（分析化学专业论文）光散射技术检测环境中痕量重金属离子.pdf

中文摘要 曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼! 曼! 曼曼曼! 皇曼曼曼鼍寡。i m i m i 一一1一一i i 曼蔓! 曼! 曼曼曼! 曼曼蔓曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼舅鼍 光散射技术检测环境中痕量重金属离子 分析化学专业硕士研究生朱进 指导教师谭克俊副教授 摘要 本文对共振光散射分析技术及其应用进行了阐述，重点综述了其在检测重金属离子方面 的应用。本文利用两种具有相反电荷的离子或离子团通过静电和疏水等作用形成离子缔合体， 导致共振光散射强度显著增强，建立了测定环境样品中c u ( i i ) 和c r ( v 1 ) 的新方法，进一步拓 展了共振光散射光谱法测定重金属离子的研究领域。此外，我们还利用纳米金为载体，其表 面的有机小分子和h g ( i i ) 作用，引起纳米金聚集，导致局域表面等离子体共振光散射强度明 显增强，建立了h g ( i i ) 检测的新方法。主要研究内容为： ( 1 ) 在弱酸性条件下，c u ( i i ) 与l ，l o 菲略啉形成稳定的无色螯合物，它能与曙红y 形成 三元离子缔合物，导致3 7 0n m 处的r l s 强度显著增强。本文研究了体系的r l s 光谱、影响 因素、适宜的反应条件等。在选定的最佳反应条件下，体系线性回归方程为刖屯s = 9 2 + 8 3c ( c 单位为n g m l ) ，线性范围为1 0 4 1 2 7n g m l ，方法的检出限( 3o ) 为1 0n m l ，建立了r l s 分析技术测定痕量c u ( i i ) 的分析方法。 ( 2 ) 实验发现c r ( v i ) 在强酸条件下具有强氧化性，能氧化i 一产生1 2 ，1 2 和过量i 一形成的1 3 一 会与带正电的盐酸小檗碱( b h ) 结合为离子缔合体。本文研究了b h i 一一c r ( v i ) 离子缔合体系 的r l s 光谱、影响因素以及适宜的反应条件等，选择最佳的实验条件下，c r ( v i ) 浓度和3 7 8n m 处的r l s 强度在o 2 3 6g m o u l 之间呈良好的线性关系，线性方程为：刎h s = 1 3 4 + 9 9 5 3c ( c 单位为g m o l l ) 。检测限( 3 0 r ) 为1 2n m o l l ，建立了一种测定c r ( v 1 ) 的r l s 光谱法，并用于 样品中c r ( v i ) 的测定，结果满意。 ( 3 ) 在p h9 ob r 广泛缓冲条件下，微量h g ( i i ) 能诱使巯基乙酸钠包铍的纳米金聚集，在 5 4 8n m 处产生纳米金的局域表面等离子体共振光散射峰，其强度与h g ( i i ) ( 0 0 8 0 8p m o l l ) 浓度之间有较好的线性关系。线性方程为出l s p r = 0 0 4 + 4 0 9 3c ( c 单位为g m o l l ) ，检测限 ( 3o r ) 为1 0 3n m o i l 。p e g 2 0 0 0 0 保护聚集的纳米金可使体系的稳定性提高。该方法简单、快速、 灵敏。 关键词：共振光散射局域表面等离子体共振光散射c u ( i i ) c r ( v i ) h g ( i i ) 两南大学硕十学位论文 d e t e r m i n a t i o no ft r a c ea m o u n t so fh e a v y i o n s t he n v i r o n m e n tb ylightmetalsi nt h ee n v i r o n m e n tl a yl s c a t t e r i n gt e c h n i q u e m a jo r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y p o s t g r a d u a t e ：j i nz h u s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rk ej u nt a n a bs t r a c t i n t h i sp a p e r ，r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ( r l s ) a n a l y s i st e c h n i q u ea n di t sa p p l i c a t i o nw e r e d e s c r i b e d i tw a sf o c u s e do nt h ea p p l i c a t i o n so ft h ed e t e c t i o no fh e a v ym e t a li o n s o nt h eb a s i so f p r e v i o u sw o r k ，n e wm e t h o d st od e t e r m i n et h ec u ( i i ) a n dc r ( v i ) i ne n v i r o n m e n t a ls a m p l e sw e r e e s t a b l i s h e db a s e do nt h ee n h a n c e dr l si n t e n s i t yo fi o n - a s s o c i a t ec o m p l e xw h i c hf o r m e dw i t ht w o o p p o s i t ek i n d so fi o n sb ye l e c t r o s t a t i ca n dh y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n sa n d f u r t h e re x p a n d e dt h e r e s e a r c hf i e l do f r l st e c h n i q u ed e t e r m i n a t i o no fh e a v ym e t a li o n s i na d d i t i o n ，g o l dn a n o p a r t i c l e s g o ta g g r e g a t e do w i n gt os m a l lo r g a n i cm o l e c u l e si n t e r a c t e dw i t hh g ( i i ) o ni t ss u r f a c e ，a n dl o c a l i z e d s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( l s p r ) s c a t t e r i n gi n t e n s i t yr e m a r k a b l ye n h a n c e d a ss u c h ，an e w m e t h o do fr i g ( i i ) d e t e r m i n a t i o nw a se s t a b l i s h e d m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) ar l sd e t e c t i o nm e t h o df o rc u ( i i ) h a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nt h ee n h a n c e dr l ss i g n a l s a t37 0a mf r o ml ，10 一p h e n a n t h r o l i n eb yc u ( i i ) w i t ht h ep r e s e n c eo fe o s i nyi na c i d i ca q u e o u s m e d i u m t h ee n h a n c e dr l ss i g n a li n t e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc u ( i i ) i nt h e r a n g eo f10 4 12 7n g m l t h el i n e a re q u a t i o ni sa r l s = 9 2 + 8 3c ( c ，n g m l ) t h el i m i to f d e t e c t i o n ( l o d ) ( 3o ) i s1 0n g m l t h ea c i d i t yo fs y s t e m ，i o n i cs t r e n g t ha n do t h e rf a c t o r sh a v eb e e n i n v e s t i g a t e d t h em e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no f t r a c ea m o u n t so fc u ( i i ) i nt a p w a t e ra n dr i v e rw a t e r t h er s di sl e s st h a n3 0 ( 2 ) i nt h es t r o n ga c i d i cc o n d i t i o n s ，c r ( v i ) w i t hs t r o n go x i d i z a b i l i t yc o u l do x i d i z ei - i n t o1 2a n d r e s u l ti n1 3 一f o r m a t i o ni np r e s e n c eo fe x c e s s i v er ar l sd e t e c t i o nm e t h o df o rc r ( v oh a sb e e n d e v e l o p e db a s e do nt h ee n h a n c e dr l ss i g n a l sa t3 7 8n mf r o mi o n a s s o c i a t