一种使用固定化Arsenazo III检测Pb(II)的简单快速分光光度法

《Talanta Open》：A Simple Rapid Spectrophotometric Procedure for Pb(II) Detection Using Immobilized Arsenazo III

　　祖莱霍·斯马诺娃（Zulayho Smanova）、贝克托什·诺尔马托夫（Bektosh Normatov）、乌卢格贝克·艾哈迈德乔诺夫（Ulug’bek Ahmadjonov）、巴赫蒂约尔·博里霍诺夫（Bakhtiyor Borikhonov）、乌特基尔·马达托夫（Utkir Madatov）、穆斯卢姆·德米尔（Muslum Demir）、埃利奥尔·贝尔迪穆罗多夫（Elyor Berdimurodov）、艾哈迈德·侯赛尼-班德加拉埃（Ahmad Hosseini-Bandegharaei）、哈桑·贝尔迪穆拉多夫（Khasan Berdimuradov）
乌兹别克斯坦国立大学化学系，塔什干，100034，乌兹别克斯坦

**摘要**
本研究开发并优化了一种低成本、快速响应的方法，用于检测铅（Pb(II)）离子，该方法利用固定在PPM-1聚合物基质上的砷azo III试剂。高纯度的砷azo III试剂含有羟基和磺酸基团，通过静电相互作用成功固定在聚合物上。红外（IR）和扫描电子显微镜/能量色散谱（SEM/EDS）分析验证了其功能完整性及对铅的有效结合能力。研究发现，当复合时间从10分钟缩短至5分钟时，铅的检测限显著降低，从0.01 μg/mL提高到0.001 μg/mL。此外，固定在PPM-1聚合物基质上的砷azo III试剂表现出更高的选择性，能够耐受Cr、Cu、Cd、Mn、Fe、Zn、Al和Mg等干扰离子的存在。光谱分析显示，在440 nm和580 nm处分别有明显的信号，证实了固定试剂与其铅复合物的成功形成。对比研究表明，该方法优于传统的逆伏安法和原子吸收光谱法，适用于实际应用。该方法在复杂样品中的准确性和重复性得到了验证，使其适用于环境和工业分析。这种创新方法为光度法检测铅提供了可靠且高效的工具，对分析化学和环境监测具有重要意义。

**引言**
随着人们对污染及其对人类健康和生态系统影响的关注日益增加，环境监测变得尤为重要。重金属（如铅（Pb）因其毒性和在环境中的持久性而特别成问题。铅污染来源于多种途径，包括工业过程、采矿以及含铅产品的使用。监测和准确检测水、土壤和空气等环境样品中的铅含量对于评估污染程度和制定修复策略至关重要。[1][2][3] 分析化学的最新进展集中在开发灵敏、选择性和快速的重金属检测方法上。传统的原子吸收光谱法（AA）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）虽然准确度高，但需要昂贵的设备且样品制备耗时较长。[4][5][6] 这些局限性促使人们开发出成本更低、能够实现实时监测的替代方法。由于铅在人体组织中的积累可能导致严重毒性效应，因此控制铅的过量摄入至关重要。自然环境中的铅浓度通常非常低（ng/m3、μg/L、mg/kg），这使得检测铅含量变得困难。因此，开发具有高灵敏度、准确性和宽检测范围的分析方法至关重要。吸附光谱法正是满足这些要求的方法之一，它具有简单的仪器设计、较快的操作速度和低成本。[7][8][9] 尽管取得了进展，但在溶液中检测铅仍面临诸多挑战：环境样品中其他离子的干扰会导致结果不准确；检测方法的灵敏度必须足够高以检测低浓度的铅（尤其是在饮用水中，微量铅也可能带来健康风险）；许多现有检测方法步骤复杂、分析时间长，不适合现场监测。[10][11][12] 因此，需要便携、用户友好的设备，能够快速准确地检测铅。这些设备还需在各种环境条件下稳定运行，并能处理多种类型的样品。[13][14][15] 最近在Pb(II)离子的光谱检测方面取得了进展，主要集中在开发基于光学和纳米材料辅助技术的灵敏、选择性和快速分析方法上。其中，基于碳点和量子点的荧光和比色传感器因高灵敏度和低检测限而受到关注，常能在环境样品中检测到痕量铅。[1,6,16] 例如，氮掺杂和硫掺杂的碳量子点对Pb(II)表现出强烈的荧光淬灭响应，实现选择性检测；混合碳纳米点系统则展现出超灵敏的检测能力和同时去除污染物的能力。[16] 同样，小分子荧光探针也通过配位诱导的发射变化针对Pb(II)进行检测，在复杂样品中表现出高选择性。[2] 表面增强光谱技术（如表面增强拉曼光谱（SERS）也成为食品和环境样品中检测铅的有效工具，提供分子级别的指纹信息和信号放大。[5] 此外，基于荧光的上转换传感器和纳米材料辅助的光学平台在Pb(II)检测中也表现出良好的分析性能。[17] 这些光谱策略通常结合纳米结构材料（如贵金属纳米粒子和石墨烯基系统）使用，以增强信号强度和降低检测限。[12] 在此背景下，使用固定显色试剂（如砷azo III）的吸附光谱法是一种经济实用的选择，结合了简便性、提高的灵敏度和选择性，特别是在聚合物基质上使用时。总体而言，这些最新发展表明了一种将光谱学与功能纳米材料结合的趋势，以实现快速、便携且高灵敏度的Pb(II)检测，适用于环境监测和实际应用。

