池 泉，覃艷蕾，楊 楨，雷劍英，池繼濤，黃 濤

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

羅丹明是常見的一類熒光染料，在化學(xué)發(fā)光反應(yīng)中常用作增敏劑或能量轉(zhuǎn)移試劑[1].但在一些強(qiáng)氧化性體系中羅丹明類物質(zhì)也可直接被氧化而產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，陳國(guó)南等[2]發(fā)現(xiàn)在堿性條件下，過氧化氫可以氧化二溴茜素紫產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，在陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨的存在下Co(II)離子催化此反應(yīng)，利用此反應(yīng)建立了水樣中痕量Co(II)的測(cè)定方法.馬永軍等[3-5]發(fā)現(xiàn)Ce(IV)可直接氧化羅丹明B產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，并應(yīng)用于抗壞血酸和DNA的測(cè)定.Fenton反應(yīng)也可應(yīng)用于化學(xué)發(fā)光體系[6]，本研究在pH 3.0的HClO4介質(zhì)中，利用Fe(II)-H2O2體系氧化降解羅丹明B，褪色的過程中同時(shí)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，且發(fā)光強(qiáng)度與Fe(II)的濃度呈線性依賴關(guān)系.本文進(jìn)一步研究了此發(fā)光反應(yīng)的影響因素，并據(jù)此建立了基于羅丹明B化學(xué)發(fā)光的Fe(II)離子的分析方法，探討了其發(fā)光機(jī)理.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

羅丹明B(分析純，上海試劑三廠)，抗壞血酸(分析純，上海展云化工有限公司)，七水合硫酸亞鐵、三氯化鐵、30％過氧化氫和其他試劑(分析純，中國(guó)醫(yī)藥集團(tuán)上?；瘜W(xué)試劑公司).實(shí)驗(yàn)用水(高純水，18.2 MΩ).

稱取0.012 g羅丹明B溶于10 mL高純水中，獲得羅丹明B儲(chǔ)備液(2.5 mmol·L-1). Fe(II)儲(chǔ)備液和H2O2儲(chǔ)備液于實(shí)驗(yàn)前新鮮配制.將0.417 g FeSO4·7H2O溶解于pH 3.0的HClO4溶液中，稀釋定容到50 mL，獲得Fe(II)儲(chǔ)備液(0.030 mol·L-1). H2O2儲(chǔ)備液(0.010 mol·L-1)由30％的H2O2稀釋配制，用KMnO4法標(biāo)定其準(zhǔn)確濃度.

流動(dòng)注射化學(xué)發(fā)光分析儀(IFFM-E型，西安瑞邁分析儀器有限公司)，熒光光譜儀(970CRT型，上海精密科學(xué)儀器有限公司)，紫外-可見光譜儀(TU-1901型，北京普析分析儀器有限公司).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用靜態(tài)注射的方法進(jìn)行化學(xué)發(fā)光試驗(yàn).加入適量 pH 3.0 的HClO4溶液、Fe(II)標(biāo)準(zhǔn)溶液和40 μL羅丹明B溶液于10mL 燒杯中，放入化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器暗盒檢測(cè).從注射口注入40 μL 0.1mol·L-1H2O2溶液，控制混合溶液總體積為2 mL，記錄加入H2O2后體系化學(xué)發(fā)光的峰值I，重復(fù)測(cè)量3次.

在熒光光譜儀上記錄羅丹明B在Fenton體系中的化學(xué)發(fā)光光譜和加入H2O2前后羅丹明B的熒光光譜的變化；在紫外-可見光譜儀上記錄加入H2O2前后羅丹明B的可見光譜的變化.光譜掃描均在加入H2O2后立即進(jìn)行，掃描時(shí)間1 min，連續(xù)掃描2次.

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

羅丹明B在Fenton體系中的化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線見圖1.由圖1可見，在羅丹明B和Fe(II)的混合溶液中注射H2O2后立即檢測(cè)到發(fā)光信號(hào)，發(fā)光強(qiáng)度迅速達(dá)到最大值，然后逐漸減小，在1min內(nèi)降到本底值附近.說明在Fenton體系中羅丹明B的氧化是一個(gè)快速發(fā)光過程.

