氰化物检测技术研究进展
Research progress of cyanide detection technology
Received: 2019-07-16
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氰化物是广泛应用于工矿生产的一类有毒危险化学品,对环境中不同形式的氰化物进行监测具有重要的实际意义。对近年来氰化物检测方法进行了综述,主要包括色谱法、光谱法、电化学传感器法、核磁共振法、荧光分子探针法以及流动注射分析等。对氰化物的检测方法重点从技术原理、操作特点、分析效果以及应用范围做了简单述评。最后对氰化物检测技术手段的发展趋势进行了讨论和展望。
关键词:
Cyanide is a toxic and hazardous chemical widely used in industrial and mining production. Therefore, it is of great practical significance to monitor the presence of cyanide in different forms in the environment. Methods of cyanide detection were reviewed, including chromatography, spectroscopy, electrochemical detection, nuclear magnetic resonance, fluorescent molecular probe and flow injection analysis. The special attention was given to the cyanide detection methods from the technical principle, operational characteristics, analysis results and application scope. Finally, the development trend of cyanide detection technology was discussed and forecasted.
Keywords:
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祖新, 杨玲娟, 李羽翡, 周佳, 赵菲佚, 焦成瑾.
Zu Xin.
氰化物是一类剧毒危险化学品,分为无机氰化物、有机氰化物和氰化物络合物等,新近提出的有效氰化物则包括HCN、NaCN等简单氰化物和中等及弱稳定金属氰络合物,如:Hg(CN)3-、Ni(CN)42-等。有效氰化物作用快、毒性大,是重点关注的氰化物。
1 氰化物的来源和危害
不仅无机氰化物会污染环境使生物中毒甚至死亡,即便是铁氰酸盐和亚铁氰酸盐等低毒性氰化物复盐,若大量排入地表水,经阳光照射和在其他条件的协同作用下也可以分解并释放出相当数量的游离氰化物,导致水生生物中毒死亡,同时氰化物还会影响植物的生长发育并造成减产,因此测定多形态的氰化物在实际监测中尤其重要。
2 氰化物提取及预处理方法
3 氰化物测定方法
3.1 色谱法
色谱法是近40 a来分析化学领域研究最为活跃的一种分离检测方法,它利用混合物中不同组分与固定相作用力的大小不同,在流动相推动作用下,将不同组分逐一分离,色谱法广泛应用于氰化物的测定。
3.1.1 气相色谱法
3.1.2 液相色谱法
伴随近年来样品微萃取浓缩富集、配位衍生和梯度淋洗等技术的发展,液相色谱不仅能够测定简单氰化物,而且能测定氰络合物。通常使用Ni(Ⅱ)作为金属络合衍生剂,它在氨水存在的条件下能与游离氰离子生成稳定的Ni(CN)42-络合物,Ni(CN)42-在267 nm处有很强的紫外吸收,该方法简便快速,抗干扰能力强、灵敏度高,朱友等〔13〕依此原理成功测定了卷烟主流烟气中的氰化物。
3.1.3 离子色谱法
离子色谱测定氰化物及金属氰化络合物的方法较为成熟,配备安培检测器的离子色谱可直接检测μg/L级的CN-,而且凡是检测条件下不发生氧化还原反应的所有共存物均不出峰,不发生干扰〔16〕。
栾绍嵘等〔17〕将合成药直接溶解在热的氢氧化钠
中,采用离子色谱安培法检测了维生素B6与2-噻吩乙酸中的痕量氰化物,实际合成药物中CN-的检出下限达到0.016 4 μg/g。相对于化学滴定和分光光度法,离子色谱安培法检测氰化物具有速度快、灵敏度高,不需加入衍生化试剂,对人员和环境无害等优点,是一种符合绿色化学的分析手段,目前该方法在司法领域的氰化物检测中得到广泛应用〔18〕。
3.1.4 毛细管电泳色谱法
毛细管电泳是一类以毛细管为分离通道,以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术。K.
