一步法檢測環(huán)境水樣中的肼

席靜,展宗瑞

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

肼(N2H4),也被稱為聯(lián)氨,在常溫下呈現(xiàn)出無色的油狀液體,但是聞起來有類似于氨的刺鼻的刺激性氣味,也是一種強極性的化合物。肼能夠混溶于水和醇等極性溶劑中。如果將肼長時間地暴露在空氣中或是在短時間內(nèi)受到高溫作用都會發(fā)生爆炸分解。如果肼與鹵素、高錳酸鉀等強氧化劑發(fā)生作用會發(fā)生自燃。因為肼具有強烈的吸水性,所以在自然界中多以水合肼(N2H4·H2O)的形式存在,也被稱之為水合聯(lián)氨[1]。

水合肼在常溫下是一種液體,聞起來會有一點淡氨味,呈現(xiàn)出無色透明的狀態(tài),暴露在濕空氣中會冒煙。在常壓狀態(tài)下,水合肼還會和水形成共沸物,共沸點達到118 ℃。水合肼還具有極強的還原性,與鹵素單質(zhì)、硝酸以及高錳酸鉀等強氧化劑作用會發(fā)生非常激烈的反應(yīng)。同時,水合肼還是一種非常重要的化工產(chǎn)品,它的工業(yè)應(yīng)用非常廣泛。水合肼不僅在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料以及炸藥化工等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,也可以作為顯影劑、抗氧劑和發(fā)泡劑的原料應(yīng)用在印刷行業(yè),還是汽包鍋爐中高品質(zhì)水的優(yōu)良脫氧劑。除此之外,水合肼還在制造高純度的金屬以及稀有元素的分離這些化工過程中不可或缺[2]。

但是,水合肼是一種高度致毒致癌的化工污染物,已經(jīng)被列入了《易制爆危險化學(xué)品名錄》。水合肼對人體健康的影響主要是通過皮膚接觸、吸入和吞食后引起中毒。水合肼的毒性非常強,如果短時間內(nèi)大量吸入或誤食會導(dǎo)致身體出現(xiàn)嚴重的損傷,包括呼吸困難、肺水腫、肝腎損傷等。若是長期接觸低濃度的水合肼也有可能會導(dǎo)致貧血、消瘦、消化不良、食欲減退等癥狀。水合肼的危險性還體現(xiàn)在其易燃性。眾所周知它是一種強還原劑,可以與多種氧化劑反應(yīng)并在反應(yīng)過程中迅速釋放出大量的熱量。因此,對于水合肼的安全處理,除了要遵循密閉操作、加強通風(fēng)等一般性安全措施外,還應(yīng)在生產(chǎn)和使用場所配備相應(yīng)的消防器材和急救設(shè)備。接觸水合肼的工作人員應(yīng)接受專門培訓(xùn),了解水合肼的性質(zhì)和危險性,并掌握相應(yīng)的安全操作規(guī)程。此外,還應(yīng)該定期對工作環(huán)境和設(shè)備進行安全檢查,確保其符合安全標準[3]。

鑒于水合肼在工業(yè)生產(chǎn)中的重要性及其毒性和易燃性對人體帶來的傷害,能夠研發(fā)一種高靈敏、迅速又便捷的肼的檢測手段,是在肼的研究中備受關(guān)注的重點問題。從現(xiàn)有的文獻報道中發(fā)現(xiàn),截至目前,研究工作者對水合肼的檢測已經(jīng)使用了各種各樣的技術(shù),比如以穩(wěn)定性好、重現(xiàn)性高、選擇性好著稱的色譜法,其中包括氣相色譜法、高效液相色譜法、離子色譜法等;靈敏度高的化學(xué)檢測法,比如電化學(xué)檢測法、化學(xué)發(fā)光檢測法等;檢測手段簡單便捷的光譜法,比如原子發(fā)射光譜法、原子吸收光譜法、紫外-可見吸收光譜法、紅外光譜法等。但令人遺憾的是,盡管目前已經(jīng)被報道出來的檢測方法都具有較高的靈敏度,但絕大多數(shù)檢測手段在檢測過程中需要進行非常復(fù)雜的預(yù)處理,非常耗時[4]。而且在檢測的時候部分還需要昂貴的大型實驗儀器,綜合這些特點,均無法滿足現(xiàn)場快速檢測,更不用說實現(xiàn)現(xiàn)場實時檢測[4]。