为应对这些挑战，研究人员采用了多种创新方法。其中一种有前景的解决方案是将试剂固定在固体载体上，以提高检测方法的选择性和灵敏度。固定试剂具有多种优势，包括稳定性提高、易于操作和可重复使用性。[18][19][20] 通过将试剂固定在固体基质上，可以创建高效可靠的便携式检测系统。砷azo III是一种常用的显色试剂，用于检测金属离子。砷azo III能与铅离子形成高度稳定的复合物，使其成为理想的固定候选者。PPM-1聚合物基质（通过羟胺活化的PAN纤维与聚乙烯多胺（PEPA）和单氯乙酸（MCAC）的顺序修饰得到）具有丰富的氨基功能团，是固定砷azo III的理想载体。氨基团与试剂之间能形成强相互作用，确保有效的固定和稳定性。

本研究旨在开发并优化一种使用固定在PPM-1聚合物基质上的砷azo III检测铅离子的方法。主要目标是提高铅检测的灵敏度和选择性，缩短分析时间，并确保该方法在各种环境条件下的可靠性。通过将砷azo III固定在PPM-1聚合物基质上，期望克服传统铅检测方法的局限性。固定试剂系统由于表面积增大和试剂与铅离子之间相互作用的增强而表现出更高的灵敏度。该方法还旨在通过减少环境样品中常见离子的干扰来提高选择性。固定过程设计简单，适用于现场应用。最终的检测方法应便于携带和使用，能够在工业场所、水处理设施和环境研究站等环境中快速准确地监测铅污染。

**实验部分**
分析试剂砷azo III由乌兹别克斯坦塔什干的Ximreaktivinvest LLC提供，按0.0776克（纯度99.8%）精确称重后，溶于蒸馏水中至100毫升体积，制备成0.001 M的标准溶液。如图1所示，砷azo III具有显著的反应性，这归因于其四个活性功能团（羟基和磺酸基团），显著增强了其与金属离子形成的螯合能力。

**图1. 砷azo III试剂的化学结构（3,6-双((E)-(2-芳基)偶氮基)-4,5-二羟基萘-2,7-二磺酸）**

制备0.001 M的砷azo III溶液时，将0.0776克试剂溶于蒸馏水中至100毫升体积。同样，通过将1.2600克氯化铅溶于蒸馏水并稀释至100毫升，得到0.1 mg/mL的标准铅溶液。为了制备0.001 M的硝酸铅（Pb(NO3)2）溶液，精确称量0.03300克硝酸铅。此外，还制备了1 mg/mL的镁、镉、钙、铁、锌和锰的水溶液，所用氯化物均为高纯度（“h.p.”级）。这些溶液的浓度通过络合滴定法确定。溶液的pH值使用通用缓冲液和醋酸缓冲液调节。所有试剂均由乌兹别克斯坦塔什干的Ximreaktivinvest LLC提供，纯度为99.8%。

