CN106706588B

CN106706588B - 一种精准检测环境水样中痕量铀的多相光催化共振荧光法

Info

Publication number: CN106706588B
Application number: CN201710029069.0A
Authority: CN
Inventors: 李贵荣; 李节康; 让蔚清; 杨慧仙; 徐梦媛
Original assignee: University of South China
Current assignee: University of South China
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2019-08-16
Anticipated expiration: 2037-01-16
Also published as: CN106706588A

Abstract

本发明涉及一种精准检测环境水样中痕量铀的多相光催化共振荧光法。该方法主要为：利用对UO₂ ²⁺具有特异性识别和吸附作用的固相萃取粒子UMIP，能将复杂环境水样中痕量铀酰定量分离并吸附在其表面后形成含铀的铀酰分子印迹聚合物；然后通过多相光催化共振荧光法精准检测铀的含量。该方法具有灵敏度高、特异性强、抗基体干扰强、简单快速和低成本的特点。本发明还制备了多相光催化动力学分析检测装置，该装置包括光催化反应系统、低热强光光源、风冷恒温系统和电磁搅拌系统。

Description

一种精准检测环境水样中痕量铀的多相光催化共振荧光法

技术领域

本发明属于水环境安全检测技术领域，特别涉及环境水样中痕量铀的固相萃取分离和多相光催化共振荧光分析检测及二者在环境水样中铀污染物的检测应用。

背景技术

随着以铀为重要原料之一的核工业的迅速发展，铀在生活环境中的污染已成为研究的热点。铀是一种同时具有化学毒性和放射毒性的重金属元素，严重危害人类健康和生态环境。铀的化学基因毒性类似于六价铬，而铀的放射毒性与受到的辐射强度密切相关，高剂量铀的放射性损害主要造成肾损伤、肺癌和泌尿系统疾病。所以对于环境中痕量铀污染的及时检测和预警，是避免人类遭受铀辐射伤害的最有效手段之一，对于治理环境污染有着非常重要的意义，日益受到重点关注。

环境水可能受到铀矿开采、冶炼及核工业排放等过程的污染，铀酰离子(Uranylion，UO₂ ²⁺) 是铀在水环境中的主要存在形式。目前，分离、检测水中铀的方法技术主要有：离子交换法、X-射线光谱法、ICP-MS等。这些方法既有各自的优点，但还需要进一步提高检测效率、降低成本和简化样品处理的繁琐过程。也有一些简便易行的UO₂ ²⁺传感方法被开发，以实现UO₂ ²⁺现场快速检测，但已有的传感检测方法或因灵敏度较低、选择性差，或因抗基质干扰能力较低，尚无法直接用于实际环境水样中痕量UO₂ ²⁺ 的检测。近期有人提出利用功能化DNAzyme、纳米金和辣根过氧化物酶相结合，通过紫外可见光谱法检测铀，该法操作简便，但所需功能化DNAzyme、纳米金和辣根过氧化物酶等成本较高且需在极低温（-20℃）下保存，条件苛刻难以普及应用。本发明将胶粒表面分子印迹聚合物（Molecularly imprintedpolymer，MIP）分离技术与多相光催化共振荧光法相结合，成功应用于检测环境水样中痕量铀的含量，能有效克服了上述不足。检测环境水中的含量极低的铀时，首要任务是需从成分复杂的环境水样中选择性分离-富集污染铀。分子印迹聚合物的吸附分离技术以独特的识别和亲合能力引起科技工作者的关注，是近年发展迅速的分离方法。磁性MIP对模板分子具有特异识别功能和极强的吸附性，同时，当完成了对模板分子的识别与吸附后，能在外加条件（酸或碱性）下将其从样品基质中分离出来，因此特别适合于复杂体系中目标物的分离富集。

