以金納米粒子為指示劑的法揚司法測定氯離子

張遠馥，張金榮，任姿靜，張熙芳，商冬麗，魏琳潔，李睿，李霞，薛慶旺，張偉，王術皓

聊城大學化學化工學院，山東 聊城 252000

分析化學是一門以多學科為基礎的綜合性學科，是化學的重要分支學科?；A分析化學實驗是化學、化學工藝、應用化學、材料科學、生命科學、環境科學等專業的必修基礎課程之一，在專業人才培養中特別是實驗操作技能培養方面起著極其重要的支撐作用[1-3]。滴定分析是主要的化學分析法，具有簡便、快速、準確度高的特點，故常作為標準方法使用。目前，我國對水中氯化物含量的測定主要是以K2CrO4為指示劑的銀量法。但是，采用的指示劑為重金屬鹽，具有毒性，使用量大。法揚司法(Fajans)是利用吸附指示劑確定滴定終點的銀量法[1]。目前比較常用的指示劑有熒光黃、曙紅等陰離子染料[4]。然而該方法受到不同因素的影響。例如，溶液的濃度不能太稀，否則沉淀太少，觀察終點困難，若用熒光素作為指示劑測定氯離子，其濃度不能低于5 mmol·L-1。所以，有必要引入一種新型的指示劑。

金納米粒子(AuNPs)是指粒徑在100 nm范圍內的金納米顆粒，因其表面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等納米效應，在宏觀上呈現出與眾不同的性質[5,6]。其中，AuNPs具有獨特的局部表面等離子體共振(LSPR)特性。當光照射在納米金表面上時，分散納米金(10-50 nm)呈酒紅色，在520 nm處出現LSPR特征吸收。當納米金發生聚集，納米金溶液呈藍色，LSPR吸收峰發生較大的紅移，基于此建立了納米金比色法[7,8]。由于納米金的摩爾吸光系數遠遠大于傳統的有機分子，所以納米金比色法具有高的靈敏度，它已廣泛用于DNA[9,10]、蛋白質[11,12]、金屬離子[13,14]等方面的測定。然而，在滴定分析作為指示劑的應用并不多見。法揚司法是基于化學計量點前后電荷的變化，吸附指示劑，造成指示劑顏色變化而建立的分析方法。也就是說指示劑需帶電荷，而納米金由于包被試劑的不同可帶有不同的電荷。研究者曾以半胱胺鹽酸鹽為穩定劑，制備了帶有正電荷的納米金，加入聚陰離子(肝素)后，由于靜電引力的作用，拉近了納米金間的距離，溶液由紅色變為藍色，進而可以快速、靈敏地檢測肝素[15]。研究表明，納米金非交聯團聚的過程就是分子間作用力平衡被打破的過程。那么，能否將此過程引入到法揚司法，將納米金作為吸附指示劑呢？

本工作將利用還原法制備納米金，在中、堿性環境下，納米金粒子帶有負電荷，在化學計量點前，由于AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負電荷，排斥納米金，溶液顯紅色；滴定至化學計量點后，AgCl吸附過量Ag+而帶正電荷，吸附帶負電荷納米金，納米金粒子表面電荷被中和，雙電層遭到破壞，發生團聚顯藍紫色，據此可以利用溶液的顏色變化來確定滴定終點。由于本工作整個過程都使用的是無機鹽，所以可通過絡合反應、沉淀反應和氧化還原反應等簡單反應，將金和銀進行回收，這一環節中充分體現了綠色化學的理念。

1 實驗目的

(1)通過文獻調研，了解納米金顆粒的制備方法及顯色原理。

(2)理解納米金顆粒作為吸附指示劑的原理及變色原理。

(3)熟練掌握沉淀滴定基本操作及紫外-可見分光光度計的使用。

(4)通過探索不同實驗條件對滴定分析的影響，培養學生的科研邏輯思維，提升學生的綜合運用的能力。

(5)通過廢液的回收再利用，拓展綠色化學在本科教學中的應用，培養學生綠色化學的理念。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

本工作采用的法揚司法是利用納米金作為吸附指示劑確定滴定終點的銀量法。納米金是通過還原法制備得到的。如圖1所示，在化學計量點前，AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負電荷，形成AgCl·Cl-。進而不易被吸附，納米金溶液為紅色。在化學計量點時，AgCl吸附Ag+而帶正電荷，吸附納米金，造成納米金團聚，溶液顏色發生變化，變為藍紫色。所以，可利用溶液的顏色變化來確定滴定終點。

