李婷婷，王 薇，范迎迎，薛東涵，戴明玨，張 琦，劉 博，韓博林，關(guān)樺楠

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 食品工程學(xué)院， 哈爾濱 150076)

銅作為一種人類必需的微量元素，攝入少量的銅對生物體有益.反之，對銅的過量攝入會嚴(yán)重?fù)p害腎臟、生殖系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和血液系統(tǒng)，造成腦病等疾病，從而對人類細(xì)胞和神經(jīng)都有毒性影響[1-3]，受此影響的人紅細(xì)胞遭到破壞，導(dǎo)致溶血、貧血等疾病，也會表現(xiàn)出記憶力下降，情緒不易控制，食欲不振等癥狀.現(xiàn)今檢測銅離子的方法有化學(xué)法[4]、原子吸收法[5]、色譜法[6-8]等，這些方法有著造價高昂、不易操作等缺點.而Fe3O4粒子具有納米粒子普遍的特性，即表面效應(yīng)、體積效應(yīng)等，且其具有造價低，易回收，可重復(fù)使用等優(yōu)點[9]，還具有其獨特的磁性能[10-13]，然而Fe3O4粒子有著易于團(tuán)聚，不易保存容易氧化等不便；通過接枝表面修飾可以很好地解決Fe3O4顆粒的功能改性.這一方法已經(jīng)在材料制備[14-15]、食品檢測[16-17]、藥物[18]、環(huán)境監(jiān)測[19]等領(lǐng)域有了應(yīng)用.本實驗利用3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷對Fe3O4微粒進(jìn)行接枝表面修飾，合成新型功能化的磁性納米粒子并對其進(jìn)行表征，采用單因素優(yōu)化實驗和正交試驗設(shè)計優(yōu)化實驗評估磁性粒子去除飲用水中銅離子的最優(yōu)體系，考察不同因素對體系的影響，并為水中銅離子及其他重金屬離子的去除方法的改良提供基礎(chǔ).

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料及儀器

乙二醇購自天津華東試劑廠；無水CuSO4、PEG-4000、NaAc·3H2O、FeCl3購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司；3-(異丁烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)購自上?？道噬锟萍加邢薰?；透射電子顯微鏡購(JEM2800)自于日本電子株式會社；振動磁強(qiáng)計(8600)購自于上海懿宏科學(xué)儀器有限公司；紫外可見光分光光度計購自于北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；水熱反應(yīng)釜購自于上海耀冠儀器有限公司.

1.2 實驗方法

1.2.1 Fe3O4磁性納米顆粒的制備

在40 mL乙二醇中將1.35 g的FeCl3·6H2O溶解，依次加入NaAc·3H2O 3.60 g與PEG-4000 1.00 g，對整個反應(yīng)體系進(jìn)行30 min的攪拌后，將其移至水熱反應(yīng)釜中，在200 ℃條件下持續(xù)8 h，待反應(yīng)結(jié)束后冷卻到室溫.然后分別用30 %的乙醇和蒸餾水仔細(xì)洗滌反應(yīng)所得黑色產(chǎn)物，重復(fù)3次.

1.2.2 Fe3O4磁性納米顆粒的表面修飾

取合成的Fe3O4磁性納米顆粒10 g于超聲條件下分散在50 mL含有20%乙醇的水溶液中，于室溫下加入5 mL的KH570原液，邊加邊勻速攪拌，隨后在搖床中室溫下攪拌7～10 h，將反應(yīng)完成后得到的淺棕色細(xì)微顆粒懸濁液進(jìn)行烘干，洗滌烘干循環(huán)3次，最后將上清液離心并真空干燥，得到功能化的Fe3O4粉末.用雙蒸水將所得磁性粉末配置為功能化納米Fe3O4懸濁液，其質(zhì)量濃度為100 mg/mL.

1.2.3 功能化磁性納米粒子的表征

將制備的Fe3O4混懸液采用一定量的去離子水稀釋后，超聲振蕩使其均勻分散在溶液中，然后使用激光粒度分布儀對功能化磁性納米粒子粒徑的大小和分布情況進(jìn)行檢測分析.利用工作電壓為80 kV的JEM2800透射電子顯微鏡對磁性納米材料的形貌特征進(jìn)行觀察.