在本研究中，选择PPM聚合物作为固定砷azo III的载体基质。PPM聚合物是通过羟胺活化的PAN纤维与聚乙烯多胺（PEPA）和单氯乙酸（MCAC）的顺序修饰得到的。PPM-1聚合物的分子结构如图2所示。这一选择基于PPM中丰富的氨基功能团，这些氨基团增强了分析试剂与聚合物基质之间的亲和力和结合相互作用，从而优化了试剂的功能性能。

进一步评估了固定系统的性能，包括固定效率、试剂负载量、稳定性和可重复使用性。通过比较固定前后试剂溶液的吸光度变化，估算了砷azo III在PPM-1基质上的固定效率，表明由于砷azo III的磺酸基团与基质上的质子化氨基团之间的强静电相互作用，大部分试剂成功固定在聚合物上。纤维上的试剂负载量足以提供高密度的活性结合位点，从而提高了Pb(II)的检测灵敏度。固定试剂表现出良好的稳定性，在5分钟的复合时间和随后的洗涤步骤中几乎没有泄漏，证实了试剂与聚合物载体之间相互作用的稳健性。通过多次使用矿物酸作为洗脱剂进行吸附-解吸循环，评估了吸附剂的重复使用性。材料在至少3个循环中保持了稳定的分析性能，信号强度仅有轻微下降，证明了其实际应用可行性。这些结果证实了固定系统的稳定性、高效性和适用于常规分析的特点。

为了评估固定试剂的稳定性，在复合和洗涤步骤进行了泄漏测试。洗涤液的UV–Vis分析未检测到砷azo III的释放，证实其在PPM-1基质上的牢固固定。此外，吸附剂在潮湿条件下储存两周后仍保留了超过95%的初始分析响应，表现出优异的稳定性和抗试剂损失能力。

PPM纤维与PEPA和MCAC的顺序修饰主要增加了功能团的密度，而非显著改变几何表面积。聚乙烯多胺链的引入增加了活性结合位点的数量，随后的羧化作用改善了基质的亲水性和膨胀性能。这些变化促进了Pb(II)离子与固定试剂之间的质量传递和接触，从而提高了灵敏度和降低检测限。

**2.1 方法和设备**
溶液的pH值使用pH/Mv/TEMP m FiveEasy F20 pH计（瑞士）和Mettler-Toledo AG pH计测定。吸收光谱使用“EMC-30PC-UV-Spectrophotometer”、“EMC-30PC-UV”和“UV-5100 UV VIS”光谱仪获取，反射光谱使用“Eye One Pro”光谱仪（瑞士）记录。吸附前后的定量金属分析使用SPEKTRO CIROS VISION自动光发射光谱仪进行，该仪器配备电感耦合等离子体激发源和先进检测系统。纤维材料、试剂及其复合物的红外（IR）光谱使用Bruker Invenio-S IR光谱仪（德国，2021年）在400–4000 cm?1范围内收集。精确的质量测量使用ANALYTICAL BALANCE FA2204N和ACZET PVT LTD CY 224C分析天平进行。表面形态和元素成分分析是使用位于德国耶拿的卡尔蔡司SEM/EDS系统（Zeiss EVO MA10）进行的。2.2. 分析程序

优化合成Arsenazo III-Pb(II)复合物的条件：为了确定合成Arsenazo III与Pb(II)复合物的最佳条件，准备了含有Pb(II)离子和Arsenazo III试剂的溶液。具体来说，使用了0.001 M的Arsenazo III溶液（pH=5.2）和0.001 M的Pb(NO3)2溶液（pH=3.2）。研究表明，在pH为6的介质中，以1:1的比例将试剂与金属盐溶液反应，使用醋酸缓冲溶液，可以形成Arsenazo III-Pb(II)复合物的最佳条件。在此条件下，所得复合物的pH值为5.16，并表现出稳定性。

第二个过程是将聚合物载体转化为活性状态（～P-NH3+Cl-）。为此，在50.0 mL的量杯中加入0.2000 g的聚合物载体，倒入30 mL的0.1 M HCl，然后在室温下静置24小时。在此期间，用纯水清洗聚合物载体5-6次，直到其pH值达到中性（pH=7）。最终得到的是离子化的吸附剂～P-NH3+Cl-。