ec o m p l e xb y1 3 一w i t ht h e p r e s e n c eo fb e r b e r i n eh y d r o c h l o r i d e ( b h ) i nt h eo p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，t h ee n h a n c e d i i a b s t r a c t r l si n t e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fc r ( v i ) i nt h er a n g eo f0 2 3 6i ，t m o l lw i t h t h ed e t e c t i o nl i m i t ( 3 d ) o f1 2n m o l l t h el i n e a re q u a t i o ni s 瓠l s = 1 3 4 + 9 9 5 3c ( c ，l a m o l l ) t h i s m e t h o dh a sb e e na p p l i e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no fc r ( v i ) i nt h ew a t e rs a m p l e sw i t hs a t i s f a c t o r y r e s u l t s ( 3 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so fp h9 0b - rb u f f e r , t r a c eh g ( i i ) i n d u c e dm e r c a p t o a c e t i ca c i d - c o a t e d g o l dn a n o p a r t i c l e st oa s s e m b l e ，a n dl s p rs c a t t e r i n gi n t e n s i t ya t5 4 8n mr e m a r k a b l ye n h a n c e d p e g 2 0 0 0 0w a su s e dt op r o t e c tt h e a g g r e g a t i o n o fg o l d n a n o p a r t i c l e s t h ee n h a n c e dl s p r s c a t t e r i n gi n t e n s i t yi sp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no fh g ( i i ) i nt h er a n g eo f0 0 8 0 81 t m o l l t h el i n e a re q u a t i o ni sa l s p r 20 0 4 + 4 0 9 3c ( c ，斗m o v l ) t h el o d ( 3 9 ) i s1 0 3n m o l l t h el s p r a n a l y s i st e c h n i q u eo fd e t e r m i n a t i o no ft r a c eh g ( i i ) h a sb e e nd e v e l o p e d t h em e t h o dw a ss i m p l e ， f a s ta n ds e n s i t i v e k e yw o r d s ：r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ，l o c a l i z e d s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c el i g h t s c a t t e r i n g ， c u ( i i ) ，c r ( v i ) ，h g ( i i ) i i i 缩写符号对照表 i v 缩写符号对照表 英文名称 中文名称缩写符号 c e t y l t r i m e t h y l a m m o n i u mb r o m i d e 十六烷基溴化胺 c t a b t e t r a p r o p y la m m o n i u mb r o m i d e四丙基溴化铵t p a b t e t r a d e c y lp y r i d i n i u mb r o m i d 溴化十四烷基吡啶t p b h u m a ns e r u ma l b u m i n b o v i n es e r u ma l b u m i n a m m o n i u mm o l y b d a t e c h i o r o p h e n o lr e d 人血清白蛋白h s a 牛血清白蛋白 b s a 钼酸铵 氯酚红 a m c r p o l y v i n y la l c o h o l 1 - ( 2 一吡啶偶氮) - 2 一萘酚p a