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(wèi)紅 陳俊剛2) 張勝 于騰飛 張燕君 侯旭濤

1 引 言

近年來(lái),重金屬污染已成為突出的環(huán)境問(wèn)題[1].隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,海水痕量重金屬檢測(cè)方法與傳感技術(shù)有了很大的進(jìn)展.現(xiàn)在常用的檢測(cè)方法主要包括分光光度法[2]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[3]、陽(yáng)極溶出伏安法[4]、原子吸收光譜法[5]、發(fā)光分析法[6]等,每種檢測(cè)方法在測(cè)量時(shí)只能測(cè)一種金屬,且沒(méi)有考慮環(huán)境參數(shù)變化與測(cè)量條件變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.為此,我們對(duì)多種重金屬同時(shí)測(cè)量方法進(jìn)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(dú)作用時(shí)其光譜特性和特征峰吸光度的變化規(guī)律;在此基礎(chǔ)上研究四種參量共同作用時(shí)其光譜特性、各特征峰總吸光度與被測(cè)量間的變化規(guī)律;以及在使用顯色試劑情況下,不同pH值、溫度、時(shí)間、顯色劑量對(duì)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(chǔ).

2 水體重金屬傳感機(jī)理與傳感模型

本文采用分光光度法實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中的可溶態(tài)重金屬鎘(Cd2+)、銅(Cu2+)、鋅(Zn2+)、鎳(Ni2+)測(cè)量.由于金屬水合離子本身的吸光系數(shù)值都很小,故測(cè)量時(shí)選擇加入一定量的顯色試劑,與待測(cè)離子進(jìn)行顯色反應(yīng),再測(cè)量反應(yīng)后的混合液體的吸光度,進(jìn)而分析待測(cè)溶液的重金屬離子的濃度.依據(jù)朗伯-比爾定律,即一束平行單色光通過(guò)均勻的有色溶液時(shí),溶液的吸光度與溶液中有色物質(zhì)的濃度及透過(guò)溶液光程的乘積成正比,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)式中,A為吸光度,I為入射光強(qiáng)度,It為透射光強(qiáng)度;K為摩爾吸光系數(shù)(L·mol?1·cm?1),b為液層厚度(cm),c為溶液濃度(mol·L?1).對(duì)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(shù)學(xué)表達(dá)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(jù)吸光度的加和性可進(jìn)行多組分分析與多參數(shù)測(cè)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(guān)系,搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示,其中鹵素光源波長(zhǎng)范圍為200—1100 nm.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得了四種重金屬離子Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+在不同波長(zhǎng)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(zhǎng)分別出現(xiàn)在579.67,604.53,626.21和656.16 nm處,但光譜重疊較嚴(yán)重,且各自吸光光譜相互干擾.因此,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同重金屬離子間的相互影響規(guī)律.實(shí)驗(yàn)中,分別取Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+金屬離子溶液各自最大吸收波長(zhǎng)580.81,604.31,626.00和658.24 nm,對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)為575,605,620和650 nm的特征波長(zhǎng)進(jìn)行吸光度測(cè)量,測(cè)得不同重金屬離子在不同波長(zhǎng)處的吸光度如圖3所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)下的吸光度擬合 (a)Cd2+四波長(zhǎng)吸光度擬合曲線;(b)Ni2+四波長(zhǎng)吸光度擬合曲線;(c)Cu2+四波長(zhǎng)吸光度擬合曲線;(d)Zn2+四波長(zhǎng)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(guān)系.采用多元線性回歸與偏最小二乘法相結(jié)合進(jìn)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(gè)中心波長(zhǎng)的總吸光度.利用此方程,通過(guò)測(cè)得的各特征波長(zhǎng)的總吸光度計(jì)算得到水體中所含Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+離子的濃度.

3 環(huán)境參數(shù)與測(cè)量條件對(duì)重金屬測(cè)量值的影響

在實(shí)際應(yīng)用中,被測(cè)水樣的pH值、溫度、顯色時(shí)間、鹽度以及顯色劑量等因素變化可能對(duì)離子吸光度的產(chǎn)生不容忽略的影響.因此,本文重點(diǎn)研究Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+四種重金屬離子溶液在不同pH、溫度、顯色時(shí)間以及顯色劑量下的吸光度的變化規(guī)律,以探索基于分光光度法的環(huán)境參數(shù)與測(cè)量條件對(duì)重金屬痕量傳感器的影響規(guī)律.

