一种比色法检测、富集与分离水环境重金属Hg2+的方法

摘要

本发明公开了一种比色法检测、富集与分离水环境重金属Hg2+的方法，它包括石墨烯-纳米金复合材料的制备、显色剂石墨烯-纳米金复合材料标准溶液的配制、汞离子标准溶液的配备、环境样品的制备、汞离子浓度的比色测定方法、水环境中汞离子的富集与分离等步骤，本方法以上步骤都有相应方法措施进行保障；本发明所涉及的石墨烯-纳米金复合材料比表面积大、吸附能力强、稳定性高、光电性能好，所以分析的灵敏度高、重现性好；显色剂由紫红色变成无色裸眼可视性强；只需0.1μm的微孔过滤膜，通过简单减压过滤即可除去检测试剂和重金属离子，操作简单，无毒无污染，可有效用于实际水样品中重金属汞离子的快速检测、富集与分离。

说明书

技术领域：

本发明属于水环境重金属Hg²⁺检测及分离的领域，具体涉及一种比色法检测、富集与分离水环境重金属Hg²⁺的方法。

背景技术：

重金属离子能对人体产生重要危害甚至致命的危险，特别是对于中枢神经系统，能够引起神经紊乱，鉴于重金属离子能对人体的产生的危害，水环境中重金属离子检测、分离不仅受到化学家、生物学家和环境工作者的重视，而且还受到越来越多的民众的广泛关注。

虽然一些重金属离子在维持人体新陈代谢中起着非常重要的作用，但Hg²⁺、Cd²⁺、Pb²⁺等重金属离子却是对人体百害而无一利的，特别是汞离子。众所周知，汞离子是一种严重危害人体的重金属离子。煤矿、金矿的开采等人类活动和火山爆发、森林大火等自然活动都会造成汞离子的扩散。汞单质很容易通过蒸发扩散到大气中，能随气流穿越大川和海洋，且容易被氧化成汞离子，导致其在植物、水和土壤中积累，汞离子能在海洋生物体内沉淀、积累，通过食物链转移到人体内。大量汞、铬、铅等重金属离子在环境中只能发生形态的转变或者是在不同相之间进行转移，其毒害不仅得不到降低，反而在环境生物链中浓缩、放大，在高级生物体内富集，最终会导致生物体基因突变和生物变异，阻碍生物体正常生长和发育。在国内，仅从2009年至今，就发生了像云南曲靖、河南义马铬渣事件和2012年初广西龙江河镉污染事件等特大重金属污染事件；国际上，震惊历史且被称为四大公害的骨痛病、水俣病、第二水俣病和四日市病，等等，都是由重金属污染事件引发的；重金属污染严重破坏生态环境，威胁着人类的健康。2011年初，国务院正式批复了《重金属污染综合防治“十二五”专项规划》，也是我国出台的第一个“十二五”专项规划，充分说明了重污染造成的危害日益凸显，是当前亟待妥善解决的首要环节问题。

比色分析法因检测费用低、过程简单、操作方便甚至可以通过“裸眼”替代复杂昂贵的仪器直接进行检测等优点，引起了越来越多的科学工作者的重视并投入研究，但普通的有机传感器可能是因为以单分子形式存在，比表面积小、富集力度弱等缘故，其检测灵敏度仍不能满足国际卫生组织（WHO）所规定的健康标准，而且有机比色传感器还存在稳定性低、检测的重现性差，以及粒径小、不易提取、难回收利用、易对环境造成二次污染不足。

发明内容：

为解决已有技术的不足，本发明提供了以下技术方案：

一种比色法检测、富集与分离水环境重金属Hg2+的方法，它包括以下步骤：

（1）、石墨烯-纳米金复合材料的制备：量取8.0mL浓度为5.0mg/mL的氧化石墨烯，置于500mL的烧杯中，加入去离子水稀释到200.0mL，水浴超声30min后，加入20.0ml浓度为0.05mmol/L的氯金酸，搅拌2h；再冰水浴冷却到0-5℃下，滴加1.0mL浓度为3％的水合肼，搅拌反应1h；升温加热至80℃，反应8小时，使氧化石墨烯完全反应成石墨烯，减压抽滤，用去离子水充分洗涤后60℃真空干燥，得到棕黑色石墨烯-纳米金复合材料。

（2）、显色剂石墨烯-纳米金复合材料标准溶液的配制：将上述石墨烯-纳米金复合材料超声分散到去离子水中，配置溶液浓度为2.5×10^-2g·L^-1的石墨烯-纳米金复合材料标准溶液，室温下保存。

