高 豹 王攀峰 邱燕芳 王 琳 鄭智陽(yáng)

(東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

磷酸化金納米粒子對(duì)含鈾廢水的比色檢測(cè)

高 豹 王攀峰 邱燕芳 王 琳 鄭智陽(yáng)

(東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

采用阿侖膦酸修飾的金納米粒子(ALD-AuNPs)作為一種簡(jiǎn)單的比色傳感器對(duì)鈾(Ⅵ)進(jìn)行檢測(cè)?；诹姿岣鶎?duì)鈾酰離子的螯合作用，ALD-AuNPs可與鈾酰離子形成金屬螯合物，誘導(dǎo)ALD-AuNPs聚集，致使溶液由酒紅色轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色，該變化可直接通過(guò)肉眼識(shí)別，從而建立起一種簡(jiǎn)單快速且適用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)UO22+的可視化比色檢測(cè)方法。在最優(yōu)的pH、TEOS加入量、底物濃度和顯色時(shí)間等條件下，其他金屬離子對(duì)該比色系統(tǒng)無(wú)干擾。當(dāng)鈾酰離子濃度在1.10-2.20μmol·L-1范圍內(nèi)，該濃度與吸光度比值(A680/A518)呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系(Y=1.2188X-1.2749(R2=0.9627))。其最低檢測(cè)限為2.02×10-9mol/L。

納米金 比色檢測(cè) 鈾 磷酸

1 引言

鈾是放射性元素和有毒化學(xué)元素，會(huì)對(duì)人體造成各式各樣的癌癥和基因變異[1]。我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，核力發(fā)電也越來(lái)越重要，對(duì)鈾礦的開(kāi)采日益增大。由此產(chǎn)生的放射性含鈾廢水通過(guò)地表徑流和地下遷移對(duì)環(huán)境和人體造成巨大影響[2，3]。因此，檢測(cè)水體中是否含有鈾十分重要。

目前，檢測(cè)鈾的方法有很多，比如電化學(xué)法[4]、色譜法[5]、熒光法[6]等。這些方法雖然靈敏度高、檢測(cè)限低，但是也存在著使用成本較高、操作過(guò)程復(fù)雜、不能現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等缺點(diǎn)。而納米金比色法操作簡(jiǎn)單、成本低、并且可以用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)，可以通過(guò)觀(guān)察納米金溶液的顏色變化來(lái)判斷待測(cè)溶液中待測(cè)組分的大致含量。納米金比色法憑借其快速、便捷和可視化的優(yōu)勢(shì)引起眾多學(xué)者的關(guān)注。Liu用氰尿酸修飾納米金檢測(cè)溶液中的Hg2+[7]，Tripathy等人在含有硫代硫酸鹽與氨的溶液中檢測(cè)Cu2+[8]，Mao用谷胱甘肽作還原劑與穩(wěn)定劑用納米金檢測(cè)Pb2+[9]。目前，已經(jīng)有人利用納米金比色法對(duì)鈾的檢測(cè)進(jìn)行研究。例如Zhou等人利用脫氧核酶修飾金納米粒子[10]，當(dāng)鈾存在時(shí)，引發(fā)金納米粒子聚集，使溶液顏色發(fā)生變化實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾的可視檢測(cè)。使用DNA酶作為修飾配體雖然靈敏度高，選擇性好，但是DNA成鏈時(shí)間長(zhǎng)且成本高。本文利用氨基與金納米顆粒表面良好的結(jié)合能力以及磷酸基團(tuán)對(duì)鈾(VI)又具有優(yōu)異的螯合能力，用阿侖膦酸作為修飾配體，得到磷酸化的金納米粒子(ALD-AuNPs)。鈾的加入會(huì)使得磷酸化的金納米粒子發(fā)生聚集，從而使得溶液顏色由紅色變?yōu)樗{(lán)色，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈾的可視化檢測(cè)，此方法反應(yīng)時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單、成本低，可用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與主要試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：PHC-3C精密酸度計(jì)，TU1810型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)。

主要試劑：氯金酸(HAuCl4)，硼氫化鈉，鹽酸，碳酸鈉，阿侖膦酸，鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液等。

其他試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為超純水。實(shí)驗(yàn)所用玻璃儀器全部要用王水潤(rùn)洗備用。

2.2 磷酸化納米金的制備

在250mL圓底燒瓶中加入50mL 1 mmol·L-1氯金酸(HAuCl4)，移取45μL 5mmol·L-1阿侖膦酸溶液加入至圓底燒瓶中，磁力攪拌10min。然后在急速攪拌的狀態(tài)下，向燒瓶中緩慢滴加新制的1mL 0.1mol·L-1硼氫化鈉溶液，溶液由淡黃色逐漸變?yōu)榫萍t色，持續(xù)攪拌3小時(shí)，即得到阿侖膦酸修飾的納米金(ALD-AuNPs)溶液[11]。

