納米銀溶膠催化氧化-分光光度法快速測定水中汞

操江飛,韋壽蓮,廖根成

(肇慶學(xué)院 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,肇慶 526061)

隨著冶煉、電鍍等工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展,所需汞及含汞化合物的用量也日趨增加,隨之含汞廢水的排放也愈加嚴(yán)重,含汞廢水現(xiàn)已成為世界上危害較大的工業(yè)廢水之一。汞中毒以消化系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)癥狀為主,表現(xiàn)為口腔黏膜潰爛、頭痛、記憶力減退、語言失常,嚴(yán)重者有各種精神障礙,加之無機(jī)汞在自然界中難以降解,因此汞常被稱為人類健康的隱形殺手[1]?；诠谋O(jiān)測顯得尤為重要,目前汞的測定方法主要有雙硫腙分光光度法、冷原子吸收光譜法(HJ 597-2011《水質(zhì) 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》)、冷原子熒光光譜法和原子熒光光譜法[2]。雙硫腙分光光度法對測定要求嚴(yán)格,操作較繁瑣,其他方法需昂貴的儀器,成本高。近年來,比色傳感分析由于方法簡單、快速、靈敏度高、測定方便等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[3-4]報(bào)道了功能化的納米金比色法測定Hg2＋。文獻(xiàn)[5]報(bào)道了基于銀-聚乙烯醇薄膜制作了測定汞、Hg(Ⅰ)和Hg(Ⅱ)的通用傳感器。文獻(xiàn)[6]報(bào)道了在水溶液中通過綠色生物法合成納米銀采用比色法測定Hg2＋。這些比色傳感方法能直觀地從顏色變化來測定Hg2＋,但是還存在選擇性、靈敏度不高,探針材料復(fù)雜、昂貴,不適合現(xiàn)場測定等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]報(bào)道了金納米電化學(xué)方法測定Hg2＋,靈敏度高,但電化學(xué)方法抗干擾能力弱,重現(xiàn)性差,限制了此類方法的實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-9]報(bào)道了利用熒光探針測定Hg2＋,但探針材料合成復(fù)雜,溶劑為有機(jī)溶劑,會造成二次污染。因此,需要尋找一種靈敏度高、選擇性高,且能夠適用于普通實(shí)驗(yàn)室測定Hg2＋的方法。

本工作通過檸檬酸三鈉還原硝酸銀法[10-11]合成納米銀(AgNPs)溶膠,在納米銀的合成過程中引入表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP)[12-13]優(yōu)化AgNPs的粒徑大小。AgNPs催化溶液中溶解氧氧化3,3′,5,5′-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)生成藍(lán)色的TMB氧化物(oxTMB),同時(shí)利用AgNPs將Hg2＋還原為汞,以汞殼形式吸附在AgNPs的表面[14],使AgNPs中毒,減弱其催化氧化作用,使顏色發(fā)生變化[15],從而開發(fā)一種Hg2＋比色傳感器。Hg2＋測定原理示意圖見圖1。

本工作采用納米銀溶膠催化氧化-分光光度法快速測定水中汞的含量,同時(shí)探究了傳感器的選擇性、靈敏度、穩(wěn)定性以及實(shí)際應(yīng)用等。本方法靈敏度高、選擇性好、應(yīng)用價(jià)值大。

圖1 Hg2＋測定原理示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of principle of Hg2＋determination

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

HH-S2型系列恒溫水浴鍋;149A0279 型超聲波清洗器;ADP310C 型真空干燥箱;DHG-9075AD型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱;UV-2600型紫外-可見分光光度計(jì)。

汞標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液:100 mg·L-1。

硝酸銀的純度為99.8%;其余試劑均為分析純;試驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 不同粒徑AgNPs溶膠的制備

采用液相還原法[16]合成AgNPs溶膠。稱取0.017 0 g硝酸銀置于250 mL 錐形瓶中,加入80 mL水搖勻、溶解,再加入0.029 4 g二水合檸檬酸三鈉(配制7份),然后分別加入0,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.0 g PVP,再加入20 mL 水,超聲至完全溶解。將上述錐形瓶敞口置于沸水浴中約8 min,至溶液顏色變黃,快速用膠頭滴管取少量反應(yīng)溶液加入至少量鹽酸當(dāng)中,無渾濁產(chǎn)生,即制得7種不同粒徑的AgNPs溶膠,低溫避光保存。按照PVP 加入量由低到高分別標(biāo)記7種AgNPs溶膠為A、B、C、D、E、F、G。