（3）、汞离子标准溶液的配备：称取0.2715g氯化汞溶于去离子水，配置成浓度为1.0mmol/L的汞离子标准溶液，室温下保存。

（4）、环境样品的制备：分别量取1000.0mL环境水样（如淠河水、校园地下水及自来水等）各一份，经5μm的微孔过滤膜过滤三次，蒸馏浓缩至10.0mL，室温下保存、待用。

（5）、汞离子浓度的比色测定方法：向10mL的容量瓶依次加入2.5×10^-2g/L的显色剂标准溶液1.0mL、pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液1.0mL，1.0mL浓度为1.0×10^-3mol/L维生素C溶液和1.0mL汞标准样品或环境样品，最后加水定容至刻度线，摇匀，试剂空白作参比，1cm比色皿，545nm波长处测定溶液的吸光度，吸光度差值△A=A₀-A，其中A₀为标准溶液吸光度值，通过回归方程△A=-4.32×10^-4+3.30×10^-4c(10^-8mol·L^-1)，计算得出被分析样品中汞离子的浓度。

（6）、水环境中汞离子的富集与分离：向100.0mL的环境水样中依次滴加2.5×10^-2g/L石墨烯-纳米金复合材料标准溶液5.0mL，pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液5.0mL，浓度为1.0×10^-3mol/L维生素C溶液5.0mL，充分混合后，静置30min使样品中的汞元素完全吸附到石墨烯-纳米金复合材料的表面，再经0.1μm的微孔过滤膜简单过滤，即可出去样品中的汞元素。

所述的步骤（1）中的石墨烯-纳米金复合材料是由石墨烯和氯金酸在冰水浴和80℃加热条件下采用一锅法分步制备的，使得纳米金能够均匀吸附在石墨烯基底上。

所述的步骤（5）中的显色剂石墨烯-纳米金复合材料的标准溶液呈紫红色，并在545nm处有较强的吸收，在汞离子的存在下，逐渐变成无色。

所述步骤（6）中的石墨烯-纳米金复合材料富集-吸附重金属汞离子后，仅需要0.1μm的微孔过滤膜简单过滤，即可除去检测试剂和重金属汞离子，无毒、无污染。

本发明从反应原理入手，讨论了体系的pH值、离子强度、反应时间及共存物质的干扰等影响因素，确定了最佳测试条件：指示剂浓度为2.5×10^-3mol/L,pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液，维生素C溶液为1.0×10^-4mol/L测试的灵敏度最高。在此条件下能排除其他常见金属离子的干扰，汞离子检测的线性回归方程为△A==-4.32×10^-4+3.30×10^-4c(10^-8mol·L^-1)，线性范围5.0～350×10^-8mol·L^-1，相关系数（R）0.9985，检测限1.6×10^-8mol·L^-1，样品中汞离子回收率98.6%～102.4%之间，相对误差（RSD）小于2.6%。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种比色法检测、富集与分离水环境重金属Hg2+的方法，所涉及的石墨烯-纳米金复合材料比表面积大、吸附能力强、稳定性高、光电性能好，所以分析的灵敏度高、重现性好；显色剂石墨烯-纳米金复合材料由紫红色变成无色裸眼可视性强；只需0.1μm的微孔过滤膜，通过简单减压过滤即可除去检测试剂和重金属离子，操作简单，无毒无污染，可有效用于实际水样品中重金属汞离子的快速检测、富集与分离。

附图说明：

图1为（a）石墨烯-纳米金比色传感材料的结构表征的TEM图；（b）紫外-可见吸收光谱图；（c）拉曼光谱图；

图2为石墨烯-纳米金比色传感材料检测、富集与分离水样品中汞离子的示意图；

图3为pH对体系吸光度差值△A的影响；

图4为测试条件下体系的时间扫描曲线；

图5为其他金属离子的响应对比(从上到下依次为Ag⁺,Al³⁺,Ba²⁺,Cd²⁺,Co³⁺,Cu²⁺,Fe³⁺,K⁺,Mg²⁺,Na⁺,Ni²⁺,Pb²⁺,Sr²⁺)及汞离子对石墨烯-纳米金比色传感材料的显色现象；

图6为（a）吸光度随汞离子浓度变化曲线图；（b）吸光度随汞离子浓度变化线性图（c=0,5.0,30,50,70,100,120,150,180,200,250,300,350×10^-8mol·L^-1）；

