碳納米微粒共振瑞利散射能量轉移測定鉻(Ⅵ)

劉慶業，汪　花，黃丹華，何世赫，李　嬌，羅鈞恒，張杏輝，溫桂清，梁愛惠，蔣治良

(1.廣西師范大學巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西桂林541004；2.廣西師范大學環境與資源學院，廣西桂林541004)

?

碳納米微粒共振瑞利散射能量轉移測定鉻(Ⅵ)

劉慶業1，2，汪花1，2，黃丹華1，2，何世赫1，2，李嬌1，2，羅鈞恒1，2，張杏輝1，2，溫桂清1，2，梁愛惠1，2，蔣治良1，2

(1.廣西師范大學巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室，廣西桂林541004；2.廣西師范大學環境與資源學院，廣西桂林541004)

摘要：在pH5.0 NaAc-HAc緩沖溶液介質，活化劑鄰菲啰啉(phen)、增敏劑十六烷基三甲基溴化銨(CTMAB)和氧化劑H2O2體系中，碳納米微粒(CNPs)在423 nm處產生較強的共振瑞利散射，顯色劑茜素紅(ARS)的吸收光譜與CNPs的共振瑞利散射光譜(RRS)重疊，二者產生等離子共振瑞利散射能量轉移(SPRRS-ET)，導致散射光強度降低。Cr(Ⅵ) 對H2O2具有催化氧化ARS作用，隨著Cr(Ⅵ)濃度增加，ARS濃度降低，SPRRS-ET減弱，散射光增強，據此建立測定痕量Cr(Ⅵ)的共振光散射能量轉移光譜分析法。Cr(Ⅵ)濃度在0.004～0.16 mg/L范圍內與共振光散射增強ΔI呈良好的線性關系，回歸方程ΔI423 nm=49 442 C+65.1，相關系數0.996 9，檢出限8.0 μg/L，回收率為96.82%～101.13%，用于環境水樣Cr(Ⅵ)的測定，結果滿意。

關鍵詞：碳納米微粒；Cr(Ⅵ)；催化；共振瑞利散射-能量轉移

鉻是一種用途非常廣泛的金屬元素，但其在開采、冶煉及鉻鹽的制造、使用過程中都對環境產生一定程度的污染。鉻的毒性與其存在形式有關，金屬鉻毒性最小，Cr(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)的毒性稍大，Cr(Ⅵ)毒性最大。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在一定條件下可以相互轉換，Cr(Ⅵ)的毒性約為Cr(Ⅲ)的100多倍，是強致癌致突變物質。Cr(Ⅵ)易溶于酸并隨水遷移后進入環境造成污染，能被人體吸收并在體內蓄積，長期攝入高濃度的Cr(Ⅵ)會引起扁平上腺癌、肺癌、皮膚癌等疾病[1]，因此對Cr(Ⅵ)在環境中的測定具有重要意義。目前，Cr(Ⅵ)的測定方法主要有光度法[2-3]、示波極譜法[4]、原子吸收光譜法[5]、等離子體發射光譜法[6]、熒光猝滅法[7]、連續流動注射法[8]及共振瑞利散射光譜法[9]等，其中，共振散射光譜法具有靈敏度高、操作簡單、快捷等優點[10-12]。納米金具有良好的光學、電學特性和生物相容性及共振瑞利散射效應，在共振散射分析法中得到廣泛的應用[13-14]。納米碳具有價廉、穩定等特點，廣泛用于碳素墨水，其主要成分是炭黑與明膠經膠體磨研而制成[15]，若以碳素墨水作為共振瑞利散射光譜探針，具有獲取容易、化學性質穩定、價格便宜等優點。文獻[16]報道液相碳納米微粒濃度與其共振光散射強度I470 nm呈良好的線性關系，具有靈敏度高、重現性好等優點。但碳納米微粒在共振瑞利散射痕量分析的應用報道較少。本文研究Cr(Ⅵ)-ARS-phen-CTMAB體系與納米碳相互作用共振散射光譜，據此建立一種檢測痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光譜能量轉移分析法，并進行環境水樣中Cr(Ⅵ)的分析。

1實驗部分

1.1實驗儀器與試劑

Cary Eclipse型熒光分光光度計(美國Varian公司)；TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限責任公司)；Nano ZS90型激光散射儀(美國 Varian公司)；PHS-3C酸度計(上海精密科學儀器有限公司)；SK2200HP超聲波反應器(上?？茖С晝x器有限公司，工作頻率為53 kHz)。

