硫胺素-三維熒光法測(cè)定水中汞離子的研究

祖麗德孜·努蘭， 沈 鑒， 冷曉婷， 柴一荻， 王士峰， 胡 遠(yuǎn)， 崔皓月， 吳 靜*

1. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084 2. 清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 環(huán)境污染溯源與精細(xì)監(jiān)管技術(shù)研究中心， 北京 100084 3. 清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院先進(jìn)監(jiān)管技術(shù)儀器研發(fā)團(tuán)隊(duì)， 江蘇 蘇州 215163

引 言

汞是一種具有顯著積累效應(yīng)和遺傳毒性的重金屬元素， 對(duì)人體有較強(qiáng)的致畸性和神經(jīng)毒性， 嚴(yán)重危害人體健康[1]。 汞在水體中主要以Hg2+形態(tài)存在。 Hg2+在水體中能夠被微生物還原為Hg0， Hg0易揮發(fā)進(jìn)入大氣被人體吸入體內(nèi)； 同時(shí)水體中的Hg2+又可以被微生物轉(zhuǎn)化為毒性更強(qiáng)的烷基汞， 并最終通過(guò)食物鏈富集至人體體內(nèi)[2]。 金屬冶煉、 煤電、 化工等行業(yè)的快速發(fā)展加劇了汞的排放[3]， 大量含汞物質(zhì)泄漏至水環(huán)境中， 對(duì)人體健康造成了極大威脅。 我國(guó)是全球汞污染最嚴(yán)重的國(guó)家之一， 2010年， 全國(guó)地表水中汞的排放量達(dá)到了1.8 t[4]； 2016年， 我國(guó)近岸海域中汞的排放量達(dá)到了39 t[5]， 水環(huán)境中的汞污染問(wèn)題已不容忽視， 急需加強(qiáng)對(duì)水環(huán)境中汞污染的治理。 治理的要義在于源頭監(jiān)管， 而保障監(jiān)管效能的手段在于發(fā)展行之有效的檢測(cè)方法。

目前， 檢測(cè)水體中汞離子的方法主要包括： 電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[6]、 陽(yáng)極溶出伏安法[7]、 冷原子吸收分光光度法[8]。 ICP-MS法設(shè)備昂貴且易受有機(jī)物干擾； 陽(yáng)極溶出伏安法存在重復(fù)性較差、 維護(hù)成本高等缺點(diǎn)； 冷原子吸收分光光度法包含消解及加熱過(guò)程， 檢測(cè)成本高、 操作難度大、 二次污染風(fēng)險(xiǎn)高。 不難看出， 現(xiàn)有的水中汞離子檢測(cè)方法普遍存在成本高昂、 測(cè)試復(fù)雜、 周期冗長(zhǎng)等不足。 因此， 建立快速、 準(zhǔn)確、 經(jīng)濟(jì)的汞離子檢測(cè)方法， 將會(huì)極大提高水體中汞污染的檢測(cè)效率， 助力汞污染的源頭監(jiān)管。

三維熒光光譜(fluorescence excitation-emission matrix， EEM)， 是一種可以同步記錄熒光信號(hào)隨激發(fā)波長(zhǎng)及發(fā)射波長(zhǎng)變化的矩陣光譜， 它可以提供廢水中溶解性有機(jī)物的豐富信息[9]。 三維熒光技術(shù)因其具有快速、 靈敏、 預(yù)處理簡(jiǎn)便、 無(wú)額外試劑引入、 所需樣品少等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到關(guān)注。 近年來(lái)， 多項(xiàng)研究表明， 三維熒光技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中污染物的監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警， 還可以應(yīng)用于污水處理的全過(guò)程監(jiān)測(cè)[10]。 硫胺素是一種常見(jiàn)的熒光有機(jī)物， 可以與汞離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)[11]。 硫胺素被氧化后其三維熒光信號(hào)可能發(fā)生變化， 利用三維熒光技術(shù)檢測(cè)硫胺素反應(yīng)前后三維熒光信號(hào)的差異， 就能實(shí)現(xiàn)水中汞離子的快速檢測(cè)與預(yù)警。 本研究旨在探究硫胺素-三維熒光法檢測(cè)水中汞離子的可行性， 研究了不同測(cè)試條件對(duì)汞離子檢測(cè)的影響。 此外， 還對(duì)本方法開(kāi)展了抗干擾性研究。 目前， 尚未見(jiàn)有利用硫胺素-三維熒光法檢測(cè)水中汞離子的報(bào)道。 本研究為水環(huán)境中汞離子的快速、 精準(zhǔn)檢測(cè)提供了一種可行的方法， 具有良好的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與試劑