Papezová等〔19〕建立了在硫代硫酸盐电解质中测定氰化物含量的毛细管电泳色谱方法,在毛细管柱内植入硫氰酸酶,这种线粒体酶能有效地将氰化物转化成具有更强吸收的硫氰酸盐,在200 nm测定条件下方法检出限为78 μg/L,线性范围为0.39~13 mg/L。可实现微量体积试样中氰化物的高效分离是毛细管电泳色谱法的突出特点。
3.2 光谱法
3.2.1 分光光度法
应用广泛的微量氰化物分光光度法于1944年建立,使用的是吡啶-联苯胺化学体系,随后其他几种化学体系的分光光度法陆续被成功建立,其中的异烟酸-巴比妥酸、异烟酸-吡唑啉酮和吡啶-巴比妥酸体系目前应用最为广泛。这三种体系的检测限均可达到μg/L级别,而且成熟可靠、成本低廉、适用性强,广泛应用于水、土壤、动植物、焦炉煤气、金精矿等样品中氰化物的测定,也被国内外广泛采用为法定的分析方法。但该类方法也存在操作人员安全、二次污染以及操作繁琐等问题,影响了实际应用范围。
新近开发的电子比色法技术原理是基于化学显色事实上呈现复合光,而该复合光的每一波长下对应的吸光度都与待测物浓度呈一定的比例关系,均符合朗伯-比尔定律,对生成物进行全色分析即可得到浓度信息。相比传统分光光度计遵循的单一波长下最大吸收原则,氰化物采用电子比色法检测的抗干扰能力更强,准确性更接近真实状态〔20〕。
3.2.2 原子吸收光谱法
3.2.3 拉曼光谱法
光在发生拉曼散射后不同原子团振动的频率是惟一的,因此可以鉴别出组成物质的分子种类。近年来激光和CCD传感器技术的进步使拉曼光谱分析可以运用到氰化物实际检测中。
3.3 电化学传感器方法
3.3.1 离子选择电极法
3.3.2 生物电极法
生物电极法采用了生物有机成分修饰电极,实现了生物识别和电化学传感的有机结合。V. Kumar等〔27〕利用与铵离子选择电极结合的黄杆菌MTCC6936氰化二水酶活性,研制了一种用于氰化物检测的电位生物传感器,该传感器对0.06 mg/L的氰化物有响应。生物电极不但检测快速、灵敏度高、专一性强,而且绿色环保,非常适合食品样品中氰化物的监测。
3.3.3 其他电化学传感器法
材料工业的快速发展促成了新型电化学传感器在氰化物检测中的应用。R. Hallaj等〔28〕用氧化石墨烯和二氧化钛纳米颗粒修饰的玻璃碳电极对氰化物进行电化学感应。首先,用氨基丙基三乙氧硅烷对硫代纳米(AS)颗粒表面进行修饰,然后与石墨烯氧化物纳米片(GO)在4-硝基苯酚(rNPh)的还原作用下沉积在玻璃碳电极(GCE)表面,设计了GO/TiO2-AS-rNPh电极。它在pH=7的溶液中,0.35 V的最佳条件下测定氰化物,具有0.1 μmol/L的检测极限和165.5 nA·nmol/(L·cm)的灵敏度,动态线性范围从0.1 μmol/L延伸到60 μmol/L,该电极同时对潜在的阴离子不具有干扰反应,显示了良好的选择性、线性分析范围和灵敏度,目前该传感器已用于工业电镀废水的检测。
3.4 核磁共振法
核磁共振(NMR)是一种重要的波谱技术,但通常只有高含量的氰化物可以采用该方法检测,原因是13C和15N核的自然丰度和旋磁比低。李腾等〔29〕采用三氟苯乙酮衍生试剂,将CN-转化为19F衍生物,实现对水样中氰化物的间接鉴定,由于原子核F的自然丰度高,19F核的绝对敏感度是质子的0.83倍,并且谱图有尖的洛伦茨线型和宽的化学位移,因此可以满足低含量氰化物的检测。试验表明该衍生方法的检出限为0.7 mg/L,方法不受其他干扰离子(如CO32-、B4O72-、Cl-、SO42-等)的影响,具有良好的专属性,回收率大于74.0%,相对标准偏差小于3.0%。该方法曾用于爆炸区采集的水样中氰根的测定,获满意结果。
3.5 流动注射技术
3.6 荧光分子探针法(化学传感器法)
表1 表1常见荧光分子探针工作原理及检出限
探针类型 | 工作原理 | 荧光探针分子 | 检出限 |
识别报告型 | 利用氢键反应选择性识别氰离子,在强荧光基团或生色基团上引入对于氰化物有很高亲和力的酰胺、硫胺或脲,从而使受体发生光学变化 | 偶氮苯基硫脲 | 3 mg/L〔37〕 |