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)溶液配制

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)繼續(xù)使用圖1所示系統(tǒng).由于顯色后的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+吸光光譜的吸收峰出現(xiàn)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(zhǎng)為575,605,620和650 nm的濾光片對(duì)光源濾光得到含特征波長(zhǎng)的檢測(cè)光進(jìn)行吸光度測(cè)量;實(shí)驗(yàn)所用的Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+重金屬離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液來(lái)自于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)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(cè).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(shí)驗(yàn)步驟

將3.1節(jié)中本制好的待測(cè)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(shí)間、顯色劑量等參量;讓檢測(cè)光經(jīng)過(guò)比色皿溶液形成透謝光,將透射光送入光譜儀,再通過(guò)計(jì)算機(jī)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(fā)生的變化.

3.3 影響因素

3.3.1 pH值對(duì)吸光度的影響

本文對(duì)溶液中金屬離子濃度的測(cè)量是基于朗伯-比爾定律,通過(guò)測(cè)量溶液中的金屬離子與顯色劑生成絡(luò)合物對(duì)光的吸收實(shí)現(xiàn)重金屬離子濃度的測(cè)量.由于被測(cè)溶液在酸性環(huán)境或堿性環(huán)境下,絡(luò)合反應(yīng)的程度不同,使得同一金屬離子濃度在不同pH值條件下測(cè)得的吸光度不同,從而實(shí)現(xiàn)金屬離子濃度的準(zhǔn)確測(cè)量.因此,本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究pH值對(duì)吸光度影響.

實(shí)驗(yàn)1設(shè)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(zhǎng)為575,605,620和650 nm的濾光片進(jìn)行吸光度測(cè)量,Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+濃度-吸光度各點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(guān)系是線性的.設(shè)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(duì)應(yīng)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(guān)系Fig.4.Relationship between four kinds of ion concentration and absorbance.

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng),得到pH值與吸光度數(shù)據(jù)關(guān)系如圖5所示.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于不同的重金屬離子,顯色劑顯色性能的最佳狀態(tài)出現(xiàn)在不同pH值區(qū)間,對(duì)應(yīng)吸光度達(dá)到峰值,其中Zn2+吸光度在pH=7.0—8.5時(shí)吸光度達(dá)到峰值,Cu2+吸光度在pH=6.5—7.5時(shí)吸光度達(dá)到峰值,Ni2+吸光度在pH=7.0—8.0時(shí)吸光度達(dá)到峰值,Cd2+吸光度在pH=7.5—8.5時(shí)吸光度達(dá)到峰值.

圖5 Zn2+,Cu2+,Ni2+,Cd2+的pH與吸光度的關(guān)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(xiàn)峰的主要原因是測(cè)量過(guò)程的物理化學(xué)反應(yīng).以銅為例,當(dāng)pH較低時(shí),主要受H+離子的影響而使得產(chǎn)生的絡(luò)合物濃度變低;而當(dāng)pH較高時(shí),OH?離子與Cd2+生成的Cu(OH)2會(huì)沉淀,也會(huì)使絡(luò)合物濃度變低[9].

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知重金屬離子的吸光度隨著pH的改變而改變,導(dǎo)致直接測(cè)量得離子濃度值并不是真實(shí)值.因此在海水痕量重金屬測(cè)量時(shí),可以根據(jù)海水的pH值對(duì)測(cè)得的離子濃度值進(jìn)行校正,使之更加接近真實(shí)值,提高測(cè)量精度.下面研究針對(duì)pH值影響的校正模型.

根據(jù)(4)式可計(jì)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(shí)對(duì)應(yīng)的溶液濃度的變化量,如圖6所示.

設(shè)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(duì)應(yīng)的pH值變量為xpH,則由圖6所示曲線得到多項(xiàng)式擬合方程(pH值影響的校正模型)為

根據(jù)方程(5)對(duì)pH值的影響進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償后的效果如圖7所示.

圖7 pH補(bǔ)償結(jié)果Fig.7.pH compensation results.