n 1 ( 2 t h i a z o l y l a z o ) 2 一n a p h a t h o l 1 - ( 2 一噻唑偶氮) - 2 萘酚t a n n ，n - b i s ( 2 a m i n o p h e n y l ) o x a m i d en n - 双( 2 一氨基苯基) 草酰胺 n a p o 研- n i t r o p h e n y l a z o - 2 a m i n o t h i a z o l e 间硝基苯基一2 - 噻唑 m n p a a t d i t h i z o n e 11 - m e r c a p t o u n d e c a n o i ca c i d c a l s e q u e s t r i n m e r c a p t o p r o p i o n i ca c i d 双硫腙 d z 巯基十一酸 m u a 隐钙素 巯基丙酸 2 , 6 - p y r i d i n e d i c a r b o x y l i ca c i d2 , 6 - 吡啶二羧酸 s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e b e r b e r i n eh y d r o c h l o r i d e 扫描电镜 c s q m p a p d c a s e m 盐酸小檗碱 b h 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中引用他人已 经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。不存在抄袭、伪造等学术不良行为所获 的相关内容。对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确说明 并表示衷心感谢。对本文所呈内容由本人负全部学术责任。 学位论文作者： 笨盟 签字日期： 汐j 0 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权两南大学研究生院 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作 签字日期： 学位论文作 工作单位： 通讯地址： 者貉浮y 日砂f o 年6 月l y 日 者毕业后去向：。 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 日 第1 章绪论 第1 节光散射现象概述及相关理论 1 1 光散射现象概述 俗语“朝霞不出门，晚霞行千里 是指，当我们看到早晨出现鲜红的朝霞， 就要少出门，因为大气中水滴已经很多，预示天气将要转雨；如果是火红色或金 黄色的晚霞，则可放心出远门，因为西方已经没有云层，阳光才能透射过来形成 晚霞，预示天气将要转晴。这是由于太阳在地平面以下时，阳光无法直接到达地 面，但是它能照亮地面以上的大气层并与其作用，重新向四面八方散射丌来，使 天空明亮，形成朝霞或晚霞。我们把自然界中类似的现象通称为光散射现象。 光散射是指一束光通过介质时部分光会向四面八方散射开来的现象。当光通 过介质时，介质粒子的电子在光电磁波的电场振动下，以一定的频率作强迫振动， 使得这种粒子形成偶极振子。根据电磁理论，这种振动的偶极子是一个二次波源， 会重新向各个方向发射出电磁波，即产生散射光。光散射与介质粒子的均匀程度 密切相关【5 】。真空无介质，不能产生振动的偶极子，不能产生光散射现象。在纯净 的均匀介质中，偶极子的次级辐射波因干涉而相互抵消，也无光散射现象。但均 匀介质由于外界条件的影响使其内部产生局部的密度涨落或者介质本身是光学不 均匀时，次级辐射波不能抵消，能产生光散射现象。 1 2 光散射的分类 光散射主要有以下三种分类方式：根据散射粒子的大小，光散射可分为：反 射和折射，丁达尔( t y n d a l l ) 散射，分子散射( 且 j r a y l e i g h 散射) 。根据信号检测方向 与激发光传播方向之间的夹角大小，光散射可分为：前向散射，直角散射，后向 散射。根据入射光波长( 凡) 和散射光波长( 兄s ) 的不同，光散射可分为：弹性光散射， 准弹性光散射，非弹性光散射。 1 3 共振光散射技术及定量基础 共振光散射( r e s o n a n c el i g h ts c a t t e r i n g ，简称r l s ) 是激发波长等于发射波长的 弹性光散射。r l s 技术，是一项只需使用普通荧光分光光度计就可获得目标物光散 射信号的分析技术【1 】。不需要使用激光光源，在普通的荧光分光光度计上选择合适 的激发和发射狭缝，采用相等的激发和发射波长同时扫描激发和发射单色器所得 的同步光谱，就是r l s 光谱【2 5 j 。r l s 强度与入射光波长、散射粒子尺寸、散射粒 两南大学硕十学付论文 子浓度以及溶液折射率等因素有关。黄承志等5 1 认为r l s 主要涉及到共振r a y l e i g h 散射，但还有部分荧光和动态光散射、d y n d a l l 散射，其成分的多少取决于激发与 发射光波长、散射粒子的大小和仪器的狭缝宽度等。 