发明内容

本发明的目的在于针对环境水样中痕量铀酰离子高灵敏、高选择性检测的技术难题，提供一种灵敏准确检测水环境中痕量铀酰离子的方法。该方法通过共振荧光测定即可实现对UO₂ ²⁺进行准确定量快速检测，具有灵敏度高、特异性强、抗基体干扰强、简单快速和低成本等优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种精准检测水环境中痕量铀的多相光催化共振荧光法，制备了一种对UO₂ ²⁺具有特异选择性的磁性Fe₃O₄核-SiO₂壳纳米粒铀酰分子印迹聚合物（uranyl molecularlyimprinted polymer，UMIP），水样中的铀吸附于UMIP的表面后形成含铀的铀酰分子印迹聚合物（Uranium uranyl molecularly imprinted polymer, UMIP-UO₂ ²⁺）。在强的可见光照射下，UMIP-UO₂ ²⁺能高效催化溶液中 KBrO₃氧化罗丹明G，使罗丹明G的浓度明显下降，导致其荧光强度降低。且随着铀的浓度逐渐增加使溶液荧光强度呈线性减小，根据溶液荧光强度降低值与铀浓度的线性相关性，实现对UO₂ ²⁺离子的灵敏、特异性精准检测。

一种精准检测水环境中痕量铀的多相光催化共振荧光法，包括以下步骤：

(1) 固相萃取铀的固定相（UMIP）的制备；

(2) 固相萃取剂 UMIP 的预处理；

(3) 环境水样或合成水样中铀的固相萃取；

(4) 多相光催化共振荧光法精准检测实际环境水样中痕量UO₂ ²⁺。

步骤（1）具体为：

取适量铀酰-Salophen配合物和3-氨丙基三乙氧基硅烷依次溶于在无水乙醇中，再加入四乙氧基硅烷后混匀，在不断搅拌下加入适量的Fe₃O₄@SiO₂和盐酸，在室温和持续搅拌下反应 15h。反应完成后，用磁铁吸引分离，得到合成的“磁性核-壳型纳米粒铀酰分子印迹聚合物（UMIP）”产品，用无水乙醇洗涤两次，真空干燥，用于固相萃取环境水样中的铀；

所述铀酰-Salophen配合物的制备具体为：称取0.025mol 5-氯甲基水杨醛溶于盛有 80 mL 无水乙醇的烧瓶中，滴加 0.01mol 3,4-二氨基苯甲酸乙醇溶液，回流搅拌2 小时，冷却至室温，抽滤，用乙醇重结晶，真空干燥后得到 Salophen，将 Salophen加入到盛有50ml 乙醇的烧杯中，并加入 7.5 mmol醋酸铀酰，搅拌回流45 min，冷却至室温，抽滤，用乙醇淋洗，取出后真空干燥，制得铀酰-salophen配合物，置于60℃真空干燥箱中干燥；

所述的Fe₃O₄@SiO₂制备具体为：取0.5 g Fe₃O₄磁性纳米粒子分散在盛有80 mL乙醇和20 mL蒸馏水的烧瓶中，超声45 min。再加入5 mL 25%的氨水和4 mL四乙氧基硅烷，室温下持续搅拌9小时。用磁铁分离反应后的产物，用蒸馏水反复洗涤，放入60℃真空干燥箱中干燥；

所述Fe₃O₄磁性纳米粒子的制备具体为：取 5 mmol柠檬酸钠，0.2 mol NaNO₃以及20 mmol NaOH，溶于 100 mL 蒸馏水，放入沸水水浴中恒温，快速加入2 mol L^-1 硫酸亚铁溶液5 mL，溶液颜色迅速变黑，搅拌反应 1.5 小时。取出冷却，用磁铁分离固体产物，用蒸馏水洗涤至清液为中性，置于 50℃ 真空干燥箱中干燥。

步骤（2）具体为：

由 (1) 得到的合成产物加入HCl进行洗脱以除去铀酰，采用紫外/可见分光光度计检测合成物中的模板分子是否已完全清除；重复上述步骤，直至采用紫外/可见分光光度计无法检测出铀含量，将合成产物置于真空干燥箱干燥。

步骤（3）具体为：

取上述干燥的UMIP，置于小烧杯中，加入铀酰标准溶液，在室温下搅拌进行铀酰的选择性吸附90 min，将磁铁置于烧杯外侧，吸引固体产物，弃去上清液，洗涤2-3次，真空干燥，直接用于多相光催化共振荧光法测定铀。