1.2.4 Cu2+溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

配置0.04 mol/L的硫酸銅作為母液，并用配置的母液分別配置100 mL的0.04、0.02 、0.01、0.005 mol/L和0.002 5 mol/L的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液.靜置5 min后，向比色皿中加入3 mL不同濃度的Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，當(dāng)分光光度計調(diào)節(jié)至波長794 nm時，測定出不同濃度下Cu2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，以蒸餾水作空白對照，并繪制出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線.

1.2.5 單因素優(yōu)化接枝功能化Fe3O4對Cu2+去除體系的影響

將不同量(0.1、0.25、0.5、1.0、和2.0 mL)的接枝Fe3O4磁性粉末配成混懸液(50 mg/mL)加入到6 mL的硫酸銅溶液(0.02 mol/L)中，用蒸餾水定容使體系總量為8 mL.置于不同溫度的水浴中(25、30、35、40和45 ℃)，反應(yīng)不同的時間間隔(5、10、15、20和25 min)后，取出并室溫沉降2 min，利用磁鐵緩慢的將接枝Fe3O4磁性納米顆粒吸附在離心管的一側(cè).待體系溶液絕對澄清之后，再吸取上清液，過濾后，加入到比色皿中，以蒸餾水為空白對照，考察體系中含銅離子的量的變化.

1.2.6 正交設(shè)計優(yōu)化Cu2+去除體系

分別研究了接枝功能化Fe3O4添加量(A因素)、反應(yīng)溫度(B因素)和反應(yīng)時間(C因素)對Cu2+去除體系的影響，根據(jù)單因素優(yōu)化結(jié)果和正交設(shè)計表選擇L9(34)正交實驗(每個因素選取3個水平)，用以確定因素影響的主要和次要順序以及首選方案.根據(jù)正交設(shè)計，取6 mL CuSO4溶液(0.02 mol/L)，加入一定量的功能化Fe3O4，用蒸餾水定容使體系總量為8 mL.然后于某一反應(yīng)溫度條件下水浴相應(yīng)時間后(水浴中平均每分鐘緩慢搖動1次)取出去除體系，在室溫下靜置2 min后，用磁鐵將功能化Fe3O4納米顆粒吸附在離心管底部，吸出3 mL上清液，經(jīng)微孔濾膜過濾后，加入到比色皿中，以品牌純凈水為空白對照，測量波長794 nm處的吸光度，測量每個樣品的吸光度值，重復(fù)3次，以確定平均值.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 功能化Fe3O4的制備與表征

實驗中通過水熱法制備Fe3O4納米顆粒，并通過透射電子顯微鏡觀察其表觀形態(tài).由圖1可看出，制備的Fe3O4納米顆粒以顆粒形式存在，粒徑分布在100 ～300 nm之間 ，并且由于磁性原因略有聚集.

圖1 Fe3O4納米顆粒透射電子顯微鏡圖片

通過Fe3O4和功能化Fe3O4納米微粒的磁滯測量，研究結(jié)果表明，F(xiàn)e3O4顆粒的磁飽和強(qiáng)度值為89 emu·g-1，接枝功能化Fe3O4納米顆粒的M值為52 emu·g-1，通過對比發(fā)現(xiàn)，接枝功能化Fe3O4納米顆粒的M值明顯降低，同時也證明了接枝作用發(fā)生于納米顆粒的表面，且接枝的KH570影響了磁性顆粒的超順磁性，符合接枝的屏蔽效應(yīng).

2.2 Cu2+去除體系標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

實驗中通過可見分光光度計測量吸光度，其中不同濃度的硫酸銅溶液作為變量，以蒸餾水為對照，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，見圖2.

圖2 硫酸銅標(biāo)準(zhǔn)曲線的構(gòu)建

結(jié)果如圖2所示，實驗的最小定量限是0.002 5 mol/L，隨CuSO4濃度的不斷變大，吸光度也呈直線上升趨勢，且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999 4，但在0.002 5～0.005 mol/L范圍內(nèi)上升緩慢.在0.005～0.04 mol/L范圍內(nèi)，0.02 mol/L的CuSO4溶液的吸光度大幅增加，甚至超過曲線上升趨勢.因此，確定硫酸銅的工作濃度為0.02 mol/L.