等波长入射光激发散射粒子时产生散射光，因此散射粒子实际上是能发射出 与激发光波长相等的新发光体，故r l s 信号属于同步发光。由同步发光方程可推知： 当4 兄= 0 时，即得r l s 强度p 5 j ： r l s = k c b e e x ( 九x ) 邑m ( 久x ) ( 2 ) 或1 r l s = k c b e e 。( 九m ) 层m ( 九m )( 2 ) 式中最s l 是共振光散射强度，丘x 是在给定激发光波长处( 九x = 九m ) 的激发函数， 层m 是在对应的发射光波长处( k = 如) 的发射函数，k 是与仪器条件常数有关的常 数，b 是液池厚度。即在仪器条件一定时，r l s 强度与散射粒子的浓度( f ) 成正比， 这就是散射粒子定量测定的基础【3 5 j 。 r l s 光谱法与其它的光谱法相比所用仪器简单、操作简便、分析速度快、灵敏 度高及应用广泛。近年来，r l s 分析技术持续发展，已经研究和分析了生物大分子 6 - 1 0 】、药物1 1 16 1 、纳米材料n 7 1 9 1 及环境中的污染物2 0 4 6 1 等。在环境分析方面，r l s 分析技术已广泛应用于无机阴离子【2 0 2 8 1 ，表面活性剂2 9 3 4 1 ，有机小分子【3 5 3 7 1 ，以 及金属离子【4 2 9 7 1 等的检测。特别地，重金属离子的分析测定是环境分析的重要组 成部分。 1 4 共振光散射( r l s ) 分析技术应用于环境中重金属离子检测 重金属通常是指密度在5 0 以上的4 5 种元素或密度4 0 以上的约6 0 种元素，一般 都是过渡元素，如镉、汞、金、银、铜、铅、铁等。重金属污染发生在大气、水 体和土壤中，当人们通过食物链转移吸收这些元素后，它们或直接沉积于人体内， 或与人体中的蛋白质及酶等发生强烈的相互作用形成毒性更强的产物。当积累到 一定量时，就会得病，严重时无法治愈，导致死亡。所以重金属离子的测定是环 境化学工作者的重要任务，目前测定的方法主要有冷原子吸收法、荧光法、分光 光度法等【3 8 训1 。这些方法要么测定的精密度较差，需要昂贵的仪器；要么试剂配 制复杂，需要进行萃取，操作繁琐，干扰多，灵敏度不高。r l s 技术是近十多年来 发展起来的一种灵敏的分析技术，利用其测定重金属离子的研究论文也与日俱增。 1 9 9 5 年刘绍璞等在研究阳离子染料一阴离子一金属离子体系中发现，逐点 扫描染料在太m = 九k 2 和九m = 2 疋。处的散射光强度，可以获得较弱反二级散射( a d s ) 和二级散射( d s ) ，但当这些染料与阴离子和金属离子相互作用时，a d s 和d s 散射 2 第1 章绪论 强度大大提高，从而建3 _ 立- t a d s 和d s 光谱法测定纳克级h g ( i i ) 1 4 6 1 、s e ( i v ) h7 j 的分 析方法。1 9 9 6 年，刘绍璞等【4 9 】又发表了两篇和离子缔合物二级散射光谱相关的 论文。其一是h g ( i i ) 一硫氰酸盐一罗丹明染料体系，文中第一次对反应机理做了 初步讨论，他们认为离子间的静电引力，大离子的疏水作用力导致分子间发生电 荷转移，形成离子缔合物，使a d s 矛i i d s 光谱发生变化。另一篇是h g ( i i ) 一硫氰酸 盐一维多利亚蓝4 r 体系，比较了该体系的d s 、a d s 和r l s 光谱，认为d s 的信号强 度弱于后面两种，灵敏度较低，而r l s 和a d s 的信号强度相近，灵敏度大大高于常 用的荧光光度法。r l s 光谱更简单，使用更方便。随着r l s 光谱法理论深入及应用 广泛，离子缔合新体系层出不穷，现将部分测定重金属离子的研究工作列于表1 1 ： 表i i 共振光散射法检测重金属离子 i 一结晶紫 c d 2 + i 一乙基紫 c d 2 + i 一甲基紫c d 2 + i 一亮绿 i 一孔雀绿 l 一r h o d a m i n eb i 一- e t h y l r h o d a m i n eb i 一- b u t y l r h o d a m i n eb i 一一r h o d a m i n e6 g i 一结晶紫 i 一甲基紫 i 一罗丹明6 g i - c 1 a b i - t p b l 一结晶紫 i - b t c i 一- 罗丹明6 g i - c t a b i 一罗丹明b r c t a b i 一c t 久b c d 2 + c d 2 + c d 2 + c d 2 + c d 2 + c d 2 + c d 2 + p b 2 + p b 2 + p b 2 + p b 2 + h 9 2 + h 矿+ h 矿 a 矿 a 矿 c u 2 + p d 2 + 5 3 5 5 5 2 5 3 0 3 4 0 3 4 0 6 1 0 6 1 0 6 1 0 5 8 5 5 4 2 3 2 7 3 1 5 4 4 0 3 0 8 5 1 0 3 9 0 3 2 0 4 4 0 3 3 1 5 4 4 0 4 4 0 8 0 6 0 6 0 1 0 0 1 0 0 4 0 4 0 4 0 4 0 4 3 3 0 0 2 4 0 6 0 0 4 0 0 2 4 0 3 6 0 6 0 0 2 0 0 0 6 0 0 5 