硫堇共振瑞利散射光谱法测银离子含量

Determination of Silver Ion by Resonance Rayleigh Scattering Spectrometry with Thionine

摘要: 本文通过共振瑞利散射光谱法研究了硫堇与银离子之间的相互作用。研究表明：在pH = 4.10的B-R缓冲液，20℃ ± 5℃下，t = 20 min，2.0~3.5 mL 2.0 × 10⁻⁴ mol/L 硫堇与银离子存在线性关系。λ = 391 nm时线性关系为ΔIRRS = −5.38 + 44.23C，相关因子r = 0.9990，银离子检出范围ρAg在0.05~5.0 mg/L，检出限ρAg = 0.014 mg/L。硫堇–银分子量增大和疏水界面的生成利于瑞利散射强度增强。

Abstract: In this paper, the interaction between thionine and silver ions was studied by Resonance Rayleigh scattering spectroscopy. Research shows that in the B-R buffer with pH = 4.10, T = 20˚C ± 5˚C, t = 20 min, Vthion = 2.0 - 3.5 mL, c(thion)= 2.0 × 10⁻⁴ mol/L, it has linear relationship between thio and silver ions. λ = 391 nm, linear relationship is ΔIRRS = −5.38 + 44.23C, r = 0.9990, detection range ρAg = 0.05 - 5.0 mg/L, detection limit ρAg =0.014 mg/L. The enhancement of Rayleigh scattering intensity is due to the increase of the molecular weight and the hydrophobic interface of thio-silver.

1. 引言

重金属通常是指密度在5.0以上的金属元素，如金、银、铅、镉、汞、铜等。重金属污染可发生在大气、土壤、水体、食品中，当人们通过食物链转移吸收这些重金属元素后，它们或直接沉积于人体内导致慢性中毒，或与人体中的蛋白质及酶等发生相互作用，使蛋白及酶失去活性，从而使组织细胞的结构或功能发生损害而出现各种疾病 [1] ，因此，对重金属离子的测定是环境监测和食品检验中的重要任务。

重金属离子的测定方法目前常用的有比色法、紫外-可见分光光度法、原子荧光分光光度法、共振瑞利散射法 [2] 、X-射线荧光光谱法 [3] [4] 、高效液相色谱法以及电感藕合等离子体法等 [5] [6] [7] 。其中共振瑞利散射法是一种1993年才新兴的分析技术 [8] ，因其绿色环保、测试灵敏、操作简单的特性，在重金属离子检测方面发挥着重要作用。近年来，就有很多研究者利用共振瑞利散射法建立了检测重金属离子的新分析法，如江虹等 [9] 利用Cd(II)对固绿FCF-TPB-Cd(II)体系共振瑞利散射光的线性增强作用，提出了双波长共振瑞利散射测定痕量Cd(II)；刘庆业等 [10] 通过研究纳米碳与Cr(VI)-ARS-phen-CTMAB体系的相互作用，建立了检测痕量Cr(VI)的共振散射光谱能量转移分析法；盛丽等 [11] 通过研究Zn(II)-SCN-MG体系的共振瑞利散射光谱，建立了测定锌的共振瑞利散射光谱方法；梁爱惠等 [12] 利用氢化物发生–催化共振瑞利散射光谱测定痕量砷。

利用共振瑞利散射法检测金属银离子的研究亦有报道，韩志辉等 [13] [14] 先后建立了银–邻菲罗啉–茜素红体系、银–邻菲罗啉–酸性三苯甲烷染料体系共振瑞利散射法测定痕量银离子；2013年，盛丽等人利用银(I)-碘化钾–罗丹明B体系共振瑞利光谱，建立了测定痕量银离子的共振瑞利散射光谱方法，此法可用于胶片中银的测定。然而，利用硫堇与Ag⁺反应产生共振瑞利散射明显增强效应检测Ag⁺的研究还尚未见报道。本文将拟采用硫堇共振瑞利散射光谱法测定Ag⁺的含量。

2. 实验部分

2.1. 仪器和主要试剂

Cary eclipse荧光分光光度计(美国瓦里安公司。测定参数：激发狭缝宽度1.5 nm，发射狭缝宽度1.5 nm；PMT检测器高压：中)；TU-1800pc紫外-可见分光光度计(北京普析公司)；PHS-3C酸度计(上海大中分析仪器厂)