1.2.2 AgNPs溶膠催化氧化TMB

移取4 mL水和200μL 的2 g·L-1TMB 溶液,搖勻,加入300μL AgNPs溶膠D(PVP加入量為0.5 g),在20 ℃水浴反應(yīng)2 min后,得到藍(lán)色溶液,在波長652 nm 處測量其吸光度。

1.2.3 樣品前處理

在某油墨廠污水排水口5 m 處采集水樣,采集某學(xué)院池水的水樣。由于油墨污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(jìn)行前處理。取25 mL油墨污水樣品,用0.25μm 一次性過濾器過濾,加入3.0 mL 硝酸和1.0 mL 的30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))過氧化氫溶液,加熱蒸發(fā)至溶液呈無色澄清或微黃色,最后用5%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液定容至25.0 mL[17-18],作為樣品溶液備用。

1.2.4 Hg2＋的測定

分別取4 mL 水樣或Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入200μL的2 g·L-1TMB溶液,搖勻,再加入300μL AgNPs溶膠D,在20 ℃水浴下反應(yīng)2 min后,得到藍(lán)色深淺不同的體系,并測量其在波長652 nm 處的吸光度。與空白樣品比較,含Hg2＋樣品體系藍(lán)色較淺,表明可以裸眼觀測樣品中有無Hg2＋,確定檢出限。在一定含量范圍內(nèi),測量Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的吸光度,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,可測定Hg2＋。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同粒徑AgNPs溶膠的吸收光譜

AgNPs溶膠A～G 的顯色情況如下:當(dāng)PVP加入量高于0.5 g時(shí),體系顏色越來越淺,最終為無色;AgNPs溶膠A 為灰綠色濁液,AgNPs溶膠B為黃色濁液,AgNPs溶膠C為黃褐色濁液,AgNPs溶膠D 呈黃色透明,AgNPs 溶膠E 呈灰色透明,AgNPs溶膠F呈近乎無色透明,AgNPs溶膠G 呈無色透明。

在波長350～550 nm 內(nèi)對Ag NPs溶膠A～G進(jìn)行掃描,所得吸收光譜見圖2。

由圖2可知:AgNPs特征峰的吸光度由A～G逐漸減小。AgNPs的吸光度增大是AgNPs溶膠渾濁程度加大、AgNPs尺寸不均勻且粒徑普遍較大的表現(xiàn)。由A 至E,隨著PVP用量的增加,AgNPs溶膠在波長430 nm 處吸收峰強(qiáng)度下降且藍(lán)移,表明了PVP在AgNPs形成過程中阻止了金屬納米粒子不斷生長,具有保護(hù)和穩(wěn)定AgNPs 的作用。當(dāng)PVP用量為0.9 g(對應(yīng)AgNPs溶膠F)時(shí),沒有特征吸收峰、近乎無色的AgNPs溶膠,結(jié)構(gòu)為絡(luò)合狀態(tài),由于有大量的PVP分子的包覆,使納米粒子難以生長,其粒徑大多分布在2～5 nm[19],進(jìn)一步說明隨著PVP用量的增加,AgNPs的粒徑會降低。

圖2 不同粒徑AgNPs溶膠的吸收光譜Fig.2 Absorption spectra of AgNPs sols with different particle size

2.2 不同粒徑AgNPs溶膠的催化性能

取4 支試管,分別加入4 mL 水及100μL 的2 g·L-1TMB溶液,搖勻后分別加入Ag NPs溶膠A、B、D、G 各200μL,在20℃水浴下反應(yīng)2 min,在波長400～800 nm 內(nèi)對其進(jìn)行掃描。4種AgNPs溶膠催化氧化TMB體系的吸收光譜見圖3。

圖3 4種AgNPs溶膠催化氧化TMB體系的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of catalytic oxidation of TMB system by 4 AgNPs sols

由圖3 可知:在波長652 nm 處,加入AgNPs溶膠D 后,體系的吸光度最大,催化性能最好,其次依次為加入AgNPs溶膠B、G、A;AgNPs的催化活性并不完全隨其粒徑的降低而增強(qiáng),無色透明的AgNPs溶膠G 粒徑最小,但其催化能力反而下降了,可能是由于過多的PVP 分子對納米粒子的保護(hù),影響了其本身的光電效應(yīng)和表面效應(yīng)。因此,Ag NPs溶膠制備時(shí)以0.5 g PVP作為分散劑,制備的AgNPs溶膠D 催化性能最佳。