圖1 羅丹明B化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

2.2 介質(zhì)pH的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在酸性溶液中，用H2O2氧化羅丹明B幾乎觀察不到化學(xué)發(fā)光；在堿性溶液中，直接用H2O2氧化羅丹明B可檢測(cè)到微弱的化學(xué)發(fā)光.由于Fenton一般在約pH 3.0的酸性條件下進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)研究了pH在2～6的HClO4介質(zhì)對(duì)體系化學(xué)發(fā)光的影響，結(jié)果見圖2.如圖2所示，體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨著介質(zhì)pH的增大而增大，但發(fā)光穩(wěn)定性降低，當(dāng)pH>5后化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度減弱.羅丹明B在堿性條件下更易被H2O2氧化，但體系受Fenton反應(yīng)pH的影響，體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度最大值與Fenton反應(yīng)的最佳pH不吻合.兼顧發(fā)光強(qiáng)度和其靈敏度，選擇pH 3.0的HClO4介質(zhì).

4.8×10-5 mol·L-1 RhB；2.0 mmol·L-1 H2O2；0.90 mmol·L-1 Fe(II)

2.3 羅丹明B濃度的影響

羅丹明B濃度對(duì)體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖3.如圖3所示,體系的發(fā)光強(qiáng)度隨羅丹明B濃度的增加而增加.當(dāng)濃度超過3.0 × 10-5mol·L-1后，發(fā)光強(qiáng)度增加減緩；濃度超過4.8 × 10-5mol·L-1后，發(fā)光強(qiáng)度反而減弱，這是由于羅丹明B濃度增加，顏色加深，產(chǎn)生自吸收現(xiàn)象[7].故選擇羅丹明B的濃度為4.8 × 10-5mol·L-1.

0.90 mmol L-1 Fe(II)；2.0 mmol L-1 H2O2；pH 3.0

2.4 H2O2濃度的影響

H2O2濃度對(duì)體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度影響見圖4.由圖4可見，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨H2O2濃度的增加而增加.當(dāng)體系中H2O2的終濃度在mmol·L-1級(jí)時(shí)，F(xiàn)e(II)的濃度與發(fā)光強(qiáng)度的線性關(guān)系較好，且較穩(wěn)定，兼顧方法的靈敏度和重現(xiàn)性，選用40 μL 0.1 mol·L-1的H2O2溶液，其終濃度為2 mmol·L-1.

4.8×10-5 mol·L-1 RhB；1.5 mmol·L-1Fe(II)；pH 3.0

2.5 Fe(II)與Fe(III)的比較

Fenton反應(yīng)中Fe(II)與Fe(III)可相互轉(zhuǎn)化，直接使用Fe(III)需要在堿性條件下并輔助加熱Fenton反應(yīng)才能進(jìn)行[8].相同條件下Fe(II)與Fe(III)對(duì)體系化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度的影響，結(jié)果見圖5.如圖5所示，在一定Fe(II)濃度范圍內(nèi)，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度隨濃度的增加而增加，濃度超過1.5 mmol·L-1后，化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度增加緩慢后維持不變；隨著Fe(III)濃度的增加，化學(xué)發(fā)光只有微弱增強(qiáng)，與Fe(II)相比，作用不明顯.故在此實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e(III)不能直接用于催化發(fā)光反應(yīng).

1)Fe(II)；2)Fe(III)

2.6 Fe(II)測(cè)定的校準(zhǔn)曲線、精密度及檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，F(xiàn)e(II)濃度在3.0×10-7～1.2×10-3mol·L-1(1.7×10-8～6.7×10-5g·mL-1)時(shí)，體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與Fe(II)濃度有線性關(guān)系，結(jié)果見圖6.如圖6所示，線性回歸方程為I= 13.39 + 498.66c(mmol·L-1)，r=0.997，檢出限為1.7×10-7mol·L-1(9.4 ng·mL-1). 9次平行測(cè)定0.35 μg·mL-1Fe(II)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.7％.

