納米銀比色法快速檢測三價鉻離子

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，正常食品補給劑量下無毒，但濃度較高時則會表現(xiàn)出細(xì)胞毒性反應(yīng)；而Cr(Ⅵ)易穿過細(xì)胞膜進入細(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?，甚至改變遺傳密碼，成為致癌和致突變的誘發(fā)因子，濃度大時還會導(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，但需要借助價格較為昂貴的大型儀器設(shè)備，對運行環(huán)境和維護費用要求較高，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用在一定程度上解決了上述方法的缺陷。最近，有文獻報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，金溶膠會由酒紅色變?yōu)榛宜{色。這種方法不僅能同時檢測多種重金屬離子，而且在實際操作中較為簡便，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)生團聚。該方法中，合成納米銀所用硝酸銀的價格遠低于合成納米金所用氯金酸的價格，且靈敏度高、選擇性好，具有很好的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

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；實驗用水均為超純水。

UV-Vis916型紫外可見分光光度計(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(SX 240 HS，日本佳能公司)。

1.2 納米銀的制備

參照文獻[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進行光譜掃描，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)生團聚后進行光譜掃描。結(jié)果顯示，當(dāng)納米銀-甲基紫探針溶液中加入Cr3+時，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，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，均會導(dǎo)致納米銀的吸光度降低。因此，本實驗選定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，納米銀溶膠因發(fā)生團聚而呈深灰色。其團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時納米銀發(fā)生團聚而變成紅棕色，且此時溶液的吸光度比值(ΔA/A0)最大(圖3)，表明此時Cr3+對納米銀的團聚作用最強。因此，本實驗選擇最佳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，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，其團聚程度增強。當(dāng)緩沖溶液濃度為0.1 mol·L-1時，ΔA/A0的值最小，說明此濃度下納米銀粒子的團聚程度最小。因此，本實驗選定檸檬酸-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)時間的影響。結(jié)果顯示，隨著反應(yīng)時間的增加，體系的ΔA/A0值增大，當(dāng)反應(yīng)進行到30 min后，繼續(xù)增大反應(yīng)時間，其ΔA/A0值基本不變，表明納米銀的團聚程度已達到飽和。因此，實驗選擇最佳反應(yīng)時間為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，體系的ΔA/A0值最大，高于或低于此溫度，該比值均會降低，說明此溫度下Cr3+對納米銀的團聚作用最強。因此，本實驗選擇最佳反應(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

在選定實驗條件下，運用“1.4”實驗方法對不同濃度Cr3+標(biāo)準(zhǔn)溶液進行測定。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，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。

為評價該方法對Cr3+的選擇性，在優(yōu)化實驗條件下，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)進行樣品檢測。按照“1.5”對樣品進行前處理后，按照“1.4”進行檢測并進行加標(biāo)回收實驗，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)用價值。