基于分光光度法痕量重金屬傳感模型和影響因素的研究?

畢衛紅 陳俊剛2) 張勝 于騰飛 張燕君 侯旭濤

1 引 言

近年來,重金屬污染已成為突出的環境問題[1].隨著科學技術的發展,海水痕量重金屬檢測方法與傳感技術有了很大的進展.現在常用的檢測方法主要包括分光光度法[2]、電感耦合等離子體原子發射光譜法[3]、陽極溶出伏安法[4]、原子吸收光譜法[5]、發光分析法[6]等,每種檢測方法在測量時只能測一種金屬,且沒有考慮環境參數變化與測量條件變化對測量結果的影響.為此,我們對多種重金屬同時測量方法進行了多年的研究.本文主要以四種重金屬鎘(Cd2+)、銅(Cu2+)、鋅(Zn2+)、鎳(Ni2+)離子溶液為例,研究四種參量單獨作用時其光譜特性和特征峰吸光度的變化規律;在此基礎上研究四種參量共同作用時其光譜特性、各特征峰總吸光度與被測量間的變化規律;以及在使用顯色試劑情況下,不同pH值、溫度、時間、顯色劑量對吸光度的影響[7],為提高痕量重金屬傳感器的精度奠定基礎.

2 水體重金屬傳感機理與傳感模型

本文采用分光光度法實現對水體中的可溶態重金屬鎘(Cd2+)、銅(Cu2+)、鋅(Zn2+)、鎳(Ni2+)測量.由于金屬水合離子本身的吸光系數值都很小,故測量時選擇加入一定量的顯色試劑,與待測離子進行顯色反應,再測量反應后的混合液體的吸光度,進而分析待測溶液的重金屬離子的濃度.依據朗伯-比爾定律,即一束平行單色光通過均勻的有色溶液時,溶液的吸光度與溶液中有色物質的濃度及透過溶液光程的乘積成正比,其數學表達式為

(1)式中,A為吸光度,I為入射光強度,It為透射光強度;K為摩爾吸光系數(L·mol?1·cm?1),b為液層厚度(cm),c為溶液濃度(mol·L?1).對于不相互作用的多組分體系,吸光度具有加和性,即總的吸光度等于各組分吸光度之和,其數學表達式為[8]

(2)式中As是總的吸光度,A1,A2,A3,···,AN是各組分吸光度.由(2)式可知,依據吸光度的加和性可進行多組分分析與多參數測量.

為確定四種金屬離子濃度的特征譜并分析其濃度與吸光度的關系,搭建了實驗平臺,如圖1所示,其中鹵素光源波長范圍為200—1100 nm.

通過實驗測得了四種重金屬離子Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+在不同波長的吸光度,顯色后的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+吸光光譜如圖2所示.

從圖2可得四種離子峰值波長分別出現在579.67,604.53,626.21和656.16 nm處,但光譜重疊較嚴重,且各自吸光光譜相互干擾.因此,本文通過實驗確定不同重金屬離子間的相互影響規律.實驗中,分別取Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+金屬離子溶液各自最大吸收波長580.81,604.31,626.00和658.24 nm,對應中心波長為575,605,620和650 nm的特征波長進行吸光度測量,測得不同重金屬離子在不同波長處的吸光度如圖3所示.

圖1 實驗原理圖Fig.1.Experimental schematics.

圖2 Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+顯色溶液的吸光光譜Fig.2.Absorption spectrum of coloring solution of Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+.

圖3 四種離子在不同波長下的吸光度擬合 (a)Cd2+四波長吸光度擬合曲線;(b)Ni2+四波長吸光度擬合曲線;(c)Cu2+四波長吸光度擬合曲線;(d)Zn2+四波長吸光度擬合曲線Fig.3.Absorbance fitting of four kinds of ions at different wavelengths:(a)Four-wavelength absorbance curve of Cd2+;(b)four-wavelength absorbance curve of Ni2+;(c)four-wavelength absorbance curve of Cu2+;(d)fourwavelength absorbance curve of Zn2+.

由圖3可知,各種離子濃度與吸光度間是線性關系.采用多元線性回歸與偏最小二乘法相結合進行建模,得其回歸方程為:

方程(3)中y1,y2,y3,y4分別為混合溶液中Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+的濃度,單位為μg/L;x1,x2,x3,x4分別代表Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+共存顯色后的溶液在575,605,620和650 nm四個中心波長的總吸光度.利用此方程,通過測得的各特征波長的總吸光度計算得到水體中所含Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+離子的濃度.