圖1 以AuNPs為吸附指示劑，法揚司法檢測氯離子

在準確滴定Cl-的同時，產生了大量的AgCl沉淀。由于Ksp(Ag2S)遠遠小于Ksp(AgCl)，所以，如圖2所示，當加入過量的Na2S溶液后，AgCl可轉化為Ag2S，Ag2S與HNO3發生氧化還原反應，生成AgNO3、NO和S單質。將得到的產物利用濾膜進行過濾，得到AgNO3濾液。此外，向濾渣滴加王水，生成H[AuCl4]，待收集的溶液達到一定量后，置換得到金。

圖2 本實驗中所涉及的有關反應方程式

2.2 試劑和儀器

氯金酸購于天津金鉑蘭精細化工有限公司，檸檬酸鈉、硼氫化鈉、硝酸銀、氯化鈉、淀粉均購于國藥集團化學試劑有限公司，所用試劑均為分析純。實驗用水為超純水(Millipore 18 MΩ·cm)。

紫外分光光度計(UV-2550，Hitachi，日本)，電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)，高速冷凍離心機(Himac CR 22G，Hitach，日本)，棕色滴定管(江蘇泰州市高港區騰飛教學儀器廠)。

2.3 實驗步驟

2.3.1 納米金膠體的制備

所有玻璃器皿在使用前用王水浸泡24 h，水洗、晾干備用。

13 nm、20 nm、40 nm納米金膠體的制備。本工作采用還原法制備納米金。以13 nm納米金為例，首先，配制50 mL質量分數為0.04%氯金酸溶液；然后，將此溶液加熱、攪拌至沸騰；再快速加入5.6 mL質量分數為1%檸檬酸三鈉，溶液由黃色變為酒紅色后，繼續攪拌、加熱至顏色純正；最后撤去熱源，繼續攪拌至室溫，置于冰箱中冷藏保存，備用。對于20 nm和40 nm的納米金來說，其制備方法與13 nm納米金制備方法類似，只是氯金酸的量為100 mL 0.01%，檸檬酸鈉溶液分別為2 mL和0.65 mL。

2.6 nm納米金膠體的制備。100 mL 0.01%氯金酸溶液加入1 mL 1%檸檬酸鈉溶液，在攪拌下，緩慢滴加1 mL含質量分數0.075%硼氫化鈉的1%檸檬酸鈉溶液，當溶液的顏色變為紅色，繼續攪拌30 min，最后，將該溶液離心、水洗，裝入棕色細口瓶，置于冰箱保存備用。

根據在UV-Vis光譜圖上520 nm處的吸光度值和納米金的摩爾吸光系數為2.7×108mol·L-1·cm-1，得知此法制備的13 nm的納米金粒子的濃度粒子的濃度為17 mol·L-1。

2.3.2 以納米金為吸附指示劑，標定硝酸銀

準確稱取約0.0060 g氯化鈉固體于錐形瓶，溶于20 mL水中，加入0.5 mL質量分數為1%淀粉溶液，加入200 μL納米金，用0.01000 mol·L-1硝酸銀標準溶液避光、慢速滴定，至溶液顏色呈紫色，平行三次測定，計算硝酸銀的含量。

2.3.3 以納米金為吸附指示劑，測定水樣氯離子含量

首先，將地下水樣品離心、過濾。然后，取10 mL樣品溶液于錐形瓶，加入0.5 mL 1%淀粉溶液和200 μL納米金，再用硝酸銀標準溶液逐滴滴定，溶液由酒紅色變為藍紫色即為終點，平行三次測定，計算地下水樣品中氯離子的含量。

2.3.4 金和銀回收

向滴定完成的混合液中加入過量的硫化鈉溶液，溶液迅速由紫紅色變為灰黑色沉淀。然后將溶液靜置20 min，去除上清液，反復水洗多次后，加入過量6 mol·L-1硝酸，加熱，沉淀由灰黑色變成棕色后，再繼續加熱1 min后停止加熱。將得到的溶液過濾，得到硝酸銀溶液。重復上述步驟多次，將濾液收集于試劑瓶，最后將濾液冷凍干燥，得到硝酸銀固體。另一方面向濾渣滴加王水，得到氯金酸溶液。