近些年,有一種被稱為比色法的檢測方法被重新重視利用起來,俗稱可視化檢測方法。它曾經(jīng)是一種經(jīng)典傳統(tǒng)實用的化學(xué)分析檢測方法,利用起源較早,具有比較明顯的優(yōu)點。比如檢測原理十分簡單、檢測手段容易、檢測用時較短、檢測成本較低,而在這些所有的優(yōu)點中,最引人注目的就是肉眼便可直接觀測到實驗結(jié)果,省去了在檢測過程中大型儀器的參與。因此將現(xiàn)有的各種檢測手段做對比,比色法檢測手段雖然不是最靈敏的,卻因其具有一系列的優(yōu)點,不容大家忽視,一直以來在分析檢測領(lǐng)域被深入研究。特別是近幾年興起的金納米顆粒的可視化法,再次將可視化檢測法以一種新的面貌呈現(xiàn)在大眾面前。金納米比色法是一種靈敏度極高、特異性優(yōu)良、操作簡便快速、無損檢測、容易可視化、安全性高、低成本且廣泛適用的檢測手段。由于金納米顆粒在特定波長下會產(chǎn)生強烈的吸收和散射光,因此可以利用光學(xué)方法對金納米顆粒進行可視化分析,既可以幫助相關(guān)人員更好地理解納米粒子的性質(zhì)和行為,促進基礎(chǔ)研究與應(yīng)用的發(fā)展。還可以幫助研究人員在數(shù)據(jù)分析時更加準確地判斷和識別實驗結(jié)果,提高研究的可靠性和效率。金納米比色法操作簡便、快速,可實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測,其反應(yīng)時間短,通常在數(shù)分鐘至數(shù)小時內(nèi)即可完成,因此特別適合于急需檢測結(jié)果的情況。例如,在醫(yī)療急診、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,金納米比色法具有很高的應(yīng)用價值。在金納米的可視化檢測手段中,可以不需要借助實驗儀器設(shè)備,直接用肉眼清晰地觀測到金納米顆粒溶液的顏色從橘紅色到紫紅色發(fā)生遞增的變化,這是因為不同粒徑的金納米顆粒等離子共振峰的變化。這種檢測手段正是利用了金納米粒子SPR的光學(xué)特性,因為金納米顆粒粒徑以及分布形態(tài)的不同,宏觀上會觀測到其溶液顏色的變化過程。如果讓單一分散穩(wěn)定的小粒徑金納米顆粒發(fā)生聚集,在其聚集的同時,金納米顆粒溶液的顏色也會由酒紅色變?yōu)樗{紫色。反之,如果可以將聚集在一起的大顆粒金納米顆粒分散開來,金納米顆粒溶液的顏色又將會由藍紫色變?yōu)榫萍t色[5]。

近些年,歸功于科研工作者對金納米材料越來越深入的研究,已經(jīng)有越來越多的研究工作者將金納米顆粒設(shè)計到可視化檢測手段中,而且該檢測手段已經(jīng)被用于檢測多種物質(zhì)[6]。由于金納米比色法的靈敏度高、特異性優(yōu)良、操作簡便快速、無損檢測、容易可視化、安全性高且低成本等特點,使得它在各個領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用前景。但是在檢測中,依然遇到一個不可避免的問題,那就是金納米顆粒制備方法的選擇。截至目前現(xiàn)有的報道中,主要采用物理法和化學(xué)法來制備實驗用的金納米顆粒。其中物理法制備得到的金納米顆粒純度好,可是若利用到檢測手段中,會引起復(fù)雜的制備操作,違背了比色檢測法便捷的優(yōu)勢。相對于物理制備法而言,化學(xué)制備方法不僅能提供單一分散穩(wěn)定的小粒徑金納米顆粒,而且制備過程也大多在溶液中進行,有利于進一步對目標物的檢測,可以免去復(fù)雜的對目標物的處理手段。特別是氧化還原化學(xué)法制備金納米顆粒,不僅制備過程中操作十分簡單,最終得到的金納米顆粒性質(zhì)也會相對穩(wěn)定,更有利于檢測實驗的開展,而且還可以根據(jù)所選還原劑的不同,制備出粒徑大小不同的金納米顆粒,以進一步滿足檢測要求[7]。