步骤（4）具体为：

取等量经步骤(2)洗脱后的 UMIP 颗粒分别置于数支反应试管中，第一管留作空白，其余各管分别用不同浓度铀标准溶液（或水样）经步骤 (3) 处理得到 UMIP-UO₂ ²⁺，然后各加入 Tirs-HAc 缓冲液、KBrO₃和 RhG，加入磁石，用去离子水稀释至 5 m l刻度，摇匀后进行多相光催化反应 20 min，取出，取上层溶液移入离心管。置于离心机中离心。上清液在450-650 nm 范围（以 λ_ex= λ_em）同步扫描得共振荧光光谱，并测定 543 nm 处的共振荧光强度 ( F 和 F ₀)，计算 ΔF = F ₀ – F，以ΔF 对 UO₂ ²⁺浓度（c）绘制标准曲线，以标准曲线法检测水样中痕量铀的含量。

采用标准曲线法检测被测物时，为了保证检测方法具有良好的精密度，需要平行测量多管标准溶液和样品溶液，这对多相光催化检测而言，实验装置的精心设计和制备显得更为重要。本发明特设计多相光催化检测实验装置，该装置包括：①光照系统要求光强度适合，光照均匀，光源热效应小；②反应系统要求试管透明，各管分布均匀，便于实验操作；③搅拌系统要求各管反应速度一致；④具有恒温性能。本发明自行设计和制备的光催化检测实验装置如图1所示。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明使用核(Fe₃O₄)-壳(SiO₂)型磁性纳米粒表面铀酰分子印迹聚合物（Fe₃O₄@SiO₂/MIP）进行固相萃取样品铀，具有特点：①铀酰印迹结合点均处于纳米粒表面，能样品溶液充分接触，有利于提高萃取效率，使得水样中铀富集达到最大程度；②采用[铀酰-Salophen] 配合物为分子印迹的模板分子，印迹的结合位点是以铀酰离子结构量身定制的，构成铀酰离子的特定的配位尺寸和模式，所以对铀酰萃取选择性良好；③由SiO₂构成的纳米粒壳有良好的亲水性，特别适用水溶液中铀的萃取；④由Fe₃O₄构成纳米粒的核在SiO₂壳的保护下能防止氧化，所以具有良好的磁性，可方便的通过（电）磁性分离，有效简化了操作。⑤该固相萃取剂是绿色环护产品，无任何毒性，在实验完成后收集，只需经简单强酸洗脱处理便可再生，重复使用；

（2）本发明直接使用固相萃取样品铀后的固相萃取剂作为多相光催化共振荧光法的催化剂，一方面萃取后铀酰在粒子表面与Salophen形成具有特殊结构的配合物，已有大量的研究和我们的实验证明铀酰-Salophen配合物具有极强的光催化活性，由此能提高催化作用和检测灵敏度；另一方面无需进行铀的洗脱过程，这不仅简化了操作，而且更重要的可避免铀在洗脱过程的损失而保证测定方法准确度，同时也消除了洗脱时铀浓度的稀释从而保证检测方法的灵敏度；

（3）本发明根据实验需要，自主设计并制备用于多相光催化动力学分析法的装置。该装置具有光照均匀且强度大，恒温效果好，电磁搅拌速度均匀可控，可同时进行多管平行实验的特点。适用于各类多相光催化动力学分析法，可有效保证多管同时反应时条件（光照、搅拌、时间、温度）高度一致，使测定方法具有良好的精密度；

（4）本发明的方法操作简单，检测速度快，检测整个过程在2.5小时之内完成，检测成本低，一个样品检测成本低于 6.5 元；

（5）本发明所建立的检测方法具有良好的选择性，其它常见离子（ F^-、Mg²⁺、Pb²⁺、Cr²⁺、K⁺、Zn²⁺、Ca²⁺、Hg²⁺、Al³⁺、Lu³⁺、Hg²⁺、Mn²⁺、Ag⁺），不干扰 UO₂ ²⁺离子的检测；所以新建立的检测方法具有良好的抗基质干扰能力，检测水样无需复杂的前处理过程，只需要过滤去除水样中的沙土及悬浮物，便可立即检测。

附图说明

图 1多相光催化精准检测水环境中痕量铀的装置的结构示意图，其中 1 为试管，2 为上隔板，3 为出气口，4 为避光板，5 为光源， 6 为进气口，7 为底板，8 为磁力搅拌器，9 为磁石；

图2 测定铀（UO₂ ²⁺）的标准曲线；

图3 磁性纳米粒铀酰分子印迹聚合物的红外光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，本发明所涉及的主题范围并非仅限于这个实例。