本研究所需試劑及溶液如表1和表2所示。 實(shí)驗(yàn)所用溶劑均為超純水。

表1 本研究所需試劑

表2 本研究所需溶液

1.2 方法

pH的測(cè)試由pH計(jì)(Mettler-Toledo， 瑞士)完成。 三維熒光光譜的測(cè)試由三維熒光分光光度計(jì)(Hitachi， F-2700， 日本)完成。 測(cè)試條件為： 掃描速率12 000 nm·min-1， 激發(fā)波長(zhǎng)220～450 nm， 發(fā)射波長(zhǎng)250～550 nm， 波長(zhǎng)間隔5 nm。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫胺素?zé)晒馓匦?/h3>

在硫胺素溶液濃度為10.00 μmol·L-1， pH為4.9～11.3的條件下測(cè)試了其三維熒光光譜， 如圖1所示。 結(jié)果表明， 當(dāng)溶液pH為4.9～10.0時(shí)， 硫胺素溶液的熒光信號(hào)不明顯； 當(dāng)溶液pH為10.6～11.3時(shí)， 硫胺素溶液在類(lèi)腐殖質(zhì)區(qū)產(chǎn)生了明顯的熒光信號(hào)[12]， 在激發(fā)/發(fā)射波長(zhǎng)(記作Ex/Em)為230(295)/405 nm處出現(xiàn)了兩個(gè)熒光峰(峰a和峰b)。 兩個(gè)熒光峰的強(qiáng)度均隨溶液pH的升高而升高。 硫胺素分子中包含有噻唑鎓結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)在堿性條件下可能發(fā)生去質(zhì)子化作用， 改變了硫胺素分子的最低激發(fā)單重態(tài)， 從而在堿性條件下出現(xiàn)了熒光信號(hào)。

圖1 不同pH下硫胺素的三維熒光光譜

2.2 測(cè)試條件對(duì)汞離子測(cè)定的影響

2.2.1 硫胺素濃度

設(shè)定氯化汞濃度為10.00 μmol·L-1， 改變?nèi)芤褐辛虬匪氐臐舛龋?分別為0.01， 0.10， 1.00和10.00 μmol·L-1， 檢測(cè)不同硫胺素濃度下溶液的EEM， 如圖2所示。 顯然， 當(dāng)氯化汞與硫胺素發(fā)生氧化還原反應(yīng)后， 被氧化后的硫胺素的熒光信號(hào)與被氧化前相比發(fā)生了變化。 在硫胺素濃度為10.00 μmol·L-1時(shí)， 峰a的位置發(fā)生了紅移， 由Ex/Em=230/405 nm位移至Ex/Em=230/425 nm處； 峰b的位置并未發(fā)生明顯改變。 同時(shí)， 在Ex/Em=365/440 nm處出現(xiàn)了一個(gè)新的熒光峰(峰c)。 硫胺素被汞離子氧化前后熒光信號(hào)的變化初步表明： 利用硫胺素-三維熒光法測(cè)定水中汞離子的方法是可行的。