第三个过程是将Arsenazo III试剂固定在离子化的聚合物载体上。测试了不同官能团修饰的聚合物吸附剂作为载体。为了固定试剂，在含有活化聚合物载体的50 mL量杯中加入10.0 mL的0.001 M Arsenazo III溶液（pH=5.2），然后用磁力搅拌器搅拌4-5分钟。然后将含有固定Arsenazo III的聚合物载体（～P-NH3+-Ars-III）用蒸馏水清洗3-4次，并在湿条件下储存在培养皿中。在固定过程中，试剂的官能团与聚合物载体之间会发生静电相互作用。

Pb(II)离子的吸附与解吸：Pb(II)离子在固定载体（～P-NH3+-Ars-III）上的吸附过程如下：在50 mL烧杯中，向固定载体（～P-NH3+O-R）中加入不同体积（5-25 mL）的0.001 M Pb2+标准溶液。搅拌并加热5-10分钟，形成均匀的溶液（～P-NH3+O-R）。Pb(II)离子通过化学作用与试剂的羟基、偶氮基和arssono基团相互作用。铅在含有固定Arsenazo III的聚合物基底上形成复合物的过程可以表示为：～P-NH3+ O-R?+?Pb2+?=?～P-NH3+ O-R-Pb2+。解吸使用矿物酸（硫酸和硝酸）进行。

3. 结果与讨论

3.1. Pb(II)与Arsenazo III试剂复合物的研究
Pb(II)离子与Arsenazo III试剂之间的复合物形成涉及多种相互作用，这些相互作用确保了复合物的稳定性和特异性。Arsenazo III的化学名称为3,6-双((E)-(2-arsonophenyl)diazenyl)-4,5-dihydroxynaphthalene-2,7-disulfonic acid，其具有羟基和磺酸基等活性官能团，在螯合过程中起关键作用（图3）。Arsenazo III分子中的羟基(-OH)在酸化溶液中迅速质子化，增强了其与金属离子的相互作用。这些质子化的羟基可以与铅离子形成强配位键，促进复合物的形成。此外，磺酸基(-SO3H)为Pb(II)离子提供了更多的结合位点，增强了复合物的稳定性。Arsenazo III配体与Pb(II)离子的结合还通过静电相互作用和氢键进一步稳定。当固定在聚合物基质上时，Arsenazo III可以通过其氨基和羧基官能团与聚合物形成交联，提高复合物的刚性和机械强度。这种交联使得复合物适用于多种应用。复合物的形成过程可以用化学方程式表示为：～P-NH3+O-R?+?Pb2+?→?～P-NH3+O-R-Pb2+，其中～P-NH3+O-R代表固定了Arsenazo III的离子化吸附剂，～P-NH3+O-R-Pb2+代表固定了Arsenazo III的铅复合物。分光光度分析证实了复合物的形成，显示出Arsenazo III试剂及其Pb(II)复合物的明显吸收峰。复合物形成后，吸收峰发生了移动，表明反应成功进行。例如，固定Arsenazo III及其Pb(II)复合物的吸收峰分别位于570 nm和670 nm，表明反应对比度为100 nm。在给定的介质（pH=5.16）中，所得的Pb(II)-Arsenazo III复合物表现出高稳定性，优化的形成条件确保了最高的螯合效率。在复合物形成过程中使用醋酸缓冲溶液有助于维持稳定的pH值，这对复合物的稳定性至关重要。Pb(II)与Arsenazo III的复合物形成过程结合了配位键、静电相互作用和氢键，这些作用由试剂中的官能团促进。固定在聚合物基质上不仅增强了复合物的机械性能和稳定性，还使其适用于各种分析和环境应用。这种机制结合了分子相互作用和通过聚合物固定实现的结构改进，确保了Pb(II)-Arsenazo III复合物的稳健和有效形成。

3.2. 分光光度分析
图4展示了PPM-1吸附剂、固定的Arsenazo III以及Arsenazo III与Pb(II)离子复合物的反射光谱。图中显示，固定试剂和含铅离子复合物的最大分析信号分别位于570 nm和670 nm，表明反应对比度为100 nm。相比之下，Arsenazo III试剂及其与铅(II)离子复合物在溶液中的分光光度分析显示吸收峰分别位于540 nm和610 nm，对比度为70 nm。在固体基底上观察到的反应对比度增加表明，当试剂被固定时，空间位阻导致固定试剂的结构变得更加刚性。这种刚性阻止了旋转和振动运动，从而在固定过程中最大化了分析信号。因此，固定在纤维吸附剂上的铅复合物的吸收峰与其在溶液中的光谱非常相似。

