[9,12]獲得。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：將配制好的50 mL 1.0×10-3mol/L AgNO3溶液，加入到100 mL洗凈干燥的容量瓶中，然后加入2 mL 0.01 mol/L NaOH溶液，迅速振蕩均勻，再加入1.6 mL 0.25 mol/L的NH3·H2O，迅速振蕩均勻，最后加入3 mL 2 mmol/L GA溶液，混合均勻，30 min后溶液呈現(xiàn)深綠色。將此溶液稀釋一倍后用紫外-可見分光光度計(jì)測其最大吸收波長為410 nm。制得的AgNPs置于冰箱中冷藏以便于后續(xù)實(shí)驗(yàn)，且溶液要保證能夠穩(wěn)定存在一個月。

1.2.2實(shí)驗(yàn)步驟取1 mL制備的AgNPs溶液于具塞比色管中，然后加入0.1 mL 0.01 mol/L HNO3，迅速漩渦混勻溶液，再滴加Cr(Ⅲ)溶液，定容至5 mL，再次漩渦混勻，靜置30 min后測試及表征。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用修改后的經(jīng)典銀鏡反應(yīng)，在室溫下用GA快速還原銀氨溶液生成AgNPs，Cr(Ⅲ)的加入會引起AgNPs的特異性聚集，使溶液發(fā)生由黃綠色到棕紅色的顏色變化。反應(yīng)機(jī)理是六配位的Cr(Ⅲ)與AgNPs表面吸附的GA的羧酸根配位，引起相鄰的AgNPs的聚集，因此引發(fā)AgNPs溶液的顏色變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 AgNPs及AgNPs與Cr(Ⅲ)作用后的實(shí)驗(yàn)表征

為了驗(yàn)證測定方法的可行性，向新制備的1 000 μL AgNPs溶液中加入250 μL 1.0×10-4mol/L的Cr(Ⅲ)溶液，并做空白實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。由圖1(A)可以看出，隨著Cr(Ⅲ)加入到AgNPs溶液中，溶液的可見吸收光譜發(fā)生明顯變化。相較于AgNPs在410 nm的最大吸收波長，加入Cr(Ⅲ)后的溶液出現(xiàn)兩個峰，在410 nm的峰的吸光度相比空白溶液降低，另一吸收峰出現(xiàn)在長波長530 nm附近處，這是由AgNPs聚集后吸收引起的。圖1(A)的內(nèi)插圖記錄的是AgNPs加入Cr(Ⅲ)后的溶液顏色變化，發(fā)生從黃綠色到棕紅色的明顯顏色變化。為了進(jìn)一步驗(yàn)證溶液吸收光譜和顏色的變化是由于Cr(Ⅲ)的加入引起了AgNPs的聚集，我們采集了加入前后的透射電鏡照片。圖1(B)是單獨(dú)AgNPs分散的電鏡圖，在加入Cr(Ⅲ)后，AgNPs發(fā)生聚集(圖1(C))。

圖1 (a) AgNPs在加入Cr(Ⅲ)前(a)和后(b)的吸收光譜(內(nèi)插圖為相應(yīng)的顏色變化)；(B)和(C)加入Cr(Ⅲ)前后對應(yīng)的透射電鏡(TEM)圖Fig.1 (a) Absorption spectra of AgNPs in the absence(a) and presence(b) of Cr(Ⅲ)(Inset:corresponding to color change);TEM images of AgNPs in the absence (B) and presence (C) of Cr(Ⅲ) concentration of Cr(Ⅲ) is 5 μmol/L.

圖2 GA用量對加入Cr(Ⅲ)后AgNPs吸光度的影響Fig.2 Influence of the amount of GA on the absorbance of AgNPs in the presence of Cr(Ⅲ) GA:a,1 mL；b,2 mL；c,3 mL；d,4 mL；e,5 mL;the concentration of Cr(Ⅲ) is 5 μmol/L.

2.2 分析條件的選擇

2.2.1GA用量對實(shí)驗(yàn)的影響首先對反應(yīng)時間進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在30 min時聚集最明顯，之后達(dá)到穩(wěn)定。我們推測Cr(Ⅲ)與穩(wěn)定劑GA中的羧酸根配位速度很快，但是引起相鄰AgNPs之間的聚集需要一定的時間，故30 min時才能達(dá)到一個聚集最優(yōu)值。以此時間作為后續(xù)的反應(yīng)時間。GA在本實(shí)驗(yàn)中承擔(dān)兩種角色：還原劑和穩(wěn)定劑[13]，所以必須選擇適當(dāng)?shù)臐舛?。如圖2所示，當(dāng)1 mmol/L GA在生成100 mL AgNPs中的占比為3 mL時，加入Cr(Ⅲ)后AgNPs在530 nm的聚集峰明顯。這是由于隨GA用量的增加，生成的AgNPs越來越穩(wěn)定，在3 mL時達(dá)到一個最優(yōu)值，此時AgNPs表面被GA覆蓋均勻，加入Cr(Ⅲ)后，由于Cr(Ⅲ)與AgNPs表面吸附的GA的羧酸根配位，引起相鄰的AgNPs聚集，在530 nm出現(xiàn)AgNPs特征聚集峰。隨著GA用量繼續(xù)增加，由于AgNPs表面已被GA吸附均勻，只會引起溶液中游離的GA濃度增加，在Cr(Ⅲ)的濃度固定不變的情況下，Cr(Ⅲ)優(yōu)先與游離的GA配位，不會引起AgNPs的聚集，所以530 nm沒有吸收峰出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)選定1 mmol/L GA在100 mL AgNPs溶液中占比為3 mL。