圖2 不同硫胺素濃度下溶液的三維熒光光譜

此外， 如圖3所示， 隨著硫胺素濃度的提高， 峰c的熒光強(qiáng)度也隨之升高。 進(jìn)一步的研究表明， 當(dāng)硫胺素濃度提高至100.00 μmol·L-1時(shí)， 峰c的熒光強(qiáng)度超過(guò)了三維熒光光譜儀的測(cè)試量程， 表明利用本方法測(cè)定水中汞離子時(shí)， 硫胺素濃度不宜過(guò)高。

圖3 峰c的熒光強(qiáng)度隨硫胺素濃度的變化關(guān)系

2.2.2 pH

設(shè)定氯化汞及硫胺素的濃度均為10.00 μmol·L-1， 改變?nèi)芤旱膒H， 分別為4.9， 6.2， 7.6， 8.6， 9.7， 10.7， 11.5和11.8， 并檢測(cè)不同pH下溶液的EEM。 峰c的熒光強(qiáng)度隨pH的變化關(guān)系如圖4所示。 隨著pH的升高， 峰c的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。 其中， 當(dāng)pH為8.5～11.0時(shí)峰c的熒光強(qiáng)度相對(duì)較高， 在pH為9.7時(shí)峰c的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值， 表明利用硫胺素-三維熒光法檢測(cè)水中汞離子時(shí)， 體系環(huán)境宜為堿性。

圖4 峰c的熒光強(qiáng)度隨pH的變化關(guān)系

2.2.3 溫度-時(shí)間

由前文分析可知， 當(dāng)氯化汞及硫胺素濃度均為10.00 μmol·L-1， 溶液pH為9.7時(shí)， 峰c的熒光強(qiáng)度為最大。 因此， 本小節(jié)以上述條件作為反應(yīng)的初始條件， 分別在20， 30和40 ℃條件下， 記錄峰c的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系， 如圖5所示。 在三個(gè)溫度條件下， 峰c的熒光強(qiáng)度均呈現(xiàn)隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸升高的趨勢(shì)， 且熒光峰強(qiáng)度在60～120 min期間增長(zhǎng)緩慢， 趨于平緩。 此外， 在相同反應(yīng)時(shí)間下， 峰c的熒光強(qiáng)度隨溫度的升高而升高。

圖5 峰c的熒光強(qiáng)度隨溫度及時(shí)間的變化關(guān)系

為了深入分析峰c的熒光強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系， 分別對(duì)20， 30和40 ℃條件下峰c的熒光強(qiáng)度(I)隨反應(yīng)時(shí)間(t)的變化曲線(xiàn)進(jìn)行一級(jí)動(dòng)力學(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)擬合， 擬合結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度下峰c熒光強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)的動(dòng)力學(xué)擬合

結(jié)果表明， 不同溫度下峰c的熒光強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)與一級(jí)動(dòng)力學(xué)和二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的擬合度均較高， 相關(guān)系數(shù)均在0.97以上。 但是， 相同條件下， 一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的相關(guān)系數(shù)均高于二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型， 表明不同溫度下峰c的熒光強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間的變化關(guān)系更符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。 同時(shí)， 進(jìn)一步將反應(yīng)溫度與一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型中的速率常數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合， 關(guān)系如式(1)所示

v=497.17T-1 051(R2=0.998 5)

(1)

式(1)中，v為反應(yīng)的速率常數(shù)(min-1)，T為反應(yīng)溫度(℃)， 相關(guān)系數(shù)R2為0.998 5。

將式(1)帶入表1中的一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程， 可得式(2)

I=(497.17T-1 051)(1-e-0.030 73t)

(2)

式(2)中，I為峰c的熒光強(qiáng)度，T為反應(yīng)溫度(℃)，t為反應(yīng)時(shí)間(min)。

綜合式(2)不難看出， 提高反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間， 峰c的熒光強(qiáng)度將會(huì)隨之升高， 但是過(guò)度提高反應(yīng)溫度會(huì)增加硫胺素-三維熒光法的測(cè)試成本， 反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)還會(huì)降低硫胺素-三維熒光法的測(cè)試效率。 因此， 可以利用式(2)對(duì)硫胺素-三維熒光法的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。 例如， 若反應(yīng)溫度為20 ℃， 則峰c的最大熒光強(qiáng)度為8 892.4， 若要令峰c的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大熒光強(qiáng)度的97%， 則反應(yīng)時(shí)間控制在114 min即可。

