一步法检测环境水样中的肼

席静,展宗瑞

(兰州石化职业技术大学,甘肃 兰州 730000)

肼(N2H4),也被称为联氨,在常温下呈现出无色的油状液体,但是闻起来有类似于氨的刺鼻的刺激性气味,也是一种强极性的化合物。肼能够混溶于水和醇等极性溶剂中。如果将肼长时间地暴露在空气中或是在短时间内受到高温作用都会发生爆炸分解。如果肼与卤素、高锰酸钾等强氧化剂发生作用会发生自燃。因为肼具有强烈的吸水性,所以在自然界中多以水合肼(N2H4·H2O)的形式存在,也被称之为水合联氨[1]。

水合肼在常温下是一种液体,闻起来会有一点淡氨味,呈现出无色透明的状态,暴露在湿空气中会冒烟。在常压状态下,水合肼还会和水形成共沸物,共沸点达到118 ℃。水合肼还具有极强的还原性,与卤素单质、硝酸以及高锰酸钾等强氧化剂作用会发生非常激烈的反应。同时,水合肼还是一种非常重要的化工产品,它的工业应用非常广泛。水合肼不仅在医药、农药、染料以及炸药化工等领域有着重要的应用,也可以作为显影剂、抗氧剂和发泡剂的原料应用在印刷行业,还是汽包锅炉中高品质水的优良脱氧剂。除此之外,水合肼还在制造高纯度的金属以及稀有元素的分离这些化工过程中不可或缺[2]。

但是,水合肼是一种高度致毒致癌的化工污染物,已经被列入了《易制爆危险化学品名录》。水合肼对人体健康的影响主要是通过皮肤接触、吸入和吞食后引起中毒。水合肼的毒性非常强,如果短时间内大量吸入或误食会导致身体出现严重的损伤,包括呼吸困难、肺水肿、肝肾损伤等。若是长期接触低浓度的水合肼也有可能会导致贫血、消瘦、消化不良、食欲减退等症状。水合肼的危险性还体现在其易燃性。众所周知它是一种强还原剂,可以与多种氧化剂反应并在反应过程中迅速释放出大量的热量。因此,对于水合肼的安全处理,除了要遵循密闭操作、加强通风等一般性安全措施外,还应在生产和使用场所配备相应的消防器材和急救设备。接触水合肼的工作人员应接受专门培训,了解水合肼的性质和危险性,并掌握相应的安全操作规程。此外,还应该定期对工作环境和设备进行安全检查,确保其符合安全标准[3]。

鉴于水合肼在工业生产中的重要性及其毒性和易燃性对人体带来的伤害,能够研发一种高灵敏、迅速又便捷的肼的检测手段,是在肼的研究中备受关注的重点问题。从现有的文献报道中发现,截至目前,研究工作者对水合肼的检测已经使用了各种各样的技术,比如以稳定性好、重现性高、选择性好著称的色谱法,其中包括气相色谱法、高效液相色谱法、离子色谱法等;灵敏度高的化学检测法,比如电化学检测法、化学发光检测法等;检测手段简单便捷的光谱法,比如原子发射光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法等。但令人遗憾的是,尽管目前已经被报道出来的检测方法都具有较高的灵敏度,但绝大多数检测手段在检测过程中需要进行非常复杂的预处理,非常耗时[4]。而且在检测的时候部分还需要昂贵的大型实验仪器,综合这些特点,均无法满足现场快速检测,更不用说实现现场实时检测[4]。

