纳米银比色法快速检测三价铬离子

操江飞,韦寿莲,陈淼鑫

(肇庆学院 环境与化学工程学院，广东 肇庆 526061)

铬元素通常以Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)两种形式广泛存在于自然界及工业废弃物、废水中[1]。其中，Cr(Ⅲ)为人体必需的微量元素，正常食品补给剂量下无毒，但浓度较高时则会表现出细胞毒性反应；而Cr(Ⅵ)易穿过细胞膜进入细胞，在细胞内被还原为Cr(Ⅲ)，并通过与细胞内的大分子物质相结合而干扰细胞、酶的正常活性，甚至改变遗传密码，成为致癌和致突变的诱发因子，浓度大时还会导致死亡[2-4]。目前，铬已经越来越多地应用到工业生产中，如镀铬、染料和颜料制造、皮革鞣革和食品包装等，从而导致铬在环境中的暴露，对人体健康造成巨大威胁。因此，开发一种具有良好选择性、高灵敏度的Cr(Ⅲ)检测方法显得尤为必要[5]。

目前，对于铬离子的检测方法主要有原子吸收光谱法[6-7]、伏安法[8-10]、分光光度法[11]、电感耦合等离子体质谱法[12]和表面等离子体场增强共振光散射法[13]等。这些方法虽能较为准确地测定样品中的铬离子含量且具有较低的检出限，但需要借助价格较为昂贵的大型仪器设备，对运行环境和维护费用要求较高，不能满足现场快速检测的需要。纳米材料在金属离子的研究和运用在一定程度上解决了上述方法的缺陷。最近，有文献报道利用功能化的纳米金检测重金属离子[14-16]，即氯金酸经还原剂还原后生成纳米金溶胶，再通过某种特定的化学键作用使纳米金功能化，当加入目标离子后，金溶胶会由酒红色变为灰蓝色。这种方法不仅能同时检测多种重金属离子，而且在实际操作中较为简便，有较好的准确度和精确度。然而，氯金酸较为昂贵，且功能化纳米金的检测受重金属的干扰较大[17]。因此，纳米金在重金属的检测中存在一定不足。

图1 甲基紫吸附的纳米银制备及对Cr3+的检测原理Fig.1 Preparation of silver nanoparticles adsorption by methyl violet and detection principles of Cr3+

本研究建立了一种甲基紫吸附的纳米银粒子比色检测Cr(Ⅲ)的方法。在柠檬酸钠作稳定剂的溶液体系下，通过硼氢化钠还原硝酸银制备出纳米银。再加入甲基紫，通过甲基紫分子的N配位原子与纳米银溶胶通过桥联作用[18]和静电引力作用吸附于银粒子表面，使纳米银稳定，且纳米银粒子表面的银原子能与甲基紫发生络合反应，从而使甲基紫强烈吸附于纳米银粒子表面。加入Cr(Ⅲ)溶液后，表面吸附甲基紫的纳米银粒子与Cr(Ⅲ)通过金属配体反应促使纳米银粒子发生团聚，体系由亮黄色变成灰红色(如图1)，基于此原理，建立了可用于Cr(Ⅲ)检测的分析方法。分别考察了水体和食品中常见金属离子对检测体系的影响，结果显示上述金属离子均不能使纳米银粒子发生团聚。该方法中，合成纳米银所用硝酸银的价格远低于合成纳米金所用氯金酸的价格，且灵敏度高、选择性好，具有很好的应用前景。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

硝酸银、硼氢化钠、柠檬酸钠、甲基紫、柠檬酸、磷酸氢二钠、硝酸铬、硝酸钠、硝酸镁、硝酸铝、硝酸钡、硝酸钙、硝酸镉、硝酸铜、硝酸钴、硝酸钾、硝酸铁、硝酸汞、硝酸镍、硝酸铅、硝酸锌、硝酸锰、重铬酸钾、浓硝酸、30%过氧化氢、5%硝酸；以上试剂均为分析纯，购于广州化学试剂厂；实验用水均为超纯水。

UV-Vis916型紫外可见分光光度计(澳大利亚GBC科学仪器公司)，分析天平(上海精密仪器有限公司)，pH试纸(上海三爱思试剂有限公司)，Canon数码相机(SX 240 HS，日本佳能公司)。

1.2 纳米银的制备

参照文献[17]并稍加修改：向70.0 mL含0.01 mol·L-1硼氢化钠和0.28 mmol·L-1柠檬酸钠的溶液中逐滴滴加20.0 mL 1.0 mmol·L-1的硝酸银，得到稳定的亮黄色纳米银溶胶。

