Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2磁性纳米材料富集-分光光度法测定不同基质酒中Pb2+

徐小梅， 刘 翻， 万益群*,

(1.南昌大学化学学院，江西南昌 330031；2.南昌大学分析测试中心，江西南昌 330029)

铅是一种毒性较强的重金属，进入人体后将会对人的神经、消化、肾脏、心血管和内分泌等多个系统造成危害，引起头痛、头晕、记忆力下降、睡眠障碍、腹胀便秘等不良症状，重则可以使人致死。饮酒是我国的一种传统民族文化，也是很多人的一种嗜好。由于环境的污染以及在酿酒过程中相关生产原料、设备、用水、贮酒器等均有可能引入重金属Pb2+，使酒的品质受到一定程度的影响，也将直接危害消费者的身体健康。为此，我国制定了各类酒中Pb2+的限量标准[1]，其中白酒为0.2 mg/kg，黄酒为0.5 mg/kg。因此，加强酒中Pb2+含量的监测很有必要。

目前，食品中Pb2+的常见检测方法包括原子荧光光谱法[2]、原子吸收光谱法[3]、电化学分析法[4]、电感耦合等离子体发射光谱法[5]、高效液相色谱法[6]等。在这些分析方法中，原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法等仪器设备相对来讲比较昂贵，且受样品基质干扰较大；相关电化学分析方法重现性较差。因此，探讨构建简便、有效的酒中Pb2+的分析新技术具有较好的实用价值。本研究运用溶剂热法[7 - 9]制备了Fe3O4磁性材料，在此基础上合成氨基功能化磁性纳米材料Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2[10 - 23]。实验将合成的材料用于不同基质酒中Pb2+的选择性分离富集，并结合紫外-可见分光光度法，建立了酒中Pb2+的分析新方法，并应用于实际样品分析，取得了较好的效果，为酒的品质监测提供了一种新的手段。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

UV-2550型紫外-可见分光光度计(日本，岛津公司)；pHS-3C型酸度计(上海仪电科学仪器股份有限公司)；KQ3200DE型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司)；电子天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)。

FeC13·6H2O、NaAc、NaOH、氨水、正硅酸乙酯(TEOS)、HCl、HNO3、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、Y-脲丙基三乙氧基硅烷(A-1160)均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司；乙二醇、乙醇、异丙醇、二氯甲烷、NH4NO3均为分析纯，购于广东西陇化工股份有限公司；二甲酚橙(XO)、邻菲啰啉均为分析纯,购于美国Sigma-Aldrich公司；Pb(NO3)2(优级纯，华夏试剂有限公司)。实验用水为Mill-Q超纯水仪(美国，Millipore公司)制备。

1.2 实验方法

1.2.1溶液配制0.1 mg/mL Pb2+标准溶液：准确称取0.1599 g Pb(NO3)2于烧杯中，用超纯水溶解，加入1 mL浓HNO3，移入1 000 mL的容量瓶中，用超纯水稀释定容，摇匀。0.1%二甲酚橙(XO)溶液：称取0.05 g XO，用少量超纯水溶解，加入少量HCl，并用超纯水定容于50 mL的容量瓶中，备用。HAc-NaAc缓冲溶液：称取100 g NaAc溶于500 mL水中，加入2.4 mL冰HAc，超纯水60 mL，摇匀，在酸度计上调至溶液pH=6.0。0.25%邻菲啰啉溶液：称取0.25 g邻菲啰啉，溶于7.5 mL的丙酮中，用超纯水稀释至100 mL。

1.2.2Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2的制备及表征称取1.35 g FeCl3·6H2O，置于250 mL烧杯中，加入75 mL乙二醇，搅拌30 min形成透明溶液。接着加入3.6 g NaAc，继续搅拌至均匀后，并将溶液转移至100 mL 反应釜中，放置于200 ℃烘箱中反应16 h。将制备的材料用超纯水和乙醇反复清洗,在60 ℃下于真空干燥箱中干燥9 h，即得到Fe3O4磁性纳米微粒。称取0.10 g Fe3O4磁性纳米微粒，分散在所配制的混合溶液中(超纯水10 mL、乙醇40 mL、氨水1.2 mL),超声1 h，逐滴加入0.4 mL TEOS，搅拌6 h。然后通过磁分离收集，用乙醇、超纯水清洗多次，60 ℃真空干燥8 h，得Fe3O4@SiO2。

