氧化石墨烯/L-色氨酸体系荧光光度法测定铋离子

王 奎，叶玉兰，颜黎栋，孟祖超

（西安石油大学化学化工学院，陕西 西安 710065）

随着经济的快速发展，环境污染问题日益突显。其中，工业废水中的重金属离子对土壤和水资源的污染尤为严重。除了铅、镉、汞之外，工业废水中的铋离子也是重点监控指标。目前，环境样品中重金属离子的检测方法包括原子吸收和原子荧光光谱法[1-2]、电感耦合等离子体质谱和光谱法[3-6]、电化学方法[7-8]等。这些方法具有仪器昂贵、样品前处理复杂、耗时较长等不足。荧光传感器因具有较高的灵敏度、低的分析成本、简单快速等优点，已广泛应用在生物、化学、食品、环境等领域。

近年来，具有共轭结构的GO 作为一种广适性的荧光猝灭剂，能够作为能量受体，猝灭多种有机染料及量子点的荧光。与传统的猝灭剂相比，GO 具有更高的猝灭效率以及环境友好的特点[9]。马翠萍等[10]发现，在酸性介质中氧化石墨烯对吖啶橙的荧光有猝灭作用，此时加入适量的多巴胺，则会使体系的荧光强度增强，且增强程度与多巴胺的加入量成正比，据此建立了吖啶橙-氧化石墨烯荧光光度法测定多巴胺的方法。该方法具有良好的选择性，应用于实际样品的测定，结果满意。朱玉凤等[11]在碱性介质中，基于氧化石墨烯对吖啶橙具有吸附性，可实现对吖啶橙的荧光猝灭，当加入适量Cd2+后可使体系的荧光增强，实现了对Cd2+的灵敏检测。本研究利用GO 对L-Trp 的吸附性，实现了对L-Trp 的荧光猝灭。Bi3+的加入破坏了GO/L-Trp 体系，导致L-Trp的荧光恢复，且荧光强度随着Bi3+的增加逐渐增强。基于该原理，实现了对矿山废水中Bi3+含量的荧光分析测定。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

DZF-6020 型真空干燥箱，DZKW-D-2 型数显恒温水浴锅，，2XZ-1 型真空泵，FL-4500 型荧光分光光度计，KQ2200DE 型数控超声波清洗器。

石墨粉、盐酸、硝酸、硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、30%过氧化氢、硝酸铋等(均为分析纯)，L-色氨酸为生化试剂。

1.2 氧化石墨烯的制备

本实验采用改良的Hummers 法制备氧化石墨烯[12]。在500mL 的三口烧瓶中，加入一定量的硝酸钠和天然石墨粉，再依次加入98%浓硫酸和KMnO4，控制温度不超过20℃，得到紫绿色溶液。然后把烧瓶置于40℃的恒温水浴中，继续搅拌，得到褐色混合液。再缓慢均匀加入适量的双氧水，直到溶液变为亮黄色。抽滤，洗涤至中性，干燥后得到

棕色固体。

1.3 试剂及标准溶液配制

配制6×10-5mol·L-1色氨酸溶液和8×10-5g·mL-1氧化石墨烯悬浮液。选用Cu(NO3)2·3H2O、Ni(NO3)2·6H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Cd(NO3)2·4H2O、Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、Bi(NO3)3·5H2O、AgNO3，分别配制浓度均为5×10-5mol·L-1的Cu2+、Ni2+、Zn2+、Cd2+、Co2+、Fe3+、Bi3+、Ag+溶液，279 nm 为激发波长进行荧光分析。

2 结果与讨论

2.1 氧化石墨烯的表征

用扫描电子显微镜（SEM）对氧化石墨（GO）进行了表征，结果如图1所示。从图1可见，GO呈层状，表面有明显褶皱。从图2 的能谱分析图（EDS）可见，所制备的GO 主要元素为C、O，说明制得的GO 符合要求。

图1 GO 的扫描电镜图（SEM）

图2 GO 的能谱分析图（EDS 图）

利用红外光谱图对GO 进行了进一步的表征，所得结果如图3 所示。从图3 可以看出，GO在3440cm-1处的峰代表羟基O-H 的伸缩振动峰，1716cm-1处的峰代表羧基中 C=O 的伸缩振动，1620cm-1处的峰归属于sp2杂化的C=C 的伸缩振动。GO 结构中的羟基与L-Trp 中的氨基可以形成分子间氢键，同时它们之间的静电吸引作用有利于二者紧密结合，形成稳定的复合物。