3.3.2 溫度、時(shí)間對(duì)吸光度的影響

對(duì)金屬離子測(cè)量過(guò)程中絡(luò)合反應(yīng)生成的絡(luò)合物并不穩(wěn)定,故需研究測(cè)量條件(溫度與時(shí)間)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響.實(shí)驗(yàn)中,分別在常溫(14°C)和低溫(4°C)兩種條件下,連續(xù)3 d、每次間隔8 h,對(duì)Cd2+,Cu2+,Zn2+,Ni2+顯色溶液的吸光值進(jìn)行測(cè)定,其結(jié)果如圖8所示.

從圖8可知,若在短時(shí)間內(nèi)完成溶液的測(cè)定,則可以忽略溫度和時(shí)間對(duì)吸光度的影響.若將溶液長(zhǎng)時(shí)間存放,則由于顯色劑失效,溶液顏色逐漸消失.實(shí)驗(yàn)表明:在加顯色劑2 h內(nèi)進(jìn)行測(cè)量,其溫度和時(shí)間的變化不會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的誤差.

3.3.3 顯色劑量對(duì)吸光度的影響

由于溶液的吸光度與溶液中顯色物質(zhì)的濃度有關(guān),顯色劑用量是影響顯色反應(yīng)的重要因素,故本節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在顯色劑用量不同時(shí)吸光度的變化規(guī)律,以確定最佳顯色劑量.實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)處測(cè)量吸光度.得到顯色劑量與吸光度的關(guān)系如圖9所示.

由圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)一相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間,之后開(kāi)始下降,其中Zn2+吸光度在顯色液用量1.5—2.5 mL范圍較穩(wěn)定,Cu2+吸光度在顯色液用量1.5—2.5 mL范圍較穩(wěn)定,Ni2+吸光度在顯色液用量1.5—3.0 mL范圍較穩(wěn)定,Cd2+吸光度在顯色液用量2—2.5 mL范圍較穩(wěn)定.而產(chǎn)生這種變化規(guī)律的原因在于:隨著開(kāi)始時(shí)顯色劑劑量的增加,絡(luò)合反應(yīng)在增加,使顯色加強(qiáng)效果不斷加大,被測(cè)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(duì)顯色消減效果影響較小;再增加顯色劑量,兩者將進(jìn)入平衡狀態(tài)使吸光度到達(dá)穩(wěn)定區(qū);若再進(jìn)一步增加顯色劑量,顯色消減效果大于增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果.綜合考慮實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選顯色劑為2.0 mL時(shí)測(cè)量效果最佳.

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

4 結(jié) 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(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)其測(cè)量的環(huán)境條件與測(cè)量影響因素的條件進(jìn)行研究.采用分光光度法,選擇特征波長(zhǎng)為575,605,620和650 nm可以同時(shí)測(cè)量Cu2+,Zn2+,Ni2+,Cd2+的濃度;在測(cè)量重金屬離子濃度時(shí),溫度與反應(yīng)時(shí)間中短時(shí)間內(nèi)的測(cè)量影響較小,可忽略不計(jì);pH=7時(shí)測(cè)量結(jié)果最佳,隨著pH變大或變小,絡(luò)合物濃度均變小,溶液的吸光度則隨之變小,從而導(dǎo)致測(cè)得溶液離子濃度的靈敏度變差;通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出校正方程,利用此方程可以對(duì)測(cè)量的濃度值進(jìn)行補(bǔ)償,使測(cè)量結(jié)果接近真實(shí)值,提高測(cè)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(dá)到最大,Cu2+吸光度在顯色劑劑量為1.5—2.5 mL范圍達(dá)到最大,Ni2+吸光度在顯色液用量1.5—3.0 mL范圍達(dá)到最大,Cd2+吸光度在顯色液用量2—2.5 mL范圍達(dá)到最大.四種離子同時(shí)測(cè)量時(shí),顯色劑量為2 mL時(shí)測(cè)量結(jié)果最佳;總體而言,測(cè)量不同的重金屬離子時(shí),在先用最佳顯色劑量的同時(shí)還需測(cè)定pH值,以獲得穩(wěn)定的、理想的吸光度,并對(duì)所得值進(jìn)行適當(dāng)修正,達(dá)到水中痕量重金屬的精確測(cè)量.

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