2.3 磷酸化納米金可視化檢測(cè)UO22+

將一定體積的ALD-AuNPs溶液，調(diào)節(jié)至不同的pH，加入等量的UO22+溶液。觀(guān)察溶液顏色變化，并用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，以最大吸收波長(zhǎng)比值(A680/A518)的變化情況為考察對(duì)象，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇最佳的pH值。

在最佳pH值下，將一定濃度UO22+離子溶液加入到ALD-AuNPs溶液中，并用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，以最大吸收波長(zhǎng)比值(A680/A518)的變化情況，分析不同時(shí)間的顯色變化，確定最佳響應(yīng)時(shí)間。

在最佳pH值和響應(yīng)時(shí)間下，將不同濃度溶液加入到ALD-AuNPs溶液中，并用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，以最大吸收波長(zhǎng)比值(A680/A518)的變化情況為考察對(duì)象，繪制濃度與吸光度比值(A680/A518)的線(xiàn)性關(guān)系，計(jì)算檢出限。

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，將同濃度的常見(jiàn)金屬離子與UO22+溶液加入到ALD-AuNPs溶液中，并利用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描，以最大吸收波長(zhǎng)比值(A680/A518)的變化情況為考察對(duì)象，研究ALD-AuNPs對(duì)UO22+的選擇性。

3 結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)方法可行性分析

圖3-1解釋了ALD-AuNPs的比色檢測(cè)的傳感機(jī)理。研究表明了氨基可以很穩(wěn)定地與納米金顆粒結(jié)合，磷酸基對(duì)UO22+離子又具有優(yōu)異的螯合效果。[11，12]因此通過(guò)Au-N共價(jià)偶聯(lián)作用將阿侖膦酸修飾到納米金顆粒的表面，得到磷酸化的納米金(AuNPs)溶液，加入U(xiǎn)O22+離子后使得ALD-AuNPs聚集，溶液顏色發(fā)生改變。

圖3-1 水溶液中鈾的檢測(cè)原理圖

用ALD-AuNPs溶液檢測(cè)濃度為2.01μmol·L-1的UO22+離子溶液，結(jié)果如圖3-2所示。未加入U(xiǎn)O22+離子(曲線(xiàn)a)時(shí)的納米金溶液呈現(xiàn)紅色，此時(shí)納米金處于良好的分散狀態(tài)。在紫外-可見(jiàn)光譜上，它的特征吸收峰的位置在518nm附近，峰窄且尖。當(dāng)向以上溶液中加入U(xiǎn)O22+離子后(曲線(xiàn)b)，溶液顏色變?yōu)樗{(lán)色，這是由于UO22+與磷氧鍵形成金屬-配體協(xié)同作用，縮短了納米金顆粒之間的距離，使納米金顆粒之間發(fā)生了團(tuán)聚，其表面等離子體共振吸收發(fā)生紅移，在680nm處出現(xiàn)一個(gè)新的寬峰，溶液顏色也由紅色變?yōu)樗{(lán)色。

圖3-2 加入2.01μmol·L-1UO22+前后的ALD-AuNPs溶液紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖(插圖為實(shí)際照片)

3.2 pH對(duì)ALD-AuNPs比色檢測(cè)鈾(Ⅵ)的影響

為了選擇ALD-AuNPs測(cè)定UO22+的最佳實(shí)驗(yàn)條件，利用單變量法考察了影響靈敏度、選擇性及穩(wěn)定性的主要因素。首先，以不同pH條件下的吸光度比值(A680/A518)為考察對(duì)象，研究不同的pH對(duì)測(cè)定UO22+的影響。如圖3-3所示，在pH>3時(shí)，未加入U(xiǎn)O22+時(shí)，ALD-AuNPs的吸光度比值基本不受pH的影響，表明酸度對(duì)納米金的聚集影響很小。但是加入U(xiǎn)O22+后，吸光度比值(A680/A518)迅速增加，在pH=4.0左右，吸光度比值達(dá)到最大。當(dāng)pH值大于4.0時(shí)，由于UO22+逐漸水解，產(chǎn)生了包括(UO2(OH)+，(UO2)2(OH)22+，(UO2)3(OH)53+)等一系列不利于檢測(cè)的水解產(chǎn)物。所以，比色檢測(cè)的最佳pH值為4.0。

圖3-3 pH改變對(duì)比色檢測(cè)的鈾的吸光度比值(A680/A518)變化影響

3.3 ALD-AuNPs比色檢測(cè)鈾的響應(yīng)時(shí)間探討

實(shí)驗(yàn)還比較了加入不同濃度UO22+時(shí)納米金溶液的吸光度比值(A680/A518)與時(shí)間的關(guān)系，以此來(lái)確定體系的穩(wěn)定時(shí)間。由圖3-4可以看出，當(dāng)UO22+的濃度為1.23μmol·L-1時(shí)，吸光度比值(A680/A518)變化不明顯，但是當(dāng)加入的UO22+濃度更大時(shí)，ALD-AuNPs的吸光度比值(A680/A518)有明顯的增加，而且濃度越高增加越大，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也越短。20min時(shí)，吸光度比值基本上都達(dá)到了穩(wěn)定值。因此，選用20 min作為體系對(duì)鈾的最佳檢測(cè)時(shí)間。