1∶3 000(體積比)CNPs溶液：移取50 μL碳素墨水(上海精細文化用品有限公司)加入3 mL水中，加水定容至5 mL，移取其中150 μL加水定容至5 mL；100 mg/L Cr(Ⅵ)標準儲備溶液：準確稱取K2Cr2O7(經過105 ℃烘至恒質量) 0.282 9 g溶于適量水，定容至1 000 mL，用時稀釋成1.0 mg/L Cr(Ⅵ)標準工作液；ARS溶液：2.0×10-3mol/L；CTMAB溶液：10 g/L；NaAc-HAc緩沖溶液(pH4.0～5.5)：0.2 mol/L；phen溶液：3.0×10-3mol/L；H2O2溶液：90 g/L，現配現用。所用試劑均為分析純，實驗用水均為亞沸蒸餾水。

1.2實驗方法

取兩支10 mL的具塞刻度試管，其中一支加入適量的Cr(Ⅵ)標準工作溶液，另一支不加(非催化體系，作空白對照)。向兩支試管分別加入500 μL ARS溶液、500 μL pH5.0 NaAc-HAc溶液、200 μL phen溶液、300 μL CTMAB溶液、600 μL H2O2，加水定容至5 mL，混勻后于100 ℃水浴加熱反應3 min，用流水冷卻5 min。再分別向兩支試管中加入200 μL CNPs溶液，搖勻，取適量于石英比色皿中，置熒光分光光度計上，PMT電壓為450 V，狹縫為 5.0 nm，同步掃描(λem=λex)獲得體系的共振散射光譜。在423 nm波長處測定體系的散射光強度I423 nm和空白試劑 (不加Cr(Ⅵ)的反應液)的散射光強度I0，計算ΔI423 nm=I423 nm-I0。

2結果與討論

2.1體系的共振瑞利散射光譜與吸收光譜

在分析體系中，CNPs在423 nm處產生強烈的共振瑞利散射峰(圖1a)，ARS在425 nm處有吸收峰(圖1b)，溶液中的ARS吸收CPNs的共振散射能量，體系中供體CNPs的共振散射峰與受體ARS吸收峰相距很近，幾乎重疊，供體CNPs的共振能量轉移(RRS-ET)給受體ARS，導致體系的共振散射強度變弱。Cr(Ⅵ)能催化H2O2氧化ARS，當Cr(Ⅵ)濃度增加，ARS濃度降低，RRS-ET減弱，散射光強度則增強，檢測到的散射信號上升(圖2)。在423 nm處共振散射光強度增大值與Cr(Ⅵ)濃度呈良好的線性關系，利用此原理可建立檢測痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光譜能量轉移分析方法。本文選擇423 nm波長測定Cr(Ⅵ)，體系的共振散射光譜如圖3。

圖1　受體ARS吸收峰和供體CNPs散射峰的關系Fig.1　The relationship between the acceptor ARS absorption peak and the donor CPNs RS peak

圖2　催化納米碳共振瑞利散射光譜能量轉移法測Cr(Ⅵ)的原理Fig.2　The principle of catalytic SPRRS-ET detection of Cr(Ⅵ) using CPNs as probe

a. 2.4×10-4 mol/L ARS+2.4×10-2 mol/L pH5.0 NaAc-HAc+6.0×10-5 mol/L phen+1 g/L CTMAB+0.36 mol/L H2O2+200 μL CNPs；b. a+0.016 mg/L Cr(Ⅵ)；c. a+0.02 mg/L Cr(Ⅵ)； d. a+0.04 mg/L Cr(Ⅵ)；e. a+0.06 mg/L Cr(Ⅵ)； f. a+0.08 mg/L Cr(Ⅵ)； g. a+0.12 mg/L Cr(Ⅵ)； h. a+0.16 mg/L Cr(Ⅵ)。圖3　CNPs-催化體系的共振瑞利散射光譜Fig.3　Resonance Rayleigh scattering spectra of the CNPs-catalytic system

2.2體系的激光散射

激光散射分析表明，非催化體系中存在CNPs，其平均粒徑為362 nm，在70～400 nm、400～3 000 nm和3 000～7 000 nm有3個粒徑分布峰，如圖4a，說明體系中存在CNPs聚集體。加入Cr(Ⅵ)后，催化氧化ARS褪色，而對CNPs的粒徑影響較小，其平均粒徑為356 nm，見圖4b。

a. 2.4×10-4 mol/L ARS+2.4×10-2 mol/L pH 5.0 (NaAc-Hac)+6.0×10-5 mol/L phen+1 g/L CTMAB〗+0.36 mol/L H2O2+200 μL CNPs；b. a+0.02 mg/L Cr(Ⅵ)。圖4　激光散射光譜Fig.4　Laser light scattering spectrometer