3 環境參數與測量條件對重金屬測量值的影響

在實際應用中,被測水樣的pH值、溫度、顯色時間、鹽度以及顯色劑量等因素變化可能對離子吸光度的產生不容忽略的影響.因此,本文重點研究Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+四種重金屬離子溶液在不同pH、溫度、顯色時間以及顯色劑量下的吸光度的變化規律,以探索基于分光光度法的環境參數與測量條件對重金屬痕量傳感器的影響規律.

3.1 實驗平臺與實驗溶液配制

實驗平臺繼續使用圖1所示系統.由于顯色后的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+吸光光譜的吸收峰出現在550—650 nm之間,因此選用光譜范圍200—1100 nm的鹵素光源,并分別選用中心波長為575,605,620和650 nm的濾光片對光源濾光得到含特征波長的檢測光進行吸光度測量;實驗所用的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+重金屬離子的標準溶液來自于國家標準物質中心,濃度為100μg/mL.取上述四種重金屬離子溶液各10 mL,與顯色劑、緩沖劑,按10:2:5的比例混勻后靜置待測.其中,顯色劑選用鄰2-(2-羥基-5-磺基苯偶氮)亞芐基肼基苯甲酸,緩沖劑選用硼酸氯化鉀氫氧化鈉溶液.

3.2 實驗步驟

將3.1節中本制好的待測溶液分別放入比色皿中,依次改變Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+溶液的pH值、溫度、時間、顯色劑量等參量;讓檢測光經過比色皿溶液形成透謝光,將透射光送入光譜儀,再通過計算機軟件分析透射光譜的變化,從而分析出Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+在不同條件下吸光度發生的變化.

3.3 影響因素

3.3.1 pH值對吸光度的影響

本文對溶液中金屬離子濃度的測量是基于朗伯-比爾定律,通過測量溶液中的金屬離子與顯色劑生成絡合物對光的吸收實現重金屬離子濃度的測量.由于被測溶液在酸性環境或堿性環境下,絡合反應的程度不同,使得同一金屬離子濃度在不同pH值條件下測得的吸光度不同,從而實現金屬離子濃度的準確測量.因此,本節通過實驗研究pH值對吸光度影響.

實驗1設定Cd2+光程為2 cm,其他離子光程為1 cm;在25 mL容量瓶中分別加入5 mL緩沖液,2 mL顯色液,然后再分別加入10 mL濃度為0,200,400,600,800,1000μg/L的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+金屬離子溶液.分別取中心波長為575,605,620和650 nm的濾光片進行吸光度測量,Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+濃度-吸光度各點對應值及擬合曲線如圖4所示.

由圖4可得Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+四種離子濃度與吸光度的關系是線性的.設Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+四種離子的濃度分別為y5,y6,y7,y8,單位為μg/L,其對應的特征吸光度為x5,x6,x7,x8,則由圖4曲線得:

圖4 四種離子濃度與吸光度的關系Fig.4.Relationship between four kinds of ion concentration and absorbance.

實驗2取濃度為500μg/L的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+溶液若干份,每份體積為10 mL,與顯色劑、緩沖劑按比例混勻,配置9份pH值均勻分布在5—9之間的各重金屬溶液.在Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+重金屬離子的最佳吸收波長,得到pH值與吸光度數據關系如圖5所示.

實驗結果表明:對于不同的重金屬離子,顯色劑顯色性能的最佳狀態出現在不同pH值區間,對應吸光度達到峰值,其中Zn2+吸光度在pH=7.0—8.5時吸光度達到峰值,Cu2+吸光度在pH=6.5—7.5時吸光度達到峰值,Ni2+吸光度在pH=7.0—8.0時吸光度達到峰值,Cd2+吸光度在pH=7.5—8.5時吸光度達到峰值.

圖5 Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+的pH與吸光度的關系Fig.5.The relationship between pH and absorbance of Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+.

圖6 四種離子濃度隨pH值變化Fig.6.pH value changes caused by the four kinds of ion concentration changes in the relationship.

分析相同金屬離子濃度在不同pH條件下吸光度出現峰的主要原因是測量過程的物理化學反應.以銅為例,當pH較低時,主要受H+離子的影響而使得產生的絡合物濃度變低;而當pH較高時,OH?離子與Cd2+生成的Cu(OH)2會沉淀,也會使絡合物濃度變低[9].

通過上述實驗可知重金屬離子的吸光度隨著pH的改變而改變,導致直接測量得離子濃度值并不是真實值.因此在海水痕量重金屬測量時,可以根據海水的pH值對測得的離子濃度值進行校正,使之更加接近真實值,提高測量精度.下面研究針對pH值影響的校正模型.