圖3-4 加入不同濃度的的吸光度比值(A680/A518)隨時(shí)間的變化

3.4 ALD-AuNPs對(duì)濃度的線(xiàn)性檢測(cè)

為了驗(yàn)證最佳條件下ALD-AuNPs檢測(cè)UO22+的靈敏度，選取不同濃度的UO22+加入到ALD-AuNPs溶液中，顯色20min后進(jìn)行紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析如圖3-5所示。當(dāng)加入的UO22+濃度到0.92μmol·L-1時(shí)，體系并無(wú)明顯顏色變化，隨著UO22+濃度的增加，溶液顏色逐漸由紅色變?yōu)樽仙敝了{(lán)色。當(dāng)濃度達(dá)到1.47μmol·L-1時(shí)，溶液顏色發(fā)生明顯變化，變?yōu)樽仙Ｎ舛缺戎?A680/A518)與濃度的關(guān)系如圖3-6所示，由圖可知當(dāng)UO22+的濃度在1.10-2.20μmol·L-1范圍內(nèi)時(shí)，吸光度比值(A680/A518)與其對(duì)應(yīng)的濃度存在較好的線(xiàn)性關(guān)系，如圖3-7，線(xiàn)性方程為Y=1.2188X-1.2749(R2=0.9627)，ALD-AuNPs對(duì)鈾的檢出限(LOD)為2.02nmol·L-1(S/N=3)。

圖3-5 加入不同濃度的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖

圖3-6 吸光度比值(A680/A518)與濃度的關(guān)系

圖3-7 的濃度在1.10-2.44μmol·L-1范圍內(nèi)與吸光度比值的線(xiàn)性關(guān)系

3.5 ALD-AuNPs檢測(cè)的選擇性研究

通過(guò)加入與同濃度的環(huán)境中常見(jiàn)重金屬離子Hg2+、Co2+、Mn2+、Cu2+、Ni2+、Zn2+、Ba2+、Sr2+、Mg2+、Ca2+、K+、Na+、Fe2+、Cs+、Cd2+，來(lái)研究ALD-AuNPs探針對(duì)的選擇性。如圖3-8，通過(guò)ALD-AuNPs檢測(cè)不同離子的紫外-可見(jiàn)光譜圖和實(shí)際圖片，可知只有加入U(xiǎn)O22+的光譜曲線(xiàn)有明顯的紅移，溶液的顏色變?yōu)樗{(lán)色。同時(shí)，如紫外-可見(jiàn)光譜所示，只有加入了UO22+的樣品在680 nm處出現(xiàn)了一個(gè)新的強(qiáng)的吸收峰，而其他離子的光譜圖與空白基本相同，表明ALD-AuNPs溶液對(duì)UO22+具有很好的選擇性，且能用肉眼直接觀(guān)察到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。ALD-AuNPs溶液檢測(cè)不同金屬離子的吸光度比值(A680/A518)如圖3-9所示，加入U(xiǎn)O22+后，其吸光度比值與空白值相比明顯增大，吸光度比值是其他金屬離子的10多倍，也充分說(shuō)明ALD-AuNPs溶液中的磷酸基團(tuán)對(duì)UO22+具有很高的選擇性。

圖3-8 ALD-AuNPs溶液檢測(cè)不同離子的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

圖3-9 ALD-AuNPs檢測(cè)不同離子的吸光度比值(A680/A518)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文以納米金顆粒為載體，阿侖膦酸為修飾，制成磷酸化的納米金(ALD-AuNPs)，通過(guò)磷酸基團(tuán)與的金屬-配體協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶液中的簡(jiǎn)單、快速、可視化的檢測(cè)。該法僅使用Uv-Vis對(duì)其進(jìn)行表征，無(wú)需其他復(fù)雜儀器，也可通過(guò)肉眼觀(guān)察溶液顏色的變化來(lái)判定水溶液中是否存在。實(shí)驗(yàn)考察了pH值和時(shí)間等因素對(duì)納米金比色檢測(cè)的影響，研究了ALD-AuNPs檢測(cè)的選擇性，通過(guò)理論計(jì)算出方法的檢測(cè)限。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法的最佳pH值為4，在此pH下，ALD-AuNPs對(duì)的最佳響應(yīng)時(shí)間為25min。且ALD-AuNPs對(duì)具有很好的選擇性，在最佳條件下，體系對(duì)的檢出限為2.02nmol·L-1。本文為今后廢水中的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提供了一種新的方向和途徑，具有良好的應(yīng)用前景。

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