組氨酸修飾普魯士藍(lán)的制備及與銀離子的作用

劉兆陽(yáng), 宋永新, 王天舒, 單桂曄

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院, 紫外光發(fā)射材料與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春 130024)

銀及其化合物常用于電子、攝影、光學(xué)、電池和制藥工業(yè)等領(lǐng)域. 此外, 銀具有高效的抗菌作用, 可廣泛用于抗菌劑、醫(yī)用傷口敷料、洗滌劑和化妝品等生活用品中, 這些銀將會(huì)以銀離子的形式進(jìn)入自然環(huán)境中, 并在水源和土地中累積[1,2]. 大量銀離子的聚集會(huì)抑制良性微生物生長(zhǎng), 破壞自然水中的菌落平衡, 危害魚(yú)類(lèi)等水中生物, 對(duì)生態(tài)環(huán)境造成負(fù)面影響[3～5]. 過(guò)量的銀離子在體內(nèi)累積會(huì)引發(fā)銀中毒、水腫, 從而危害人體健康[6～10]. 因此銀離子的檢測(cè)十分必要. 現(xiàn)有的電離耦合法、熒光標(biāo)記及原子吸收光譜等銀離子檢測(cè)方法大多操作復(fù)雜、耗時(shí)久、造價(jià)高, 且需要對(duì)樣品進(jìn)行濃縮、除雜凈化等復(fù)雜的處理, 為銀離子的檢測(cè)帶來(lái)了不便[11～14]. 普魯士藍(lán)是一種常見(jiàn)的六氰合鐵酸鹽[15～20], 水溶液呈藍(lán)色、制備簡(jiǎn)單、形貌可控, 其紫外光譜在700 nm附近有明顯的吸收峰[21～24]. 同時(shí), 普魯士藍(lán)生物安全性高, 可用作解毒劑治療鉈中毒. 目前, 對(duì)普魯士藍(lán)的研究主要集中在過(guò)氧化物酶性質(zhì)、光熱性質(zhì)及其在電化學(xué)方面的應(yīng)用[25～29], 直接利用吸收峰變化來(lái)檢測(cè)銀離子的報(bào)道相對(duì)較少, 這是由于銀離子能與普魯士藍(lán)在堿性溶液中反應(yīng), 使普魯士藍(lán)的特征吸收峰降低, 同時(shí)溶液顏色變淡, 但普魯士藍(lán)在堿性溶液中不穩(wěn)定易分解, 這極大地限制了其對(duì)銀離子的檢測(cè)范圍. Huang等[30]報(bào)道單純的普魯士藍(lán)與銀離子作用時(shí), 當(dāng)銀離子濃度超過(guò)4 μmol/L時(shí)普魯士藍(lán)基本分解完全. 即無(wú)法對(duì)超過(guò)4 μmol/L的銀離子進(jìn)行檢測(cè), 但一般廢水中的銀離子濃度會(huì)超過(guò)這一濃度, 這使得該應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值降低. 本文利用組氨酸對(duì)普魯士藍(lán)進(jìn)行修飾, 增強(qiáng)了普魯士藍(lán)在堿性溶液中的穩(wěn)定性, 實(shí)現(xiàn)了在低濃度范圍內(nèi)對(duì)銀離子的比色和紫外光譜雙重檢測(cè), 擴(kuò)大了檢測(cè)范圍, 提升了實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

鐵氰化鉀(K3[Fe(CN)6], 純度≥99.5%)和硼酸(H3BO3, 純度≥99.5%)購(gòu)于天津市光復(fù)科技發(fā)展有限公司; 聚乙烯吡咯烷酮[(C6H9NO)n, PVP, K-30]購(gòu)于上海源葉生物科技有限公司;L-組氨酸(C6H9N3O2)購(gòu)于上海惠世生化試劑有限公司; 鹽酸(HCl, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%)、硝酸銀(AgNO3, 純度≥99.8%)、冰醋酸水溶液(CH3COOH, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%)、氫氧化鈉(NaOH, 純度≥98%)、無(wú)水氯化鈣(CaCl2, 純度≥96%)、氯化鉀(KCl, A. R.級(jí))和氯化鈉(NaCl, A. R.級(jí))均購(gòu)于北京化工廠; 磷酸(H3PO4, 質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥85%)購(gòu)于天津市福晨化學(xué)試劑廠.