图7为石墨烯-纳米金复合材料对汞离子及共存离子吸附能力对比图；

图8为（a）石墨烯-纳米金吸附汞元素后的TEM表征图；（b）金元素分布图；（c）汞元素分布图；（d）线扫描图（红色为金元素，蓝色为汞元素）。

具体实施方式：

实施例一

（1）石墨烯-纳米金复合材料的制备

量取8.0mL浓度为5.0mg/mL的氧化石墨烯，置于500mL的烧杯中，加入去离子水稀释到200mL，水浴超声30min后，加入20.0mL浓度为0.05mmol/L的氯金酸，搅拌2h；再冰水浴冷却到0～5℃下，滴加1.0mL浓度为3%的水合肼，搅拌反应1h；升温80℃，反应8h，使氧化石墨烯完全反应成石墨烯，减压抽滤，用去离子水充分洗涤，60℃真空干燥，得棕黑色石墨烯-纳米金复合材料。

复合材料的结构通过SEM，拉曼光谱和紫外光谱等进行结构表征，如图1所示。金纳米均匀的分散在石墨烯表面，粒径为25nm左右；随着纳米金的复合，石墨烯拉曼光谱的D-带峰的相对强度逐渐增强，G-/D-带的强度比逐渐增大，表明了纳米金被稳定在石墨烯的表面(Adv Funct Mater,2011,21,3496-3501)；复合材料在270nm和545nm处有较强吸收，其中270nm为石墨烯的特征吸收，545nm为纳米金的特征吸收，但较文献中自由纳米金的吸收525nm(ChemCommun,2007,1215-1217)红移了25纳米，表明二者具有较强的协同作用(Adv Funct Mater,2012,22,345-352)；

（2）显色剂石墨烯-纳米金复合材料标准溶液的配制

将上述石墨烯-纳米金复合材料超声分散到去离子水中，配置溶液浓度为2.5×10^-2g·L^-1的石墨烯-纳米金复合材料标准溶液，室温下保存，使用时稀释到所需的浓度；

（3）汞离子标准溶液的配置

称取0.2715g氯化汞溶于去离子水，配置成浓度为1.0mmol/L的汞离子标准溶液，室温下保存；

（4）环境样品的制备

分别量取1000.0mL环境水样（如淠河水、校园地下水及自来水等）各一份，经5μm的微孔过滤膜过滤三次，蒸馏浓缩至10.0mL，室温下保存、待用；

（5）实验条件的优化

从反应原理入手（见附图2），讨论了体系的pH值（见附图3）、反应时间（见附图4）及共存物质的干扰（见附图5）等影响因素，确定了最佳测试条件：指示剂浓度为2.5×10^-3mol/L，pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液，维生素C溶液为1.0×10^-4mol/L测试的灵敏度最高；在此条件下排除其他常见金属离子的干扰，汞离子检测的线性回归方程为△A==-4.32×10^-4+3.30×10^-4c(10^-8mol·L^-1)，线性范围5.0～350×10^-8mol·L^-1，相关系数（R）0.9985；

（6）汞离子浓度的比色测定方法

向10mL的容量瓶依次加入浓度为2.5×10^-2g/L的显色剂标准溶液1.0mL、pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液1.0mL，1.0mL浓度为1.0×10^-3mol/L维生素C溶液和汞标准样品或环境样品1.0mL，最后加水定容至刻度线，摇匀，试剂空白作参比，1cm比色皿，545nm波长处测定溶液的吸光度，吸光度差值△A=A₀-A，其中A₀为标准溶液吸光度值，通过回归方程为△A=-4.32×10^-4+3.30×10^-4c(10^-8mol·L^-1)，计算得被分析样品中汞离子的浓度。

该方法成功的用于对环境水样品中汞离子的检测，结果见附表1。样品中汞离子的检测限为1.6×10^-8mol·L^-1，回收率98.6%～102.4%之间，相对误差（RSD）小于2.6%。

表1体系对合成试样的检测结果(n=5)^a

a.PB,pH4.0.

b.The environmental water Hg²⁺ concentration determined using G-AuNPs with theproposed method.The real values are the table values×10^-2 nmol·L^-1 for the detectedwater samples were concentrated 100 times.

（6）水环境中汞离子的富集与分离

向100.0mL的环境水样中，依次滴加石墨烯-纳米金复合材料标准溶液5.0mL，pH值为4.0的混合磷酸盐缓冲溶液5.0mL，浓度为1.0×10^-3mol/L维生素C溶液5.0mL，充分混合后，静置30min使样品中的汞元素完全吸附到石墨烯-纳米金复合材料的表面。如附图7所示，经混合后，水样品中高达94%的汞离子被纳米复合材料吸附；如附图8所示，吸附后的汞元素全部附着在金纳米离子上，即金纳米对汞元素具有极强的选择性吸附能力；最后，经过0.1μm的微孔过滤膜简单过滤，即可达到除去重金属汞离子和回收检测试剂的目的，无毒、无污染。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本方法的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，所属技术领域的技术人员应该明了，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。