顧佳麗， 伊魯東， 李東玲， 胡雪健， 趙 恒， 趙 剛*

(渤海大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，遼寧錦州 121013)

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素之一，日常生活中鋁制品和含鋁食品等隨處可見，特別是近年來由于水環(huán)境污染、含鋁食品添加劑的濫用及鋁制設(shè)備的使用等原因，造成自來水中鋁含量較高[1]，而研究表明鋁在人體內(nèi)可以緩慢蓄積，長期過量攝入會(huì)損害腦組織、腎臟、肝細(xì)胞和骨骼等人體組織[2]，因此檢測自來水中Al(Ⅲ)的含量是十分必要的。水樣中檢測Al(Ⅲ)的主要有：國家標(biāo)準(zhǔn)方法[3]，分光光度法[4]，原子吸收光譜法[5]，電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等方法。

圖1 1,8-二羥基萘-3,6-二磺酸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 1,8-dihydroxy-naphthalene-3,6-disulfonic acid

熒光光譜法具有靈敏度高、選擇性好、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，已被用于多種樣品中Al(Ⅲ)含量的測定[6]。常用于測定Al(Ⅲ)的熒光試劑有8-羥基喹啉類[7]、喹諾酮類[8]、三羥基熒光酮類[9]、若丹寧[10]和羥基蒽醌類[11]等，但需要加入表面活性劑以提高靈敏度[12]。變色酸(結(jié)構(gòu)見圖1)因其共軛體系及剛性平面結(jié)構(gòu)而具有較強(qiáng)內(nèi)源性熒光[13]，作為熒光配體可與B(Ⅲ)[14]和Fe(Ⅲ)[15]等中心離子形成配合物使體系熒光增強(qiáng)，由此可測定這些離子的含量，但此類變色酸熒光法測定Al(Ⅲ)的報(bào)道較少。本文研究表明Al(Ⅲ)會(huì)增強(qiáng)變色酸體系的熒光強(qiáng)度，因此建立了變色酸熒光法測定痕量Al(Ⅲ)的新方法，該方法可用于水樣中痕量Al(Ⅲ)的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

F4500熒光分光光度計(jì)(日本，日立公司)；pHS-3C型精密酸度計(jì)(上海雷磁儀器有限公司)。

變色酸1,8-二羥基萘-3,6-二磺酸(分析純，上海邁瑞爾化學(xué)技術(shù)有限公司)。標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：準(zhǔn)確稱取0.320 g變色酸，用40%甲醇溶解后，定容于1 000 mL容量瓶中，濃度為1.0×10-3mol·L-1；Al(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.0 g·L-1，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；其它所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

于10 mL比色管中，依次加入一定量的Al(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，2.0 mL 8.0×10-5mol·L-1變色酸工作溶液4.0 mL的HAc-NaAc緩沖溶液(pH=4.5)，40%甲醇定容，搖勻，靜置10 min。在λex/λem=340/370 nm處掃描空白熒光強(qiáng)度F0和配合物熒光強(qiáng)度F(激發(fā)狹縫和發(fā)射狹縫均為10 nm)，以ΔF(ΔF=F-F0)對Al(Ⅲ)濃度作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1中心組合設(shè)計(jì)和響應(yīng)面分析在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用中心組合設(shè)計(jì)(Central Composite Design,CCD)對影響Al(Ⅲ)含量的主要因素和水平進(jìn)一步優(yōu)化。對數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，建立自變量數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合方差分析、各因素水平及其交互作用評價(jià)結(jié)果，預(yù)測最佳提取條件，最后根據(jù)回歸方程繪制響應(yīng)面分析圖。

1.3.2數(shù)據(jù)分析利用Design-Expert.V8.0.6軟件進(jìn)行CCD響應(yīng)面分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光光譜

圖2 Al(Ⅲ)與變色酸作用的熒光光譜Fig.2 Fluorescence spectra of chromotropic acid with Al(Ⅲ)1.Chromotropic acid；2.Chromotropic acid-Al(Ⅲ)；cchromotropic acid=1.0×10-5 mol·L-1；cAl(Ⅲ)=50 μg·L-1；pH=4.0.

