铜是生物生长所必须的元素,但是过量会导致重金属中毒,由于含铜工业冶金废水的排放、高铜猪饲料的喂养导致周围环境被高铜污染,从而影响到居民饮用水安全和粮食食品安全,而长期接触高浓度的铜会对人体造成严重的毒害作用^{〔1, 2〕}。测定铜的常用方法有原子吸收光谱法、分光光度法,但是在应用中有一定的局限性,如样品前处理复杂、检测时间长、需要大型仪器不能实现现场检测^{〔3, 4, 5〕}。而传感器检测技术具有检测迅速、简便、容易携带、可实现现场检测等优点,从而弥补原子吸收法的不足。本研究拟建立一种检测铜的光电型传感器方法,以期实现铜的现场、快速及无试剂化检测。

利用光信号转化为电信号的原理,设计制作了光电型传感器,此传感器利用650nm的单色绿色光源照射到试纸条后以光信号的形式传送到光转频率传感器,由此元件完成光信号转换为电信号的过程,之后将电信号传递到单片计算机进行数据处理,后再将电信号转换为光信号显示到液晶显示上,从而完成对试纸条的光强度检测。本实验利用吡咯烷二硫代甲酸与铜络合显色,且颜色强度随铬的浓度大小呈规律性变化。其显色强度通过传感器的光电技术转化为电信号,显色强度经微处理器转换成反射光强度值显示在传感器屏幕上,最后根据不同浓度的铜溶液所对应反射光强度,绘制标准曲线,从而建立了一种检测重金属铜的光电型分析方法。

吡咯烷二硫代甲酸、硫酸铜(均为分析纯,上海化学试剂采购供应站);水溶性壳聚糖(分析纯,中国上海国药集团)。

PHS-3C精密pH计(上海精密仪器仪表有限公司);自行研制的袖珍型光电传感检测设备;EL*800酶标仪(美国Bio-tek公司);聚氯乙烯(Polyvinyl chloride polymer,PVC)片材(上海统笙有限公司);涂布器(佛山市翁开尔贸易有限公司)。

试条主要材料采用PVC片材。试条由绝缘防水基片、过滤层、隔离片、反应底物膜片和盖片组成。将绝缘防水基片和盖片叠合后采用机械冲压打孔法打孔,孔径约为0.3~0.4mm,孔壁距离基片边缘2mm。组装时基片圆孔与盖片圆孔要严格重合。

分别称取吡咯烷二硫代甲酸0.001、0.005、0.010、0.015、0.020g溶于10mL蒸馏水中,配成浓度为1%、5%、10%、15%、20%的显色剂溶液。

称取吡咯烷二硫代甲酸0.005g溶于10mL蒸馏水中。然后加入水溶性壳聚糖3g,硅胶5g充分进行研磨,得到粘稠状的成膜剂,最后在底物膜承载片上涂布成膜,后放入30℃烘箱中干燥。

分别取浓度为1%、5%、10%、15%、20%的显色剂溶液与0.78125mol/L的铜进行充分反应,放于酶标仪中在450nm的波长下测定,得出相应数值。根据酶标仪所得数值随显色剂浓度变化曲线进行分析,曲线达到最高点即颜色最深,此点所对应的显色剂浓度值为最佳显色剂浓度值。

分别取浓度为0.024、0.048、0.098、0.195、0.391、0.781mol/L的铜溶液滴于制成的试制条进行显色反应,根据反射光强度随时间变化的曲线进行分析,曲线达到最低点即反应最为充分,随之进入稳定期,所以曲线首先到达最低点的反应时间即最佳反应时间。

用盐酸和氢氧化钠将0.781mol/L的铜溶液pH值分别调整到1~4(>4时,铜溶液开始出现沉淀),分别滴入制成的试纸条进行显色反应,获得不同pH值对试条反射光强度的影响曲线,进而对曲线进行分析,光强度值最低点所对应的pH值即为最佳pH值。

将铜浓度为15.625mol/L的硫酸铜标准储备液分别稀释成以下浓度:0.3125、0.625、0.9375、1.25、1.5625mol/L作为标准应用液。将20μL铜标准液滴入以上述方法制成的铜测试条的加样孔中,采用自制光电传感器测定试条在150s显色反应后的反射光强度,使用软件Origin6.0绘出铜溶液浓度与试条显色后反射率(加样后试条反射光强度/加样前试条反射光强度)变化的标准曲线,即获得光电型检测铜的标准曲线。

分别取浓度为1%、5%、10%、15%、20%的显色剂溶液与0.78125mol/L的铜溶液充分反应,放入酶标仪并记录所测数值,最后使用Origin6.0绘出曲线。实验结果表明,当显色剂浓度为0.05时,光强度值最高,说明此点反应的最为充分,即5%为最优显色剂浓度。

图 1

图 1 不同浓度铜显色反应后试条反射光强度随时间变化曲线

系列浓度的铜溶液与试纸条于25℃、pH为6的条件下反应150s后获得标准曲线,曲线显示铜浓度在0.3125~1.5625mol/L,随着铜浓度的增加,试条显色反应后的反射率逐渐降低,且铜浓度的对数与反射率呈反比。

实验发现pH值>4时铜离子沉淀,所以将0.78125mol/L的铜溶液pH值调节为1~4进行反应。从实验结果可以看出,随着pH值的增加,光强度值逐步增大,pH值=3时光强度值达到最大,说明此点反应的最为充分,效果最好,故pH值=3是最优pH值。

试验分别测试了5种离子:Ag⁺、Fe²⁺、Pb²⁺、Cd²⁺、Mg²⁺对铜离子的干扰,结果显示,只有Ag⁺对结果有所影响。测试结果误差范围＜5%的认为不影响测试结果。测得其允许质量浓度上限如下:Ag⁺0.935mol/L、Fe²⁺3.57mol/L,剩下的离子均无影响。由于一般情况下共存离子的浓度低于上述允许浓度上限,因此本方法具有良好的抗离子干扰能力。但若是污染较严重,可采用邻菲啰啉作为掩蔽剂从而抑制多种离子的干扰效应。

用光电型传感器检测50个已知浓度的标样,获得回收率为99.6%,又分别选取25个含有铜的标样,与25个不含铜的标样进行测试,得到准确率为99%。

结果表明,向试条滴加不同浓度铜溶液后,曲线到达最低点即反应最为充分所对应的光强度值依次减少,说明试条显色强度随铜浓度的增大而加大,反应150s时,所有曲线均到达最低点,此时试条的反射率达到最大,之后曲线平稳,说明反应进入稳定期,其稳定时间大约为100s,之后又有所回升,说明颜色强度又逐渐降低。由此得出,最佳反应时间为150s,稳定时间为100s。对比可以看出此方法所需的检测时间明显少于确证性的原子吸收法,所以此种方法更适于现场快速检测^〔6〕。

从标准曲线可以看出试条显色反应后的反射率与相应铜浓度的对数呈良好的线性关系,且回归方程为Y=664.42-1.499x,R²=0.9975(P＜0.0001),检测限为0.0156mol/L,表明此方法测得的检测限高于确证性的原子吸收法,但此方法的精确度还需经过进一步优化加以提高。