图4. (a) 反射光谱；(b) Kubelka-Munch函数图。
(a) 反射光谱显示了样品对不同波长的光反射率。(b) 从反射数据得出的Kubelka-Munk函数图，表示吸收特征。
如图4所示，在聚丙烯腈基质和水介质中形成的复合物的吸收峰几乎重合。这表明无论是在溶液中还是在固体基底上，试剂与铅离子的螯合都是通过相同的活性官能团进行的。这一发现强调了化学相互作用的一致性，无论Arsenazo III试剂的物理状态如何。分光光度数据证实，固定在聚合物基质上不会改变Arsenazo III与Pb(II)离子之间的基本相互作用。相反，固定增强了试剂的刚性和稳定性，从而产生了更明显的分析信号。图4的结果表明，使用固体基底进行固定可以提高检测和分析铅离子的效果。

这些观察结果突显了将Arsenazo III固定在纤维吸附剂（如PPM-1聚合物基质）上的好处。固定带来的反应对比度和稳定性的提高增强了试剂的分析性能，使其成为检测和分析铅离子的宝贵工具。这种方法为研究和实际应用中的分光光度分析提供了一种可靠且高效的方法，确保了铅复合物研究的准确性和一致性。

从溶液中570 nm到固定系统中的670 nm的吸光度红移可以归因于聚合物基质内微环境的改变。固定限制了分子的移动性并增强了结构的刚性，减少了非辐射松弛途径。此外，PPM-1基质官能团与发色团之间的相互作用改变了电子分布，稳定了激发态，导致显著的红色位移。表1提供了在溶液中和固定在载体上时铅(Pb)与Arsenazo III复合物形成的最佳条件的比较分析。溶液中的吸收峰为570 nm，而固定后的吸收峰为670 nm，表明Arsenazo III试剂的电子环境发生了变化。最佳pH值从溶液中的5.0变为固定后的4.20，表明稳定性和反应性得到了提高。检测限从溶液中的0.01 μg/mL提高到固定后的0.001 μg/mL，反映了更高的灵敏度。复合物形成时间从溶液中的10分钟缩短到固定后的5分钟，表明相互作用更加高效。选择性也得到了提高，固定系统能够容忍更高浓度的干扰离子（例如，Cr (25)、Cu、Cd、Mn、Fe (100)、Zn (80)、Al (150)、Mg (1000)），而溶液方法则不然（例如，Cu、Cd、Fe、Mn、Cr (10)、Zn (5)、Al (25)、Mg (250)）。这些差异表明，固定的Arsenazo III试剂具有更优越的性能，使其更适合在各种环境和工业样品中精确、高效且可靠地分析铅。

表1. 在溶液中和固定在载体上时铅与Arsenazo III复合物形成的最佳条件比较。
参数 溶液中 固定后
λ, nm 570 670
最佳pH值 5.0 4.20
CN, μg/mL 0.01 0.001
复合物形成时间, min 10 5
选择性 Cu、Cd、Fe、Mn、Cr (10)、Zn(5)、Al(25)、Mg(250) Cr (25)、Cu、Cd、Mn、Fe(100)、Zn(80)、Al(150)、Mg(1000)
从溶液中的5.0到固定后的4.2的最佳pH值变化反映了聚合物基质内局部酸性微环境的形成。这种增强的酸性抑制了水解和Cr(III)及Al(III)等干扰离子的竞争性螯合，从而提高了选择性。该方法在pH 4.0–4.5范围内进行了评估，最佳性能出现在pH 4.2时。

使用Asmus方法研究了铅与Arsenazo试剂复合物的组成，如图5a所示。该分析表明，铅与试剂反应形成的复合物中金属与试剂（Me）的比率为1:1。利用固定试剂的优化条件构建了确定铅离子的校准图，如图5b所示。这些校准图能够准确量化各种样品中的铅离子，证明了固定Arsenazo III试剂在分析应用中的有效性。

