刘兆阳, 宋永新, 王天舒, 单桂晔

(东北师范大学物理学院, 紫外光发射材料与技术教育部重点实验室, 长春 130024)

银及其化合物常用于电子、摄影、光学、电池和制药工业等领域. 此外, 银具有高效的抗菌作用, 可广泛用于抗菌剂、医用伤口敷料、洗涤剂和化妆品等生活用品中, 这些银将会以银离子的形式进入自然环境中, 并在水源和土地中累积[1,2]. 大量银离子的聚集会抑制良性微生物生长, 破坏自然水中的菌落平衡, 危害鱼类等水中生物, 对生态环境造成负面影响[3～5]. 过量的银离子在体内累积会引发银中毒、水肿, 从而危害人体健康[6～10]. 因此银离子的检测十分必要. 现有的电离耦合法、荧光标记及原子吸收光谱等银离子检测方法大多操作复杂、耗时久、造价高, 且需要对样品进行浓缩、除杂净化等复杂的处理, 为银离子的检测带来了不便[11～14]. 普鲁士蓝是一种常见的六氰合铁酸盐[15～20], 水溶液呈蓝色、制备简单、形貌可控, 其紫外光谱在700 nm附近有明显的吸收峰[21～24]. 同时, 普鲁士蓝生物安全性高, 可用作解毒剂治疗铊中毒. 目前, 对普鲁士蓝的研究主要集中在过氧化物酶性质、光热性质及其在电化学方面的应用[25～29], 直接利用吸收峰变化来检测银离子的报道相对较少, 这是由于银离子能与普鲁士蓝在碱性溶液中反应, 使普鲁士蓝的特征吸收峰降低, 同时溶液颜色变淡, 但普鲁士蓝在碱性溶液中不稳定易分解, 这极大地限制了其对银离子的检测范围. Huang等[30]报道单纯的普鲁士蓝与银离子作用时, 当银离子浓度超过4 μmol/L时普鲁士蓝基本分解完全. 即无法对超过4 μmol/L的银离子进行检测, 但一般废水中的银离子浓度会超过这一浓度, 这使得该应用的实际价值降低. 本文利用组氨酸对普鲁士蓝进行修饰, 增强了普鲁士蓝在碱性溶液中的稳定性, 实现了在低浓度范围内对银离子的比色和紫外光谱双重检测, 扩大了检测范围, 提升了实际应用的价值.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

铁氰化钾(K3[Fe(CN)6], 纯度≥99.5%)和硼酸(H3BO3, 纯度≥99.5%)购于天津市光复科技发展有限公司; 聚乙烯吡咯烷酮[(C6H9NO)n, PVP, K-30]购于上海源叶生物科技有限公司;L-组氨酸(C6H9N3O2)购于上海惠世生化试剂有限公司; 盐酸(HCl, 质量分数为36%～38%)、硝酸银(AgNO3, 纯度≥99.8%)、冰醋酸水溶液(CH3COOH, 质量分数≥99.5%)、氢氧化钠(NaOH, 纯度≥98%)、无水氯化钙(CaCl2, 纯度≥96%)、氯化钾(KCl, A. R.级)和氯化钠(NaCl, A. R.级)均购于北京化工厂; 磷酸(H3PO4, 质量分数≥85%)购于天津市福晨化学试剂厂.

UV-2600型紫外分光光度计(日本Shimadzu公司); TG16-WS型台式高速离心机(湘仪仪器开发有限公司); D8ADVANCE型X射线衍射仪(德国Bruker公司).

1.2 实验过程

1.2.1 普鲁士蓝的合成 称取PVP(1.5 g)和K3[Fe(CN)6](45 mg)加入20 mL超纯水中, 搅拌均匀后, 加入100 μL 36%的盐酸, 继续搅拌至充分混合后, 将溶液移入反应釜中, 置于170 ℃烘箱中加热1 h. 取出, 冷却至室温, 以12000 r/min转速离心, 用水洗涤并离心15 min得普鲁士蓝(PB), 放入真空冷冻干燥机中冻干, 取出备用.

1.2.2 组氨酸修饰的普鲁士蓝(HisPB)的制备 称取PVP(1.5 g)和K3[Fe(CN)6](45 mg)加入20 mL超纯水中, 搅拌使其充分溶解, 加入100 μL 36%的盐酸, 依次将50, 100和150 mg组氨酸分别加入3个对照组中继续搅拌, 充分混合后移入反应釜中, 置于170 ℃烘箱中加热1 h. 取出, 冷却至室温, 以12000 r/min转速, 用水洗涤并离心15 min 2次得HisPB, 放入真空冷冻干燥机冻干, 取出备用. 根据组氨酸含量的不同将制备的HisPB依次命名为HisPB-1, HisPB-2和HisPB-3.

