胡玉斐 賴瑢 李攻科

(中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院 廣東廣州 510275)

化學(xué)發(fā)光分析法是近30年來發(fā)展起來的一種高靈敏的微量及痕量分析法，具有儀器設(shè)備簡單、操作方便，靈敏度高，線性響應(yīng)范圍寬和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等 優(yōu)點(diǎn)[1]。近年來,在完善常見化學(xué)發(fā)光試劑和拓寬體系應(yīng)用的基礎(chǔ)上，與其他技術(shù)的聯(lián)用已成為化學(xué)發(fā)光分析法的發(fā)展方向。如與流動(dòng)注射技術(shù)、成像技術(shù)、免疫技術(shù)、色譜技術(shù)等的聯(lián)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、礦物巖石分析、材料分析、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、藥物分析等方面[2]。

在高校的儀器分析課程中[3]，化學(xué)發(fā)光分析法屬于分子光譜部分，理論部分的學(xué)習(xí)只有短短幾頁，往往在理論課程和實(shí)驗(yàn)課程中都被忽略。中山大學(xué)在現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)與技術(shù)(儀器分析實(shí)驗(yàn)部分)課程中首次開設(shè)了化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)——流動(dòng)注射-化學(xué)發(fā)光聯(lián)用技術(shù)用于眼藥水中鹽酸環(huán)丙沙星含量的研究。在指導(dǎo)學(xué)生開始實(shí)驗(yàn)前，需要幫助學(xué)生加深對(duì)理論課程中知識(shí)點(diǎn)的理解，包括化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象，分析方法應(yīng)用的原理，常見的化學(xué)發(fā)光體系等。若在課程中以直觀、具體的發(fā)光演示實(shí)驗(yàn)為示例，可以給學(xué)生留下深刻的印象，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。通過演示明顯的發(fā)光現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解理論課程學(xué)習(xí)中的基本原理；通過演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、演示及分析講解將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論融為一體，有助于啟發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，訓(xùn)練學(xué)生的思維，培養(yǎng)其獨(dú)立思考問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象是化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物或生成物吸收了反應(yīng)釋放的化學(xué)能后所產(chǎn)生的光輻射現(xiàn)象。其發(fā)光機(jī)理是反應(yīng)體系中的某些物質(zhì)分子(如反應(yīng)物、中間體或熒光物質(zhì))吸收了反應(yīng)釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，同時(shí)將能量以光輻射的形式釋放出來，產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光?；瘜W(xué)發(fā)光分析法是根據(jù)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)在某一時(shí)刻的發(fā)光強(qiáng)度或發(fā)光總量來確定反應(yīng)中相應(yīng)組分含量的分析方法?；瘜W(xué)發(fā)光分析法可以測(cè)定化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的反應(yīng)物、化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中的催化劑、增敏劑或者抑制劑以及偶合反應(yīng)中的反應(yīng)物、催化劑或者增敏劑等。常見的應(yīng)用于液相化學(xué)發(fā)光的物質(zhì)有魯米諾、光澤精和洛粉堿。其中研究較多、在分析中應(yīng)用最廣的是魯米諾。魯米諾(3-氨基苯二甲酰肼)的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)效率為0.05～0.15。魯米諾在堿性溶液中與雙氧水的反應(yīng)速度慢，而某些金屬離子可催化該反應(yīng)；故可利用這一現(xiàn)象間接測(cè)定這些金屬離子。該方法可應(yīng)用于痕量Cu2+、Mn2+、Co2+、V4+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Ag+、Au3+、Hg2+等的測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 儀器與試劑

BPCL微弱發(fā)光測(cè)量儀(中國科學(xué)院生物物理研究所研制)。

試劑Ⅰ：1×10-3mol/L魯米諾的水溶液；試劑Ⅱ：1×10-2mol/L的H2O2溶液；試劑Ⅲ：1×10-3mol/L鐵氰化鉀水溶液；試劑Ⅳ：1×10-2mol/L Co(Ⅱ)溶液；試劑Ⅴ：1×10-2mol/L Cu(Ⅱ)溶液；試劑Ⅵ：1×10-2mol/L Cr(Ⅲ)溶液。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

演示魯米諾-過氧化氫-催化劑體系化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，分別在4個(gè)測(cè)量杯中加入1mL試劑Ⅰ和1mL試劑Ⅱ，然后同時(shí)向4個(gè)測(cè)量杯中平行加入0.2mL試劑Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，觀測(cè)杯中的實(shí)時(shí)的發(fā)光現(xiàn)象。

利用BPCL微弱發(fā)光測(cè)量儀對(duì)實(shí)驗(yàn)效果最佳的催化劑采用分立取樣法研究其動(dòng)力學(xué)曲線及分析應(yīng)用。

3 結(jié)果與討論

3.1 演示實(shí)驗(yàn)效果

向魯米諾和過氧化氫的混合溶液中平行加入不同催化劑的演示實(shí)驗(yàn)效果如圖1所示。由圖1可以看出加入催化劑能產(chǎn)生明顯的化學(xué)發(fā)光，以Cu(Ⅱ)為催化劑，溶液呈藍(lán)色，加入后產(chǎn)生的發(fā)光最為微弱；以Cr(Ⅲ)為催化劑，溶液呈綠色，加入后產(chǎn)生發(fā)光強(qiáng)度最大，溶液呈現(xiàn)均勻的藍(lán)色很適合觀察;以鐵氰化鉀為催化劑，溶液呈黃色，加入后產(chǎn)生的發(fā)光比較持久; 而以Co(Ⅱ)為催化劑，溶液呈粉紅色，加入即可產(chǎn)生的強(qiáng)烈的發(fā)光信號(hào)，信號(hào)對(duì)比最為明顯，發(fā)光信號(hào)隨著Co(Ⅱ)在魯米諾-過氧化氫混合溶液中的擴(kuò)散呈現(xiàn)梯度變化。