硫堇溶液：2.0×10⁻⁴ mol/L水溶液；Ag⁺标准溶液：配制1 mg/mL的贮备液，4℃保存备用，用时稀释为5 μg/mL；B-R缓冲溶液：0.2 mol/L NaOH溶液和0.04 mol/L混和酸(磷酸、硼酸和醋酸)溶液按照一定的比例混和，然后在pH计上调节至所需pH值。所用试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

2.2. 实验方法

于25 mL具塞比色管中，依次加入2.0 mL的pH为4.10的B-R缓冲溶液，适量Ag⁺标准溶液以及3.0 mL 1.4×10⁻⁴ mol/L硫堇溶液，用二次蒸馏水稀释至刻度，摇匀，静置20 min。在荧光分光光度计上以λ_em = λ_ex (Δλ = 0)进行同步扫描获得相应RRS光谱。于共振瑞利散射峰λ_max处(321 nm)测定硫堇试剂空白的散射光强度 $I_{RRS}^0$ 以及硫堇-Ag⁺缔合物的散射光强度I_RRS，计算ΔI_RRS值(ΔI_RRS = I_RRS − $I_{RRS}^0$ )。

3. 结果与讨论

3.1. 共振瑞利散射光谱

按照实验方法配制溶液，在Cary eclipse荧光分光光度计上分别对硫堇试剂空白、Ag⁺溶液和硫堇-Ag⁺混合溶液用Δλ = 0进行同步扫描，得到RRS光谱见图1：在实验条件下，硫堇试剂空白几乎无RRS峰，Ag⁺溶液的RRS也极弱，而两者的缔合物在250 nm~700 nm范围内RRS增强，并且在391 nm处的散射峰增加最为显著。随着Ag⁺的浓度逐渐增大，391 nm处的散射光强度I_RRS逐渐增大，故本实验选择391 nm为测定波长。

3.2. 适宜的反应条件

3.2.1. 溶液酸度的影响

分别用NaAc-HCl缓冲溶液、B-R缓冲溶液和Tris-Cl缓冲溶液进行了试验，发现使用B-R缓冲溶液时灵敏度最高。利用不同pH值的B-R缓冲溶液试验了酸度对体系RRS强度的影响。在不同pH值条件下，的散射强度均较弱，而且在pH为2.36~6.09时，ΔI_RRS最大且相对恒定，见图2。本实验选用pH为4.10的B-R缓冲溶液，最佳缓冲溶液用量0.5~3.0 mL，选用2.0 mL。

3.2.2. 硫堇用量的影响

固定Ag⁺原始浓度为2.0 mg/L，通过改变硫堇溶液用量，来改变硫堇实际浓度，发现当硫堇浓度较低时，灵敏度也低，离子结合反应并不完全，见图3。从图3中可明显看出，当25 mL具塞比色管中加入2.0~3.5 mL 2.0 × 10⁻⁴ mol/L 硫堇溶液，ΔI_RRS最大且较为恒定。

Figure 1. RRS spectra of thionine-Ag⁺ system [1, thionine; 2, Ag⁺; 3~6, thionine-Ag⁺, ρAg⁺(mg/L): 3, 1.0; 4, 2.0; 5, 3.0; 6, 4.0; 7, 5.0]

图1. 硫堇-Ag⁺体系的RRS光谱[1，硫堇；2，Ag⁺；3~6，硫堇-Ag⁺，ρAg⁺(mg/L)：3，1.0；4，2.0；5，3.0；6，4.0；7，5.0]

3.2.3. 反应时间及温度的影响

试验了不同反应时间对体系RRS强度的影响，发现 $I_{RRS}^0$ 并不会随时间的变化而改变，ΔI_RRS在反应12 min后会达到稳定，此后ΔI_RRS至少能稳定1个小时。因此本实验选用在反应20 min时进行测定。

试验了不同温度对体系RRS强度的影响，发现随着温度的升高，ΔI_RRS会随着减小，这可能是因为当温度上升后，分子的热运动增加，中心离子与配体间的配位键减弱，配位数减小，所以ΔI_RRS随温度上升反而会降低。因此本实验控制在20℃ ± 5℃进行。