2 结果与讨论

2.1 HisPB的制备与表征

由图1所示SEM照片可见, 未经修饰的普鲁士蓝粒径较小、表面粗糙. 经组氨酸修饰后, 粒子的粒径变大, 表面变得更加光滑. HisPB-1与HisPB-2的形貌相似, 尺寸均一; HisPB-1的粒径稍小于HisPB-2, 边角比HisPB-2更圆滑, 整体形貌倾向于球形; HisPB-2的棱角更加尖锐, 形貌为圆角立方体. HisPB-3样品则发生一定程度的聚集, 形貌不规则, 呈堆积状态.

Fig.1 SEM images of PB(A), HisPB-1(B), HisPB-2(C) and HisPB-3(D)

动态光散射分析结果如图2所示, 普鲁士蓝的动力学尺寸主要在100～200 nm之间, 经组氨酸修饰后动力学尺寸变大, 主要集中在约300 nm, 相比于普鲁士蓝, HisPB粒子的尺寸明显增大. 粒子尺寸表征结果与SEM表征结果一致.

Fig.2 DLS profiles of PB(A), HisPB-1(B), HisPB-2(C) and HisPB-3(D)

为了进一步探究组氨酸修饰对普鲁士蓝内部结构的影响, 对合成的PB及HisPB进行了XRD表征. 如图3(A)所示, 尽管加入的组氨酸量不同, 但HisPB和PB的XRD谱图均在2θ为17.495°, 24.839°, 29.215°, 30.545°, 35.415°, 39.761°, 43.742°, 50.953°, 54.289°, 57.491°, 60.582°, 63.581°, 66.505°, 69.365°和77.664°处有明显的衍射峰, 峰形尖锐清晰, 可归属于普鲁士蓝的(200), (220), (311), (222), (400), (420), (422), (440), (600), (620), (622), (444), (640), (642)和(820)晶面, 这与普鲁士蓝的XRD标准卡片完全对应[31,32]. 未产生其它衍射峰, 表明组氨酸的加入并未影响普鲁士蓝的晶格结构, 改变的主要是普鲁士蓝的外在形貌. 组氨酸修饰后的普鲁士蓝仍然具备普鲁士蓝的晶格结构[见图3(B)].

Fig.3 XRD patterns(A), structure cell of PB(B), UV-Vis absorption spectra(C), FTIR spectra(D) of different samples a. PB; b. HisPB-1; c. HisPB-2; d. HisPB-3; e. standard.

由样品的紫外-可见吸收光谱图[图3(C)]可以看出, 普鲁士蓝在760 nm处有1个明显的吸收峰[33,34], 随着组氨酸含量的增加, 吸收峰逐渐红移到800, 860和943 nm处, 峰形逐渐变得平缓. 由于对银离子的检测主要监控的是紫外-可见吸收峰, 峰形越尖锐越利于观察, 因此选用HisPB-1进行银离子的检测.

测试了PB及HisPB-1的傅里叶红外光谱[见图3(D)]. 单独的普鲁士蓝仅在1925～2269 cm-1处有明显的红外峰, 普鲁士蓝中含有大量的可归属于C≡≡N的红外峰[35,36]. 组氨酸含有丰富的表面官能团, 经组氨酸修饰后普鲁士蓝的红外峰明显增多, 主要在3150～3700 cm-1范围内对应—OH和—NH2基团的振动, 约1650 cm-1处的峰归属于—OH振动. 可见, 组氨酸的加入丰富了普鲁士蓝表面官能团.

2.2 PB及HisPB在不同pH溶液中的稳定性

利用伯瑞坦-罗宾森(Britton-Robinson)缓冲液(由磷酸、硼酸、冰醋酸和氢氧化钠组成)调节溶液的pH值为5～11, 分别加入相同浓度的PB和HisPB-1进行对照实验. 图4(A)为普鲁士蓝在不同pH溶液中混合静止1 h后的紫外-可见吸收光谱, 图4(B)为HisPB在不同pH溶液中混合静止1 h后的紫外-可见吸收光谱. 对二者吸收峰的峰强度进行了比较分析, 结果如图4(C)所示. 当其它条件都相同而pH<7时, PB与HisPB-1的吸收峰值基本相同, 即在酸性和中性溶液中PB与HisPB-1的稳定性基本一致. 当pH=8时, PB的吸收峰强度略低于HisPB-1, 随着pH值的进一步增大, 二者吸收峰值之间的差距越来越大, 当pH>10时, PB的吸收峰强度接近0, 即PB在此溶液中1 h后基本完全分解, 而HisPB-1在碱性溶液中的稳定性明显高于PB.