0 0 0 6 3 0 3 5 o 8 7 1 8 0 2 0 0 1 2 1 2 4 1 2 6 0 6 0 2 l 0 6 0 0 3 5 0 7 4 0 7 8 1 3 6 5 o 2 o 5 o 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 1 5 1 5 l 3 观 躬 钳 钌 卯 强 弱 印 们 酡 两南大学硕十学位论文 i - c t a b bi3+4406 0 036 4 i _ 罗丹明bc ，4 2 0 5 0 0 2 26 5 i - 罗丹明6 g c r 6 +6 1 0 3 5 03 16 6 i - 罗丹明bc ， 6 2 5 6 4 01 6 61 06 7 i 一罗丹明6 g cr6+4001 0 4o 5 2 6 8 l 一吖啶橙 c r 6 +5 7 04 8 0 3 86 9 l 一健那绿 c r 6 +5 3 7 8 2 0 02 07 0 i 一藏红tc ，5 9 6 3 2 04 0 7 1 i 一淀粉c ， 2 9 04 0 06 7 7 2 s c n 一罗丹明b h 9 2 + 6 1 56 00 3 8 7 3 s c n 一罗丹明b三苯基锡 3 2 9 23 0 0 0 5 27 4 s c n 一h s a z n 2 +6 0 01 0 0 0 1 57 5 邻菲罗啉赤鲜红h 9 2 + 5 8 0 1 2 00 4 17 6 邻菲罗啉曙红y h 9 2 + 5 7 01 2 00 4 9 7 6 邻菲罗啉乙基曙红 h 矿 5 7 98 00 5 5 7 6 邻菲罗啉荧光桃红 n g + 5 8 06 0 0 5 47 6 邻菲罗啉虎红h 9 2 + 5 9 02 0 0 0 3 87 6 邻菲罗啉溴酚蓝 c d 2 + 6 3 83 2 0 04 57 7 鸽酸盐一罗丹明 r h 3 +6 2 0o 3o 0 0 27 8 从表中可以看出，离子缔合物大概可以分为两类。其一是金属离子阴离子一 阳离子染料体系，在酸性介质中，h g ( i i ) 、p b ( i i ) 等能与过量的i 一或s c n 一等阴离 子形成络合阴离子，其再与阳离子染料或阳离子表面活性剂形成离子缔合物，引 起共振光散射信号增强【5 “7 5 】，均能得到较宽的线性范围和纳克级的检测限。由于 离子缔合物具有疏水性，常用表面活性剂增加离子缔合物的亲水性，改善体系的 稳定性。其二是金属离子一中性小分子二阴离子染料体系，以弱酸性介质为主， h g ( i i ) 、c d ( i i ) 等能与过量的邻菲罗啉形成金属鳌合阳离子，当其与阴离子染料 形成离子缔合物时，共振光散射强度急剧增强【7 “7 7 1 。大部分文献中都使用了i 一 和重金属离子络合，这可能是因为碘络合物的稳定常数高，络合比大，和染料的 静电作用强等。研究c r ( v i ) 和i 一的作用文献也很多，c r ( v i ) 和i 一的作用有两种观点， 大部分人认为c r ( v i ) 氧化r 形成1 3 - 6 7 7 0 】，还有少部分研究者认为c r ( v i ) 和i 一形成 大的络合离子m j ，但这两种观点都缺少实验证明。 在其余检测重金属离子的体系中，一般是用表面活性剂做稳定剂，无机小分子 ( s 2 _ 、重铬酸钾等) 或有机小分子和金属离子作用形成大的聚集体，引起散射明显增 4 第1 章绪论 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼n ； - - - - 一1 一ii i 一一一 ； ；一一一一皇皇蔓毫曼皇曼曼 强。大部分文献表明重金属离子的检测限能达到纳克级。如果要求体系选择性好， 灵敏度有所提高，可能需要合成新的有机试剂，但现在的趋势是，合成的荧光试 剂和显色试剂较多，而散射探针很少。表1 2 为部分研究工作： 表1 2 共振光散射法检测重金属离子 两南大学硕十学位论文 1 5 小结 由上可见，带相反电荷的离子或离子团之间通过静电引力、疏水作用力和电 荷转移等作用所形成的离子缔合物或大的聚集体能够产生强烈的r l s 信号，据此可 用于重金属离子的检测，线性范围宽，灵敏度高。本文用r l s 分析技术对c u ( i i ) 及 c r ( v i ) 所形成的离子缔合物作了新的探索，并扩展了其应用领域。l ，1 0 菲咯啉一 曙红y c u ( i i ) 体系及b h i 一一c r ( v i ) 是在水溶液中无颜色变化或颜色变化很小 的离子缔合体系，用分光光度法和荧光法难检测到，r l s 法显示了独特的优越性。 故此探索共振光散射分析技术在环境分析，尤其是重金属离子的分析应用是很有 价值的工作。但是部分实验现象还不能得到满意的解释，有些反应机理还不太清 楚，需要我们进一步研究。 6 第1 章绪论 第2 节金属纳米粒子的局域表面等离子体共振 2 1 纳米粒子简介 纳米粒子也称为超微粒子，山数量不多的原子或分子组成。其尺寸一般介于1 1 0 0n m 之间，是在原子簇和亚微米粒子之间的过渡区域。周期表中第3 族到第1 2 族是过渡金属元素，包括银、金、铁等，它们具有优良的导电性和极佳的抗化学 腐蚀性，是纳米材料中常用的重要元素：2 0 世纪8 0 年代两个值得一提的发现发明 之一就是金属纳米粒子的获得。