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

(肇慶學院 環境與化學工程學院,肇慶 526061)

隨著冶煉、電鍍等工業生產的不斷發展,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重,含汞廢水現已成為世界上危害較大的工業廢水之一。汞中毒以消化系統和神經系統癥狀為主,表現為口腔黏膜潰爛、頭痛、記憶力減退、語言失常,嚴重者有各種精神障礙,加之無機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]。基于汞的監測顯得尤為重要,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 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、測定方便等優點,受到廣泛關注。文獻[3-4]報道了功能化的納米金比色法測定Hg2＋。文獻[5]報道了基于銀-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[6]報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,探針材料復雜、昂貴,不適合現場測定等缺點。文獻[7]報道了金納米電化學方法測定Hg2＋,靈敏度高,但電化學方法抗干擾能力弱,重現性差,限制了此類方法的實際應用。文獻[8-9]報道了利用熒光探針測定Hg2＋,但探針材料合成復雜,溶劑為有機溶劑,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驗室測定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′-四甲基聯苯胺(TMB)生成藍色的TMB氧化物(oxTMB),同時利用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,使顏色發生變化[15],從而開發一種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,同時探究了傳感器的選擇性、靈敏度、穩定性以及實際應用等。本方法靈敏度高、選擇性好、應用價值大。

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

1 試驗部分

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型電熱恒溫鼓風干燥箱;UV-2600型紫外-可見分光光度計。

汞標準儲備溶液:100 mg·L-1。

硝酸銀的純度為99.8%;其余試劑均為分析純;試驗用水為蒸餾水。

1.2 試驗方法

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溶液加入至少量鹽酸當中,無渾濁產生,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2 min后,得到藍色溶液,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,采集某學院池水的水樣。由于油墨污水的色度直接影響測定結果的準確性,因此需要對樣品進行前處理。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%(質量分數)過氧化氫溶液,加熱蒸發至溶液呈無色澄清或微黃色,最后用5%(體積分數)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＋標準溶液,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2 min后,得到藍色深淺不同的體系,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,測量Hg2＋標準溶液系列的吸光度,繪制標準曲線,可測定Hg2＋。

2 結果與討論

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PVP加入量高于0.5 g時,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 內對Ag NPs溶膠A～G進行掃描,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。由A 至E,隨著PVP用量的增加,AgNPs溶膠在波長430 nm 處吸收峰強度下降且藍移,表明了PVP在AgNPs形成過程中阻止了金屬納米粒子不斷生長,具有保護和穩定AgNPs 的作用。當PVP用量為0.9 g(對應AgNPs溶膠F)時,沒有特征吸收峰、近乎無色的AgNPs溶膠,結構為絡合狀態,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2 min,在波長400～800 nm 內對其進行掃描。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,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,影響了其本身的光電效應和表面效應。因此,Ag NPs溶膠制備時以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,其中一支試管通氮氣除氧10 min(通氮氣體系),另一支試管靜置(未通氮氣體系)。在兩支試管中分別加入200μL AgNPs溶膠D,在20 ℃水浴反應2 min后,觀察顏色發現:通氮氣體系為無色透明溶液,未通氮氣體系為淡藍色溶液。在波長652 nm 處測量上述兩種體系的吸光度,結果表明:通氮氣體系的吸光度為0.01;未通氮氣體系的吸光度為0.57,遠遠高于通氮氣體系。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生的。

2.4 反應時間的選擇

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0.5,1,2,5,10,20 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。反應時間對反應體系吸光度的影響見圖4。

圖4 反應時間對反應體系吸光度的影響Fig.4 Effect of reaction time on absorbance of the reaction system

由圖4可知:反應時間為2～5 min時,反應體系的吸光度達到最大且基本穩定;反應時間大于5 min時,反應體系的吸光度下降,可能是因為反應時間過長,生成的ox TMB 不穩定,再次發生了分解,使藍色褪去。為了減少誤差,試驗選擇反應時間為2 min。

2.5 反應溫度的選擇

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2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結果表明:隨著反應溫度逐漸升高,反應體系的吸光度逐漸減小,AgNPs的催化能力降低;反應溫度為15 ℃時,反應體系的吸光度略好于反應溫度為20 ℃時反應體系的吸光度,這可能是隨反應溫度升高,溶液中溶解氧含量減少有關。考慮到反應溫度降低的同時,會降低Hg2＋與AgNPs的反應速率,試驗選擇反應溫度為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2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結果表明:隨著2 g·L-1TMB溶液用量的增加,反應體系的吸光度逐漸增大;2 g·L-1TMB 溶液用量為200μL 時,反應體系的顯色效果較好;2 g·L-1TMB溶液用量增加至300μL 時,反應體系的吸光度增加,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汞標準溶液及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2 min 后,在波長652 nm 處測量其吸光度。結果表明:隨著AgNPs溶膠D 用量的增加,反應體系的吸光度逐漸增大;當AgNPs溶膠D 的用量為300μL 時,反應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＋的反應成為一種競爭反應,從而在一定線性范圍中測定Hg2＋。當AgNPs的用量過大時,微量的汞離子就無法減弱其催化性能、改變體系顏色,達不到測定的效果;當Ag NPs的用量過小時,分析的誤差隨之增大,同樣是不利的。試驗選擇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＋標準溶液,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2 min,在波長652 nm 處測量其吸光度。結果表明:金屬干擾離子為K＋、Na＋、Zn2＋、Ca2＋、Mg2＋、Pb2＋、Cr3＋和無干擾離子的反應體系均為藍色溶液;加入Hg2＋的反應體系為無色透明溶液。這說明在相同反應條件下只有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AgNPs-TMB 體系的吸光度見表1。

表1 各種金屬干擾離子存在時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 標準曲線和檢出限

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＋標準溶液,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2 min后,在波長652 nm 處測量其吸光度,結果見圖5。

圖5 Hg2＋標準溶液的吸光度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,與其對應的吸光度呈一定的線性關系。試驗表明:Hg2＋濃度低至1×10-8mol·L-1時,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AgNPs的催化性能[20],因此當Hg2＋濃度低于一定程度時,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,宏觀表現為AgNPs的催化性能增強,而不是抑制。當Hg2＋濃度高至5×10-6mol·L-1時,吸光度下降過低,且溶液出現渾濁,可能是在AgNPs粒子上生成了大量的汞單質。

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

采用顯色穩定且呈線性的濃度范圍(1×10-7～1×10-6mol·L-1)繪制標準曲線。Hg2＋標準溶液系列的濃度為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,按試驗方法在波長652 nm 處測量其吸光度,并繪制標準曲線。結果表明:Hg2＋濃度在1×10-7～1×10-6mol·L-1內與其對應的吸光度呈線性關系,線性回歸方程為y＝-9.570×10-2x＋1.055,相關系數為0.996 3。

2.10 樣品分析

按試驗方法分別取某學院池水樣品和某油墨廠油墨污水樣品進行分析,并與環境標準HJ 597-2011《水質 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》的測定結果進行比較,同時進行加標回收試驗,計算回收率和測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表2。

表2 樣品分析結果(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果與環境標準HJ 597-2011《水質 總汞的測定 冷原子吸收分光光度法》測定結果一致;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、經濟實惠、快速、靈敏、選擇性好等優點,能達到國家汞排放標準監測要求。