实施例 1

1. UMIP制备

取 0.15g [铀酰-Salophen] 和3 ml 3-氨丙基三乙氧基硅烷分散在50 mL无水乙醇中搅拌0.5小时，再加入4 mL 四乙氧基硅烷，继续搅拌20 min，加入0.40 g Fe₃O₄@SiO₂和 1 mL 0.01 mol/L的盐酸，室温下持续搅拌反应15小时。反应完成后，用磁铁将合成的磁性核-壳型纳米粒表面铀酰-Salophen分子印迹聚合物（UMIP）分离出来，用无水乙醇洗涤，60℃真空干燥。同时作为参比，在不加入铀酰的情况下，可以用同样方法合成磁性非分子印迹聚合物。

2.UMIP的预处理

将合成的 UMIP 产品放入盛有 10 ml 0.5 mol/L HCl 的小烧杯中，搅拌洗脱 90min；提取合成产物，直至采用紫外/可见分光光度计检测“磁性Fe₃O₄核-SiO₂壳纳米粒表面铀酰分子印迹聚合物”中的模板分子已完全清除。

3. 环境水样或合成水样中铀的固相萃取：

准确称取UMIP 10.0 mg ，置于小烧杯中，加入不同浓度的铀酰标准溶液 5 ml 或适量环境水样，在室温下搅拌吸附 90 min。移取上层液离心分离（5000 r/min，10 min）。取离心分离后的上层液 1ml 于试管中，用紫外/可见分光光度计测定测定平衡吸附液中未萃取的铀酰浓度，由此计算萃取率。

4. 多相光催化共振荧光法精准检测实际环境水样中痕量UO₂ ²⁺。

取多支10 mL 玻璃管平行操作，各加入 pH 5.0 Tirs-HAc 缓冲液 1.5 mL，1.2ml KBrO₃溶液，0.5 ml RhG 溶液，其中一支加入10 mg 洗脱后的UMIP（空白管），其他各管按照铀浓度顺序的标准溶液或水样依次加入10 mg 经步骤(3)吸附处理后的UMIP，用去离子水稀释至 5ml刻度，均放入检测装置，在磁力搅拌下进行平行光催化反应 20 min，取出，置于 4000 r/min 的离心机中离心 5min。取上清液在 450-650 nm 范围（以λ_ex = λ_em）同步扫描得共振荧光光谱，测定 543 nm 处的共振荧光强度 F 和试剂空白 F ₀，以 ΔF = F ₀– F 对 UO₂ ²⁺浓度绘制标准曲线（见图2），检测水样中痕量铀的含量。

实施例 2

如图2为多相光催化检测的实验装置，本实验装置主要由光催化反应系统、低热强光光源、风冷恒温系统和电磁搅拌系统四部分组成，

光催化反应系统由8-10支透明玻璃具塞比色试管组成，从上均匀插入风冷恒温箱内部，并对称分布于光源周围，反应管内注入反应溶液、吸附铀的UMIP和小型磁性搅拌子；低热强光光源采用直形节能灯；风冷恒温系统由风冷恒温箱和空气压缩机（或真空泵）两部分组成，采用室温下空气流动冷却恒温，恒温箱的四周和上盖可由不透光木板或塑料板材构成，而底层是较薄的不锈钢板材，以利于磁力搅拌，并固定试管的凹槽口能防止试管晃动；电磁搅拌系统包括电磁搅拌器和装入反应管内磁性搅拌子。风冷恒温箱底部具有与电磁搅拌器上部金属圆盘相配的圆形卡槽，以固定风冷恒温箱。开动磁力搅拌器，旋转磁场可透过不锈钢底板，带动比色管磁性搅拌子转动。使试管溶液进行磁力搅拌。

实施例 3

将采集的南华大学池塘水和工厂污水经离心过滤沉淀后，用阳离子交换树脂处理水样，分离可能干扰的离子。分别取1ml 水样按照实施例1的方法进行操作，对照实施例1所得的标准铀酰浓度的 ΔF 值，对水样中的UO₂ ²⁺进行定量检测，检测结果如表1所示，与ICP-MS的测定结果大致相同，说明本发明的方法是一种可精准检测水环境中UO₂ ²⁺的方法，适用于水环境中样品检测，