图3 GO 的FT-IR 图

2.2 实验条件优选

2.2.1 反应时间对荧光猝灭的影响

GO 与L-Trp 混合后，L-Trp 的荧光强度会降低；延长反应时间，荧光强度没有发生太大改变，表明荧光猝灭效应与反应时间无关。

图4 反应时间对荧光猝灭的影响

图5 不同浓度的L-Trp 的荧光光谱图

2.2.2 L-Trp 浓度选择

L-Trp 具有一定的荧光强度，浓度改变对实验测定的影响明显。本实验考察了浓度为0.4×10-5～20×10-5mol·L-1时L-Trp 的荧光强度。结果显示，L-Trp 浓度超过6×10-5mol·L-1后，荧光强度的增加变得缓慢，因此选择6×10-5mol·L-1作为最佳的L-Trp 浓度。

2.2.3 GO 用量选择

在浓度为6×10-5mol·L-1的L-Trp 溶液中，研究了GO 用量对L-Trp 荧光猝灭的影响，实验结果如图7 所示。从图7 可见，当GO 浓度为8×10-5g·mL-1时，荧光猝灭的速度快，猝灭效率为92.5%。所以选择8×10-5g·mL-1作为GO 的最佳用量。

图6 GO 用量对L-Trp 的荧光猝灭图

2.2.4 试剂加入顺序

在L-Trp 浓度为6×10-5mol·L-1、GO 浓度为8×10-5g·mL-1、Bi3+离子浓度为4×10-5mol·L-1时，考察了L-Trp、GO、H2O 这几种试剂的添加顺序对实验的影响，结果如图8 所示。从图8 可见，GO+LTrp+H2O 体系的荧光强度值最大也最稳定，所以选择添加试剂的顺序为：GO、L-Trp、H2O、Bi3+。

图7 试剂添加顺序对体系荧光强度的影响

2.2.5 pH 对于测定的影响

由于Bi3+在水溶液中易水解，因此考察了pH对荧光强度的影响。保持L-Trp 浓度为6×10-5mol·L-1，GO 浓度为8×10-5g·mL-1，Bi3+离子浓度为5×10-5mol·L-1，用硝酸调节pH 在0.5～4 之间，进行荧光测定，结果如图8 所示。当pH 为2 时，体系的荧光强度最大，所以本实验选择pH=2 的Bi3+溶液。

图8 pH 值对体系荧光强度的影响

图9 不同浓度 Bi3+在GO-L-Trp 体系中的荧光光谱图

图10 在GO-L-Trp 体系中测定Bi3+的标准曲线图

2.3 Bi3+工作曲线和检出限

在最佳的实验实验条件下，测定了不同浓度的Bi3+在GO-L-Trp 体系中的荧光光谱图，结果如图9所示。Bi3+在0.5～100 μmol·L-1的浓度范围内，与ΔI=(I-I0)呈现出较好的线性关系(图10)，线性回归方程为：ΔI=8.081c+ 20.817（R2=0.9995），检出限为0.5×10-6mol·L-1。

2.4 干扰性能研究

考虑到混合样品中常见的金属离子和阴离子可能会干扰测定，进行了干扰性能研究。Bi3+浓度为2×10-5mol·L-1时，加入100 倍的K+、Na+、Cu2+、Mg2+、Ca2+，50 倍 的Fe3+、Ni3+、Sb3+、Al3+、NO3-、F-、Cl-，30 倍的Pb2+、Cd2+、Hg2+、Cr3+、Ba2+，Bi3+荧光强度的变化数值不超过3.0%，证明以上浓度的离子对Bi3+的测定基本无干扰。该方法对实际样品表现出了较好的选择性，可用于实际样品的分析。

2.5 实际样品分析

将此方法应用于废水中Bi3+的测定。取待测定水样100mL，离心15min，取上层清液50mL 进行分析测定，结果见表1。从表1 可见，废水中Bi3+的含量为25 μmol·L-1，回收率为97.5%～106.0%，表明此方法可以用于矿山污水中 Bi3+含量的测定。

表1 矿山废水中Bi3+的分析测定

3 结论

GO 对L-Trp 具有良好的荧光猝灭效应，加入Bi3+后，体系的荧光恢复，Bi3+浓度为0.5～100 μmol·L-1时呈线性关系，检出限为0.5×10-6mol·L-1。据此建立的Bi3+荧光光度分析法成功应用于废水中Bi3+的含量分析，具有灵敏度高、速度快、成本低的优点，结果令人满意。