基于聚合物點(diǎn)的水樣中亞硝酸鹽含量測(cè)試新方法

秦 龍，何開禮，李佳卉，吳一微

(污染物分析與資源化技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

亞硝酸鹽廣泛應(yīng)用于食品業(yè)，與人們生活息息相關(guān)，且具有很大毒性，人體安全攝入亞硝酸鹽的含量為0 ～ 0.1 mg·kg-1(體重)[1]。如果攝入的亞硝酸鹽過(guò)量很容易導(dǎo)致胃癌和食道癌，而且不利于癌癥的治療和康復(fù)[2]。過(guò)量的亞硝酸鹽還會(huì)導(dǎo)致嬰兒的先天畸形、中樞神經(jīng)系統(tǒng)出生理缺陷等健康問題[3,4]。此外，水體中亞硝酸鹽含量過(guò)高會(huì)引起魚、蝦肝臟異變，誘發(fā)水產(chǎn)動(dòng)物暴發(fā)性疾病，引起魚蝦貝的死亡，導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[5]。因此建立一個(gè)高效、快速、準(zhǔn)確的方法來(lái)檢測(cè)食品、水樣、生物樣品中亞硝酸鹽含量的方法非常重要。

目前，亞硝酸鹽的國(guó)標(biāo)常用檢測(cè)方法是格里斯試劑比色法[6]，其實(shí)質(zhì)是一種可見分光光度法[7]。在酸性條件下，亞硝酸鹽與對(duì)氨基苯磺酸氨重氮化，與鹽酸萘乙二胺偶合，通過(guò)外標(biāo)法測(cè)得亞硝酸鹽的總含量。但此方法不僅存在樣品自身色素的影響[8]，而且Cu2+、Fe3+等離子也會(huì)對(duì)測(cè)定有干擾，給測(cè)定帶來(lái)不便。

為了解決上述實(shí)際樣品中檢測(cè)亞硝酸鹽的技術(shù)問題，本文通過(guò)水熱法制備了聚合物點(diǎn)熒光試劑[9]，利用亞硝酸鹽對(duì)聚合物點(diǎn)熒光探針的線性猝滅作用，建立熒光強(qiáng)度變化對(duì)亞硝酸鹽濃度的定量檢測(cè)新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑及儀器

1.1.1 試劑 谷胱甘肽(GSH，分析純，薩恩化學(xué)技術(shù)上海有限公司)；聚乙烯亞胺(PEI, Mw = 10,000, 99%，分析純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)；

1.1.2 儀器 LS45熒光分光光度計(jì)(美國(guó)，Perkin Elmer)；U - 3010 紫外可見分光光度計(jì)(日本，Hitachi);PB - 10型精密pH計(jì)(德國(guó)，Sartorius)；拉曼紅外光譜儀(Nicolet 5700型，美國(guó)高力公司)；SEM掃描電鏡(S - 3400N型，日本日立公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 G-PEI PDs的合成[9]取1mL(0.123g·mL-1)谷胱甘肽水溶液和1mL(0.4g·mL-1)的聚乙烯亞胺水溶液，以超純水稀釋至40mL，攪拌3min后，裝入反應(yīng)釜于200°C下加熱反應(yīng)4h，后讓其自然冷卻至室溫。最后為凈化G-PEI PDs并消除小分子干擾，對(duì)其實(shí)施透析膜(500Da截留分子量)透析24h,得到淡黃色的G-PEI PDs溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 G-PEIPDs的表征

如圖1A和圖1B所示，G-PEI PDs的最大吸收波長(zhǎng)為320nm，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為340nm時(shí)，G-PEI PDs的最大發(fā)射波長(zhǎng)位于460nm.G-EI PDs溶液自然條件下為淡黃色，在365nm的紫外光照射下為亮藍(lán)色。在用紅外光譜對(duì)G-PEI PDs進(jìn)行進(jìn)一步的表征中(圖1C)，發(fā)現(xiàn)了GSH的幾個(gè)特征吸收峰，1 575cm-1和1 465 cm-1的吸收對(duì)應(yīng)于COO-的拉伸振動(dòng)；而3 411cm-1的吸收則對(duì)應(yīng)于-OH-和-NH-的伸縮振動(dòng)；在1 633cm-1還發(fā)現(xiàn)了酰胺鍵的(-CONH-)的振動(dòng)吸收峰，表明GSH的羧基與PEI的胺基之間發(fā)生了脫水?；磻?yīng)，形成了酰胺鍵。綜上，與文獻(xiàn)[9]基本一致，表明G-PEI PDs有很好的重復(fù)性。圖1D是G-PEI PDs的掃描電鏡圖，呈六邊形片狀。

圖1 (A) G-PEI PDs的紫外-可見吸收光譜圖；(B) G-PEI PDs的熒光激發(fā)和發(fā)射光譜圖；(C) G-PEI PDs的紅外光譜圖；(D) G-PEI PDs的掃描電鏡圖