4.8×10-5 mol·L-1 RhB；2.0 mmol·L-1 H2O2；pH 3.0

2.7 干擾實(shí)驗(yàn)

對(duì)常見的金屬離子和一些有機(jī)小分子以及白蛋白等物質(zhì)進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)，若允許化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度峰值的變化率為±5％，當(dāng)Fe(II)濃度為0.42 μg·mL-1時(shí)，共存物質(zhì)最大允許倍數(shù)結(jié)果見表1.如表1所示，不同物質(zhì)影響Fenton反應(yīng)的進(jìn)行和發(fā)光測(cè)定的原因各有不同：金屬離子中Fe(III)影響較大，因Fenton反應(yīng)中Fe(II)和Fe(III)可相互轉(zhuǎn)換，即Fe(III)也參與到Fenton反應(yīng)；Co(II)在一定條件下也可催化H2O2分解，作用和Fe(II)類似；檸檬酸、氨基酸和白蛋白則較易和鐵形成絡(luò)合物.

表1 不同物質(zhì)對(duì)Fe(II)測(cè)定的影響

允許限度測(cè)定相對(duì)誤差為±5％

2.8 Fe(II)樣品的測(cè)定

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)定了合成樣和自來水中的Fe(II)，并作加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果見表2. 如表2所示，自來水樣品中未檢出Fe(II)，所有樣品的加標(biāo)回收率均在90％～110％之間.

表2 不同樣品中Fe(II)的測(cè)定 (n=3)

ND: 未檢出

2.9 化學(xué)發(fā)光機(jī)理

羅丹明B在Fenton體系中的光譜測(cè)定結(jié)果見圖7.化學(xué)發(fā)光光譜如圖7a所示，因反應(yīng)是一個(gè)快速發(fā)光過程，在進(jìn)行發(fā)光光譜掃描時(shí)，發(fā)光過程已接近完成，發(fā)光信號(hào)微弱，觀察到在430 nm有一較強(qiáng)的發(fā)射峰.圖7b和圖7c分別記錄了在羅丹明B和Fe(II)離子的混合溶液中加入過氧化氫前后紫外-可見光譜和熒光光譜的變化.圖7中顯示，羅丹明B在550 nm有最大吸收，加入過氧化氫后其吸收峰值迅速下降，反應(yīng)2 min后幾乎褪色完全，且在褪色的過程中，其吸收峰發(fā)生藍(lán)移.與此相對(duì)應(yīng)，羅丹明B在589 nm的熒光發(fā)射峰峰值也迅速下降(激發(fā)波長(zhǎng)505 nm)，同時(shí)發(fā)生藍(lán)移.

1)RhB+Fe(II)；2)RhB+Fe(II)+H2O2 0 min；3)RhB+Fe(II)+H2O2 1 min

據(jù)此推測(cè)發(fā)光機(jī)理如下：

Fe(II)+ H2O2→Fe(III)+ OH-+ ·OH.

(1)

Fenton反應(yīng)迅速產(chǎn)生大量的羥自由基·OH(反應(yīng)1)，·OH進(jìn)攻羅丹明B的1位C原子，生成活性的自由基中間體(反應(yīng)2)，中間體退激發(fā)光(反應(yīng)3).中間體15位C原子進(jìn)一步受到·OH攻擊，C1—C15鍵斷裂，降解形成小分子產(chǎn)物(反應(yīng)4).中間體的共軛程度較羅丹明B降低，因此觀察到在褪色過程中溶液的吸收峰和熒光峰均發(fā)生藍(lán)移.

3 結(jié)語

本文在pH 3.0的高氯酸溶液中Fenton體系直接氧化羅丹明B產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光，探討了影響化學(xué)發(fā)光的因素和發(fā)光機(jī)理，并據(jù)此建立了微量Fe(II)離子的化學(xué)發(fā)光分析方法. 該法測(cè)定Fe(Ⅱ)離子的濃度線性范圍為3.0×10-7～1.2×10-3mol·L-1，檢出限為1.7 × 10-7mol·L-1. 9次平行測(cè)定含F(xiàn)e(II)離子0.35 μg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.7％.根據(jù)其化學(xué)發(fā)光光譜、紫外-可見吸收光譜以及熒光光譜，推測(cè)其發(fā)光機(jī)理為Fenton體系中產(chǎn)生的羥自由基進(jìn)攻羅丹明B的1位C原子形成的活性中間體退激發(fā)光.實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)一些還原性物質(zhì)(如抗壞血酸)濃度較低時(shí)對(duì)體系的化學(xué)發(fā)光有增敏作用，濃度較高時(shí)抑制化學(xué)發(fā)光，有望據(jù)此建立一些還原性物質(zhì)的新的化學(xué)發(fā)光分析方法.

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