氧化石墨烯/L-色氨酸體系熒光光度法測定鉍離子

王 奎，葉玉蘭，顏黎棟，孟祖超

（西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突顯。其中，工業(yè)廢水中的重金屬離子對土壤和水資源的污染尤為嚴(yán)重。除了鉛、鎘、汞之外，工業(yè)廢水中的鉍離子也是重點(diǎn)監(jiān)控指標(biāo)。目前，環(huán)境樣品中重金屬離子的檢測方法包括原子吸收和原子熒光光譜法[1-2]、電感耦合等離子體質(zhì)譜和光譜法[3-6]、電化學(xué)方法[7-8]等。這些方法具有儀器昂貴、樣品前處理復(fù)雜、耗時(shí)較長等不足。熒光傳感器因具有較高的靈敏度、低的分析成本、簡單快速等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在生物、化學(xué)、食品、環(huán)境等領(lǐng)域。

近年來，具有共軛結(jié)構(gòu)的GO 作為一種廣適性的熒光猝滅劑，能夠作為能量受體，猝滅多種有機(jī)染料及量子點(diǎn)的熒光。與傳統(tǒng)的猝滅劑相比，GO 具有更高的猝滅效率以及環(huán)境友好的特點(diǎn)[9]。馬翠萍等[10]發(fā)現(xiàn)，在酸性介質(zhì)中氧化石墨烯對吖啶橙的熒光有猝滅作用，此時(shí)加入適量的多巴胺，則會(huì)使體系的熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，且增強(qiáng)程度與多巴胺的加入量成正比，據(jù)此建立了吖啶橙-氧化石墨烯熒光光度法測定多巴胺的方法。該方法具有良好的選擇性，應(yīng)用于實(shí)際樣品的測定，結(jié)果滿意。朱玉鳳等[11]在堿性介質(zhì)中，基于氧化石墨烯對吖啶橙具有吸附性，可實(shí)現(xiàn)對吖啶橙的熒光猝滅，當(dāng)加入適量Cd2+后可使體系的熒光增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對Cd2+的靈敏檢測。本研究利用GO 對L-Trp 的吸附性，實(shí)現(xiàn)了對L-Trp 的熒光猝滅。Bi3+的加入破壞了GO/L-Trp 體系，導(dǎo)致L-Trp的熒光恢復(fù)，且熒光強(qiáng)度隨著Bi3+的增加逐漸增強(qiáng)?；谠撛?，實(shí)現(xiàn)了對礦山廢水中Bi3+含量的熒光分析測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

DZF-6020 型真空干燥箱，DZKW-D-2 型數(shù)顯恒溫水浴鍋，，2XZ-1 型真空泵，F(xiàn)L-4500 型熒光分光光度計(jì)，KQ2200DE 型數(shù)控超聲波清洗器。

石墨粉、鹽酸、硝酸、硫酸、硝酸鈉、高錳酸鉀、30%過氧化氫、硝酸鉍等(均為分析純)，L-色氨酸為生化試劑。

1.2 氧化石墨烯的制備

本實(shí)驗(yàn)采用改良的Hummers 法制備氧化石墨烯[12]。在500mL 的三口燒瓶中，加入一定量的硝酸鈉和天然石墨粉，再依次加入98%濃硫酸和KMnO4，控制溫度不超過20℃，得到紫綠色溶液。然后把燒瓶置于40℃的恒溫水浴中，繼續(xù)攪拌，得到褐色混合液。再緩慢均勻加入適量的雙氧水，直到溶液變?yōu)榱咙S色。抽濾，洗滌至中性，干燥后得到

棕色固體。

1.3 試劑及標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

配制6×10-5mol·L-1色氨酸溶液和8×10-5g·mL-1氧化石墨烯懸浮液。選用Cu(NO3)2·3H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Bi(NO3)3·5H2O、AgNO3，分別配制濃度均為5×10-5mol·L-1的Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Bi3+、Ag+溶液，279 nm 為激發(fā)波長進(jìn)行熒光分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化石墨烯的表征

用掃描電子顯微鏡（SEM）對氧化石墨（GO）進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖1所示。從圖1可見，GO呈層狀，表面有明顯褶皺。從圖2 的能譜分析圖（EDS）可見，所制備的GO 主要元素為C、O，說明制得的GO 符合要求。

圖1 GO 的掃描電鏡圖（SEM）

圖2 GO 的能譜分析圖（EDS 圖）

利用紅外光譜圖對GO 進(jìn)行了進(jìn)一步的表征，所得結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，GO在3440cm-1處的峰代表羥基O-H 的伸縮振動(dòng)峰，1716cm-1處的峰代表羧基中 C=O 的伸縮振動(dòng)，1620cm-1處的峰歸屬于sp2雜化的C=C 的伸縮振動(dòng)。GO 結(jié)構(gòu)中的羥基與L-Trp 中的氨基可以形成分子間氫鍵，同時(shí)它們之間的靜電吸引作用有利于二者緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。