置换取代型 | 利用过渡金属离子与氰离子的强亲和性作用置换出配合物中的金属离子,使体系荧光恢复,荧光强度与CN-浓度正相关 | 香豆素-甘氨酸-甘氨酸-组氨酸 | 0.015 μmol/L〔38〕 |
2-羟基苯基咪唑-联吡啶钌 | 0.18 μmol/L〔39〕 | ||
偶氮基-硝基苯 | 1×10-9 mol/L〔40〕 | ||
化学计量型 | CN-作为反应底物按1:1的化学计量方式直接相互作用,与探针发生不可逆的化学反应生成另一种与探针荧光不同的物质,也称为去质子化过程 | 咔唑-苯并噻唑 | 4.6×10-8 mol/L〔41〕 |
苯并烯二烯-吲哚盐 | 1×10-9 mol/L〔42〕 | ||
n'-(5-(2,4-二氯-苯基)重氮酰)-2-羟基苯基苯基肼 | 6.4 μmol/L〔43〕 | ||
亲核加成型 | CN-与探针分子的不饱和键发生亲核加成反应后,呈现显著的吸收峰蓝移,产生强烈的荧光发射 | 吲哚离子化萘 | 0.5 μmol/L〔44〕 |
萘酰亚胺偶氮苯 | 0.13 μmol/L〔45〕 | ||
非对称苯硫嗪 | 3.2×10-9 mol/L〔46〕 | ||
d-π-三苯胺 | 1.4×10-8 mol/L〔47〕 | ||
贵金属纳簇型 | 具有独特光电性能的贵金属纳簇型荧光探针能快速响应氰离子(贵金属被CN-蚀掉),荧光强度明显猝灭 | 荧光银纳簇 | 1.2 μmol/L〔48〕 |
分子探针法作为技术热点保持了强劲的研究态势,近三年文献报道的氰化物最新检测技术几乎均在此领域。
量子点是当下前沿技术之一,它是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向束缚住的半导体纳米结构,被称为“人造原子”。由量子点技术开发的探针也用于氰化物检测。O. J. Achadu等〔49〕描述了石墨烯量子点(GQDs)和钴芘衍生酞菁(CoPc)作为识别氰离子(CN-)的敏感纳米探针。在非共价(π-π堆积)杂化层上,CoPc通过能量转移途径淬灭GQDs荧光。然而在CN-的存在下,GQDs最初被CoPc所淬灭的荧光能够被有效地回收。CN-对GQDs荧光的“OFF-ON”专属作用,证明了探针对CN-的选择性,检测值在1.0~50.0 nmol/L的线性范围内,检测低值为0.5 nmol/L。
Yang Feng等〔50〕设计了一种基于发光共振能量转移的功能性DEHSPI-PLNPs纳米探针,探针由两个主要部分组成:具有优异余辉特性的持久发光纳米颗粒PLNPs作为能量供给体,以及具有可调谐光吸收的吡啶蓝染料DEHSPI作为能量受体和CN-识别元素。持久的余辉特性突出了利用PLNPs作为能量提供者在原位激发下消除背景噪声的优点。该纳米探针在活体细胞CN-的生物成像中表现出优异的分析性能和较低的细胞毒性,也首次证实了在无外部照度下检测氰离子的新方法。
4 总结与展望
综上所述,多种技术可用于氰化物的检测且各有特点,其中光谱法稳定可靠,作为经典方法广泛适用于各型氰化物检测;电化学传感器法适合简单氰化物和包含部分络合氰化物的总氰化物工业监测,方法成熟;色谱法能测定简单氰化物、总氰化物和络合氰化物,尤其对络合氰化物的测定具有优势;流动注射分析以其自动操作的特点尤其适用于环境中氰化物的在线监测;核磁分析则运用于氰化物的准确鉴定,而分子荧光探针技术以对氰化物超高的灵敏度成为近年来的研究热点和前沿领域,适用于食品和环境快检以及医学监测领域。未提及的化学滴定和放射化学等技术使用面相对较窄,但也是氰化物检测必要的技术储备。今后应该加大对低成本、高效率、智能化、小型化且无毒环保检测方法的研究,以利于大范围常规检测和突发公共卫生事件的快速响应,同时探索基于新型分析原理的检测技术,提升氰化物检测的适用性和准确度。
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