称取0.10 g Fe3O4@SiO2，分散在所配制的混合溶液中(超纯水40 mL、乙醇30 mL、氨水1.2 mL)，超声处理，加0.20 g CTAB，超声30 min，逐滴加入0.3 mL TEOS形成均一的溶液，在搅拌下30 ℃反应6 h。将产物分散在6 g/L NH4NO3-乙醇中，在60 ℃条件下分多次进行超声，每次30 min。材料磁分离后，在60 ℃下真空干燥8 h，得Fe3O4@SiO2@m-SiO2。称取0.05 g Fe3O4@SiO2@m-SiO2分散到60 mL异丙醇中，逐滴加入1.0 mL A-1160，N2保护，室温下机械搅拌24 h，反应结束后，所得材料依次用异丙醇和二氯甲烷洗涤数次，将产物在60 ℃下真空干燥12 h，即得Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2。

1.2.3样品前处理准确移取15.0 mL酒样至50 mL离心管中,加入5 mg Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2磁性纳米材料，在迷你振荡器上震荡30 min，静置2 min，然后用磁铁将磁性纳米材料与溶液分离。接着用5 mL 0.1 mol/L HCl对磁性纳米材料进行洗脱，洗脱液进行紫外-可见光谱测定。

1.2.4紫外-可见光谱测定在25 mL容量瓶中,依次加入0.25 mL Pb2+标准溶液,5 mL HAc-NaAc缓冲溶液(pH=6.0),1.0 mL 0.1% XO 溶液,用超纯水稀释至刻度。用2 cm比色皿，在535 nm波长处，以相应试剂空白作为参比测量吸光度[24]。

2 结果与讨论

2.1 分光光度法测定条件的优化

2.1.1最佳测定波长选择在25 mL容量瓶中,依次加入0.50 mL Pb2+标准溶液,5 mL HAc-NaAc缓冲溶液(pH=6.0),1.0 mL 0.1% XO 溶液,超纯水稀释至刻度。用2 cm比色皿以试剂空白为参比，测量该显色体系吸光度，并绘制吸收曲线，见图1。从图1可看出当波长为535 nm时，该体系有最大吸收。

2.1.2显色条件的优化在λ=535 nm,固定Pb2+的浓度为0.3 mg/L，分别探讨显色体系pH(5～7)，显色剂用量(0.5～2 mL)、显色时间(5～30 min)等因素对显色体系的影响。结果表明，当显色体系的pH=6.0，显色剂用量为1.0 mL、显色时间20 min，可以取得较好的效果。

2.2 工作曲线与检出限

配制Pb2+标准系列工作溶液，按照优化条件进行测定，结果表明，Pb2+的浓度在0.05～3.6 mg/L范围内遵循比尔定律，呈良好的线性关系，线性回归方程为：A=0.0989c+0.00965，相关系数为0.9976,检出限(S/N=3)为0.025 mg/L。

2.3 磁性纳米材料的表征

2.3.1X-射线衍射分析图2为所制备的磁性纳米粒子Fe3O4的X-射线衍射(XRD)图。从图中可以看出，在2θ=30.10°、35.5°、43.09°、53.4°、56.95°、62.83°处出现明显的衍射峰，与JCPDS卡片72-23034比较可知，这些峰与Fe3O4的X-射线衍射图中(220)、(311)、(400)、(422)、(440)、(511)标出峰的位置一致，说明产物为立方尖晶石结构的Fe3O4。

图1 紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱图Fig.1 UV-Vis absorption spectruma.absorption spectrum of the complex Pb2+-XO for XO;b.absorption spectrum of the complex Pb2+-XO for water.

图2 Fe3O4的X-射线衍射(XRD)分析Fig.2 XRD analysis of Fe3O4

图3 Fe3O4(a)、Fe3O4@SiO2(b)、修饰CTAB模板(c)、Fe3O4@SiO2@m-SiO2(d)和Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(e)的红外(IR)光谱图Fig.3 IR spectra of Fe3O4(a)，Fe3O4@SiO2(b)，modified CTAB template(c)，Fe3O4@SiO2@m-SiO2(d)and Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(e)