UV-2600型紫外分光光度計(jì)(日本Shimadzu公司); TG16-WS型臺(tái)式高速離心機(jī)(湘儀儀器開(kāi)發(fā)有限公司); D8ADVANCE型X射線衍射儀(德國(guó)Bruker公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 普魯士藍(lán)的合成 稱(chēng)取PVP(1.5 g)和K3[Fe(CN)6](45 mg)加入20 mL超純水中, 攪拌均勻后, 加入100 μL 36%的鹽酸, 繼續(xù)攪拌至充分混合后, 將溶液移入反應(yīng)釜中, 置于170 ℃烘箱中加熱1 h. 取出, 冷卻至室溫, 以12000 r/min轉(zhuǎn)速離心, 用水洗滌并離心15 min得普魯士藍(lán)(PB), 放入真空冷凍干燥機(jī)中凍干, 取出備用.

1.2.2 組氨酸修飾的普魯士藍(lán)(HisPB)的制備 稱(chēng)取PVP(1.5 g)和K3[Fe(CN)6](45 mg)加入20 mL超純水中, 攪拌使其充分溶解, 加入100 μL 36%的鹽酸, 依次將50, 100和150 mg組氨酸分別加入3個(gè)對(duì)照組中繼續(xù)攪拌, 充分混合后移入反應(yīng)釜中, 置于170 ℃烘箱中加熱1 h. 取出, 冷卻至室溫, 以12000 r/min轉(zhuǎn)速, 用水洗滌并離心15 min 2次得HisPB, 放入真空冷凍干燥機(jī)凍干, 取出備用. 根據(jù)組氨酸含量的不同將制備的HisPB依次命名為HisPB-1, HisPB-2和HisPB-3.

2 結(jié)果與討論

2.1 HisPB的制備與表征

由圖1所示SEM照片可見(jiàn), 未經(jīng)修飾的普魯士藍(lán)粒徑較小、表面粗糙. 經(jīng)組氨酸修飾后, 粒子的粒徑變大, 表面變得更加光滑. HisPB-1與HisPB-2的形貌相似, 尺寸均一; HisPB-1的粒徑稍小于HisPB-2, 邊角比HisPB-2更圓滑, 整體形貌傾向于球形; HisPB-2的棱角更加尖銳, 形貌為圓角立方體. HisPB-3樣品則發(fā)生一定程度的聚集, 形貌不規(guī)則, 呈堆積狀態(tài).

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

動(dòng)態(tài)光散射分析結(jié)果如圖2所示, 普魯士藍(lán)的動(dòng)力學(xué)尺寸主要在100～200 nm之間, 經(jīng)組氨酸修飾后動(dòng)力學(xué)尺寸變大, 主要集中在約300 nm, 相比于普魯士藍(lán), HisPB粒子的尺寸明顯增大. 粒子尺寸表征結(jié)果與SEM表征結(jié)果一致.

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

為了進(jìn)一步探究組氨酸修飾對(duì)普魯士藍(lán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響, 對(duì)合成的PB及HisPB進(jìn)行了XRD表征. 如圖3(A)所示, 盡管加入的組氨酸量不同, 但HisPB和PB的XRD譜圖均在2θ為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°處有明顯的衍射峰, 峰形尖銳清晰, 可歸屬于普魯士藍(lán)的(200), (220), (311), (222), (400), (420), (422), (440), (600), (620), (622), (444), (640), (642)和(820)晶面, 這與普魯士藍(lán)的XRD標(biāo)準(zhǔn)卡片完全對(duì)應(yīng)[31,32]. 未產(chǎn)生其它衍射峰, 表明組氨酸的加入并未影響普魯士藍(lán)的晶格結(jié)構(gòu), 改變的主要是普魯士藍(lán)的外在形貌. 組氨酸修飾后的普魯士藍(lán)仍然具備普魯士藍(lán)的晶格結(jié)構(gòu)[見(jiàn)圖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.

