嵇正平 郁金丹 胡效亞

(揚(yáng)州大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院 江蘇揚(yáng)州 225002)

化學(xué)發(fā)光是指化學(xué)反應(yīng)致使反應(yīng)產(chǎn)物處于激發(fā)態(tài)，在退激時(shí)以光輻射形式釋放能量的現(xiàn)象。以此為基礎(chǔ)的化學(xué)發(fā)光分析法不需要外源性激發(fā)源，因此設(shè)備簡(jiǎn)單，誤差來源少。其內(nèi)源性激發(fā)源為化學(xué)能，對(duì)被檢光信號(hào)無背景干擾，因此有較高的信噪比。

化學(xué)發(fā)光分析法是一種在非平衡狀態(tài)下進(jìn)行的檢測(cè)方法，屬于動(dòng)力學(xué)分析法。反應(yīng)物的加入速度、混和狀態(tài)、體系溫度及反應(yīng)時(shí)間等都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。所以，化學(xué)發(fā)光分析法常與流動(dòng)注射技術(shù)相結(jié)合，建立流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析法。圖1是其典型的流程。

圖1 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析流程圖

目前，流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析法已得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]，其內(nèi)容也被編入了教材[6]。在諸多文獻(xiàn)和筆者教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象：條件優(yōu)化及檢測(cè)時(shí)，隨著某種反應(yīng)物濃度的增大，化學(xué)發(fā)光信號(hào)出現(xiàn)先上升再下降的情況(圖2)。對(duì)于這種“隨著試劑濃度增大，信號(hào)不升反降”的情況，許多文獻(xiàn)未作解釋。也有一些文獻(xiàn)認(rèn)為這是由于過量的試劑對(duì)光產(chǎn)生了吸收,導(dǎo)致發(fā)光信號(hào)減弱。

為了討論這一現(xiàn)象的成因，本文以間苯二酚-KMnO4發(fā)光體系為研究對(duì)象，采用流動(dòng)注射及靜態(tài)注射法，研究了反應(yīng)物KMnO4濃度對(duì)化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響。

1 儀器與試劑

IFFM-E流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析儀(西安瑞邁電子科技有限公司)。

間苯二酚(0.20mmol·L-1)，KMnO4(0.20mmol·L-1)，H2SO4(0.2mol·L-1)，HAc(0.2mol·L-1)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光

0.20mmol·L-1間苯二酚作為R1，0.2mol·L-1H2SO4溶液作為R2，蒸餾水作為載液C，將不同濃度KMnO4作為樣品S(圖1)，做流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光試驗(yàn)。管徑2mm，流速1.0mL·min-1。

2.2 靜態(tài)注射化學(xué)發(fā)光

取0.10mmol·L-1間苯二酚-0.1mol·L-1HAc溶液1.00mL加入到小燒杯中，置于暗盒內(nèi)，開啟化學(xué)發(fā)光檢測(cè)儀，用注射器注入1.00mL不同濃度的KMnO4溶液，記錄化學(xué)發(fā)光-時(shí)間圖譜。

3 結(jié)果與討論

3.1 試劑濃度的影響

根據(jù)流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光-時(shí)間譜圖，求出發(fā)光峰值并作出I-c(KMnO4)濃度關(guān)系圖(圖2)。

圖2 發(fā)光強(qiáng)度與KMnO4濃度的關(guān)系

由圖2可知，發(fā)光強(qiáng)度峰值(I)隨KMnO4濃度(c)呈非單調(diào)函數(shù)關(guān)系：當(dāng)c在0.00～0.04mmol·L-1范圍內(nèi)，I與c呈正相關(guān)性(其中c在0.00～0.02mmol·L-1范圍內(nèi)，有較好線性關(guān)系);而當(dāng)c高于0.04mmol·L-1時(shí)，I與c呈負(fù)相關(guān)性。

筆者認(rèn)為圖2的非線性(乃至非單調(diào)性)并不是由于過量的反應(yīng)物KMnO4對(duì)光吸收所造成的，原因如下：

如果是由于過量的KMnO4對(duì)光的吸收所導(dǎo)致，根據(jù)朗比定律:

(1)

式中I0為反應(yīng)發(fā)出光強(qiáng)，ε為摩爾吸光系數(shù)，b為光程長(zhǎng)度。對(duì)式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得：

I=I0×10-εbc

(2)

式(2)雖表明I與c有負(fù)相關(guān)性，但I(xiàn)減小的斜率應(yīng)隨c增加呈漸緩趨勢(shì)；而在圖2中，c在高濃度時(shí)下降速度很快。這表明過量KMnO4濃度產(chǎn)生的光吸收不是其負(fù)相關(guān)性的主要原因。

根據(jù)KMnO4的最大吸收波長(zhǎng)(525nm)的摩爾吸光系數(shù)，可計(jì)算0.12mmol·L-1相對(duì)于0.04mmol·L-1的吸光度：

其中0.1cm為發(fā)光池螺旋管半徑，可近似作為平均光程長(zhǎng)度。

3.2 靜態(tài)注射反應(yīng)時(shí)間的影響

為了討論上述現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因，我們進(jìn)行了靜態(tài)注射實(shí)驗(yàn)?？紤]到強(qiáng)酸性條件下的反應(yīng)速度相對(duì)于靜態(tài)注射的操作速度過快，靜態(tài)注射實(shí)驗(yàn)采用HAc溶液作為介質(zhì)。結(jié)果如圖3。