雖然報道的傳統(tǒng)金納米顆?？梢暬瘷z測法已經(jīng)具有便捷快捷的優(yōu)點,但是查閱大量文獻發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有的金納米可視法檢測手段中,一般都至少采用了三個過程來實現(xiàn)對目標物的最終檢測[15],也就是制備——反應(yīng)——檢測。盡管只是多了一步與目標分析物反應(yīng)這個步驟,卻讓制備金納米顆粒的條件變得更加繁瑣,而且在反應(yīng)過程中還不得不人為地引入一些有毒的試劑。基于這一問題,提出了合成、修飾、檢測同時完成的金納米比色法檢測水合肼的新穎檢測方案。水合肼檢測在合成尺寸可控的氨基磺酸(AA)修飾的金納米粒子的過程中同時進行。在此檢測方法中,氨基磺酸作為穩(wěn)定修飾劑,可以防止合成的金納米粒子發(fā)生聚合。與此同時,水合肼不僅作為目標檢測物,還作為還原劑還原氯金酸生成金納米粒。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

本實驗所有的化學(xué)藥品均為分析純級別的試劑,所有的實驗用水都為二次蒸餾水;Lambda 950 型紫外分光光度計;微量移液器(大龍);數(shù)碼相機(佳能)。

1.2 實驗方法

實驗過程中所使用的全部玻璃器皿在實驗前準備的過程中都必須清洗得十分干凈,而且在王水中經(jīng)過浸泡,再用二次蒸餾水進行反復(fù)徹底沖洗干凈,最后還得在防塵的條件下在空氣中進行自然干燥。

在檢測水合肼之前,在1.5 mL的離心管中相繼加入600 μL磷酸緩沖溶液 (2.0×10-3mol·L-1,pH值=7.0),400 μL氨基磺酸溶液(1×10-3mol·L-1)和100 μL氯金酸溶液(2.0×10-3mol·L-1),借助機械混勻設(shè)備完成充分混勻后將混合溶液靜置于室溫下孵化。60 min后,在裝有混合液的離心管中再加入200 μL不同濃度的水合肼,混合均勻。然后用相機記錄顏色變化,并檢測相應(yīng)的紫外可見吸收光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 機理與表征

氯金酸溶液和作為強還原劑的水合肼在沒有穩(wěn)定劑存在的時候,會迅速地發(fā)生氧化還原反應(yīng),這樣就無法控制生成的金納米顆粒的粒徑,無法實現(xiàn)檢測。為了實現(xiàn)可控、可觀察的可視化檢測手段,選擇了氨基磺酸作為穩(wěn)定劑,可以有效地控制生成的金納米顆粒的粒徑,進一步還可以及時阻止金納米顆粒之間發(fā)生聚集[8]。由于氨基磺酸的存在,反應(yīng)生成的金納米顆粒的表面會被氨基磺酸覆蓋,氨基磺酸提供的氨基,可以讓被修飾后的金納米顆粒之間相互排斥,避免了團聚的發(fā)生,暫時控制了水合肼的過量反應(yīng),而隨著水合肼的濃度逐漸增加,被修飾的金納米顆粒依然會發(fā)生不同程度的團聚,金納米顆粒的尺寸也會隨之發(fā)生變化。在實驗中觀察到,反應(yīng)混合液的顏色也逐漸的從無色變到淺紫紅色、紫色,最終到藍色不再發(fā)生變化,相應(yīng)的紫外吸收光譜也發(fā)生了變化:在波長225 nm處逐漸增大,在波長540 nm處逐漸減小。