近些年,有一种被称为比色法的检测方法被重新重视利用起来,俗称可视化检测方法。它曾经是一种经典传统实用的化学分析检测方法,利用起源较早,具有比较明显的优点。比如检测原理十分简单、检测手段容易、检测用时较短、检测成本较低,而在这些所有的优点中,最引人注目的就是肉眼便可直接观测到实验结果,省去了在检测过程中大型仪器的参与。因此将现有的各种检测手段做对比,比色法检测手段虽然不是最灵敏的,却因其具有一系列的优点,不容大家忽视,一直以来在分析检测领域被深入研究。特别是近几年兴起的金纳米颗粒的可视化法,再次将可视化检测法以一种新的面貌呈现在大众面前。金纳米比色法是一种灵敏度极高、特异性优良、操作简便快速、无损检测、容易可视化、安全性高、低成本且广泛适用的检测手段。由于金纳米颗粒在特定波长下会产生强烈的吸收和散射光,因此可以利用光学方法对金纳米颗粒进行可视化分析,既可以帮助相关人员更好地理解纳米粒子的性质和行为,促进基础研究与应用的发展。还可以帮助研究人员在数据分析时更加准确地判断和识别实验结果,提高研究的可靠性和效率。金纳米比色法操作简便、快速,可实现现场快速检测,其反应时间短,通常在数分钟至数小时内即可完成,因此特别适合于急需检测结果的情况。例如,在医疗急诊、环境监测等领域,金纳米比色法具有很高的应用价值。在金纳米的可视化检测手段中,可以不需要借助实验仪器设备,直接用肉眼清晰地观测到金纳米颗粒溶液的颜色从橘红色到紫红色发生递增的变化,这是因为不同粒径的金纳米颗粒等离子共振峰的变化。这种检测手段正是利用了金纳米粒子SPR的光学特性,因为金纳米颗粒粒径以及分布形态的不同,宏观上会观测到其溶液颜色的变化过程。如果让单一分散稳定的小粒径金纳米颗粒发生聚集,在其聚集的同时,金纳米颗粒溶液的颜色也会由酒红色变为蓝紫色。反之,如果可以将聚集在一起的大颗粒金纳米颗粒分散开来,金纳米颗粒溶液的颜色又将会由蓝紫色变为酒红色[5]。

近些年,归功于科研工作者对金纳米材料越来越深入的研究,已经有越来越多的研究工作者将金纳米颗粒设计到可视化检测手段中,而且该检测手段已经被用于检测多种物质[6]。由于金纳米比色法的灵敏度高、特异性优良、操作简便快速、无损检测、容易可视化、安全性高且低成本等特点,使得它在各个领域中都具有广泛的应用前景。但是在检测中,依然遇到一个不可避免的问题,那就是金纳米颗粒制备方法的选择。截至目前现有的报道中,主要采用物理法和化学法来制备实验用的金纳米颗粒。其中物理法制备得到的金纳米颗粒纯度好,可是若利用到检测手段中,会引起复杂的制备操作,违背了比色检测法便捷的优势。相对于物理制备法而言,化学制备方法不仅能提供单一分散稳定的小粒径金纳米颗粒,而且制备过程也大多在溶液中进行,有利于进一步对目标物的检测,可以免去复杂的对目标物的处理手段。特别是氧化还原化学法制备金纳米颗粒,不仅制备过程中操作十分简单,最终得到的金纳米颗粒性质也会相对稳定,更有利于检测实验的开展,而且还可以根据所选还原剂的不同,制备出粒径大小不同的金纳米颗粒,以进一步满足检测要求[7]。

虽然报道的传统金纳米颗粒可视化检测法已经具有便捷快捷的优点,但是查阅大量文献发现,在现有的金纳米可视法检测手段中,一般都至少采用了三个过程来实现对目标物的最终检测[15],也就是制备——反应——检测。尽管只是多了一步与目标分析物反应这个步骤,却让制备金纳米颗粒的条件变得更加繁琐,而且在反应过程中还不得不人为地引入一些有毒的试剂。基于这一问题,提出了合成、修饰、检测同时完成的金纳米比色法检测水合肼的新颖检测方案。水合肼检测在合成尺寸可控的氨基磺酸(AA)修饰的金纳米粒子的过程中同时进行。在此检测方法中,氨基磺酸作为稳定修饰剂,可以防止合成的金纳米粒子发生聚合。与此同时,水合肼不仅作为目标检测物,还作为还原剂还原氯金酸生成金纳米粒。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

本实验所有的化学药品均为分析纯级别的试剂,所有的实验用水都为二次蒸馏水;Lambda 950 型紫外分光光度计;微量移液器(大龙);数码相机(佳能)。

1.2 实验方法

实验过程中所使用的全部玻璃器皿在实验前准备的过程中都必须清洗得十分干净,而且在王水中经过浸泡,再用二次蒸馏水进行反复彻底冲洗干净,最后还得在防尘的条件下在空气中进行自然干燥。

在检测水合肼之前,在1.5 mL的离心管中相继加入600 μL磷酸缓冲溶液 (2.0×10-3mol·L-1,pH值=7.0),400 μL氨基磺酸溶液(1×10-3mol·L-1)和100 μL氯金酸溶液(2.0×10-3mol·L-1),借助机械混匀设备完成充分混匀后将混合溶液静置于室温下孵化。60 min后,在装有混合液的离心管中再加入200 μL不同浓度的水合肼,混合均匀。然后用相机记录颜色变化,并检测相应的紫外可见吸收光谱。