1.3 纳米银-甲基紫探针的制备

准确配制浓度为1.0×10-6mol·L-1甲基紫溶液。取1.0 mL甲基紫加至2.0 mL纳米银溶胶中，用柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液将体系调至pH 4.0，将混合溶液振摇5 min，于室温下静置15 min，得到黄色的纳米银-甲基紫探针溶液。

1.4 比色法检测Cr3+

将不同浓度的Cr3+标准溶液分别加至纳米银-甲基紫探针溶液中，溶液在室温下由黄色变成红色，分别将加入Cr3+前后的溶液用紫外可见分光光度计检测，吸光度比值ΔA/A0与Cr3+浓度在一定范围内呈线性关系(ΔA=A0-A)，其中A0表示未加Cr3+的纳米银-甲基紫探针溶液的吸光度，A表示加Cr3+后纳米银-甲基紫探针溶液的吸光度[17]。通过此关系，可检测出Cr3+浓度并确定此方法的裸眼检出限。

1.5 样品前处理

在肇庆市天龙油墨厂污水排水口5 m处采集水样和自来水进行样品分析。由于印染废水的色度直接影响测定结果的准确性，因此需要对样品进行前处理[19-20]：取25 mL印染废水，加入3.0 mL浓硝酸和1.0 mL 30%的过氧化氢溶液，加热蒸发至溶液呈无色澄清或者微黄色后，用5%硝酸定容至25 mL。

2 结果与讨论

2.1 纳米银、纳米银-甲基紫探针及纳米银团聚后的吸收波长分析

图2 不同形态纳米银粒子的紫外-可见光谱Fig.2 Ultraviolet-visible spectra of silver nanoparticles in different formsa.silver nanoparticles;b.silver nanoparticles adsorption by methyl violet;c.silver nanoparticles aggregation in 1 mmol·L-1 Cr3+

按照上述“1.2～1.3”制备纳米银和纳米银-甲基紫探针，分别用紫外可见分光光度计进行光谱扫描，谱图如图2 a、b所示，纳米银在399 nm处有1明显吸收峰，这与文献一致[17]。加入甲基紫后，纳米银的最大吸收波长由399 nm红移至405 nm，说明甲基紫成功吸附在纳米银粒子表面。在1.0 mmol·L-1Cr3+溶液中加入纳米银-甲基紫探针，纳米银发生团聚后进行光谱扫描。结果显示，当纳米银-甲基紫探针溶液中加入Cr3+时，体系的颜色在数分钟内由亮黄色变成灰红色，吸光度显著降低，最大吸收峰从405 nm红移至426 nm，说明Cr3+可与纳米银通过螯合配体发生团聚现象。

2.2 甲基紫用量对纳米银粒子分散程度的影响

分别向2.0 mL纳米银溶胶中加入不同体积(0.5、1.0、1.5、2.0 mL)的1.0×10-6mol·L-1甲基紫溶液，考察甲基紫用量对纳米银粒子分散程度的影响。结果显示，甲基紫的用量为1.0 mL时，纳米银的吸光度最大，说明此用量下纳米银粒子的分散最均匀，高于或低于此用量，均会导致纳米银的吸光度降低。因此，本实验选定2.0 mL纳米银中，甲基紫的最佳用量为1.0 mL。

2.3 pH值对纳米银-甲基紫探针团聚的影响

图3 100 μmol·L-1 Cr3+浓度下，pH值对纳米银吸光度的影响Fig.3 Effect of pH value on absorbance of silver nanoparticles in 100 μmol·L-1 Cr3+

由于纳米银粒子在不同pH值下的团聚情况不同，因此考察了不同pH值的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液体系对纳米银-甲基紫探针团聚的影响。结果显示，在pH 4.0～7.0范围内，溶液呈亮黄色，而在pH 2.0、3.0时，纳米银溶胶因发生团聚而呈深灰色。其团聚原因是纳米银粒子存在偶电层(Ag+—负吸附质)，随着pH值减小，溶液中H+浓度增大，有利于H+与甲基紫形成竞争作用吸附在纳米银粒子表面，使得吸附于纳米银粒子的甲基紫减少，纳米银失去稳定而团聚变色[21]。分别在pH 3.2～7.0的溶液中滴加100 μmol·L-1Cr3+溶液，结果只有pH 4.0时纳米银发生团聚而变成红棕色，且此时溶液的吸光度比值(ΔA/A0)最大(图3)，表明此时Cr3+对纳米银的团聚作用最强。因此，本实验选择最佳pH值为4.0。