3 結果與討論

3.1 納米金的紫外-可見吸收光譜圖

本工作采用檸檬酸三鈉還原法，制備得到納米金膠體，呈穩定的酒紅色，ζ-電位為-21.6 mV，在520 nm處有一最大吸收峰(圖3A)。由于AgNO3的ζ-電位為-2.05 mV，所以，AgNO3滴加于錐形瓶中時，不易吸附納米金。在化學計量點前，AgCl膠體吸附過量的Cl-而帶負電荷，形成AgCl·Cl-，ζ-電位為-2.33 mV，溶液為紅色，吸收峰的位置無變化。如圖3所示，在化學計量點時，顏色變為紫色(圖3B)，吸收峰發生了紅移，吸光度降低，半峰寬變大(圖3A)，這表明納米金發生了交聯和聚集。這是因為AgCl吸附Ag+而帶正電荷，ζ-電位為34.8 mV，吸附納米金，造成納米金團聚，顏色發生變化，變為紫色。所以，可利用溶液的顏色變化來確定滴定終點。

圖3 化學計量點前后吸收光譜(A)及溶液顏色變化(B)的比較

3.2 透射電鏡表征

為了進一步說明納米金作為吸附指示劑的變色原理，我們用透射電鏡(TEM)來直接表征化學計量點前后納米金的聚集狀態。如圖4所示，納米金平均粒徑為～13 nm，且大小均勻(圖4A)，在化學計量點后，發現納米金團聚，形狀呈不規則狀，粒徑從幾百納米到微米級(圖4B)。并且還可觀察大顆粒的晶體(AgCl)出現。

圖4 納米金的TEM圖

3.3 淀粉含量對該方法響應信號的影響

由于該方法顏色的變化發生在沉淀的表面，為此應使AgCl沉淀比表面大一些，所以要加入淀粉溶液保護AgCl膠體阻止其凝聚。我們考察了淀粉溶液對該體系在520 nm處的吸光度的差值ΔAbs(ΔAbs=A0-As，A0，As表示化學計量點前后的吸光度值)的影響。如圖5所示，在未加入淀粉溶液時，吸光度變化值(ΔAbs)為最小，這是因為在沒有淀粉的存在下，AgCl易發生聚沉，造成AuNPs不易變色。隨著淀粉的加入，ΔAbs逐漸增大，當淀粉濃度為50 μmol·L-1，ΔAbs達到最大，而當淀粉濃度大于50 μmol·L-1，ΔAbs趨于平衡且有下降的趨勢，這是因為淀粉含量多造成強背景信號。所以淀粉濃度為50 μmol·L-1。

圖5 淀粉含量對該方法響應信號的影響

3.4 納米金對該方法響應信號的影響

本工作中，納米金作為指示劑，對該方法靈敏度起到至關重要的作用。我們從納米金的粒徑和濃度兩方面同時考察了納米金對體系的影響。如圖6所示，以粒徑為2.6、13和20 nm的納米金作為指示劑，其變化趨勢基本一致，都是先隨著納米金的濃度增加，ΔAbs增大，然后，隨著納米金濃度增加，ΔAbs反而減小。但是，對于40 nm納米金來說，ΔAbs隨著濃度增加反而下降，這是因為40 nm納米金背景信號大，進而ΔAbs減小。從圖6可知，當13 nm納米金為0.010 μmol·L-1時，ΔAbs達到最大。所以，選擇0.010 μmol·L-1，13 nm納米金為指示劑。

圖6 納米金對該方法響應信號的影響

3.5 pH對該方法響應信號的影響

pH不僅影響滴定反應，而且影響納米金的指示作用。比較了本方法和莫爾法在不同pH環境下的響應信號(V/VGB，V：滴定體積，VGB：國標法滴定體積)。如圖7所示，在強堿性環境下，Ag+與OH-反應，析出Ag2O沉淀。莫爾法在pH為3.3-5.8和8.7-10.0時，V/VGB大于1，說明指示終點的Ag2CrO4沉淀出現晚，導致測定誤差。然而，本方法在pH在5.8-10.0時，V/VGB約為1，說明該方法在中性或弱堿性環境下測定的結果都比較準確。這是因為制備納米金由檸檬酸包被，只有在中性或或弱堿性環境下顯負電荷，在酸性環境下不顯電荷，不利于相互作用。所以我們選擇了0.05 mol·L-1PBS緩沖液(pH 7.7)為最佳介質環境。