1 9 8 4 年，德国萨尔兰大学物理学家格莱特采用金 属蒸发凝聚一原位冷压成型法，成功研制了金属纳米粒子。由于其尺寸接近光的 波长和电子的相干长度，金属纳米粒子具有量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效 应和宏观量子隧道效应等特有的性质，表现出与宏观物质显著不同的熔点、导热、 磁性、光学、电学以及化学性质。其中金属纳米粒子的局域表面等离子体共振引 起了世界各国科学家浓厚的研究热情。 2 2 局域表面等离子体共振 当光以一定角度照射到金属膜表面上发生全反射时，光波在介面处的电场强度 并不为零，而是有部分光波进入光疏介质，在金属膜介面处的电场强度呈指数衰 减，形成消失波( 消失波的有效深度为2 0 0n m ，其大部分能量分布于金属表面的 一个光波长以内) 。金属膜表面自由电子在光照射时被激发，引起电荷密度的局 部不均，产生静电回复力，促使电荷在金属膜表面振荡，形成等离子波。带正电 的金属离子和振荡的自由电子还有一些中性的原子和分子组成等离子体。如果金 属膜的厚度小于消失波的有效深度，消失波在金属与光疏介质的界面处还起作用。 此时表面等离子体产生的等离子波与消失波在z 轴方向的分量相同，二者发生能 量耦合，产生共振，称为表面等离子体共振叫( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 。 如图l ，由不连续的纳米粒子表面自由电子集体受迫振动形成的共振称为局域表面 等离子体共振( l o c a l i z e ds u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，l s p r ) 。形成此共振的条件为： 纳米粒子的粒径要远小于入射光波长，其表面等离子体振荡频率与入射光频率相 同。共振大大增强了纳米粒子表面的局域电磁场，展现出强烈的局域表面等离子 体共振( l s p r ) 吸收【l 2 】；同时振荡电荷会辐射出与其自身频率相同的电磁波，这 种再辐射出光的现象就是金属纳米粒子的局域表面等离子体共振( l s p r ) 散射 【l 2 8 】。下面我们以金纳米粒子为例介绍l s p r 吸收和散射。 彗窒奎耋璧圭茎堡耋圣 凰1 球形离子的局域表面等离子体共振示意围【2 _ 2 】 2 _ 3 金纳米粒子( g o mn a n o p a r t i c l e s ，a u n p 曲的局域表面等离子体共振( l s p r ) 吸 收和散射 台成球形a u n p s 的经典方法是柠檬酸三钠还原法p ”，柠檬酸三钠既是还原剂 也是包被荆。a u n p s 表面羧基具有亲水性，使a u n p s 形成较为稳定的胶体溶液。改 变柠檬酸三钠和氯金酸的浓度比可以得到不同粒度大小的溶胶，都呈现鲜明的颜 色。a u n p s 溶液的颜色受到局域表面等离子体共振的制约，由其粒径或聚集程度决 定。如较小的单个纳米粒子表现出酒红色，而较大的或者较小粒子的聚集体的颜 色从紫色到深蓝。球形a u n p s 由于其具有对称性，它们的l s p r 吸收光谱比较简单。 近年来的研究表明，a u n p s 粒径与l s p r 最大吸收峰波长有关，通过测定a u n p s 的 l s p r 吸收，可吼根据经验公式计算其粒径”刊。当环境发生改变时，a u n p s 发生聚 集，使溶液颜色由红色到紫色运渐变为蓝色，这是由于粒子之间距离不同产生的 表面等离子体共振耦合不同，导致l s p r 吸收和散射光谱发生显著的变化。根据 a u n p s 聚集后的颜色变化，m i r k i n 等【7 1 最先在n a t u r c 上发表了基于a u n p s 标记d n a 的比色分析法。随后基于a u n p s 的比色分析法和吸收法被广泛的应用于d n a 】、 蛋白质“o l 、重金属离子( i 4 1 和癌细胞9 哗的分析测定中。 和吸收法相比，l s p r 散射分析技术近几年才开始应用。l s p r 教射是a u n p s 的又一个重要光学性质。l s p r 散射信号强度远远丈于荧光染料的荧光，如3 1 0 5 个荧光素分子发射的荧光强度和一个6 0n m 的纳米金的散射强度相当口】。a u n p s 具 有光散射特性、易标记以及不会光漂白，是优赶的光散射纳米探针。外界条件的 改变使金纳米粒子聚集，l s p r 敷射信号会明显增强，据此己用于d n a ! 、药蜊、 金属离于 s 3 - 5 ”| 三l 及蛋白质菩的分析检测。综上所述，基于a u n p s 的l s p r 吸收和 散射的分析检测技术将在分析化学中具有广阔的应用前景。下面主要介绍这一技 术在金属离子分析测定中的应用。 2 4a e n p s 的l s p r 吸收和散射光谱在金属离子分析检测中的应用 2 4 1a e n p b 的l s p r 吸收在金属离子分析检测中的应用 r _ n r ” - 。：驽。 田21 5 - 冠嚏修饰纳米盒检谢一示毒田川 在a u n p s 表面修饰一些小分子( 冠醚、半胱氨酸和巯基丙酸等) ，得到鲜红色 单分散的金溶胶。