根據(4)式可計算出隨著pH值變化溶液中所含的離子濃度,從而得到pH值變化時對應的溶液濃度的變化量,如圖6所示.

設Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+四種離子濃度變化量分別為y9,y10,y11,y12,單位為μg/L,對應的pH值變量為xpH,則由圖6所示曲線得到多項式擬合方程(pH值影響的校正模型)為

根據方程(5)對pH值的影響進行補償,補償后的效果如圖7所示.

圖7 pH補償結果Fig.7.pH compensation results.

3.3.2 溫度、時間對吸光度的影響

對金屬離子測量過程中絡合反應生成的絡合物并不穩定,故需研究測量條件(溫度與時間)對測量結果的影響.實驗中,分別在常溫(14°C)和低溫(4°C)兩種條件下,連續3 d、每次間隔8 h,對Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+顯色溶液的吸光值進行測定,其結果如圖8所示.

從圖8可知,若在短時間內完成溶液的測定,則可以忽略溫度和時間對吸光度的影響.若將溶液長時間存放,則由于顯色劑失效,溶液顏色逐漸消失.實驗表明:在加顯色劑2 h內進行測量,其溫度和時間的變化不會造成測量結果的誤差.

3.3.3 顯色劑量對吸光度的影響

由于溶液的吸光度與溶液中顯色物質的濃度有關,顯色劑用量是影響顯色反應的重要因素,故本節通過實驗研究在顯色劑用量不同時吸光度的變化規律,以確定最佳顯色劑量.實驗中,取配制好的濃度為500μg/L的溶液若干份,加入緩沖劑,以0.5 mL為單位逐漸向溶液中添加顯色劑至4.0 mL,在最佳吸收波長處測量吸光度.得到顯色劑量與吸光度的關系如圖9所示.

由圖9實驗結果可知,各金屬離子的吸光度隨顯色劑的增加而先增加,隨后到達一相對穩定區間,之后開始下降,其中Zn2+吸光度在顯色液用量1.5—2.5 mL范圍較穩定,Cu2+吸光度在顯色液用量1.5—2.5 mL范圍較穩定,Ni2+吸光度在顯色液用量1.5—3.0 mL范圍較穩定,Cd2+吸光度在顯色液用量2—2.5 mL范圍較穩定.而產生這種變化規律的原因在于:隨著開始時顯色劑劑量的增加,絡合反應在增加,使顯色加強效果不斷加大,被測溶液的吸光度不斷增加,而顯色劑與緩沖劑中的OH?離子與Cd2+生成的Cu(OH)2沉淀物很少,對顯色消減效果影響較小;再增加顯色劑量,兩者將進入平衡狀態使吸光度到達穩定區;若再進一步增加顯色劑量,顯色消減效果大于增強效果,吸光度反而隨劑量的增加而減少,顯色劑本底顏色將干擾實驗結果.綜合考慮實驗結果,選顯色劑為2.0 mL時測量效果最佳.

圖9 顯色劑量與Cu2+,Zn2+,Ni2+,Cd2+吸光度的關系Fig.9.The relationship between the color-developing dose and the absorbance of Cu2+,Zn2+,Ni2+and Cd2+.

4 結 論

本文在建立基于分光光度法痕量重金屬(Cu2+,Zn2+,Ni2+,Cd2+)傳感模型的基礎上,重點對其測量的環境條件與測量影響因素的條件進行研究.采用分光光度法,選擇特征波長為575,605,620和650 nm可以同時測量Cu2+,Zn2+,Ni2+,Cd2+的濃度;在測量重金屬離子濃度時,溫度與反應時間中短時間內的測量影響較小,可忽略不計;pH=7時測量結果最佳,隨著pH變大或變小,絡合物濃度均變小,溶液的吸光度則隨之變小,從而導致測得溶液離子濃度的靈敏度變差;通過實驗給出校正方程,利用此方程可以對測量的濃度值進行補償,使測量結果接近真實值,提高測量精度;顯色劑量的影響研究表明,Zn2+吸光度在顯色劑劑量為2 mL附近達到最大,Cu2+吸光度在顯色劑劑量為1.5—2.5 mL范圍達到最大,Ni2+吸光度在顯色液用量1.5—3.0 mL范圍達到最大,Cd2+吸光度在顯色液用量2—2.5 mL范圍達到最大.四種離子同時測量時,顯色劑量為2 mL時測量結果最佳;總體而言,測量不同的重金屬離子時,在先用最佳顯色劑量的同時還需測定pH值,以獲得穩定的、理想的吸光度,并對所得值進行適當修正,達到水中痕量重金屬的精確測量.

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