圖7 pH對該方法響應信號的影響

3.6 該方法適用范圍

每種分析方法都有一定的使用范圍，沉淀滴定法適用于常量分析，具有準確度高的特點。如圖8所示，對于莫爾法來說，NaCl在5×104-1×105μmol·L-1范圍內，可被準確滴定。對于本方法來說，實驗表明，氯離子的含量在1×103-5×103μmol·L-1，V/VGB接近于1，但當NaCl為1×105μmol·L-1，V/VGB為0.320，這是因為隨著NaCl濃度的增加，離子強度增大，破壞了納米金的穩定性，導致納米金團聚，所以該方法不適用于離子強度大的介質?？傊?，該方法相比于傳統的沉淀滴定法，具有高靈敏性，但不適用于離子強度大的介質。

圖8 本法與莫爾法靈敏度的比較

3.7 樣品測定

我們將這種方法應用于水樣中氯離子含量的測定。將水樣進行過濾、濃縮或稀釋，按照本實驗方法對水樣中氯含量進行測定，如表1所示，每個樣品測三次取平均值，測定回收率，通過t檢驗，在95%的置信水平上，回收率無顯著性差異。與國標法(莫爾法)[4]相比，測定結果和回收率令人比較滿意。

表1 水樣中氯含量的測定

3.8 廢液回收

隨著環保意識的增強，廢液回收再利用已成為熱點問題，在實驗教學中，如果不重視藥品的回收再利用，不僅會造成資源和能源的浪費，還會造成環境污染。本實驗中所用試劑為無機鹽，所以可以通過簡單的反應，將金屬進行循環再利用。如圖9所示，向廢液中加入過量Na2S溶液，因為Ag2S溶解度比AgCl小很多，所以生成更加難溶的Ag2S。在這一過程中要加入過量的Na2S溶液，保證AgCl完全轉化為Ag2S，反應結束后將沉淀靜置，隨后在洗滌沉淀的過程中，要用玻璃棒將沉淀充分碾碎，保證沉淀表面和沉淀包裹的雜質離子能夠洗滌干凈，最終得到純凈的Ag2S。然后，Ag2S與HNO3在加熱下發生氧化還原反應生成AgNO3、NO和S單質。將得到的產物進行過濾，得到AgNO3溶液。剩下的固體殘渣用王水溶解得到氯金酸。

圖9 金和銀的回收

4 實驗注意事項

(1)制備金納米粒子前，須將所有玻璃器皿用王水浸泡24 h，提醒學生在通風柜中操作，戴好護目鏡及手套。

(2)滴定速度影響滴定結果。學生在滴定時，應緩慢滴定，快速搖動錐形瓶。

5 實驗組織運行方式和教學方法

(1)本實驗是一個涉及到無機納米材料合成和表征、實驗條件探究以及分析檢測等內容的綜合實驗，適用于化學專業高年級本科生開設。建議2人一組開展實驗。

(2)實驗學時為18學時，分3周完成，每周6個學時。建議教師在實驗前，引導學生進行文獻調研，并做好預備實驗。第一周，先給學生介紹納米材料的性質、制備及應用等方面的背景知識。然后，制備不同粒徑的納米金。第二周，講解以納米金為吸附指示劑，法揚司法測定氯離子的原理，介紹用到的儀器(紫外-可見分光光度計、透射電鏡、酸度計、粒度儀)的測定原理、操作方法和注意事項。開展滴定分析操作，探究實驗條件對滴定終點的影響，并收集廢液。第三周，開展廢液回收實驗，分組分析討論實驗數據。

(3)教學過程中，主要采用啟發式和互動式教學形式，在整個過程中，通過學生之間、學生與教師之間的提問，引導學生深入思考，鼓勵學生一起學習，共同探討，互相啟發。激發學生學習興趣，培養自學能力和創新意識。

6 結語

納米材料是當下科學研究的熱點之一，本工作將金納米粒子引入到沉淀滴定分析教學之中，以納米金為吸附指示劑，建立了檢測氯離子的新方法。與傳統的法揚司法相比，該方法不僅具有高靈敏度，而且適用范圍廣。更重要的是，廢液可通過簡單反應，將金和銀回收再利用，既降低成本又減少污染。本實驗是一個研究探索型的綜合性實驗，綜合了無機合成、滴定分析和儀器分析等知識，使學生能夠得到綜合性的鍛煉，提高其實驗操作技能。本實驗內容操作簡單、現象明顯，易于學生掌握和理解，具有較好的教學推廣價值。