2.3反應條件的選擇

考察了NaAc-HAc緩沖溶液pH值對體系ΔI的影響，當緩沖溶液pH=5.0時，ΔI達到最大，故選擇pH值為5.0的NaAc-HAc緩沖溶液?？疾炝薔aAc-HAc緩沖溶液濃度對體系ΔI的影響，當緩沖溶液濃度為0.025 mol/L時，體系的ΔI達到最大，故選擇pH5.0的NaAc-HAc緩沖溶液濃度為0.025 mol/L?？疾炝孙@色劑ARS對體系ΔI的影響，當ARS濃度在0.22×10-3mol/L處，體系的ΔI最大，故選擇ARS濃度為0.22×10-3mol/L?？疾炝嘶罨瘎﹑hen溶液對體系ΔI的影響，當phen濃度為0.6×10-2mol/L，體系的ΔI最大，故選擇phen溶液最佳濃度為0.6×10-2mol/L?？疾炝嗽雒魟〤TMAB溶液對體系ΔI的影響，當CTMAB質量濃度為0.4 g/L時，體系的ΔI達到最大，故選擇CTMAB溶液質量濃度為0.4 g/L?？疾炝薍2O2濃度對體系ΔI的影響，當H2O2濃度為0.36 mol/L時，體系的ΔI最大，故選擇H2O2溶液濃度為0.36 mol/L?？疾炝梭w系的反應溫度，實驗結果表明，在常溫到100 ℃之間，隨溫度增加ΔI增大，100 ℃時體系ΔI達到最大，故選擇反應溫度為100 ℃?？疾炝朔磻獣r間對體系ΔI的影響，當加熱時間超過3 min時，ΔI達到最大，故選擇加熱時間為3 min。

2.4干擾實驗

表1　共存物質的影響

2.5標準曲線和檢出限

在優化后的實驗條件下，量取不同濃度的Cr(Ⅵ) 標準工作液按實驗方法進行測定，以共振光散射強度ΔI423 nm與Cr(Ⅵ) 濃度作圖，Cr(Ⅵ)濃度在0.004～0.16 mg/L與共振瑞利散射光強度ΔI423 nm呈良好的線性關系，回歸方程為ΔI423 nm=49 442C+65.1，線性相關系數為0.996 9，對空白試樣平行測定11次得出標準偏差Sb=132.3，按公式LOD=3×Sb/K(K為工作曲線斜率)計算得出該方法的檢出限為8.0 μg/L。

2.6樣品分析

在選定實驗條件下，測定自然水體的樣品(分別取自池塘水、河水、湖水)，將水樣用濾紙過濾，除去懸浮物、沉淀等雜質，用NaOH 溶液調至微堿性，再加酸將pH調至弱酸性(pH=5.0)，測定水樣中的Cr(Ⅵ)濃度，并做樣品加標回收試驗，加入一定量的Cr(Ⅵ)測定回收率，重復測定6次，測定結果及回收率見表3。

表3　樣品分析結果

3結語

研究表明，在pH=5.0的NaAc-HAc緩沖溶液體系中，Cr(Ⅵ)催化H2O2氧化茜素紅褪色，利用納米碳散射峰波長與茜素紅吸收峰波長重疊，發生能量轉移，改變散射強度，用熒光儀檢測共振散射強度的方法測定Cr(Ⅵ)的濃度，建立測定Cr(Ⅵ)的共振瑞利散射光譜分析新方法，其線性范圍為0.004～0.16 mg/L，回歸方程為ΔI423 nm= 49 442C+65.1，相關系數為0.996 9，檢出限為8.0 μg/L。用于環境水樣的分析，結果滿意。

參考文獻：

[1]楊陽，許群. 六價鉻污染與健康損害研究進展[J]. 基礎醫學與臨床，2012(8)： 974-978.

[2]劉娜，于文芳，屈靜. 二苯碳酰二肼分光光度法測定飲用水中的鉻(Ⅵ)[J]. 環境科學導刊，2014，33(1)： 96-98.

[3]臧運波. 催化動力學光度法測定鉻(Ⅵ)的研究進展[J]. 光譜實驗室，2010，27(6)： 2250-2253.

[4]DIMITRAKOPOULOS I K，TSEREPA H D，THOMAIDIS N S. Analytical methods for the determination of traces of Cr(Ⅵ) in water samples with suppressed ion chromatography[J]. Analytical Letters, 2012, 45:4-6.

[5]魯丹，劉雅萍. 電感耦合等離子體原子發射光譜法測定痕量Cr(Ⅵ)[J]. 中國衛生檢驗雜志，2008，18(3)： 399-412.

[6]金獻忠，謝健梅，梁帆，等. 堿熔融-電感耦合等離子體原子發射光譜法測定鉻礦石中鉻鋁鐵鎂硅[J]. 冶金分析，2010(1)： 29-33.