2.3 AgNPs催化機(jī)理

在兩支試管中分別加入4 mL 水和100μL 的2 g·L-1TMB溶液,搖勻,其中一支試管通氮?dú)獬?0 min(通氮?dú)怏w系),另一支試管靜置(未通氮?dú)怏w系)。在兩支試管中分別加入200μL AgNPs溶膠D,在20 ℃水浴反應(yīng)2 min后,觀察顏色發(fā)現(xiàn):通氮?dú)怏w系為無色透明溶液,未通氮?dú)怏w系為淡藍(lán)色溶液。在波長652 nm 處測量上述兩種體系的吸光度,結(jié)果表明:通氮?dú)怏w系的吸光度為0.01;未通氮?dú)怏w系的吸光度為0.57,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通氮?dú)怏w系。這說明AgNPs溶膠對TMB 的催化活性是通過體系中的溶解氧作為氧化劑所產(chǎn)生的。

2.4 反應(yīng)時(shí)間的選擇

取6 支試管,分別加入4 mL 水及200μL 的2 g·L-1TMB溶液,搖勻,加入300μL AgNPs溶膠D,依次在20 ℃水浴中反應(yīng)0.5,1,2,5,10,20 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)體系吸光度的影響見圖4。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對反應(yīng)體系吸光度的影響Fig.4 Effect of reaction time on absorbance of the reaction system

由圖4可知:反應(yīng)時(shí)間為2～5 min時(shí),反應(yīng)體系的吸光度達(dá)到最大且基本穩(wěn)定;反應(yīng)時(shí)間大于5 min時(shí),反應(yīng)體系的吸光度下降,可能是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間過長,生成的ox TMB 不穩(wěn)定,再次發(fā)生了分解,使藍(lán)色褪去。為了減少誤差,試驗(yàn)選擇反應(yīng)時(shí)間為2 min。

2.5 反應(yīng)溫度的選擇

取5 支試管,分別加入4 mL 水及200μL 的2 g·L-1TMB溶液,搖勻,加入300μL AgNPs溶膠D,依次在15,20,25,30,35 ℃水浴下反應(yīng)2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結(jié)果表明:隨著反應(yīng)溫度逐漸升高,反應(yīng)體系的吸光度逐漸減小,AgNPs的催化能力降低;反應(yīng)溫度為15 ℃時(shí),反應(yīng)體系的吸光度略好于反應(yīng)溫度為20 ℃時(shí)反應(yīng)體系的吸光度,這可能是隨反應(yīng)溫度升高,溶液中溶解氧含量減少有關(guān)?？紤]到反應(yīng)溫度降低的同時(shí),會降低Hg2＋與AgNPs的反應(yīng)速率,試驗(yàn)選擇反應(yīng)溫度為20 ℃。

2.6 TMB用量的選擇

取5支試管,分別加入4 mL 水,依次加入50,100,200,300,400μL 的2 g·L-1TMB 溶液,搖勻,加入300μL Ag NPs溶膠D,在20 ℃水浴下反應(yīng)2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結(jié)果表明:隨著2 g·L-1TMB溶液用量的增加,反應(yīng)體系的吸光度逐漸增大;2 g·L-1TMB 溶液用量為200μL 時(shí),反應(yīng)體系的顯色效果較好;2 g·L-1TMB溶液用量增加至300μL 時(shí),反應(yīng)體系的吸光度增加,但增加曲線的斜率減小且會影響微量汞的測定。試驗(yàn)選擇2 g·L-1TMB 溶液用量為200μL。

2.7 AgNPs溶膠D用量的選擇

取5支試管,分別加入4 mL 的1×10-6mol·L-1汞標(biāo)準(zhǔn)溶液及200μL 的2 g·L-1TMB 溶液,搖勻,依次加入100,200,300,400,500μL AgNPs溶膠D,在20 ℃水浴下反應(yīng)2 min 后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結(jié)果表明:隨著AgNPs溶膠D 用量的增加,反應(yīng)體系的吸光度逐漸增大;當(dāng)AgNPs溶膠D 的用量為300μL 時(shí),反應(yīng)體系的吸光度突然增大,說明只有保證AgNPs適量才能使AgNPs與TMB、AgNPs與Hg2＋的反應(yīng)成為一種競爭反應(yīng),從而在一定線性范圍中測定Hg2＋。當(dāng)AgNPs的用量過大時(shí),微量的汞離子就無法減弱其催化性能、改變體系顏色,達(dá)不到測定的效果;當(dāng)Ag NPs的用量過小時(shí),分析的誤差隨之增大,同樣是不利的。試驗(yàn)選擇AgNPs溶膠D 的用量為300μL。

