碳纳米微粒共振瑞利散射能量转移测定铬(Ⅵ)

刘庆业，汪　花，黄丹华，何世赫，李　娇，罗钧恒，张杏辉，温桂清，梁爱惠，蒋治良

(1.广西师范大学岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室，广西桂林541004；2.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004)



碳纳米微粒共振瑞利散射能量转移测定铬(Ⅵ)

刘庆业1，2，汪花1，2，黄丹华1，2，何世赫1，2，李娇1，2，罗钧恒1，2，张杏辉1，2，温桂清1，2，梁爱惠1，2，蒋治良1，2

(1.广西师范大学岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室，广西桂林541004；2.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004)

摘要：在pH5.0 NaAc-HAc缓冲溶液介质，活化剂邻菲啰啉(phen)、增敏剂十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和氧化剂H2O2体系中，碳纳米微粒(CNPs)在423 nm处产生较强的共振瑞利散射，显色剂茜素红(ARS)的吸收光谱与CNPs的共振瑞利散射光谱(RRS)重叠，二者产生等离子共振瑞利散射能量转移(SPRRS-ET)，导致散射光强度降低。Cr(Ⅵ) 对H2O2具有催化氧化ARS作用，随着Cr(Ⅵ)浓度增加，ARS浓度降低，SPRRS-ET减弱，散射光增强，据此建立测定痕量Cr(Ⅵ)的共振光散射能量转移光谱分析法。Cr(Ⅵ)浓度在0.004～0.16 mg/L范围内与共振光散射增强ΔI呈良好的线性关系，回归方程ΔI423 nm=49 442 C+65.1，相关系数0.996 9，检出限8.0 μg/L，回收率为96.82%～101.13%，用于环境水样Cr(Ⅵ)的测定，结果满意。

关键词：碳纳米微粒；Cr(Ⅵ)；催化；共振瑞利散射-能量转移

铬是一种用途非常广泛的金属元素，但其在开采、冶炼及铬盐的制造、使用过程中都对环境产生一定程度的污染。铬的毒性与其存在形式有关，金属铬毒性最小，Cr(Ⅱ)和Cr(Ⅲ)的毒性稍大，Cr(Ⅵ)毒性最大。Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)在一定条件下可以相互转换，Cr(Ⅵ)的毒性约为Cr(Ⅲ)的100多倍，是强致癌致突变物质。Cr(Ⅵ)易溶于酸并随水迁移后进入环境造成污染，能被人体吸收并在体内蓄积，长期摄入高浓度的Cr(Ⅵ)会引起扁平上腺癌、肺癌、皮肤癌等疾病[1]，因此对Cr(Ⅵ)在环境中的测定具有重要意义。目前，Cr(Ⅵ)的测定方法主要有光度法[2-3]、示波极谱法[4]、原子吸收光谱法[5]、等离子体发射光谱法[6]、荧光猝灭法[7]、连续流动注射法[8]及共振瑞利散射光谱法[9]等，其中，共振散射光谱法具有灵敏度高、操作简单、快捷等优点[10-12]。纳米金具有良好的光学、电学特性和生物相容性及共振瑞利散射效应，在共振散射分析法中得到广泛的应用[13-14]。纳米碳具有价廉、稳定等特点，广泛用于碳素墨水，其主要成分是炭黑与明胶经胶体磨研而制成[15]，若以碳素墨水作为共振瑞利散射光谱探针，具有获取容易、化学性质稳定、价格便宜等优点。文献[16]报道液相碳纳米微粒浓度与其共振光散射强度I470 nm呈良好的线性关系，具有灵敏度高、重现性好等优点。但碳纳米微粒在共振瑞利散射痕量分析的应用报道较少。本文研究Cr(Ⅵ)-ARS-phen-CTMAB体系与纳米碳相互作用共振散射光谱，据此建立一种检测痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光谱能量转移分析法，并进行环境水样中Cr(Ⅵ)的分析。