圖3 靜態(tài)注射發(fā)光強(qiáng)度與濃度及時(shí)間的關(guān)系

① 在靜態(tài)注射中，I-t的總趨勢(shì)為：KMnO4注入后，發(fā)光強(qiáng)度開始增大，在3s時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)最大；隨后發(fā)光強(qiáng)度逐漸下降。

合理的解釋是：開始時(shí)兩種溶液相互混合，隨著混合均勻性增強(qiáng)，發(fā)光強(qiáng)度增加；在3s后隨著反應(yīng)的進(jìn)行，兩反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)速度下降，曲線呈現(xiàn)一般動(dòng)力學(xué)曲線的特征。

② 在反應(yīng)的最初5s，KMnO4在0.00～0.12mmol·L-1濃度范圍內(nèi)，I-c呈正相關(guān)性，其中在反應(yīng)的最初3s呈良好的線性關(guān)系。說明在本文研究的濃度范圍內(nèi)，KMnO4對(duì)光的吸收幾乎不影響發(fā)光強(qiáng)度。

③ 反應(yīng)至7s時(shí)，呈正相關(guān)性的濃度范圍為0.00～0.11mmol·L-1，濃度大于0.11mmol·L-1時(shí)，發(fā)光強(qiáng)度反而下降。

④ 反應(yīng)7s之后，隨時(shí)間延長(zhǎng)，正相關(guān)性及線性范圍逐漸變窄。

3.3 流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光線性范圍的主要影響因素

雖然本文的流動(dòng)注射、靜態(tài)注射實(shí)驗(yàn)分別在強(qiáng)酸性、弱酸性條件下進(jìn)行，反應(yīng)速度相差較大，但流動(dòng)注射中液體的流動(dòng)速度快、體積小、混勻時(shí)間也短，所以兩者反應(yīng)的趨勢(shì)是相似的。據(jù)此可以認(rèn)為：在流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析中，造成I-c“非線性”乃至“非單調(diào)性”關(guān)系的主要原因是檢測(cè)過程中反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)。對(duì)此可用速度方程進(jìn)行分析：

對(duì)于一個(gè)化學(xué)發(fā)光反應(yīng)：

化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與反應(yīng)速度成正比：

其中v為反應(yīng)速度，x、y分別為A、B兩物質(zhì)的反應(yīng)級(jí)數(shù)，kCL、kv及k均為常數(shù)。

若兩物質(zhì)的反應(yīng)級(jí)數(shù)均為1，則為:

I=kcAcB

若將不同濃度A物質(zhì)注入固定濃度B中，反應(yīng)時(shí)間為0s時(shí)刻，則有：

式中cA0、cB0分別為A、B的起始濃度。

可以看出發(fā)光強(qiáng)度與A濃度呈正比關(guān)系。

反應(yīng)至t時(shí)刻，由于A、B濃度降低，發(fā)光強(qiáng)度It為：

可以看出t越大，It-cA0線性關(guān)系越差。而t較大時(shí)，It-cA0還有可能呈負(fù)相關(guān)性。

反應(yīng)時(shí)間還與所連接管路有關(guān)。如圖1所示，化學(xué)發(fā)光池前有一段管路ab，反應(yīng)物在此相互混合并反應(yīng)。如果ab太長(zhǎng)，則反應(yīng)物將在此段管路發(fā)生了較大程度的反應(yīng)(這部分發(fā)光信號(hào)未被檢測(cè))，當(dāng)溶液進(jìn)入化學(xué)發(fā)光池時(shí)，所檢測(cè)的是反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)刻的發(fā)光強(qiáng)度。顯然，若ab段越長(zhǎng)，t就越大，I-c線性范圍也就越小。

4 結(jié)論

對(duì)于一般的流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析，反應(yīng)物相互混勻后，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)光強(qiáng)度與反應(yīng)物濃度的線性關(guān)系越差，甚至造成兩者之間為非單調(diào)性函數(shù)關(guān)系。

如果被研究反應(yīng)物是被測(cè)組分，此現(xiàn)象對(duì)檢測(cè)線性范圍及靈敏度均會(huì)產(chǎn)生不良影響。作者在科研和教學(xué)實(shí)踐中，采取了如下改善措施：

① 調(diào)整連接管路ab長(zhǎng)度，使反應(yīng)物能盡快在化學(xué)發(fā)光池中混勻，盡可能減小反應(yīng)時(shí)間。

② 若因技術(shù)原因，無法縮短ab，可以適當(dāng)提高蠕動(dòng)泵速度。

③ 調(diào)節(jié)介質(zhì)條件，適當(dāng)降低反應(yīng)速度常數(shù)，以降低ab段內(nèi)反應(yīng)的程度。

④ 適當(dāng)增大另一個(gè)反應(yīng)物的濃度，使其在反應(yīng)過程中近似為常量。

當(dāng)然，上述條件的改變可能會(huì)引起其他不良影響。故具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)需要通過條件實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

[1] 陳效蘭,楊娟,徐淑靜,等.分析化學(xué),2009,37(11):1622

[2] 李銀環(huán),呂九如.分析化學(xué),2007,35(5):743

[3] 何樹華,何德勇,章竹君.分析化學(xué),2006,34(11):1622

[4] Zheng J,Springston S R,Lioyd J W.AnalChem,2003,75:4696

[5] Fletcher P J,Andrew K N,Forbes S,etal.AnalChem,2003,75:2618

[6] 揚(yáng)州大學(xué),徐州師范大學(xué),鹽城師范學(xué)院,等.新編大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)(三).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010