2.8 AgNPs-TMB比色體系的選擇性

為了探討Hg2＋對AgNPs的選擇性,試驗(yàn)采用比較有代表性的堿金屬元素離子(K＋、Na＋)、堿土金屬元素離子(Ca2＋、Mg2＋)以及過渡金屬元素離子(Zn2＋、Pb2＋、Cr3＋)作為干擾離子。取9支試管,其中8支試管先分別加入4 mL的1×10-5mol·L-1的K＋、Na＋、Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋、Cr3＋及Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液,再向9 支試管中加入200μL 的2 g·L-1TMB 溶液,搖勻后加入300μL AgNPs溶膠D,在20 ℃下反應(yīng)2 min,在波長652 nm 處測量其吸光度。結(jié)果表明:金屬干擾離子為K＋、Na＋、Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋、Cr3＋和無干擾離子的反應(yīng)體系均為藍(lán)色溶液;加入Hg2＋的反應(yīng)體系為無色透明溶液。這說明在相同反應(yīng)條件下只有Hg2＋可以使AgNPs失活,TMB 無法氧化為ox TMB,最終體系顏色呈無色。

各種金屬干擾離子存在時(shí)AgNPs-TMB 體系的吸光度見表1。

表1 各種金屬干擾離子存在時(shí)AgNPs-TMB體系的吸光度Tab.1 Absorbances of AgNPs-TMB systems with various metal interference ions

由表1 可知:相同濃度的金屬干擾離子對AgNPs-TMB 體系的吸光度的相對誤差小于±7.5%。本方法具有良好的選擇性。

2.9 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

取5支試管,分別加入4 mL 的5×10-8,1×10-7,5×10-7,1×10-6,5×10-6mol·L-1Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液,加入200μL的2 g·L-1TMB溶液,搖勻,再加入300μL AgNPs溶膠D,在20 ℃水浴下反應(yīng)2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度,結(jié)果見圖5。

圖5 Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度Fig.5 Absorbances of Hg2＋standard solution

由圖5 可知:Hg2＋濃度在5×10-8～1×10-6mol·L-1內(nèi),與其對應(yīng)的吸光度呈一定的線性關(guān)系。試驗(yàn)表明:Hg2＋濃度低至1×10-8mol·L-1時(shí),其吸光度卻會略高于的空白溶液的吸光度(見表1)。這是由于銀-汞合金會增強(qiáng)AgNPs的催化性能[20],因此當(dāng)Hg2＋濃度低于一定程度時(shí),AgNPs粒子表面生成的汞不足以形成汞殼,包覆AgNPs粒子,而是形成銀-汞合金,宏觀表現(xiàn)為AgNPs的催化性能增強(qiáng),而不是抑制。當(dāng)Hg2＋濃度高至5×10-6mol·L-1時(shí),吸光度下降過低,且溶液出現(xiàn)渾濁,可能是在AgNPs粒子上生成了大量的汞單質(zhì)。

Hg2＋的檢出限為5×10-8mol·L-1(即0.01 mg·L-1的Hg2＋)。

采用顯色穩(wěn)定且呈線性的濃度范圍(1×10-7～1×10-6mol·L-1)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。Hg2＋標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的濃度為1×10-6,9×10-7,8×10-7,7×10-7,6×10-7,5×10-7,4×10-7,3×10-7,2×10-7,1×10-7mol·L-1,按試驗(yàn)方法在波長652 nm 處測量其吸光度,并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果表明:Hg2＋濃度在1×10-7～1×10-6mol·L-1內(nèi)與其對應(yīng)的吸光度呈線性關(guān)系,線性回歸方程為y＝-9.570×10-2x＋1.055,相關(guān)系數(shù)為0.996 3。

2.10 樣品分析

按試驗(yàn)方法分別取某學(xué)院池水樣品和某油墨廠油墨污水樣品進(jìn)行分析,并與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 597-2011《水質(zhì) 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》的測定結(jié)果進(jìn)行比較,同時(shí)進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),計(jì)算回收率和測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見表2。

表2 樣品分析結(jié)果(n＝5)Tab.2 Analytical results of the samples(n＝5)

由表2可知:池水樣品中本方法未檢出Hg2＋,油墨污水樣品中檢出一定量的Hg2＋;本方法對油墨污水樣品的測定結(jié)果與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 597-2011《水質(zhì) 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》測定結(jié)果一致;回收率為98.0%～102%,RSD 均小于2.0%。

本工作建立了納米銀溶膠催化氧化-分光光度法快速測定水中汞的分析方法,本方法具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、快速、靈敏、選擇性好等優(yōu)點(diǎn),能達(dá)到國家汞排放標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測要求。