由樣品的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖[圖3(C)]可以看出, 普魯士藍(lán)在760 nm處有1個(gè)明顯的吸收峰[33,34], 隨著組氨酸含量的增加, 吸收峰逐漸紅移到800, 860和943 nm處, 峰形逐漸變得平緩. 由于對(duì)銀離子的檢測(cè)主要監(jiān)控的是紫外-可見(jiàn)吸收峰, 峰形越尖銳越利于觀察, 因此選用HisPB-1進(jìn)行銀離子的檢測(cè).

測(cè)試了PB及HisPB-1的傅里葉紅外光譜[見(jiàn)圖3(D)]. 單獨(dú)的普魯士藍(lán)僅在1925～2269 cm-1處有明顯的紅外峰, 普魯士藍(lán)中含有大量的可歸屬于C≡≡N的紅外峰[35,36]. 組氨酸含有豐富的表面官能團(tuán), 經(jīng)組氨酸修飾后普魯士藍(lán)的紅外峰明顯增多, 主要在3150～3700 cm-1范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)—OH和—NH2基團(tuán)的振動(dòng), 約1650 cm-1處的峰歸屬于—OH振動(dòng). 可見(jiàn), 組氨酸的加入豐富了普魯士藍(lán)表面官能團(tuán).

2.2 PB及HisPB在不同pH溶液中的穩(wěn)定性

利用伯瑞坦-羅賓森(Britton-Robinson)緩沖液(由磷酸、硼酸、冰醋酸和氫氧化鈉組成)調(diào)節(jié)溶液的pH值為5～11, 分別加入相同濃度的PB和HisPB-1進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn). 圖4(A)為普魯士藍(lán)在不同pH溶液中混合靜止1 h后的紫外-可見(jiàn)吸收光譜, 圖4(B)為HisPB在不同pH溶液中混合靜止1 h后的紫外-可見(jiàn)吸收光譜. 對(duì)二者吸收峰的峰強(qiáng)度進(jìn)行了比較分析, 結(jié)果如圖4(C)所示. 當(dāng)其它條件都相同而pH<7時(shí), PB與HisPB-1的吸收峰值基本相同, 即在酸性和中性溶液中PB與HisPB-1的穩(wěn)定性基本一致. 當(dāng)pH=8時(shí), PB的吸收峰強(qiáng)度略低于HisPB-1, 隨著pH值的進(jìn)一步增大, 二者吸收峰值之間的差距越來(lái)越大, 當(dāng)pH>10時(shí), PB的吸收峰強(qiáng)度接近0, 即PB在此溶液中1 h后基本完全分解, 而HisPB-1在堿性溶液中的穩(wěn)定性明顯高于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+檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用

Scheme 1 Schematic diagram of Ag+ detection

普魯士藍(lán)可以和銀離子發(fā)生反應(yīng)生成Ag4[Fe(CN)6], 隨著普魯士藍(lán)的減少溶液的特征吸收峰強(qiáng)度也會(huì)隨之降低, 同時(shí)溶液顏色也會(huì)隨著銀離子的增多從藍(lán)色逐漸變?yōu)闊o(wú)色, 因此可以利用吸收峰強(qiáng)度和顏色變化對(duì)銀離子含量進(jìn)行測(cè)定. 此反應(yīng)需要在堿性溶液中進(jìn)行, 但普魯士藍(lán)在堿性溶液中穩(wěn)定性差, 極大影響了對(duì)銀離子檢測(cè)的范圍, 降低其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值. 普魯士藍(lán)經(jīng)組氨酸修飾后尺寸增大, 表面更加光滑, 同時(shí)組氨酸的加入為普魯士藍(lán)表面帶來(lái)了更多官能團(tuán), 這些因素使組氨酸修飾的普魯士藍(lán)在堿性溶液中的穩(wěn)定性顯著提升, 因此可以用其在堿性溶液中檢測(cè)銀離子.

為了更加準(zhǔn)確地檢測(cè)銀離子, 對(duì)HisPB-1檢測(cè)Ag+的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了優(yōu)化. 如圖5(A)所示, 在含有HisPB-1的堿性溶液中加入銀離子后, 隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng), HisPB-1在800 nm處的吸收峰逐漸降低; 當(dāng)時(shí)間超過(guò)60 min時(shí), 反應(yīng)逐漸變得緩慢, 因此選取60 min作為檢測(cè)銀離子的反應(yīng)時(shí)間. 將未加入Ag+的實(shí)驗(yàn)組的吸收峰強(qiáng)度記作A0, 含有Ag+的實(shí)驗(yàn)組吸收峰強(qiáng)度記作A,A0-A值越大越有利于Ag+的檢測(cè). 在保持溶液pH值和銀離子濃度不變的前提下考察了HisPB-1濃度對(duì)A0-A的影響, 由于微量HisPB-1在稱(chēng)量以及轉(zhuǎn)移過(guò)程中容易產(chǎn)生誤差, 而物質(zhì)吸收峰的強(qiáng)度由物質(zhì)的濃度來(lái)決定, 因此, 利用HisPB-1加入反應(yīng)體系前的吸收峰強(qiáng)度來(lái)反應(yīng)樣品的濃度, 代替稱(chēng)量配置的傳統(tǒng)濃度表達(dá)方式. 由圖5(B)可知, HisPB-1加入反應(yīng)體系前的吸收峰強(qiáng)度為1時(shí)A0-A值最大，因此選用吸收峰強(qiáng)度為1的HisPB用于銀離子的檢測(cè). 在保持HisPB-1濃度及Ag+濃度不變的前提下, 改變緩沖液的pH值進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 由圖5(C)可知, 在pH=10時(shí)A0-A最大, 因此確定檢測(cè)所需的最佳pH值為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.

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下, 保持緩沖液pH值及HisPB-1濃度不變, 依次加入0—100 μmol/L不同濃度的銀離子, 靜置1 h后, 測(cè)試溶液的紫外-可見(jiàn)吸收光譜, 結(jié)果如圖6(A)所示; 銀離子濃度與A0-A值的散點(diǎn)圖見(jiàn)圖6(B). 上述表征結(jié)果表明, 隨著銀離子濃度的增大800 nm處的吸收峰強(qiáng)度逐漸降低,A0-A值增大, 溶液顏色的藍(lán)色逐漸變淡.A0-A值與銀離子濃度在6～40 μmol/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系, 因此, 可以利用HisPB-1在6～40 μmol/L范圍內(nèi)檢測(cè)銀離子含量[見(jiàn)圖6(C)]. 將銀離子替換成廢水中常見(jiàn)的等量的Na+, K+, Ca2+或Cl-離子, HisPB-1吸收峰強(qiáng)度并未發(fā)生明顯改變[見(jiàn)圖6(D)], 表明其可以選擇性地檢測(cè)銀離子.

3 結(jié) 論

利用組氨酸修飾普魯士藍(lán), 修飾后普魯士藍(lán)粒子的體積增大，表面更加光滑, 表面官能團(tuán)增多, 在堿性溶液中的穩(wěn)定性得到顯著提升. 利用組氨酸修飾后的普魯士藍(lán)與銀離子反應(yīng)后的紫外-可見(jiàn)吸收光譜以及溶液顏色的變化, 實(shí)現(xiàn)了在溶液pH=10時(shí)對(duì)Ag+在6～40 μmol/L范圍內(nèi)的比色和紫外-光譜雙重檢測(cè). 該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單, 為Ag+的檢測(cè)提供了一種可行性較高的操作模式.