图5. (a) 用Asmus方法确定铅(II)与Arsenazo III复合物的组成。(b) 基于固定Arsenazo III吸光度的铅离子浓度校准曲线。
Y=20.063x-0.1295。
(a) 使用Asmus方法确定铅(II)与Arsenazo III复合物组成的图表。(b) 基于固定Arsenazo III吸光度的铅离子浓度校准曲线。
LOQ通过标准表达式（LOQ = 10σ/S）估算，其中S是校准曲线的斜率（20.063），σ是分析信号的标准偏差。计算出的LOQ值约为0.005 μg/mL，表明该方法具有良好的定量灵敏度以及报告的检测限。通过在不同Pb(II)浓度水平下进行加标回收实验进一步评估了方法的准确性。所得回收率在可接受范围内（约95%），证实了该方法的良好准确性和可靠性。此外，通过引入小的实验条件变化（包括pH（±0.2单位）和复合物时间（±1分钟）来评估方法的稳健性。分析响应显示变化很小（偏差低于5%），确认该方法足够稳健，适用于常规分析。

表2展示了在溶液中和固定在载体上时，确定各种干扰铅测定的外来金属的最大允许浓度（MPC）的结果。数据显示，在存在100倍量的镉、铜、铁和锰的情况下，仍能准确测定铅。然而，类似浓度的锌会导致估计值偏高，因此最佳比例[Pb]:[Zn] = 1:80。在铬的情况下，100倍的铬浓度可以完全抑制铅的分析信号，即使在50倍的浓度下，结果也会被低估。因此，铬的最佳比例为[Pb]:[Cr] = 1:25，在这个比例下仍可以实现准确且可重复的铅测定。这些发现强调了不同金属干扰程度的差异，并确定了特定的最佳比例，以确保在这些金属存在的情况下进行准确的铅分析。

表2. 杂质共存离子对铅（CPb = 1.0 μg/mL；X为共存金属，P = 95）测定准确性和重复性的影响结果。

| [Pb]:[X] | 找到的铅，μg | ΔC±х |
|---------|---------|------|
| Pb:Cu | 1:25 | 1.03±0.08 |
| Pb:Cd | 1:25 | 0.98±0.07 |
| Pb:Zn | 1:80 | 1.01±0.08 |
| Pb:Zn | 1:100 | 1.12±0.11 |
| Pb:Cr | 1:100 | 0.99±0.09 |
| Pb:Cr | 1:250 | 0.97±0.10 |
| Pb:Cr | 1:500 | 0.66±0.08 |
| Pb:Mn | 1:100 | 1.01±0.16 |
| Pb:Fe | 1:100 | 0.985±0.22 |

所获得的结果是在模拟实际样品的模型混合物上测试的，如表3所示。数据表明，在模型二元、三元及更复杂的混合物中，通过吸附光谱法测定铅是可行的。所有情况下的相对标准偏差均不超过0.115，显示出所开发技术的相对良好的准确性和重复性。这些发现证实了使用固定化Arsenazo III测定铅的方法的有效性和可靠性，即使在多种干扰离子存在的情况下也能确保准确测量。

表3. 在模拟实际样品的人工模型混合物中使用固定化Arsenazo III测定铅的方法验证结果（P=0.95，n=5）。

| 混合物组成（μg） | 找到的铅，μg/mL | ΔC±х |
|-------------|-------------|---------|
| Pb(1.0)+Cr(2.0)+Cu(1.0) | 1.05±0.14 | 0.12 |
| Pb(1.0)+Cr(2.0)+Cd(4.0) | 0.98±0.08 | 0.10 |
| Pb(2.0)+Cr(1.0)+Zn(15) | 1.98±0.11 | 0.09 |
| Pb(1.0)+Cr(1.0)+Cd(13.0)+Cu(10.0) | 0.98±0.12 | 0.11 |
| Pb(3.0)+Cr(5.0)+Fe(15.0)+Mn(10.0) | 2.96±0.15 | 0.25 |