图4 缓冲溶液浓度对纳米银-甲基紫探针团聚的影响Fig.4 Effect of buffer solution concentration on aggregation of silver nanoparticles-methyl violet probe

2.4 缓冲溶液浓度对纳米银-甲基紫探针团聚的影响

分别用浓度为0.05、0.10、0.15、0.20 mol·L-1的柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液将纳米银-甲基紫探针体系调至pH 4.0，考察了缓冲溶液浓度对纳米银团聚程度的影响(见图4)。结果显示，缓冲溶液浓度为0.2 mol·L-1时，ΔA/A0的值最大，表明随着盐浓度的增大，纳米银粒子之间的静电排斥力降低，其团聚程度增强。当缓冲溶液浓度为0.1 mol·L-1时，ΔA/A0的值最小，说明此浓度下纳米银粒子的团聚程度最小。因此，本实验选定柠檬酸-磷酸氢二钠缓冲溶液的最佳浓度为0.1 mol·L-1。

2.5 反应时间的选择

在pH 4.0体系中，向纳米银-甲基紫探针溶胶中分别滴加浓度为5、10 、40 μmol·L-1的Cr3+标准溶液，考察了反应时间的影响。结果显示，随着反应时间的增加，体系的ΔA/A0值增大，当反应进行到30 min后，继续增大反应时间，其ΔA/A0值基本不变，表明纳米银的团聚程度已达到饱和。因此，实验选择最佳反应时间为30 min。

2.6 反应温度的选择

在pH 4.0体系内，分别于不同温度(10、15、20、25、30 ℃)的纳米银-甲基紫探针溶胶中滴加一定浓度Cr3+溶液，反应30 min，考察反应温度的影响。结果显示，25 ℃时，体系的ΔA/A0值最大，高于或低于此温度，该比值均会降低，说明此温度下Cr3+对纳米银的团聚作用最强。因此，本实验选择最佳反应温度为25 ℃。

图5 裸眼检出限显色图Fig.5 Detection limit of naked eye and coloring diagram

2.7 线性范围与检出限

在选定实验条件下，运用“1.4”实验方法对不同浓度Cr3+标准溶液进行测定。结果显示，随着体系中Cr3+浓度的增加，溶液的变色程度逐渐加深，即纳米银的团聚程度越来越大(见图5)。当体系中Cr3+浓度低于0.3 μmol·L-1时，无法通过裸眼分辨出纳米银-甲基紫探针溶胶的变色情况，即裸眼检出限为0.3 μmol·L-1。研究显示，在2.0～10.0 μmol·L-1浓度范围内，ΔA/A0(y)与Cr3+浓度(x,μmol·L-1)呈良好的线性关系，线性方程为y=0.071 8x+0.072 0，相关系数(r)为0.997 6。

2.8 重现性与选择性

对5.0、8.0 μmol·L-1Cr3+标准溶液平行测定5次以考察该方法的重现性，测得其相对标准偏差(RSD)分别为1.4%、2.2%，说明该方法的重现性良好。

为评价该方法对Cr3+的选择性，在优化实验条件下，考察了常见金属离子Na+、Mg2+、Al3+、Ba2+、Cr(Ⅵ)、Ca2+、Pb2+、Cd2+、Cu2+、Co2+、K+、Fe3+、Hg2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+对纳米银-甲基紫探针的响应。结果显示，Cr3+能使纳米银发生团聚，而其他金属离子均无明显影响，表明该方法对检测Cr3+具有良好的选择性。

2.9 实际样品的检测

分别取自来水(A)和肇庆市天龙油墨厂的印染废水(B)进行样品检测。按照“1.5”对样品进行前处理后，按照“1.4”进行检测并进行加标回收实验，结果如表1所示。由表可知，采用本方法在自来水中未检出Cr3+，印染废水中检出一定量的Cr3+，且后者检测结果与电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)的测定结果一致。按5.00 μmol·L-1Cr(Ⅲ)标准溶液进行加标,测得上述样品的回收率为93.2%～100%，相对标准偏差(RSD)均小于1.5%。

表1 实际样品中Cr3+的检测结果(n=5)Table 1 Detection results of Cr3+ in actual samples(n=5)

*no detected

3 结 论

本研究建立了一种纳米银-甲基紫探针比色法快速检测Cr3+的方法。纳米银-甲基紫探针能特异性地结合Cr3+，并使溶液体系的颜色由亮黄色变至灰红色。方法测得Cr3+的线性范围为2.0～10.0 μmol·L-1,裸眼检出限为0.3 μmol·L-1。方法的检出限低、选择性高、重现性好且操作简便、检测迅速、成本低，具有潜在的工业应用价值。