變色酸熒光光譜如圖2所示，在340 nm光激發(fā)下，變色酸最大發(fā)射波長為370 nm，這表明在紫外光照射下，變色酸具有內(nèi)源性熒光。當(dāng)加入Al(Ⅲ)后，其發(fā)射峰位置基本不變但熒光強(qiáng)度增強(qiáng)，這表明Al(Ⅲ)對變色酸熒光具有增敏作用，Al(Ⅲ)使變色酸微環(huán)境發(fā)生變化，極性增強(qiáng)，因此推斷Al(Ⅲ)與變色酸之間存在相互作用并形成了配合物[16]。并且熒光增敏值ΔF與Al(Ⅲ)的濃度在一定范圍內(nèi)呈良好線性關(guān)系，故可以用變色酸熒光光度法測定Al(Ⅲ)的含量。

2.2 測定條件的優(yōu)化

2.2.1溶液酸度的影響溶液酸度對體系熒光強(qiáng)度影響較大?？疾炝顺Ｓ镁彌_溶液：Na2HPO4-檸檬酸(pH=1～6)、HAc-NaAc(pH=4～6)、Na2HPO4-NaH2PO4(pH=6～8)、B-R(pH=4～8)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)pH<4時(shí)，Al(Ⅲ)-變色酸體系ΔF較小，說明強(qiáng)酸性條件不利于配合物的形成；當(dāng)pH>5.5時(shí)，Al(Ⅲ)水解；只有當(dāng)pH=4～5時(shí)，體系熒光強(qiáng)度增值較大且穩(wěn)定。比較幾種緩沖溶液，在HAc-NaAc緩沖溶液中體系熒光強(qiáng)度最大。當(dāng)HAc-NaAc緩沖溶液用量在1.0～3.0 mL范圍內(nèi)時(shí)，ΔF隨緩沖溶液用量的增加而增大，當(dāng)用量為4.0 mL時(shí)，ΔF最大且穩(wěn)定，因此選擇pH=4.5的HAc-NaAc緩沖溶液4.0 mL。

2.2.2表面活性劑的影響分別試驗(yàn)了不同的表面活性劑:溴化十六烷基三甲基銨(CTMAB)、十二烷基三甲基氯化銨(DTAC)、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、吐溫-80(Tween-80)、聚乙烯醇(PAV)對體系熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明表面活性劑對ΔF無顯著影響。因此，本實(shí)驗(yàn)不加入表面活性劑。

2.2.3變色酸濃度的影響變色酸濃度在0.5～8.0×10-5mol·L-1范圍內(nèi)時(shí)，ΔF隨變色酸濃度的增大而增大，可能變色酸濃度較小時(shí)，Al(Ⅲ)不能與變色酸全部結(jié)合，但濃度大于1.0×10-4mol·L-1時(shí)ΔF減小。原因可能是較大濃度的變色酸會(huì)因?yàn)槠渥陨頍晒鈴?qiáng)度增加導(dǎo)致配合物ΔF減小。因此本實(shí)驗(yàn)選擇變色酸濃度為8.0×10-5mol·L-1。

2.2.4甲醇濃度的影響當(dāng)甲醇濃度在20%～100%范圍內(nèi)時(shí)，ΔF隨甲醇濃度的增大而增大，但當(dāng)甲醇濃度大于40%時(shí)，熒光強(qiáng)度變化不大，從分析成本角度考慮選擇40%甲醇。

2.2.5溫度和反應(yīng)時(shí)間的影響變色酸與Al(Ⅲ)在室溫條件下5 min即可完成反應(yīng)，且熒光強(qiáng)度至少可以穩(wěn)定1 h。溫度超過50 ℃時(shí)，可能由于變色酸-Al(Ⅲ)配合物穩(wěn)定性下降而導(dǎo)致ΔF減小。本實(shí)驗(yàn)選擇室溫條件下，Al(Ⅲ)與變色酸作用10 min后進(jìn)行熒光測定。

圖3 等摩爾連續(xù)變換法Fig.3 Job’s methodcAl(Ⅲ)+cchromotropic acid=1.0×10-4 mol·L-1，pH=4.5.