2.2 pH對(duì)G-PEI PDs熒光的影響

由于G-PEI PDs有著許多的諸如胺基一類的可能形成氫鍵的基團(tuán)，因此考查pH對(duì)于G-PEI PDs的影響是不可避免的，我們探究了pH值在2.0～11.0范圍內(nèi)對(duì)G-PEI PDs的熒光性能的影響。當(dāng)pH值在2.0～6.0之間增長(zhǎng)時(shí)，G-PEI PDs的熒光強(qiáng)度逐漸增大；當(dāng)pH值在從6.0增加到7.0時(shí)，G-PEI PDs的熒光強(qiáng)度發(fā)生了驟降，在7.0～11.0基本保持平穩(wěn)。G-PEI PDs在寬的pH條件下都可以保持穩(wěn)定。pH = 6.0的B-R緩沖溶液被選為最佳條件。酸堿環(huán)境下的熒光強(qiáng)度變化可歸因于，在酸性環(huán)境下，聚合物點(diǎn)的N原子會(huì)發(fā)生質(zhì)子化，從而使得聚合物分子樹枝之間的剛性增強(qiáng)，減少非輻射躍遷概率，隨著溶液的堿性增加，質(zhì)子化程度減弱，從而增加了非輻射躍遷概率，故在酸性條件下，聚合物點(diǎn)的熒光強(qiáng)度高于堿性條件下聚合物點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。

2.3 G-PEI PDs的選擇性分析及Hg2+的掩蔽

圖2 (A) 離子對(duì)G-PEI PDs熒光強(qiáng)度的影響。表示最終熒光強(qiáng)度/初始熒光強(qiáng)度；(B) 干擾離子掩蔽圖，NaNO2∶0.3mg·mL-1, Hg2+∶40ng·mL-1, NH4OH∶1.1mmol·mL-1

本研究涉及的工業(yè)廢水中除了NaNO2，還含有Na2SO4，NaCl，CH3OH，因此分別研究了Na2SO4， NaCl，CH3OH對(duì)G-PEI PDs的影響，結(jié)果如圖3(A，B，C)，可見25%的Na2SO4和NaCl以及6%的CH3OH對(duì)G-PEI PDs熒光強(qiáng)度幾乎沒有影響，表明G-PEI PDs在高鹽濃度下很穩(wěn)定。

圖3 (A)不同質(zhì)量百分比的Na2SO4對(duì)G-PEI PDs熒光強(qiáng)度的影響，(B) 不同質(zhì)量百分比CH3OH對(duì)G-PEI PDs熒光強(qiáng)度的影響;(C)不同質(zhì)量百分比NaCl對(duì)G-PEI PDs熒光強(qiáng)度的影響

2.4 聚合物點(diǎn)檢測(cè)的可能機(jī)理

本文所用的非共軛聚合物具有巰基，亞硝酸鹽可以與該聚合物分子上的巰基發(fā)生亞硝酸鹽-硫醇反應(yīng)[11]，導(dǎo)致其化學(xué)環(huán)境的改變，從而引起了熒光的猝滅，其機(jī)理見圖4.

圖4 G-PEI PDs的合成與基于G-PEI PD的測(cè)定

2.5 G-PEI PDs檢測(cè)的分析性能

為了研究傳感器的靈敏度，不同濃度的NaNO2被分別添加到系統(tǒng)中，室溫下放置5 min，熒光強(qiáng)度的變化被記錄在圖5.如圖5A所示，該傳感器的熒光猝滅程度隨NaNO2濃度的增加而增加，并且熒光猝滅程度比F0/F與NaNO2的濃度之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(圖5B)。結(jié)果表明，G-PEI PDs檢測(cè)NaNO2的線性范圍在0.02 ～ 2 mg·mL-1，檢出限為0.0032 mg·mL-1.

圖5 (A) G-PEI PDs在不同濃度NaNO2 (0.0～2.0 mg·mL-1)存在下的熒光發(fā)射光譜。(B)F0/F與NaNO2相應(yīng)濃度的曲線圖

2.6 猝滅機(jī)理

為了探究溫度對(duì)猝滅過(guò)程的影響，研究了在不同溫度(293.15 K，313.15 K，333.15 K)下加入NaNO2聚合物點(diǎn)的熒光強(qiáng)度變化。通過(guò)Stern-Volmer方程F0/F= 1 +KSVC(F0和F分別表示加入NaNO2作為猝滅劑之前和之后聚合物點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，KSV表示猝滅常數(shù))得到的結(jié)果，F(xiàn)0/F分別在293.15 K，313.15 K和333.15 K溫度下與NaNO2具有良好的線性擬合，并且KSV隨著溫度的升高而增加，表明動(dòng)態(tài)猝滅機(jī)制在猝滅中起主要作用(表1)。

表1 三種不同溫度下聚合物點(diǎn)與NaNO2相互作用Stern-volumer方程以及猝滅常數(shù)(Ksv)

2.7 實(shí)樣分析

在最佳條件下，利用G-PEI PDs熒光傳感器對(duì)各種水樣中的NaNO2進(jìn)行分析，驗(yàn)證其實(shí)際可行性。表2為工業(yè)廢水1號(hào)，工業(yè)廢水2號(hào)，自來(lái)水中NaNO2的測(cè)定結(jié)果及回收率。G-PEI PDs傳感器的可回收率為95.1% ～ 102.4%，表明G-PEI PDs傳感器對(duì)不同基質(zhì)中NaNO2的測(cè)定具有潛力。

表2 各種基質(zhì)中NaNO2的分析結(jié)果

3 結(jié)論

本文主要以聚合物點(diǎn)的熒光性為基礎(chǔ)建立對(duì)亞硝酸鹽含量的測(cè)定。結(jié)果明確表明，該方法可以用于水樣的亞硝酸鹽的檢測(cè)，盡管工業(yè)廢水中的汞離子會(huì)存在干擾，但只需簡(jiǎn)單的預(yù)處理即可，總體而言流程并不復(fù)雜，相比于傳統(tǒng)格里斯比色法，本方法具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉、分析速度快、無(wú)毒無(wú)害等優(yōu)點(diǎn)。