1实验部分

1.1实验仪器与试剂

Cary Eclipse型荧光分光光度计(美国Varian公司)；TU-1901型双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；Nano ZS90型激光散射仪(美国 Varian公司)；PHS-3C酸度计(上海精密科学仪器有限公司)；SK2200HP超声波反应器(上海科导超声仪器有限公司，工作频率为53 kHz)。

1∶3 000(体积比)CNPs溶液：移取50 μL碳素墨水(上海精细文化用品有限公司)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)标准储备溶液：准确称取K2Cr2O7(经过105 ℃烘至恒质量) 0.282 9 g溶于适量水，定容至1 000 mL，用时稀释成1.0 mg/L Cr(Ⅵ)标准工作液；ARS溶液：2.0×10-3mol/L；CTMAB溶液：10 g/L；NaAc-HAc缓冲溶液(pH4.0～5.5)：0.2 mol/L；phen溶液：3.0×10-3mol/L；H2O2溶液：90 g/L，现配现用。所用试剂均为分析纯，实验用水均为亚沸蒸馏水。

1.2实验方法

取两支10 mL的具塞刻度试管，其中一支加入适量的Cr(Ⅵ)标准工作溶液，另一支不加(非催化体系，作空白对照)。向两支试管分别加入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，混匀后于100 ℃水浴加热反应3 min，用流水冷却5 min。再分别向两支试管中加入200 μL CNPs溶液，摇匀，取适量于石英比色皿中，置荧光分光光度计上，PMT电压为450 V，狭缝为 5.0 nm，同步扫描(λem=λex)获得体系的共振散射光谱。在423 nm波长处测定体系的散射光强度I423 nm和空白试剂 (不加Cr(Ⅵ)的反应液)的散射光强度I0，计算ΔI423 nm=I423 nm-I0。

2结果与讨论

2.1体系的共振瑞利散射光谱与吸收光谱

在分析体系中，CNPs在423 nm处产生强烈的共振瑞利散射峰(图1a)，ARS在425 nm处有吸收峰(图1b)，溶液中的ARS吸收CPNs的共振散射能量，体系中供体CNPs的共振散射峰与受体ARS吸收峰相距很近，几乎重叠，供体CNPs的共振能量转移(RRS-ET)给受体ARS，导致体系的共振散射强度变弱。Cr(Ⅵ)能催化H2O2氧化ARS，当Cr(Ⅵ)浓度增加，ARS浓度降低，RRS-ET减弱，散射光强度则增强，检测到的散射信号上升(图2)。在423 nm处共振散射光强度增大值与Cr(Ⅵ)浓度呈良好的线性关系，利用此原理可建立检测痕量Cr(Ⅵ)的共振散射光谱能量转移分析方法。本文选择423 nm波长测定Cr(Ⅵ)，体系的共振散射光谱如图3。

图1　受体ARS吸收峰和供体CNPs散射峰的关系Fig.1　The relationship between the acceptor ARS absorption peak and the donor CPNs RS peak

图2　催化纳米碳共振瑞利散射光谱能量转移法测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)。图3　CNPs-催化体系的共振瑞利散射光谱Fig.3　Resonance Rayleigh scattering spectra of the CNPs-catalytic system

2.2体系的激光散射

激光散射分析表明，非催化体系中存在CNPs，其平均粒径为362 nm，在70～400 nm、400～3 000 nm和3 000～7 000 nm有3个粒径分布峰，如图4a，说明体系中存在CNPs聚集体。加入Cr(Ⅵ)后，催化氧化ARS褪色，而对CNPs的粒径影响较小，其平均粒径为356 nm，见图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)。图4　激光散射光谱Fig.4　Laser light scattering spectrometer