表3中的结果验证了使用固定化Arsenazo III在各种模型混合物中测定铅的方法的有效性。在像Pb(1.0) + Cr(2.0) + Cu(1.0)和Pb(1.0) + Cr(2.0) + Cd(4.0)这样的二元混合物中，铅的浓度被准确测定（分别为1.05 ± 0.14 μg/mL和0.98 ± 0.08 μg/mL），相对标准偏差较低（分别为0.114和0.102）。在更复杂的混合物中，如Pb(2.0) + Cr(1.0) + Zn(15)和Pb(1.0) + Cr(1.0) + Cd(13.0) + Cu(10.0)中，铅也被准确测定（分别为1.98 ± 0.11 μg/mL和0.98 ± 0.12 μg/mL），且重复性良好（相对标准偏差分别为0.046和0.112）。即使在像Pb(3.0) + Cr(5.0) + Fe(15.0) + Mn(10.0)和Pb(0.5) + Cr(3.0) + Cd(2.0) + Cu(10.0)这样的高度复杂混合物中，该方法也表现出可靠性，铅的浓度分别为2.96 ± 0.15 μg/mL和0.52 ± 0.09 μg/mL，相对标准偏差分别为0.084和0.115。这些发现证实了该方法在不同样品组成中的准确性，使其适用于实际应用。

所开发的方法得出的结果与使用逆伏安法和原子吸收光谱法获得的结果一致。例如，在样品1中，所开发方法记录的铅浓度为3.68±0.37，标准偏差（Sr）为0.096，与逆伏安法（3.71±0.14，Sr = 0.093）和原子吸收光谱法（3.58±0.23，Sr = 0.106）的结果非常接近（表4）。样品2和3中也观察到了类似的一致性，所开发方法显示出可比的准确性和精确度。这些结果证实了该技术在实际水分析中的可靠性和适用性。

表4. 使用所开发和对照方法对各种水样进行铅分析的比较结果（n=5；P=0.95）。

| 样品编号 | 所开发方法（ΔC±х，Sr） | 逆伏安法（ΔC±х，Sr） | 原子吸收光谱法（ΔC±х，Sr） |
|---------|--------------|-----------------|-----------------|
| 1 | 3.68±0.37, 0.096 | 3.71±0.14, 0.093 | 3.58±0.23, 0.106 |
| 2 | 3.44±0.53, 0.080 | 4.02±0.13, 0.086 | 4.13±0.58, 0.092 |
| 3 | 3.73±0.41, 0.053 | 3.72±0.13, 0.023 | 3.74±0.39, 0.062 |

通过使用矿物酸进行多次吸附-解吸循环评估了固定化吸附剂的重复使用性。材料在3次循环后仍保留了超过92%的初始分析信号，表明其具有良好的再生能力和操作稳定性。

3.3. 红外（IR）分析
图6展示了Arsenazo III、PPM聚合物基质、固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III以及与Pb(II)离子形成的复合物的红外光谱，显示出与复合物形成和固定相关的各种官能团的吸收带。关键观察包括宽的OH伸缩振动（3882-3364 cm-1），表明存在羟基；C-H伸缩振动（2994-2925 cm-1和2916-3081 cm-1）来自甲基和芳香氢原子。=C-H伸缩（2811 cm-1）表示不饱和的碳-氢键，而C=O伸缩（1620 cm-1）突出了与Pb(II)形成复合物的关键羰基。S=O伸缩（1453 cm-1）对应于对螯合至关重要的磺酸基团，Ar-S变形振动（445 cm-1）表明Arsenazo III在固定后的结构完整性。S-H和Ar C-H的变形振动（1187-1293 cm-1和868-909 cm-1）强调了这些基团在聚合物基质结构中的作用，SO2键合（1413-1478 cm-1）证实了基质的结合特性。这些观察结果，包括Pb(II)复合物中的位移和强度变化，验证了Arsenazo III在聚合物基质上的成功固定和功能完整性，证实了其在检测和结合铅离子方面的有效性。

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图6. Arsenazo III、PPM聚合物基质、固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III以及与Pb(II)离子形成的复合物的红外光谱比较。

3.4. 扫描电子显微镜（SEM）/能量色散光谱（EDS）分析
SEM/EDS分析提供了关于固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III及其与Pb(II)离子形成的复合物的元素组成的宝贵信息（图7、图8）。对于固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III，关键数据表明该基质主要由碳（质量占比49.04%，原子占比54.73%）、氮（质量占比24.91%，原子占比23.84%）和氧（质量占比25.32%，原子占比21.22%）组成。这些元素对于聚合物的结构和Arsenazo III试剂的成功固定至关重要。硫（质量占比0.35%，原子占比0.15%）和砷（质量占比0.38%，原子占比0.07%）的少量存在证实了Arsenazo III分子中包含的功能基团。氮和氧的相对较高百分比表明存在对固定和随后与铅离子相互作用至关重要的功能基团。