表1、利用所建立的方法对的南华大学池塘水和工厂污水水样中UO₂ ²⁺离子的分析结果及与ICP-MS检测结果的对比

。

Claims

1.一种精准检测环境水样中痕量铀的多相光催化共振荧光法，首先制备一种对UO₂ ²⁺具有特异选择性的磁性Fe₃O₄核-SiO₂壳纳米粒铀酰分子印迹聚合物，其特征在于，水样中的铀吸附于铀酰分子印迹聚合物UMIP的表面后形成含铀的铀酰分子印迹聚合物，在强的可见光照射下，UMIP-UO₂ ²⁺催化溶液中的 KBrO₃氧化罗丹明G，使罗丹明G浓度下降，导致其荧光强度降低，随着铀的浓度增加使溶液荧光强度呈线性减小，根据溶液荧光强度降低值与铀浓度的线性相关性，实现对UO₂ ²⁺离子的特异性检测，包括以下步骤：

(1) 固相萃取铀的固定相铀酰分子印迹聚合物UMIP的制备；

(2) 固相萃取剂铀酰分子印迹聚合物UMIP 的预处理；

(3) 环境水样或合成水样中铀的固相萃取；

(4) 多相光催化共振荧光法精准检测实际环境水样中痕量UO₂ ²⁺；

所述步骤（1）具体为：取铀酰-Salophen配合物和3-氨丙基三乙氧基硅烷依次溶于在无水乙醇中，再加入四乙氧基硅烷后混匀，在不断搅拌下加入Fe₃O₄@SiO₂和盐酸，在室温和持续搅拌下反应 15h，反应完成后，用磁铁吸引分离，得到合成的磁性核-壳型纳米粒铀酰分子印迹聚合物，用无水乙醇洗涤两次，真空干燥；

所述步骤（3）具体为：

将步骤（2）得到的UMIP置于烧杯中，加入铀酰标准溶液，在室温下搅拌进行铀酰的选择性吸附90 min，将磁铁置于烧杯外侧，吸引固体产物，去上清液，洗涤2-3次，真空干燥，直接用于多相光催化共振荧光法测定铀；

步骤（4）具体为：

取等量经步骤（2）洗脱后的 UMIP 颗粒分别置于数支反应试管中，第一管留作空白，其余各管分别放入用不同浓度铀标准溶液或水样经步骤（3）处理得到 UMIP-UO₂ ²⁺，然后反应试管中各加入Tirs-HAc 缓冲液、KBrO₃和罗丹明G，加入磁石，用去离子水稀释至5 ml刻度，摇匀后进行多相光催化反应 20 min，取出，取上层溶液移入离心管，置于离心机中离心，上清液在 450-650 nm 范围同步扫描得共振荧光光谱，并测定 543 nm 处的共振荧光强度F 和试剂空白 F ₀，计算 ΔF = F ₀ – F，以ΔF 对 UO₂ ²⁺浓度绘制标准曲线，以标准曲线法检测水样中痕量铀的含量；

所述铀酰-Salophen配合物的制备具体为：称取25mmol 5-氯甲基水杨醛溶于盛有 80mL 无水乙醇的烧瓶中，滴加 0.01mol 3,4-二氨基苯甲酸乙醇溶液，回流搅拌2 小时，冷却至室温，抽滤，用乙醇重结晶，真空干燥后得到 Salophen，将 Salophen加入到盛有 50ml乙醇的烧杯中，并加入 7.5 mmol醋酸铀酰，搅拌回流45 min，冷却至室温，抽滤，用乙醇淋洗，取出后真空干燥，制得铀酰-salophen配合物。

2.根据权利要求1所述的一种精准检测环境水样中痕量铀的多相光催化共振荧光法，其特征在于，所述步骤（2）具体为：

由步骤（1 ）得到的磁性核-壳型纳米粒铀酰分子印迹聚合物加入HCl进行洗脱以除去铀酰，采用紫外或可见分光光度计检测磁性核-壳型纳米粒铀酰分子印迹聚合物中的模板分子是否已完全清除；重复上述过程，直至采用紫外或可见分光光度计无法检测出铀含量，将磁性核-壳型纳米粒铀酰分子印迹聚合物真空干燥。