在理論課程講授中，化學(xué)發(fā)光分析法定量的依據(jù)是在化學(xué)發(fā)光分析中，被分析物相對(duì)于發(fā)光試劑小得多。對(duì)于一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，發(fā)光強(qiáng)度與被分析物濃度呈線性關(guān)系。催化劑Co2+溶液為粉紅色，產(chǎn)生的藍(lán)色發(fā)光信號(hào)對(duì)比明顯，藍(lán)色信號(hào)隨催化劑與發(fā)光試劑的混合程度加大而呈現(xiàn)明顯的梯度。因此，我們選擇魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ) 體系進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

圖1 不同催化劑作用下的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象

3.2 魯米諾型發(fā)光體系的動(dòng)力學(xué)曲線

在堿性介質(zhì)條件下,過渡金屬離子能增強(qiáng)魯米諾與過氧化氫的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)。常用典型的響應(yīng)曲線(強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的曲線)描繪該化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的特征。響應(yīng)曲線不僅與實(shí)驗(yàn)條件(包括pH和試劑濃度)有關(guān)，還與催化劑的使用有關(guān)。我們采用分立取樣法研究了魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ)體系的動(dòng)力學(xué)曲線，保持其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)不變，記錄Co(Ⅱ)溶液(1×10-4g/mL)催化魯米諾(1×10-5mol/L,pH=11)-H2O2(1×10-4mol/L)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的響應(yīng)曲線(圖2),其相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度在催化劑Co(Ⅱ)溶液注射后1s內(nèi)達(dá)到最大。

圖2 魯米諾-H2O2-Co(Ⅱ)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)曲線魯米諾:1×10-5mol/L(pH=11);H2O2:1×10-4mol/L;注射的Co(Ⅱ)：1×10-4g/mL

3.3 魯米諾化學(xué)發(fā)光體系的分析應(yīng)用

在化學(xué)發(fā)光分析中，被分析物相對(duì)于發(fā)光試劑小得多。對(duì)于一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，dc/dt=Kc(K為反應(yīng)速率常數(shù)；c為被分析物的濃度)，在一定條件下，峰值光強(qiáng)度與被測(cè)物濃度呈線性。固定魯米諾與過氧化氫的濃度，改變注射的Co2+溶液的濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可看出，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度隨Co2+溶液濃度的增大而顯著增大。據(jù)此可利用該化學(xué)發(fā)光體系對(duì)Co2+進(jìn)行測(cè)定。在固定魯米諾和過氧化氫濃度條件下，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度(ΔI)與Co2+溶液濃度呈良好的線性關(guān)系,ΔI=128.44c+22075(c為Co2+溶液濃度，單位為mol/L)，R2=0.9942。

圖3 相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度隨Co(Ⅱ)濃度變化關(guān)系魯米諾: 1×10-6mol/L(pH=11);H2O2:1×10-5mol/L;注射的Co(Ⅱ)：1×10-9mol/L～1×10-6mol/L

3.4 魯米諾型發(fā)光體系的發(fā)光機(jī)理

由文獻(xiàn)[4]可知，過渡金屬離子(Co2+,Cu2+,Fe3+,Ni2+,Cr3+)對(duì)魯米諾-過氧化氫化學(xué)發(fā)光體系有明顯的催化作用。最先被報(bào)道的是Cu(Ⅱ)，而應(yīng)用最廣泛的是Co(Ⅱ)，原因在于Co(Ⅱ) 對(duì)魯米諾-過氧化氫有很好的催化作用以及其在自然水體系中的低濃度。魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ)體系已被用于測(cè)定過氧化氫，檢出限達(dá)納摩爾和亞納摩爾級(jí)，可向?qū)W生講授魯米諾型化學(xué)發(fā)光的可能機(jī)理如下：

以Me(Ⅱ)表示的這類催化劑通常在反應(yīng)中具有可變化合價(jià)。在溶液中溶解氧作用下，生成超氧陰離子自由基、羥基自由基以及過氧化氫。

圖4 魯米諾與活性氧物質(zhì)作用機(jī)理

4 結(jié)論

演示實(shí)驗(yàn)選用的魯米諾-H2O2-Co2+體系在暗室中發(fā)光信號(hào)對(duì)比明顯。由于人們對(duì)基于魯米諾氧化反應(yīng)而產(chǎn)生的發(fā)光反應(yīng)機(jī)理的研究相對(duì)比較深入，體系的實(shí)際應(yīng)用廣泛，很適合作為本科生的化學(xué)發(fā)光法演示實(shí)驗(yàn)。通過該實(shí)驗(yàn)的演示，明顯的藍(lán)色發(fā)光信號(hào)能給學(xué)生留下了深刻的印象；同時(shí)，結(jié)合詳細(xì)的機(jī)理講解，能幫助學(xué)生加深對(duì)理論課講授知識(shí)點(diǎn)的理解。該演示實(shí)驗(yàn)已經(jīng)連續(xù)2年在我?；瘜W(xué)院本科三年級(jí)中開設(shè)，授課效果良好。

[1] Su Y Y,Chen H,Wang Z M,etal.AppliedSpectroscopyReviews,2007,42:139

[2] Gracia L G,GarcíaCampana A M,Huertas Pérez J F,etal.AnalyChimActa,2009,640(1-2):7

[3] 于化江,袁華,楊鳳珍,等.滄州師范專科學(xué)校學(xué)報(bào),2009,25(1):94

[4] Lv C,Song G Q,Lin J M.TrendsAnalChem,2006,25(10):985

[5] Bustos C,Salgado G,LoUez C.ChemEducator,2001,6(1):97