2 结果与讨论

2.1 机理与表征

氯金酸溶液和作为强还原剂的水合肼在没有稳定剂存在的时候,会迅速地发生氧化还原反应,这样就无法控制生成的金纳米颗粒的粒径,无法实现检测。为了实现可控、可观察的可视化检测手段,选择了氨基磺酸作为稳定剂,可以有效地控制生成的金纳米颗粒的粒径,进一步还可以及时阻止金纳米颗粒之间发生聚集[8]。由于氨基磺酸的存在,反应生成的金纳米颗粒的表面会被氨基磺酸覆盖,氨基磺酸提供的氨基,可以让被修饰后的金纳米颗粒之间相互排斥,避免了团聚的发生,暂时控制了水合肼的过量反应,而随着水合肼的浓度逐渐增加,被修饰的金纳米颗粒依然会发生不同程度的团聚,金纳米颗粒的尺寸也会随之发生变化。在实验中观察到,反应混合液的颜色也逐渐的从无色变到浅紫红色、紫色,最终到蓝色不再发生变化,相应的紫外吸收光谱也发生了变化:在波长225 nm处逐渐增大,在波长540 nm处逐渐减小。

2.2 条件优化

在本实验体系中溶液颜色的变化是由于金纳米颗粒的聚集程度引起金纳米颗粒粒径大小的改变产生的[19]。因此为了获取最优的实验条件,实验方案中还对可能会影响到检测灵敏度的几个因素逐一进行了优化,根据已经报道的文献经验,选择了对反应溶液的pH值、稳定剂氨基磺酸的浓度、预混合溶液的孵化温度和预混合溶液的反应时间分别做了优化实验。

2.2.1 pH值

有文献报道表明反应溶液的pH值会影响金纳米颗粒的分布状态,从而导致金纳米颗粒粒径的变化[7],所以本实验选择了先对反应溶液的pH值进行探讨。为了探究pH值对检测灵敏度的影响,选取了不同 pH值(3.0～9.0,间隔1.0)的缓冲溶液进行测试。实验中发现当pH值大于7.0的时候,溶液的颜色会瞬间变成蓝色,没有任何渐变的过程,这对检测没有意义。因此本实验选取的最佳pH值是7。

2.2.2 氨基磺酸的浓度

本实验选择了氨基磺酸作为稳定剂,这是因为它分子结构中的氨基基团(-NH2)能够修饰金纳米颗粒,得到稳定的金纳米颗粒,让整个实验在可控的前提下进行。因此氨基磺酸的浓度在整个实验过程中起着主导作用。所以对不同浓度的氨基磺酸(0～4.6×10-3)进行了测试,验证它对检测灵敏度的影响,在实验中发现当氨基磺酸的浓度为3.1×10-3的时候检测的灵敏度最高。

2.2.3 预混合时间

由于反应一段时间后,氨基磺酸的氨基和AuCl4-会产生静电作用,生成的金纳米粒子的表面被氨基磺酸覆盖,进而控制金纳米粒子的尺寸,这是有利于检测的。因此考察了预混合时间(0～150 min,间隔15 min)对检测灵敏度的影响,发现最优的预混合时间是60 min,超过60 min对反应已经没有了明显优势。

2.2.4 预混合温度

反应温度会影响反应检测的灵敏度,因此测试了20～50 ℃范围内温度对检测的影响。考虑到操作的便捷性以及检测适用的范围,选取了室温作为检测温度。

2.3 可视化检测水合肼

2.3.1 灵敏度

本实验方案在最优的条件下测定了加入不同浓度肼之后溶液吸光度的变化,然后选择A540/A225的比值作为定量分析水合肼的标准。这一检测方法肼的检测限(LOD)是8.53×10-8mol/L,远远低于我国国标中规定的水源中肼的最高允许浓度6.25×10-6mol/L(中国国家标准GB 18061—2000)。

2.3.2 选择性

本实验检测手段计划应用于环境水样中水合肼的测定,因此还需要同时去考察环境水样中可能会存在的一些常见的干扰物质,这些物质在进一步的检测中都将对于肼的测定产生很大的影响,比如重金属离子以及有机物。实验结果显示这些常见的干扰物质对检测肼的影响可以忽略,说明本检测方法具有较好的选择性。

3 结论

本实验开发出一种可靠、实用、经济的基于金纳米粒子比色法的一步法检测水合肼的方法。在这个检测体系中,可以通过肉眼观测溶液颜色变化对水合肼进行定性分析,肼的浓度可以通过紫外吸收光谱仪来定量分析。本方法比目前报道过的检测肼的方法都要简便,不需要借助复杂的仪器设备。因此,本方法可以进一步应用于户外实时实地检测。