2.3 單因素優(yōu)化實驗結(jié)果分析

2.3.1 功能化Fe3O4添加對Cu2+去除體系的影響

配制質(zhì)量濃度為100 mg/mL的功能化Fe3O4納米粒子的懸浮液.采用單因素變量法篩選Cu2+去除體系3種不同因素的3個最適水平.首先考察功能化Fe3O4懸浮液的加入量對Cu2+去除體系的影響.

圖3 功能化Fe3O4加入量對Cu2+去除體系的影響結(jié)果

由圖3可看出，功能化Fe3O4混懸液的加入量對Cu2+去除體系有一定的影響.功能化Fe3O4混懸液的加入量在0.1～0.25 mL之間，隨加入量的變大，吸光度處于緩慢下降階段；加入量處于0.25～0.5 mL之間，隨加入量不斷變大，吸光度值處于緩慢上升階段；加入量在0.5～1.0 mL之間時，隨加入量的變大，吸光度值處于快速下降階段；加入量在1.0～2 mL之間，隨加入量的變大，吸光度快速上升.因此，在正交設(shè)計優(yōu)化試驗中功能化Fe3O4混懸液的加入量選取0.5、1和2 mL.

2.3.2 反應(yīng)溫度對Cu2+去除體系的影響

由圖4可看出，當(dāng)反應(yīng)溫度在25～30 ℃范圍時，隨著反應(yīng)溫度的不斷上升，吸光度逐漸降低；在30～35 ℃之間時，吸光度快速下降，并在35 ℃時到達(dá)最低點；在35～40 ℃時，吸光度快速上升；在40～45 ℃時，吸光度上升速率有所減小，但依然處于上升階段.說明溫度過高會使活性減弱.因此正交設(shè)計優(yōu)化的溫度選取30、35 ℃和40 ℃.

圖4 反應(yīng)溫度對Cu2+去除體系的影響結(jié)果

2.3.3 反應(yīng)時間對Cu2+去除體系的影響

確定波長794 nm處的吸光度作為單因素優(yōu)化的指標(biāo).如圖5所示，反應(yīng)時間對Cu2+去除體系沒有顯著影響.隨反應(yīng)時間不斷增加，吸光度沒有明顯變化.

圖5 反應(yīng)時間對Cu2+去除體系的影響結(jié)果

2.4 正交試驗結(jié)果分析

正交實驗基于上述單因素優(yōu)化試驗的結(jié)果，并選擇更好數(shù)據(jù)的3個水平，因素和水平分布見表1.觀察3種因素對Cu2+去除體系的影響.以吸光度作為考察指標(biāo)，根據(jù)正交試驗結(jié)果確定最佳工藝條件.

如表1，對正交設(shè)計優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行分析可知，實驗中3個因素對銅離子去除體系的影響主次順序為：A>B>C，即功能化Fe3O4懸浮液加入量>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時間.確定的最優(yōu)方案組合為：A1B1C1，即功能化Fe3O4混懸液加入量0.5 mL(經(jīng)換算為25 mg/mL)，溫度30 ℃，時間10 min.結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線方程.采用優(yōu)化后的體系考察功能化磁性粒子去除銅離子的性能，平均去除量約為45 μmol/g.綜合上述分析，可以表明，影響Cu2+去除體系的主要因素是功能化Fe3O4的加入量，反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度也有一定的影響.

表1 正交實驗結(jié)果分析

3 結(jié) 語

本實驗制備Fe3O4磁性納米顆粒，對其進(jìn)行表面功能化并表征，得到功能化Fe3O4納米顆粒的M值為52 emu·g-1.利用制備的功能化Fe3O4粒子檢測飲用水中的銅離子，通過單因素實驗與正交實驗得出各因素對銅離子去除體系的影響，并最終確定最適處理工藝，即功能化Fe3O4的加入量為0.5 mL(經(jīng)換算為25 mg/mL)，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時間為10 min，且對銅離子去除體系的影響主次順序為功能化Fe3O4懸浮液加入量>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時間.采用優(yōu)化后的體系考察功能化磁性粒子去除銅離子的性能，確定為45 μmol/g.該方法可以針對環(huán)境及飲用水中銅離子及其他種類二價態(tài)重金屬離子的去除和分析方法的改良，提供基本資料.