Fig.4 UV-Vis absorption spectra of PB(A) and HisPB-1(B) at different pH values and the absorption values of PB(a) and HisPB-1(b) at different pH values(C) pH a.—i.: 5, 6, 7, 7.5, 8.4, 9, 10, 10.4, 10.9.

2.3 HisPB在Ag+检测中的实际应用

Scheme 1 Schematic diagram of Ag+ detection

普鲁士蓝可以和银离子发生反应生成Ag4[Fe(CN)6], 随着普鲁士蓝的减少溶液的特征吸收峰强度也会随之降低, 同时溶液颜色也会随着银离子的增多从蓝色逐渐变为无色, 因此可以利用吸收峰强度和颜色变化对银离子含量进行测定. 此反应需要在碱性溶液中进行, 但普鲁士蓝在碱性溶液中稳定性差, 极大影响了对银离子检测的范围, 降低其实际应用价值. 普鲁士蓝经组氨酸修饰后尺寸增大, 表面更加光滑, 同时组氨酸的加入为普鲁士蓝表面带来了更多官能团, 这些因素使组氨酸修饰的普鲁士蓝在碱性溶液中的稳定性显著提升, 因此可以用其在碱性溶液中检测银离子.

为了更加准确地检测银离子, 对HisPB-1检测Ag+的实验条件进行了优化. 如图5(A)所示, 在含有HisPB-1的碱性溶液中加入银离子后, 随着反应时间的延长, HisPB-1在800 nm处的吸收峰逐渐降低; 当时间超过60 min时, 反应逐渐变得缓慢, 因此选取60 min作为检测银离子的反应时间. 将未加入Ag+的实验组的吸收峰强度记作A0, 含有Ag+的实验组吸收峰强度记作A,A0-A值越大越有利于Ag+的检测. 在保持溶液pH值和银离子浓度不变的前提下考察了HisPB-1浓度对A0-A的影响, 由于微量HisPB-1在称量以及转移过程中容易产生误差, 而物质吸收峰的强度由物质的浓度来决定, 因此, 利用HisPB-1加入反应体系前的吸收峰强度来反应样品的浓度, 代替称量配置的传统浓度表达方式. 由图5(B)可知, HisPB-1加入反应体系前的吸收峰强度为1时A0-A值最大，因此选用吸收峰强度为1的HisPB用于银离子的检测. 在保持HisPB-1浓度及Ag+浓度不变的前提下, 改变缓冲液的pH值进行实验, 由图5(C)可知, 在pH=10时A0-A最大, 因此确定检测所需的最佳pH值为10.

Fig.5 Time-dependent absorption value of HisPB at 800 nm(A), effects of HisPB NPs concentration on relative absorbance(A0-A)(B) and effects of pH on relative absorbance(A0-A)(C)

Fig.6 UV-Vis absorption spectra of HisPB-1 with different concentrations of Ag+(A), the relationship between the relative absorbance(A0-A) and the concentration of Ag+(the inset shows the corresponding photographs of solution)(B), the linear relationship between the relative absorbance(A0-A) and the concentration of Ag+(R2=0.99662)(C) and selectivity of Ag+ assay(Na+, K+, Ca2+, Cl-, each 10 μmol/L, were tested)(D)Concentration of Ag+/(μmol·L-1), a.—q.: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 60, 70, 90, 100.

在最佳实验条件下, 保持缓冲液pH值及HisPB-1浓度不变, 依次加入0—100 μmol/L不同浓度的银离子, 静置1 h后, 测试溶液的紫外-可见吸收光谱, 结果如图6(A)所示; 银离子浓度与A0-A值的散点图见图6(B). 上述表征结果表明, 随着银离子浓度的增大800 nm处的吸收峰强度逐渐降低,A0-A值增大, 溶液颜色的蓝色逐渐变淡.A0-A值与银离子浓度在6～40 μmol/L范围内呈线性关系, 因此, 可以利用HisPB-1在6～40 μmol/L范围内检测银离子含量[见图6(C)]. 将银离子替换成废水中常见的等量的Na+, K+, Ca2+或Cl-离子, HisPB-1吸收峰强度并未发生明显改变[见图6(D)], 表明其可以选择性地检测银离子.

3 结 论

利用组氨酸修饰普鲁士蓝, 修饰后普鲁士蓝粒子的体积增大，表面更加光滑, 表面官能团增多, 在碱性溶液中的稳定性得到显著提升. 利用组氨酸修饰后的普鲁士蓝与银离子反应后的紫外-可见吸收光谱以及溶液颜色的变化, 实现了在溶液pH=10时对Ag+在6～40 μmol/L范围内的比色和紫外-光谱双重检测. 该检测方法操作简单, 为Ag+的检测提供了一种可行性较高的操作模式.