2.2.2溶液pH的影響制備的AgNPs溶液pH在9.5左右，此條件下AgNPs與Cr(Ⅲ)幾乎沒有反應(yīng)，主要由于Cr(Ⅲ)在堿性條件下無法與AgNPs表面的穩(wěn)定劑GA的羧酸根配位；酸性太強(qiáng)，AgNPs溶液自身發(fā)生聚沉。我們優(yōu)化了Cr(Ⅲ)引起AgNPs聚集的pH，如圖3(A)所示，HNO3濃度為2.0×10-4mol/L時，AgNPs聚集最明顯，故選定此pH用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。同時考察了酸的加入順序?qū)?shí)驗(yàn)的影響。圖3(B)是酸和Cr(Ⅲ)的先后加入順序的影響，先加酸(曲線b)時在530 nm處出現(xiàn)了明顯的AgNPs聚集峰，同時410 nm的AgNPs峰高下降。主要是先加酸使溶液的pH降低，然后Cr(Ⅲ)加入后以離子形式存在，與AgNPs的羧酸根配位，引起聚集。故以此加入順序進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖3 (a) HNO3濃度對AgNPs聚集的影響；(B)試劑加入順序?qū)gNPs吸光度的影響Fig.3 (a) Effect of the HNO3 concentration on the aggregation of as-prepared AgNPs;(B) Effect of the order of addition of reagents(the addition of acid after (a) and before (b) Cr(Ⅲ))

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，對Cr(Ⅲ)進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)顯示隨著Cr(Ⅲ)濃度不斷增大，AgNPs溶液顏色從黃綠色漸變至棕紅色，同時可以看出當(dāng)Cr(Ⅲ)的濃度為0.8 μmol/L時，通過肉眼即可觀測到AgNPs溶液比空白溶液顏色稍深，說明當(dāng)Cr(Ⅲ)的濃度為0.8 μmol/L及以上時，此方法可實(shí)現(xiàn) Cr(Ⅲ) 的可視化半定量測定。測定不同濃度Cr(Ⅲ)的吸收光譜。結(jié)果表明AgNPs的吸光度比值(A530nm/A410nm)與Cr(Ⅲ)在0.4～5 μmol/L濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，線性方程為:A530nm/A410nm=0.06794+0.13342c，相關(guān)系數(shù)R=0.994，檢出限為0.1 μmol/L。以上表明合成的AgNPs可以實(shí)現(xiàn)對Cr(Ⅲ)的定量分析。

圖4 不同金屬離子對應(yīng)的AgNPs溶液的吸光度比值(金屬離子濃度都為5 μmol/L)Fig.4 The absorbance ratio of AgNPs in the presence of metal ions(metal ion concentration in all cases is 5 μmol/L)

2.4 干擾的測定

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，將0.5 mL 5.0×10-5mol/L的含有Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)、Zn(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)等金屬離子的溶液分別加入到AgNPs溶液中，用紫外-可見分光光度計(jì)記錄其吸收光譜。從圖4可看出，除Cr(Ⅲ)外的7種金屬離子的AgNPs溶液的A530nm/A410nm值幾乎一致，與空白AgNPs溶液的值相差在3%以內(nèi)。同時實(shí)驗(yàn)中可見其它金屬離子的加入不會引起AgNPs溶液的顏色變化。因此環(huán)境中常見的金屬離子對Cr(Ⅲ)的測定無影響。

2.5 樣品的測定

向1 mL AgNPs中加入100 μL煮沸后冷卻過濾的湖水(石家莊學(xué)院)水樣后，然后按實(shí)驗(yàn)方法測定，通過線性方程計(jì)算Cr(Ⅲ)濃度。測定結(jié)果表明湖水中Cr(Ⅲ) 濃度在本方法的檢測限以下。為了進(jìn)一步驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法測定了湖水水樣中Cr(Ⅲ)的回收率(表1)，測得回收率在93%～106.3%之間，表明該法用于湖水水樣中Cr(Ⅲ)濃度的測定結(jié)果準(zhǔn)確。

表1 湖水中Cr(Ⅲ)的檢測結(jié)果Table 1 Determination results of Cr(Ⅲ) in lake water sample

3 結(jié)論

采用改進(jìn)的經(jīng)典的銀鏡反應(yīng)，在室溫下用GA快速還原銀氨溶液生成AgNPs后，加入Cr(Ⅲ)可引起AgNPs的特異性聚集，使溶液發(fā)生由黃綠色到棕紅色的顏色變化。據(jù)此建立了簡單、快速且成本較低的測定金屬離子Cr(Ⅲ)的方法。方法選擇性較好，檢出限比較低，可以運(yùn)用在環(huán)境水樣中Cr(Ⅲ)濃度檢測中，以此實(shí)現(xiàn)環(huán)境水中Cr(Ⅲ)的可視化半定量檢測和定量分析。