圖3 GO 的FT-IR 圖

2.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)選

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間對熒光猝滅的影響

GO 與L-Trp 混合后，L-Trp 的熒光強(qiáng)度會(huì)降低；延長反應(yīng)時(shí)間，熒光強(qiáng)度沒有發(fā)生太大改變，表明熒光猝滅效應(yīng)與反應(yīng)時(shí)間無關(guān)。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對熒光猝滅的影響

圖5 不同濃度的L-Trp 的熒光光譜圖

2.2.2 L-Trp 濃度選擇

L-Trp 具有一定的熒光強(qiáng)度，濃度改變對實(shí)驗(yàn)測定的影響明顯。本實(shí)驗(yàn)考察了濃度為0.4×10-5～20×10-5mol·L-1時(shí)L-Trp 的熒光強(qiáng)度。結(jié)果顯示，L-Trp 濃度超過6×10-5mol·L-1后，熒光強(qiáng)度的增加變得緩慢，因此選擇6×10-5mol·L-1作為最佳的L-Trp 濃度。

2.2.3 GO 用量選擇

在濃度為6×10-5mol·L-1的L-Trp 溶液中，研究了GO 用量對L-Trp 熒光猝滅的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可見，當(dāng)GO 濃度為8×10-5g·mL-1時(shí)，熒光猝滅的速度快，猝滅效率為92.5%。所以選擇8×10-5g·mL-1作為GO 的最佳用量。

圖6 GO 用量對L-Trp 的熒光猝滅圖

2.2.4 試劑加入順序

在L-Trp 濃度為6×10-5mol·L-1、GO 濃度為8×10-5g·mL-1、Bi3+離子濃度為4×10-5mol·L-1時(shí)，考察了L-Trp、GO、H2O 這幾種試劑的添加順序?qū)?shí)驗(yàn)的影響，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可見，GO+LTrp+H2O 體系的熒光強(qiáng)度值最大也最穩(wěn)定，所以選擇添加試劑的順序?yàn)椋篏O、L-Trp、H2O、Bi3+。

圖7 試劑添加順序?qū)w系熒光強(qiáng)度的影響

2.2.5 pH 對于測定的影響

由于Bi3+在水溶液中易水解，因此考察了pH對熒光強(qiáng)度的影響。保持L-Trp 濃度為6×10-5mol·L-1，GO 濃度為8×10-5g·mL-1，Bi3+離子濃度為5×10-5mol·L-1，用硝酸調(diào)節(jié)pH 在0.5～4 之間，進(jìn)行熒光測定，結(jié)果如圖8 所示。當(dāng)pH 為2 時(shí)，體系的熒光強(qiáng)度最大，所以本實(shí)驗(yàn)選擇pH=2 的Bi3+溶液。

圖8 pH 值對體系熒光強(qiáng)度的影響

圖9 不同濃度 Bi3+在GO-L-Trp 體系中的熒光光譜圖

圖10 在GO-L-Trp 體系中測定Bi3+的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

2.3 Bi3+工作曲線和檢出限

在最佳的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件下，測定了不同濃度的Bi3+在GO-L-Trp 體系中的熒光光譜圖，結(jié)果如圖9所示。Bi3+在0.5～100 μmol·L-1的濃度范圍內(nèi)，與ΔI=(I-I0)呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系(圖10)，線性回歸方程為：ΔI=8.081c+ 20.817（R2=0.9995），檢出限為0.5×10-6mol·L-1。

2.4 干擾性能研究

考慮到混合樣品中常見的金屬離子和陰離子可能會(huì)干擾測定，進(jìn)行了干擾性能研究。Bi3+濃度為2×10-5mol·L-1時(shí)，加入100 倍的K+、Na+、Cu2+、Mg2+、Ca2+，50 倍 的Fe3+、Ni3+、Sb3+、Al3+、NO3-、F-、Cl-，30 倍的Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+、Ba2+，Bi3+熒光強(qiáng)度的變化數(shù)值不超過3.0%，證明以上濃度的離子對Bi3+的測定基本無干擾。該方法對實(shí)際樣品表現(xiàn)出了較好的選擇性，可用于實(shí)際樣品的分析。

2.5 實(shí)際樣品分析

將此方法應(yīng)用于廢水中Bi3+的測定。取待測定水樣100mL，離心15min，取上層清液50mL 進(jìn)行分析測定，結(jié)果見表1。從表1 可見，廢水中Bi3+的含量為25 μmol·L-1，回收率為97.5%～106.0%，表明此方法可以用于礦山污水中 Bi3+含量的測定。

表1 礦山廢水中Bi3+的分析測定

3 結(jié)論

GO 對L-Trp 具有良好的熒光猝滅效應(yīng)，加入Bi3+后，體系的熒光恢復(fù)，Bi3+濃度為0.5～100 μmol·L-1時(shí)呈線性關(guān)系，檢出限為0.5×10-6mol·L-1。據(jù)此建立的Bi3+熒光光度分析法成功應(yīng)用于廢水中Bi3+的含量分析，具有靈敏度高、速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)果令人滿意。