2.3.2红外光谱分析图3为所制备的各种材料的红外光谱图。图3a表明，582 cm-1为Fe3O4的Fe-O特征吸收峰；800 cm-1和1 080 cm-1分别为Si-O-Si的对称振动和不对称伸缩振动吸收峰(图3b)，表明Fe3O4@SiO2形成;CTAB模板的-CH2在2 800～3 000 cm-1范围内的吸收峰可以确定(图3c),但图3d表明此范围的吸收峰消失，表明CTAB模板已成功洗脱掉，形成了介孔结构；960 cm-1处为Si-OH的吸收峰，图3e表明，当氨基硅烷基团取代硅羟基时，此峰变弱，1 635 cm-1、1 560 cm-1分别为吸附水的O-H和自由的N-H或者质子化的氨基吸收峰，表明氨基成功地修饰在磁性介孔材料上。

2.3.3扫描电镜和透射电镜表征图4为所制备材料的扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图。由图4a可见，Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2为球形的纳米颗粒；由图4b可见，Fe3O4外面明显包裹SiO2层；图4c可见，在SiO2层外面包裹了介孔SiO2层，且SiO2层厚度约45 nm，介孔SiO2层厚度约135 nm，修饰-NH2后厚度并无明显变化。由上述对材料的各种表征结果可知，本实验已成功制备了Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2磁性纳米材料。

图4 Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(a)的扫描电镜(SEM)图和Fe3O4(b)、Fe3O4@SiO2(c)、Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(d)的透射电镜(TEM)图Fig.4 SEM images of Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(a)and TEM images of Fe3O4(b)，Fe3O4@SiO2(c)，Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2(d)

2.4 Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2富集Pb2+条件优化

2.4.1Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2用量的选择取15 mL Pb2+溶液，固定Pb2+的浓度为0.3 mg/L，改变Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2的用量，探讨该材料对Pb2+的富集效果，结果见图5。由图5可知，当所制备磁性纳米材料的用量为5.0 mg以上时，Pb2+能完全被富集。实验选择其用量为5.0 mg。

2.4.2pH的影响改变溶液 pH值,用5.0 mg Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2对溶液中Pb2+进行富集，结果见图6。当pH在5～7范围时磁性纳米材料对Pb2+的富集效果较好，本实验选择pH为6.0。

图5 Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2的用量对Pb2+的富集效率影响Fig.5 Effect of the amount of Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2 on the enrichment efficiency of Pb2+

图6 pH对Pb2+的富集效率影响Fig.6 Effect of pH on the enrichment efficiency of Pb2+

2.4.3最佳洗脱条件的选择分别采用0.1 mol/L HCl、HNO3对富集了Pb2+的磁性纳米材料进行洗脱。结果表明，HCl的洗脱效果较好。改变HCl的用量，探讨Pb2+的洗脱效果。结果表明，当HCl的用量大于5.0 mL时，Pb2+能较好地从富集的材料上洗脱下来，洗脱效率超过96.0%。实验选择HCl用量为5.0 mL。

2.5 共存离子影响

实验探讨了酒中一些共存物对Pb2+测量的影响。当Pb2+的浓度为0.3 mg/L时，其他一些共存组分浓度(mg/L)为：Na+(2.0)、K+(2.0)、Ca2+(0.3)、Mg2+(0.1)、Zn2+(0.15)、Fe3+(0.2)、Cd2+(0.1)、Co2+(0.1)、Cr3+(0.3)、Mn2+(0.2)、Cu2+(0.2)时对测定的影响。结果表明所制备的磁性纳米材料对Cu2+、Cd2+有一定的吸附，对Pb2+的分析会产生一定影响。实验采用加入0.25%邻菲啰啉溶液1.25 mL，可将Cu2+、Cd2+完全掩蔽，能消除对Pb2+分析的影响。

2.6 样品分析

分别移取红酒、白酒、黄酒等不同基质酒样各15.0 mL至50 mL离心管中，加入1.25 mL 0.25%邻菲啰啉溶液，按所建立分析方法进行测定，结果见表1。由表1可知，采用本方法测定Pb2+的结果与原子吸收光谱法(AAS)分析结果相近，表明本方法具有较好的准确性。

表1 酒样中Pb2+的分析结果

3 结论

本文采用溶剂热法，以TEOS为硅源，CTAB为模板，A-1160为氨基化试剂，制备了磁性纳米材料Fe3O4@SiO2@m-SiO2-NH2，运用该材料对酒样中Pb2+进行分离富集，结果表明所制备的材料能选择性地富集Pb2+，结合分光光度法，建立了酒中Pb2+的分析方法。方法具有检测成本较低、操作简便的优点，能较好的满足不同基质酒样中Pb2+含量的监测。