3.2.4. 离子强度的影响

将Ag⁺浓度固定为2.0 mg/L，用NaCl溶液试验了离子强度对体系RRS散射强度的影响。发现 $I_{RRS}^0$ 受离子强度影响较小。而I_RRS在NaCl溶液浓度小于0.006 mol/L时基本不变，但是当NaCl溶液浓度大于0.006 mol/L，I_RRS随离子强度的增加反而会降低。

3.3. 工作曲线及方法的灵敏度

按照上述试验结果优化实验条件，取不同量的Ag⁺与硫堇反应，在相应波长下测得ΔI_RRS，以ΔI_RRS

Figure 2. Effect of pH on resonance Rayleigh scattering of thio-Ag⁺ system

图2. pH对硫堇-Ag⁺体系共振瑞利散射的影响

Figure 3. Effect of V (thio dosage) (c = 2.0 × 10⁻⁴ mol/L)

图3. 硫堇用量的影响(c = 2.0 × 10⁻⁴ mol/L)

对Ag⁺的浓度作图绘制标准曲线。相应的线性回归方程、相关系数、线性范围以及的方法的检出限见表1。

对11份含有2.0 mg/L Ag⁺标准溶液进行精密度检验，其相对标准偏差为2.13%，以3σ/k求得方法的检出限为0.014 mg/L，适于痕量Ag⁺的测定。

3.4. 共存物质的影响

按上述实验方法研究了以下18种共存物质的影响情况。当Ag⁺浓度为2.0 mg/L，允许误差为±5%时，各种物质的允许倍数分别为：葡萄糖(200)；NaCl (170)；L-半胱氨酸、淀粉(100)； ${\text{H}}_{\text{2}}{\text{PO}}_4^{-}$ (80)；Ca²⁺、Ba²⁺、柠檬酸(50)；Mn²⁺、Mg²⁺、尿素(20)；Zn²⁺、 ${\text{C}}_{\text{2}}{\text{O}}_4^{2-}$ 、Pb²⁺ (10)； Fe(III)、Al(III) (5)；Hg(II)、Cu(II) (1)；BSA (0.5)。

3.5. 硫堇与Ag⁺作用机理讨论

1) 分子量增大

根据简化的瑞利散射定律：

I_RRS = KCMI₀

其中I_RRS为散射光强度，K为比例系数，C为溶液浓度，M为分子量，I₀为入射光强度。由此可知当K、C、I₀等因素不变时，散射强度与散射微粒的分子量成正比例关系，即散射微粒的分子量增大，会引起共振瑞利散射的增强。因此当硫堇与Ag⁺形成配合物时其分子量必然大于两者单独存在时的分子量，有利于散射增强。

2) 疏水界面的形成

硫堇和Ag⁺单独存在时各自都能很好地溶于水中形成水合物，但当硫堇分子与Ag⁺形成了配合物，由于硫堇平面共轭芳杂环结构的疏水性可与水之间形成疏水界面，疏水界面的形成有利于散射增强，从而引起共振瑞利散射(RRS)显著增强。

由于以上因素的共同影响，使反应产物的共振瑞利散射(RRS)显著增强。

4. 样品分析

按地表水和污水监测技术规范采集了贵阳市自然河流水样，过滤备用。取适量水样于25 mL比色管中，按实验方法进行测定，同时按照现行国家标准方法(火焰原子吸收光谱法)进行对照试验，并以标准加入法测定了Ag⁺在实际水样中的回收率，结果见表2。

Table 1. Correlation coefficient, linear range and detection limit of the standard curve

表1. 标准曲线的相关系数、线性范围及方法的检出限

Table 2. Determination results of Ag+ in environmental waters ( n = 7)

表2. 环境水样中Ag⁺的测定结果( n = 7)

—：未检出。

5. 结论

硫堇–银的结合使其分子的分子量增大，硫堇平面结构的疏水性与水形成疏水界使硫堇–银的瑞利散射强度增强，因此通过瑞利散射光谱法可建立硫堇–银离子的检测方法。

NOTES

^*通讯作者。