[7]丁靜，陳欣. 熒光猝滅法測定痕量鉻(Ⅵ)的研究及應用[J]. 冶金分析，2009，29(10)： 52-54.

[8]葛成巖. 連續流動注射法測定地表水中六價鉻的研究[J]. 化工管理，2014，6：92.

[9]陳蘭化，劉發光. 共振瑞利散射光譜法測定水中鉻(Ⅵ)[J]. 中國衛生檢驗雜志，2006，16(2)： 205-206.

[10]蔣治良，姚東梅，李芳，等. 免疫金鉑納米合金催化共振散射光譜法測定痕量人絨毛膜促性腺激素[J]. 化學學報，2012，70(16)： 1748-1754.

[11]韋小玲，張玉蘭，蔣治良. 一種檢測痕量IgG的免疫納米銀共振散射光譜探針[J]. 光譜學與光譜分析，2009，29(6)： 1640-1642.

[12]WEN Guiqing，LIANG Aihui，FAN Yanyan，et al.A simple and rapid resonance scattering spectral method for detection of trace Hg2+using aptamer-nanogold as probe[J]. Plasmonics，2010，5(1)：1-6.

[13]LUO Yanghe，XU Lili，LIANG Aihui，et al.A highly sensitive resonance Rayleigh scattering assay for detection of Hg(II) using immunonanogold as probe[J]. RSC Advances，2014，4(37)：19234-19237.

[14]WANG Yaohui，ZHANG Xinghui，LIU Qingye，et al. A simple and sensitive graphene oxide/gold nanoparticle surface plasmon resonance Rayleigh scattering-energy transfer analytical platform for detection of iodide and H2O2[J]. RSC Adv，2015，5(12)： 9272-9277.

[15]饒建順. 炭黑顏料型中性墨水配方及工藝研究[D]. 廣州：廣州大學，2012.

[16]蔣治良，劉紹璞，劉慶業. 碳納米微粒的共振散射光譜研究[J]. 應用化學，2002，19(1)： 22-25.

(責任編輯王龍杰)

Determination of Trace Chromium(Ⅵ) by Carbon Nanoparticles Resonance Energy Transfer Rayleigh Scattering

LIU Qingye1，2，WANG Hua1，2，HUANG Danhua1，2，HE Shihe1，2，LI Jiao1，2，LUO Junheng1，2，ZHANG Xinghui1，2，WEN Guiqing1，2，LIANG Aihui1，2，JIANG Zhiliang1，2

(1. University Key Laboratory of Karst Ecology and Environmental Change of Guangxi Province, Guangxi Normal University, Guilin Guangxi 541004, China; 2.College of Environment and Resource,Guangxi Normal University， Guilin Guangxi 541004，China)

Abstract:In HAc-NaAc buffer solution containing phenanthroline (phen) as activator，cetyl trimethyl ammonium bromide (CTMAB) as a sensitizer and H2O2 as an oxidant，the carbon nanoparticles(CNPs)exhibited a strong SPR Rayleigh scattering peak at 423 nm. The receptor of ARS closed to the donor of CNPs with strong plasmon resonance (SPR) Rayleigh scattering (RS)，the SPRRS-energy transfer (SPRRS-ET) take place，that caused the peak at 423 nm decreased，owing to the overlapping of CNPs RRS and ARS absorption spectra. The Cr(Ⅵ) exhibited strong catalytic effect on the slow reaction of ARS-H2O2，when the concentration of Cr(Ⅵ) increased，the concentration of ARS decreased，and the amount of SPRRS-ET decreased， as a result, the RS intensity at 423 nm increased linearly. thus，the analytical method was established for determination of trace Cr(Ⅵ). The increased intensity ΔI423 nmwas linear to the Cr (Ⅵ) concentration in the range of 0.004～0.16 mg/L，with a regression equation of ΔI423 nm= 49 442C+65.1，and a detection limit of 8.0 μg/L Cr (Ⅵ)．The SPRRS-ET assay was applied to the analysis of Cr (Ⅵ) in environmental water，with a satisfactory result．

Keywords:carbon nanoparticles； Cr (Ⅵ)； catalytic； Resonance Rayleigh scattering-energy transfer

中圖分類號：O657.3

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6600(2016)01-0128-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(21447006，21567005，21267004，21367005，21307017，21365011，21467001，21477025，21465006)；廣西自然科學基金資助項目(2013GXNSFFA019003，2014GXNSFAA118050)；廣西高等學?？蒲许椖?2013YB035)；2015年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助；巖溶生態與環境變化研究廣西高校重點實驗室主任基金(YRHJ15Z011)

收稿日期：2015-10-04

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.020

通信聯系人：劉慶業(1963—)，男，廣西欽州人，廣西師范大學教授。E-mail: qyliu@mailbox.gxnu.edu.cn