2.3 汞離子測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

為了構(gòu)建峰c的熒光強(qiáng)度與水中汞離子濃度的關(guān)系， 需要建立特定測(cè)試條件下汞離子測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。 以本研究為例， 設(shè)定反應(yīng)體系中硫胺素的濃度為10 μmol·L-1、 pH為9.7、 反應(yīng)時(shí)間為120 min(為便于時(shí)間控制， 將反應(yīng)時(shí)間由114 min調(diào)整至120 min)、 反應(yīng)溫度為室溫(20 ℃)。 在上述測(cè)試條件下， 通過(guò)改變體系中氯化汞的濃度(4～80 μmol·L-1)， 探究峰c的熒光強(qiáng)度與汞離子濃度的線(xiàn)性區(qū)間， 如圖6所示。

圖6 特定測(cè)試條件下峰c的熒光強(qiáng)度隨氯化汞 濃度的變化關(guān)系

顯然， 峰c的熒光強(qiáng)度隨氯化汞濃度的升高而升高并逐漸趨于穩(wěn)定。 在低濃度范圍內(nèi)(4～15 μmol·L-1)， 峰c的熒光強(qiáng)度與汞離子濃度呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系。 對(duì)該段曲線(xiàn)進(jìn)行線(xiàn)性方程擬合， 結(jié)果如式(3)所示。

I=2 833c-10 175(R2=0.989 8)

(3)

式(3)中，I為峰c的熒光強(qiáng)度，c為氯化汞濃度(μmol·L-1)。

3 結(jié) 論

探究了硫胺素-三維熒光法檢測(cè)水中汞離子的可行性，

并研究了不同測(cè)試條件(硫胺素濃度、 pH、 反應(yīng)溫度、 反應(yīng)時(shí)間)對(duì)水中汞離子測(cè)定的影響。 同時(shí)， 在特定的測(cè)試條件下， 初步構(gòu)建了汞離子測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。 結(jié)果表明：

(1)硫胺素在酸性至中性條件下未見(jiàn)明顯的熒光信號(hào)， 在pH為10.6～11.3時(shí)， 硫胺素在Ex/Em=230(295)/405 nm處出現(xiàn)了峰a和峰b兩個(gè)熒光峰， 且它們的熒光強(qiáng)度隨pH升高而升高；

(2)當(dāng)硫胺素與氯化汞發(fā)生氧化還原反應(yīng)后， 峰a的位置由Ex/Em=230/405 nm位移至Ex/Em=230/425 nm， 峰b的位置未發(fā)生明顯改變， 且在Ex/Em=365/440 nm處產(chǎn)生了新的熒光峰c。 硫胺素反應(yīng)前后熒光信號(hào)的變化初步驗(yàn)證了硫胺素-三維熒光法檢測(cè)水中汞離子的可行性；

(3)使用該法檢測(cè)水中汞離子時(shí)， 硫胺素濃度不宜過(guò)高， 體系環(huán)境宜為堿性， 反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間可利用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化， 以降低檢測(cè)成本， 提高檢測(cè)效率；

(4)當(dāng)硫胺素濃度為10 μmol·L-1、 pH為9.7、 反應(yīng)時(shí)間為120 min、 溫度為室溫(20 ℃)時(shí)， 可得到汞離子濃度的線(xiàn)性檢測(cè)范圍為4～15 μmol·L-1。

本研究為快速、 準(zhǔn)確、 經(jīng)濟(jì)地檢測(cè)水中汞離子提供了一種可行方法， 值得深入研究并進(jìn)一步推廣。