2.3 配合比的測定

采用等摩爾連續(xù)變換法及摩爾比法，保持cAl(Ⅲ)+c變色酸=1.0×10-4mol·L-1不變情況下，以ΔF對cAl(Ⅲ)/(cAl(Ⅲ)+c變色酸)作圖(圖3)，測定Al(Ⅲ)-變色酸配合物的配比為1∶1。固定Al(Ⅲ)的濃度為1.0×10-5mol·L-1不變，當(dāng)變色酸濃度在0～1.0×10-4mol·L-1范圍內(nèi)變化時(shí)，以ΔF對c變色酸/cAl(Ⅲ)作圖(圖略)，測定Al(Ⅲ)-變色酸配合物的配比為1∶1。

2.4 CCD試驗(yàn)及響應(yīng)面分析

2.4.1回歸模型的建立根據(jù)CCD原理設(shè)計(jì)3因素3水平共20組試驗(yàn)，表1為自變量因素和水平，表2為試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果。對表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)回歸方程：ΔF=210.55+15.20A-13.26B-0.81C+7.88AB-3.12AC+14.13BC-25.10A2-44.55B2-56.22C2。

表1 Central Composite試驗(yàn)的因素和水平

表2 CCD設(shè)計(jì)與結(jié)果

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲罘治鼋Y(jié)果見表3，回歸模型的一次項(xiàng)A、B顯著，交互項(xiàng)BC和二次項(xiàng)A2、B2、C2均顯著(P<0.05)。該二次回歸模型P<0.0001，表明該回歸方程關(guān)系極顯著，失擬項(xiàng)P值0.1083>0.05，表明失擬不顯著，說明該方程擬合合理。

表3 CCD方差分析

2.4.2響應(yīng)面分析及優(yōu)化根據(jù)回歸方程進(jìn)行響應(yīng)面分析，確定3個(gè)因素及其交互作用對Al(Ⅲ)含量的影響，響應(yīng)面曲面及等高線圖如圖4所示。響應(yīng)面坡度越陡峭說明此因素對響應(yīng)值影響越顯著。當(dāng)pH處于零水平時(shí)，ΔF隨變色酸濃度或甲醇濃度的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，說明在適中的變色酸濃度或甲醇濃度交互作用下，ΔF可達(dá)到最大值。

圖4 BC交互作用的響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plots for the factors

利用軟件預(yù)測得最佳實(shí)驗(yàn)條件為：pH=4.64，變色酸濃度7.87×10-5mol·L-1，甲醇39.69%時(shí)，ΔF最大值213.577。根據(jù)上述最佳條件進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，取平行三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值，以驗(yàn)證模型可靠性，ΔF最大值為204.13。

2.5 共存元素的影響

2.6 方法的線性范圍和檢出限

在最佳條件下，分別用不同濃度的Al(Ⅲ)與變色酸作用，考察ΔF值與Al(Ⅲ)濃度的關(guān)系。結(jié)果表明，線性回歸方程為:ΔF=2.6425c+93.613，線性范圍為5～70 μg·L-1，相關(guān)系數(shù)r=0.9969。平行11次測定空白溶液，用3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率計(jì)算檢出限為1.1 μg·L-1。

2.7 樣品的測定與驗(yàn)證

取3種不同地區(qū)的自來水樣品，過濾后儲(chǔ)存于塑料瓶中，按實(shí)驗(yàn)方法測定Al(Ⅲ)的含量。測得的濃度為33.69～43.33 μg·L-1，加標(biāo)回收率93.6%～107.2%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.3%～5.7%，結(jié)果見表4。

3 結(jié)論

在酸性介質(zhì)中，Al(Ⅲ)與變色酸反應(yīng)生成穩(wěn)定的配合物，使得變色酸內(nèi)源性熒光增強(qiáng)，由此建立了測定Al(Ⅲ)的熒光分析新方法。利用響應(yīng)面法優(yōu)化了熒光法測定Al(Ⅲ)的實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)果表明變色酸熒光法靈敏高、檢出限低、分析速度快、選擇性較高，可不加表面活性劑直接測定水樣中的Al(Ⅲ)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。