金属离子与这些小分子作用后可导致a e n p s 聚集溶液颜色发 生显著变化同时伴随着吸收光谱的变化，由此建立了检测金属离子的色度法和 吸收法。a u - s 键修饰a u n p s 是常用的方法之一。图2 为l i n 等嗍测定x + 的示意 图，在a u n p s 的表面通过a u - s 键修饰上1 5 冠醚，利用k 十能与1 5 冠醚形成三明 治结构的配合物可选择铡定r ，检测的最低浓度可以达到7 6p m o l l 。 一； 1 + 一常i ! _ ：墨_ 一 ，瑶 一皇 时一i t e j “e 一c u 2 p - - 一一 鲴3 半腱蠹秘修饰纳米盍检测c 一示意图h 半胱氨酸分子中含有巯基，易和a u n p s 作用，也是常用的包被剂之一。如图3 所示，y a l 礴 4 3 l 制备了半胱氨酸修饰豹a u n p s 作为选择测定c u 2 + 的色度传感器， 可检测到1 0 岫o l t 的c u 2 + 。 一， 仆妒 田4 殪基丙酸和赢胱氨醋修饰纳米金检测h f + 示意朋 早在2 0 0 1 年，k i m 等口”研究了巯基十一酸修饰的a u n p s 和多种金属离子作用引 起吸收和非线性散射的变化，但是对p b 2 + ，c d h h 9 2 + 等都有响应，选择性差。而 在2 0 0 7 年，h 峨等咧在巯基丙酸修饰a i d 开s 中加2 ，6 二羧基嘧啶，可以高选择测 定h 一，检测限达到1 0 0n m o l f l 。但线性范围较窄，和其他方法相比还不够灵敏。 t a n 等口”用浊点萃取法解决了这一问题。用巯基丙酸和高胱氨酸修饰粒径为4 n m 的 a u n p s ，单加入2 ，6 - 二羧基嘧啶时，溶液都是分散的小粒径a u n p s ，不能被t x i 1 4 相萃取，下层为无色；当同时加入h 矿+ 时，a u n p s 表面的亲水基团和h g z + 作用，降 低了其亲水性，能被t x 1 1 4 相萃取，下层为红色，根据下层溶液的颜色变化，吸 收发生改变，可以高灵敏检测h 矿，检测的最低浓度达到1 0a m o l l ( 如图4 ) 。这 篇文章同时解决了高灵敏和高选择性测定h 矿的问题，提供了一种测定其他金属 离子的通用思路，为今后的研究工作开辟了新的视野。 除了以上这些含硫小分子外，很多研究者还合成了其他含硫小分子修饰的 a u n p s ，对金属离子的选择性好，灵敏度高。由于重金属离子的毒性效应，寻找对 重金属离子选择性好，易合成的小分子，并且易修饰在a u n p s 上，可实现方便快捷 检测低浓度的重金属离子这是今后研究工作的趋势之一。 铅是一种强神经毒性重金属元素因而受到很多关注。特别是d n a 酶和p b 2 + 特异性作用匕【及a u n p s 鲜明的颜色变化，引起研究者对二者联用的兴趣，发展了 一种检测p 旷的色度法。2 0 0 3 年，l i u 等旧在ja mc h e m $ o e 上发表了一篇d n a 酶一p b 2 + 一a u n p s 检测p 旷的文献。如图5 ，a 图有两条链，上面一条是底物链， 含有一个易断裂的r n a 的腺苷( r a ) ，下面一条是催化链抽图表示在催化链和p b 2 + 作用下底物链在r a 处断裂。c 图中，a u n p s 表面修饰上含巯基的d n a 链，底物 链两端连接和修饰在a u n p s 上的d n a 链完全互补的序列。二者混合时由于部 分d n a 链互补，a u n p s 聚集，显蓝色；当有催化链和p 酽+ 时，底物链断裂，a u n p s 第1 章绪论 处于分散状态，显红色，颜色发生明显变化，可用肉眼观察，用分光光度法检测 到0l 4i a n o l l 的p b 2 + 。此方法选择性好灵敏度高，但需要标记操作较复杂。 w a n g 等【，”在2 0 0 8 年又报道了免标记可视化测定p b 2 + ，检测限达到了3n m o f l 。 p b 2 + 切断的d n a 链的原理和图5 - b 相同。d n a 双链为刚性结构，不能保护a u n p s ， 加盐时会因a u n p s 聚集而呈蓝色。当有p b 2 + 存在时，能够从含有r a 的d n a 双链 中切断出一个单链d n a 片段，此片段为柔性结构可以被吸附在a u n p s 表面，保 护a u n p s 在高浓度的盐作用下呈单分数状态，溶液显红色。这种方法和前一种相 比不需要修饰，操作简单，灵敏度更高。这两种方法同样也适用于检测其他金 属离子，只是需要找到和金属离子有特异性作用的d n a 链。 _ 二一 om t - s u b 图5d n a 纳米盒检测p b 2 + 示意图 a u n p s 与d n a 链相互作用测p b 2 + 的文献相继出现，引起人们寻找和金属离子有 特异性作用的d n a 链的兴趣。早在1 9 5 2 年g a t z 等i 帅l 就发现了胸腺嘧啶核昔酸m 能 够特异性的结合h 9 2 + 形成t h 9 2 + 一t 的夹心结构，但一壹没有很好的应用。随着t 与 瑶+ 相互作用的研究越来越深入，2 0 0 7 年，m i r k i n 等1 6 1 】在t 错配的单链d n a 上连 接巯基，利用硫与金的特异性作用将含错配t 碱基的单链d n a