2.2 條件優(yōu)化

在本實驗體系中溶液顏色的變化是由于金納米顆粒的聚集程度引起金納米顆粒粒徑大小的改變產(chǎn)生的[19]。因此為了獲取最優(yōu)的實驗條件,實驗方案中還對可能會影響到檢測靈敏度的幾個因素逐一進行了優(yōu)化,根據(jù)已經(jīng)報道的文獻經(jīng)驗,選擇了對反應(yīng)溶液的pH值、穩(wěn)定劑氨基磺酸的濃度、預(yù)混合溶液的孵化溫度和預(yù)混合溶液的反應(yīng)時間分別做了優(yōu)化實驗。

2.2.1 pH值

有文獻報道表明反應(yīng)溶液的pH值會影響金納米顆粒的分布狀態(tài),從而導(dǎo)致金納米顆粒粒徑的變化[7],所以本實驗選擇了先對反應(yīng)溶液的pH值進行探討。為了探究pH值對檢測靈敏度的影響,選取了不同 pH值(3.0～9.0,間隔1.0)的緩沖溶液進行測試。實驗中發(fā)現(xiàn)當pH值大于7.0的時候,溶液的顏色會瞬間變成藍色,沒有任何漸變的過程,這對檢測沒有意義。因此本實驗選取的最佳pH值是7。

2.2.2 氨基磺酸的濃度

本實驗選擇了氨基磺酸作為穩(wěn)定劑,這是因為它分子結(jié)構(gòu)中的氨基基團(-NH2)能夠修飾金納米顆粒,得到穩(wěn)定的金納米顆粒,讓整個實驗在可控的前提下進行。因此氨基磺酸的濃度在整個實驗過程中起著主導(dǎo)作用。所以對不同濃度的氨基磺酸(0～4.6×10-3)進行了測試,驗證它對檢測靈敏度的影響,在實驗中發(fā)現(xiàn)當氨基磺酸的濃度為3.1×10-3的時候檢測的靈敏度最高。

2.2.3 預(yù)混合時間

由于反應(yīng)一段時間后,氨基磺酸的氨基和AuCl4-會產(chǎn)生靜電作用,生成的金納米粒子的表面被氨基磺酸覆蓋,進而控制金納米粒子的尺寸,這是有利于檢測的。因此考察了預(yù)混合時間(0～150 min,間隔15 min)對檢測靈敏度的影響,發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的預(yù)混合時間是60 min,超過60 min對反應(yīng)已經(jīng)沒有了明顯優(yōu)勢。

2.2.4 預(yù)混合溫度

反應(yīng)溫度會影響反應(yīng)檢測的靈敏度,因此測試了20～50 ℃范圍內(nèi)溫度對檢測的影響。考慮到操作的便捷性以及檢測適用的范圍,選取了室溫作為檢測溫度。

2.3 可視化檢測水合肼

2.3.1 靈敏度

本實驗方案在最優(yōu)的條件下測定了加入不同濃度肼之后溶液吸光度的變化,然后選擇A540/A225的比值作為定量分析水合肼的標準。這一檢測方法肼的檢測限(LOD)是8.53×10-8mol/L,遠遠低于我國國標中規(guī)定的水源中肼的最高允許濃度6.25×10-6mol/L(中國國家標準GB 18061—2000)。

2.3.2 選擇性

本實驗檢測手段計劃應(yīng)用于環(huán)境水樣中水合肼的測定,因此還需要同時去考察環(huán)境水樣中可能會存在的一些常見的干擾物質(zhì),這些物質(zhì)在進一步的檢測中都將對于肼的測定產(chǎn)生很大的影響,比如重金屬離子以及有機物。實驗結(jié)果顯示這些常見的干擾物質(zhì)對檢測肼的影響可以忽略,說明本檢測方法具有較好的選擇性。

3 結(jié)論

本實驗開發(fā)出一種可靠、實用、經(jīng)濟的基于金納米粒子比色法的一步法檢測水合肼的方法。在這個檢測體系中,可以通過肉眼觀測溶液顏色變化對水合肼進行定性分析,肼的濃度可以通過紫外吸收光譜儀來定量分析。本方法比目前報道過的檢測肼的方法都要簡便,不需要借助復(fù)雜的儀器設(shè)備。因此,本方法可以進一步應(yīng)用于戶外實時實地檢測。