2.3反应条件的选择

考察了NaAc-HAc缓冲溶液pH值对体系ΔI的影响，当缓冲溶液pH=5.0时，ΔI达到最大，故选择pH值为5.0的NaAc-HAc缓冲溶液。考察了NaAc-HAc缓冲溶液浓度对体系ΔI的影响，当缓冲溶液浓度为0.025 mol/L时，体系的ΔI达到最大，故选择pH5.0的NaAc-HAc缓冲溶液浓度为0.025 mol/L。考察了显色剂ARS对体系ΔI的影响，当ARS浓度在0.22×10-3mol/L处，体系的ΔI最大，故选择ARS浓度为0.22×10-3mol/L。考察了活化剂phen溶液对体系ΔI的影响，当phen浓度为0.6×10-2mol/L，体系的ΔI最大，故选择phen溶液最佳浓度为0.6×10-2mol/L。考察了增敏剂CTMAB溶液对体系ΔI的影响，当CTMAB质量浓度为0.4 g/L时，体系的ΔI达到最大，故选择CTMAB溶液质量浓度为0.4 g/L。考察了H2O2浓度对体系ΔI的影响，当H2O2浓度为0.36 mol/L时，体系的ΔI最大，故选择H2O2溶液浓度为0.36 mol/L。考察了体系的反应温度，实验结果表明，在常温到100 ℃之间，随温度增加ΔI增大，100 ℃时体系ΔI达到最大，故选择反应温度为100 ℃。考察了反应时间对体系ΔI的影响，当加热时间超过3 min时，ΔI达到最大，故选择加热时间为3 min。

2.4干扰实验

表1　共存物质的影响

2.5标准曲线和检出限

在优化后的实验条件下，量取不同浓度的Cr(Ⅵ) 标准工作液按实验方法进行测定，以共振光散射强度ΔI423 nm与Cr(Ⅵ) 浓度作图，Cr(Ⅵ)浓度在0.004～0.16 mg/L与共振瑞利散射光强度ΔI423 nm呈良好的线性关系，回归方程为ΔI423 nm=49 442C+65.1，线性相关系数为0.996 9，对空白试样平行测定11次得出标准偏差Sb=132.3，按公式LOD=3×Sb/K(K为工作曲线斜率)计算得出该方法的检出限为8.0 μg/L。

2.6样品分析

在选定实验条件下，测定自然水体的样品(分别取自池塘水、河水、湖水)，将水样用滤纸过滤，除去悬浮物、沉淀等杂质，用NaOH 溶液调至微碱性，再加酸将pH调至弱酸性(pH=5.0)，测定水样中的Cr(Ⅵ)浓度，并做样品加标回收试验，加入一定量的Cr(Ⅵ)测定回收率，重复测定6次，测定结果及回收率见表3。

表3　样品分析结果

3结语

研究表明，在pH=5.0的NaAc-HAc缓冲溶液体系中，Cr(Ⅵ)催化H2O2氧化茜素红褪色，利用纳米碳散射峰波长与茜素红吸收峰波长重叠，发生能量转移，改变散射强度，用荧光仪检测共振散射强度的方法测定Cr(Ⅵ)的浓度，建立测定Cr(Ⅵ)的共振瑞利散射光谱分析新方法，其线性范围为0.004～0.16 mg/L，回归方程为ΔI423 nm= 49 442C+65.1，相关系数为0.996 9，检出限为8.0 μg/L。用于环境水样的分析，结果满意。

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(责任编辑王龙杰)

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

中图分类号：O657.3

文献标志码：A

文章编号：1001-6600(2016)01-0128-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21447006，21567005，21267004，21367005，21307017，21365011，21467001，21477025，21465006)；广西自然科学基金资助项目(2013GXNSFFA019003，2014GXNSFAA118050)；广西高等学校科研项目(2013YB035)；2015年度国家级大学生创新创业训练计划项目资助；岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室主任基金(YRHJ15Z011)

收稿日期：2015-10-04

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.01.020

通信联系人：刘庆业(1963—)，男，广西钦州人，广西师范大学教授。E-mail: qyliu@mailbox.gxnu.edu.cn