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图7. (a) 固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III；(b) 与Pb(II)离子形成的复合物的扫描电子显微镜（SEM）图像。

图7 备注：扫描电子显微镜（SEM）图像显示了(a) 固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III的纤维表面形态，以及(b) 在Pb(II)离子结合后的同一基质。

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图8. (a) 固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III；(b) 与Pb(II)离子形成的复合物的EDS元素映射图像。

图8 备注：EDS元素映射图像显示了(a) 固定在PPM聚合物基质上的Arsenazo III的分布，以及(b) 在Pb(II)离子暴露后的映射。

在与Pb(II)离子形成的复合物中，EDS元素映射显示碳含量增加（质量占比55.15%，原子占比65.81%），这可能是由于聚合物基质与铅离子之间的相互作用。铅的存在（质量占比8.00%，原子占比0.55%）证实了其与固定Arsenazo III的成功结合。此外，砷含量的显著增加（质量占比1.47%，原子占比0.28%）进一步验证了Arsenazo III在螯合过程中的作用。氮（质量占比14.62%，原子占比14.96%）和氧（质量占比20.30%，原子占比18.19%）的保持水平表明，在铅离子存在的情况下，这些对结合至关重要的功能基团仍然活跃且有效。总体而言，这些发现强调了该方法在检测和结合铅方面的可靠性，表明聚合物基质在提供铅离子结合位点的同时保持了其结构完整性。这证实了该方法适用于分析和环境监测目的。

4. 结论
本研究的主要结论如下：纯度为99.8%的Arsenazo III试剂溶液在形成金属复合物方面非常有效。选择PPM-1聚合物基质是因为其富含氨基官能团，这增强了其与Arsenazo III试剂的相互作用。确定形成Arsenazo III-Pb(II)复合物的最佳条件为试剂比例为1:1，介质pH值为6，并通过醋酸缓冲液稳定。Arsenazo III试剂通过静电相互作用成功固定在聚合物基质上，确保了复合物的稳定性。固定化的Arsenazo III基质及其与Pb(II)离子的光谱信号分别出现在440 nm和580 nm处，表明复合物形成成功。值得注意的是，当固定化后，铅的检测限从溶液中的0.01 μg/mL提高到0.001 μg/mL，反映了灵敏度的提高。此外，固定化系统将复合物形成时间从溶液中的10分钟缩短至5分钟，表明相互作用更加高效。固定化系统表现出更高的选择性，能够容忍更高浓度的干扰离子。金属之间的相互影响性质和程度取决于伴随干扰元素的性质和比例，在测定铅时确定了Cu、Cd、Zn和Fe的最大允许浓度。Arsenazo III-Pb(II)复合物在pH值为5.16的介质中表现出高稳定性，这对于稳定的分析性能至关重要。无论是在溶液中还是固定状态下，复合物形成过程都是一致的，这证明了固定化试剂的可靠性。此外，在固体基底（100 nm）上的反应对比度高于溶液中（70 nm），增强了分析信号。该方法在二元、三元和复杂混合物中都能准确测定铅浓度，相对标准偏差不超过0.115。所开发的方法得出的结果与使用逆伏安法和原子吸收光谱法获得的结果一致，证实了其可靠性。红外光谱显示Arsenazo III试剂的成功固定和功能完整性，证实了其在检测铅离子方面的有效性。SEM/EDS分析确认了固定化试剂中存在必要的功能基团以及成功的铅结合。总体而言，该技术的准确性、灵敏度和选择性使其适用于实际的环境和工业铅分析应用。

数据可用性声明
本研究中的数据可向相应作者请求获取。

CRedI作者贡献声明
Zulayho Smanova：撰写——原始草稿，数据整理。
Bektosh Normatov：撰写——原始草稿，数据整理。
Ulug'bek Ahmadjonov：验证，研究，形式分析。
Bakhtiyor Borikhonov：撰写——原始草稿，研究，数据整理。
Utkir Madatov：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，验证。
Muslum Demir：撰写——原始草稿，资源准备。
Elyor Berdimurodov：撰写——原始草稿，验证，监督，方法学，形式分析，概念化。
Ahmad Hosseini-Bandegharaei：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，验证，监督，软件，数据整理。
Khasan Berdimuradov：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿。