硫胺素-三維熒光法測定水中汞離子的研究

祖麗德孜·努蘭， 沈 鑒， 冷曉婷， 柴一荻， 王士峰， 胡 遠， 崔皓月， 吳 靜*

1. 清華大學環(huán)境學院， 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室， 北京 100084 2. 清華大學環(huán)境學院， 環(huán)境污染溯源與精細監(jiān)管技術研究中心， 北京 100084 3. 清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院先進監(jiān)管技術儀器研發(fā)團隊， 江蘇 蘇州 215163

引 言

汞是一種具有顯著積累效應和遺傳毒性的重金屬元素， 對人體有較強的致畸性和神經毒性， 嚴重危害人體健康[1]。 汞在水體中主要以Hg2+形態(tài)存在。 Hg2+在水體中能夠被微生物還原為Hg0， Hg0易揮發(fā)進入大氣被人體吸入體內； 同時水體中的Hg2+又可以被微生物轉化為毒性更強的烷基汞， 并最終通過食物鏈富集至人體體內[2]。 金屬冶煉、 煤電、 化工等行業(yè)的快速發(fā)展加劇了汞的排放[3]， 大量含汞物質泄漏至水環(huán)境中， 對人體健康造成了極大威脅。 我國是全球汞污染最嚴重的國家之一， 2010年， 全國地表水中汞的排放量達到了1.8 t[4]； 2016年， 我國近岸海域中汞的排放量達到了39 t[5]， 水環(huán)境中的汞污染問題已不容忽視， 急需加強對水環(huán)境中汞污染的治理。 治理的要義在于源頭監(jiān)管， 而保障監(jiān)管效能的手段在于發(fā)展行之有效的檢測方法。

目前， 檢測水體中汞離子的方法主要包括： 電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[6]、 陽極溶出伏安法[7]、 冷原子吸收分光光度法[8]。 ICP-MS法設備昂貴且易受有機物干擾； 陽極溶出伏安法存在重復性較差、 維護成本高等缺點； 冷原子吸收分光光度法包含消解及加熱過程， 檢測成本高、 操作難度大、 二次污染風險高。 不難看出， 現有的水中汞離子檢測方法普遍存在成本高昂、 測試復雜、 周期冗長等不足。 因此， 建立快速、 準確、 經濟的汞離子檢測方法， 將會極大提高水體中汞污染的檢測效率， 助力汞污染的源頭監(jiān)管。

三維熒光光譜(fluorescence excitation-emission matrix， EEM)， 是一種可以同步記錄熒光信號隨激發(fā)波長及發(fā)射波長變化的矩陣光譜， 它可以提供廢水中溶解性有機物的豐富信息[9]。 三維熒光技術因其具有快速、 靈敏、 預處理簡便、 無額外試劑引入、 所需樣品少等優(yōu)點而逐漸受到關注。 近年來， 多項研究表明， 三維熒光技術可以實現對水體中污染物的監(jiān)測與早期預警， 還可以應用于污水處理的全過程監(jiān)測[10]。 硫胺素是一種常見的熒光有機物， 可以與汞離子發(fā)生氧化還原反應[11]。 硫胺素被氧化后其三維熒光信號可能發(fā)生變化， 利用三維熒光技術檢測硫胺素反應前后三維熒光信號的差異， 就能實現水中汞離子的快速檢測與預警。 本研究旨在探究硫胺素-三維熒光法檢測水中汞離子的可行性， 研究了不同測試條件對汞離子檢測的影響。 此外， 還對本方法開展了抗干擾性研究。 目前， 尚未見有利用硫胺素-三維熒光法檢測水中汞離子的報道。 本研究為水環(huán)境中汞離子的快速、 精準檢測提供了一種可行的方法， 具有良好的應用前景。

1 實驗部分

1.1 藥品與試劑

本研究所需試劑及溶液如表1和表2所示。 實驗所用溶劑均為超純水。

表1 本研究所需試劑

表2 本研究所需溶液

1.2 方法

pH的測試由pH計(Mettler-Toledo， 瑞士)完成。 三維熒光光譜的測試由三維熒光分光光度計(Hitachi， F-2700， 日本)完成。 測試條件為： 掃描速率12 000 nm·min-1， 激發(fā)波長220～450 nm， 發(fā)射波長250～550 nm， 波長間隔5 nm。

2 結果與討論

2.1 硫胺素熒光特性

在硫胺素溶液濃度為10.00 μmol·L-1， pH為4.9～11.3的條件下測試了其三維熒光光譜， 如圖1所示。 結果表明， 當溶液pH為4.9～10.0時， 硫胺素溶液的熒光信號不明顯； 當溶液pH為10.6～11.3時， 硫胺素溶液在類腐殖質區(qū)產生了明顯的熒光信號[12]， 在激發(fā)/發(fā)射波長(記作Ex/Em)為230(295)/405 nm處出現了兩個熒光峰(峰a和峰b)。 兩個熒光峰的強度均隨溶液pH的升高而升高。 硫胺素分子中包含有噻唑鎓結構， 該結構在堿性條件下可能發(fā)生去質子化作用， 改變了硫胺素分子的最低激發(fā)單重態(tài)， 從而在堿性條件下出現了熒光信號。

圖1 不同pH下硫胺素的三維熒光光譜

2.2 測試條件對汞離子測定的影響

2.2.1 硫胺素濃度

設定氯化汞濃度為10.00 μmol·L-1， 改變溶液中硫胺素的濃度， 分別為0.01， 0.10， 1.00和10.00 μmol·L-1， 檢測不同硫胺素濃度下溶液的EEM， 如圖2所示。 顯然， 當氯化汞與硫胺素發(fā)生氧化還原反應后， 被氧化后的硫胺素的熒光信號與被氧化前相比發(fā)生了變化。 在硫胺素濃度為10.00 μmol·L-1時， 峰a的位置發(fā)生了紅移， 由Ex/Em=230/405 nm位移至Ex/Em=230/425 nm處； 峰b的位置并未發(fā)生明顯改變。 同時， 在Ex/Em=365/440 nm處出現了一個新的熒光峰(峰c)。 硫胺素被汞離子氧化前后熒光信號的變化初步表明： 利用硫胺素-三維熒光法測定水中汞離子的方法是可行的。

圖2 不同硫胺素濃度下溶液的三維熒光光譜

此外， 如圖3所示， 隨著硫胺素濃度的提高， 峰c的熒光強度也隨之升高。 進一步的研究表明， 當硫胺素濃度提高至100.00 μmol·L-1時， 峰c的熒光強度超過了三維熒光光譜儀的測試量程， 表明利用本方法測定水中汞離子時， 硫胺素濃度不宜過高。

圖3 峰c的熒光強度隨硫胺素濃度的變化關系

2.2.2 pH

設定氯化汞及硫胺素的濃度均為10.00 μmol·L-1， 改變溶液的pH， 分別為4.9， 6.2， 7.6， 8.6， 9.7， 10.7， 11.5和11.8， 并檢測不同pH下溶液的EEM。 峰c的熒光強度隨pH的變化關系如圖4所示。 隨著pH的升高， 峰c的熒光強度呈現先增長后下降的趨勢。 其中， 當pH為8.5～11.0時峰c的熒光強度相對較高， 在pH為9.7時峰c的熒光強度達到最大值， 表明利用硫胺素-三維熒光法檢測水中汞離子時， 體系環(huán)境宜為堿性。

圖4 峰c的熒光強度隨pH的變化關系

2.2.3 溫度-時間

由前文分析可知， 當氯化汞及硫胺素濃度均為10.00 μmol·L-1， 溶液pH為9.7時， 峰c的熒光強度為最大。 因此， 本小節(jié)以上述條件作為反應的初始條件， 分別在20， 30和40 ℃條件下， 記錄峰c的熒光強度隨時間的變化關系， 如圖5所示。 在三個溫度條件下， 峰c的熒光強度均呈現隨時間增長而逐漸升高的趨勢， 且熒光峰強度在60～120 min期間增長緩慢， 趨于平緩。 此外， 在相同反應時間下， 峰c的熒光強度隨溫度的升高而升高。

圖5 峰c的熒光強度隨溫度及時間的變化關系

為了深入分析峰c的熒光強度與反應時間的關系， 分別對20， 30和40 ℃條件下峰c的熒光強度(I)隨反應時間(t)的變化曲線進行一級動力學和二級動力學擬合， 擬合結果如表3所示。

表3 不同溫度下峰c熒光強度與反應時間關系曲線的動力學擬合

結果表明， 不同溫度下峰c的熒光強度隨反應時間的變化曲線與一級動力學和二級動力學模型的擬合度均較高， 相關系數均在0.97以上。 但是， 相同條件下， 一級動力學模型的相關系數均高于二級動力學模型， 表明不同溫度下峰c的熒光強度隨反應時間的變化關系更符合一級動力學模型。 同時， 進一步將反應溫度與一級動力學模型中的速率常數進行線性擬合， 關系如式(1)所示

v=497.17T-1 051(R2=0.998 5)

(1)

式(1)中，v為反應的速率常數(min-1)，T為反應溫度(℃)， 相關系數R2為0.998 5。

將式(1)帶入表1中的一級動力學方程， 可得式(2)

I=(497.17T-1 051)(1-e-0.030 73t)

(2)

式(2)中，I為峰c的熒光強度，T為反應溫度(℃)，t為反應時間(min)。

綜合式(2)不難看出， 提高反應溫度和反應時間， 峰c的熒光強度將會隨之升高， 但是過度提高反應溫度會增加硫胺素-三維熒光法的測試成本， 反應時間過長還會降低硫胺素-三維熒光法的測試效率。 因此， 可以利用式(2)對硫胺素-三維熒光法的反應溫度和反應時間進行優(yōu)化。 例如， 若反應溫度為20 ℃， 則峰c的最大熒光強度為8 892.4， 若要令峰c的熒光強度達到最大熒光強度的97%， 則反應時間控制在114 min即可。

2.3 汞離子測試的標準曲線

為了構建峰c的熒光強度與水中汞離子濃度的關系， 需要建立特定測試條件下汞離子測定的標準曲線。 以本研究為例， 設定反應體系中硫胺素的濃度為10 μmol·L-1、 pH為9.7、 反應時間為120 min(為便于時間控制， 將反應時間由114 min調整至120 min)、 反應溫度為室溫(20 ℃)。 在上述測試條件下， 通過改變體系中氯化汞的濃度(4～80 μmol·L-1)， 探究峰c的熒光強度與汞離子濃度的線性區(qū)間， 如圖6所示。

圖6 特定測試條件下峰c的熒光強度隨氯化汞 濃度的變化關系

顯然， 峰c的熒光強度隨氯化汞濃度的升高而升高并逐漸趨于穩(wěn)定。 在低濃度范圍內(4～15 μmol·L-1)， 峰c的熒光強度與汞離子濃度呈現良好的線性關系。 對該段曲線進行線性方程擬合， 結果如式(3)所示。

I=2 833c-10 175(R2=0.989 8)

(3)

式(3)中，I為峰c的熒光強度，c為氯化汞濃度(μmol·L-1)。

3 結 論

探究了硫胺素-三維熒光法檢測水中汞離子的可行性，

并研究了不同測試條件(硫胺素濃度、 pH、 反應溫度、 反應時間)對水中汞離子測定的影響。 同時， 在特定的測試條件下， 初步構建了汞離子測試的標準曲線。 結果表明：

(1)硫胺素在酸性至中性條件下未見明顯的熒光信號， 在pH為10.6～11.3時， 硫胺素在Ex/Em=230(295)/405 nm處出現了峰a和峰b兩個熒光峰， 且它們的熒光強度隨pH升高而升高；

(2)當硫胺素與氯化汞發(fā)生氧化還原反應后， 峰a的位置由Ex/Em=230/405 nm位移至Ex/Em=230/425 nm， 峰b的位置未發(fā)生明顯改變， 且在Ex/Em=365/440 nm處產生了新的熒光峰c。 硫胺素反應前后熒光信號的變化初步驗證了硫胺素-三維熒光法檢測水中汞離子的可行性；

(3)使用該法檢測水中汞離子時， 硫胺素濃度不宜過高， 體系環(huán)境宜為堿性， 反應溫度及反應時間可利用一級動力學模型進行優(yōu)化， 以降低檢測成本， 提高檢測效率；

(4)當硫胺素濃度為10 μmol·L-1、 pH為9.7、 反應時間為120 min、 溫度為室溫(20 ℃)時， 可得到汞離子濃度的線性檢測范圍為4～15 μmol·L-1。

本研究為快速、 準確、 經濟地檢測水中汞離子提供了一種可行方法， 值得深入研究并進一步推廣。