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        溴酸鉀-熒光黃-雙酚A體系的共振光散射研究及其應(yīng)用

        2019-08-02 07:18:42楊洋李貴榮徐夢(mèng)媛唐律
        應(yīng)用化工 2019年7期
        關(guān)鍵詞:體系

        楊洋,李貴榮,徐夢(mèng)媛,唐律

        (南華大學(xué) 公共衛(wèi)生學(xué)院,湖南 衡陽 421001)

        雙酚A(BPA)是一種環(huán)境內(nèi)分泌干擾物[1],可以通過水污染危害人體健康[2-3]。生殖表觀遺傳效應(yīng)[4]、慢性腎病[5]、糖尿病[6]、癌癥[7]等都與BPA 的污染有關(guān)。

        檢測(cè)BPA 的方法主要有:氣相色譜-質(zhì)譜法[8]、高效液相色譜法[9]、毛細(xì)管電泳法[10]、傳感器檢測(cè)法[11]和分光光度法[12]等。其中某些方法存在儀器成本高、操作復(fù)雜、準(zhǔn)確度相對(duì)不高等不足 。共振光散射光技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、線性范圍寬等特點(diǎn)[13]。

        在硫酸介質(zhì)中,BPA 能夠和溴酸鉀、熒光黃反應(yīng)形成聚集體,體系共振光散射強(qiáng)度的增大值(ΔI)與 BPA 含量在一定范圍內(nèi)成正比,據(jù)此定量檢測(cè)水樣中的 BPA。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 試劑與儀器

        BPA、硫酸均為優(yōu)級(jí)純;無水乙醇、熒光黃、溴酸鉀均為分析純;實(shí)驗(yàn)用水均為二次蒸餾水。

        RF-4500型熒光分光光度計(jì);UV-VIS 8500 紫外-可見分光光度計(jì);SHHW-21三用電熱恒溫水浴箱;AB204-S電子分析天平。

        1.2 BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液(5.0 μg/mL)配制

        準(zhǔn)確稱取0.050 0 g BPA 溶于無水乙醇中,加入超純水,稀釋至100 mL,超聲溶解,得到濃度為0.5 mg/mL的儲(chǔ)備液。使用時(shí)用超純水將此溶液稀釋至5.0 μg/mL。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        在10 mL比色管中,分別加入一定量的雙酚 A 標(biāo)準(zhǔn)溶液或水樣,0.60 mL硫酸溶液(0.10 mol/L),0.50 mL熒光黃溶液(1.0 ×10-4mol/L),0.40 mL溴酸鉀溶液(0.10 mol/L),超純水稀釋定容至5.00 mL刻度線,充分搖勻,于70 ℃水浴加熱反應(yīng)15 min,用流動(dòng)自來水冷卻,以終止反應(yīng)。在熒光分光光度計(jì)上以λex=λem電壓700 V,激發(fā)和發(fā)射狹縫均為5 nm時(shí),進(jìn)行同步掃描,得共振光散射光譜。準(zhǔn)確測(cè)定489 nm波長(zhǎng)處共振光散射強(qiáng)度(I)值及試劑空白共振光散射值(I0),并計(jì)算ΔI(ΔI=I-I0)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 共振光散射光譜圖

        不同體系的共振光散射光譜見圖1。

        圖1 不同反應(yīng)體系的共振光散射光譜圖Fig.1 The resonance light scattering spectra of different reaction systems1.H2SO4+FL;2.H2SO4+FL+BPA;3.H2SO4+FL+KBrO3;4~6.H2SO4+FL+KBrO3+BPA (0.8,2.0,3.0 μg/mL)

        由圖1可知,在H2SO4介質(zhì)中,熒光黃溶液的共振光散射值較小(曲線1),最大共振光散射波長(zhǎng)為489 nm。往體系中加入BPA時(shí),共振光散射值未發(fā)生明顯變化(曲線 2),說明低濃度BPA并不引起體系的共振光散射強(qiáng)度變化;若單獨(dú)加入溴酸鉀時(shí),共振光散射強(qiáng)度增強(qiáng)(曲線3)。當(dāng)同時(shí)加入溴酸鉀和痕量 BPA 時(shí),體系共振光散射強(qiáng)度會(huì)顯著增強(qiáng),且隨BPA加入量增多而增強(qiáng)(曲線 4~6),共振光散射強(qiáng)度增大值(ΔI)與BPA濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,從而可用于定量檢測(cè)BPA。

        在H2SO4介質(zhì)中,溴酸鉀能氧化熒光黃[C20H12O5],氧化產(chǎn)物能發(fā)生質(zhì)子化而形成帶正電荷的陽離子[C20H12O5]+,后者能與過量的帶負(fù)電荷的溴酸根離子形成粒徑增大的離子締合物,導(dǎo)致體系的共振光散射強(qiáng)度增強(qiáng)。其反應(yīng)可表示為:

        但當(dāng)加入BPA時(shí),因溴酸鉀過量,溴酸鉀同時(shí)氧化BPA,形成醌式產(chǎn)物,并質(zhì)子化[C15H17O2]+[14],與溴酸根陰離子生成離子締合物。

        兩種離子締合物之間通過范德華力、疏水作用力等聚集成更大的聚集體,體系共振光散射強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。共聚集體的結(jié)構(gòu)可能為:

        2.2 吸收光譜圖

        用紫外-可見分光光度計(jì)掃描不同體系的吸收光譜,結(jié)果見圖2。

        由圖2可知,BPA在350~600 nm沒有明顯的紫外吸收峰(曲線1),熒光黃在436 nm處有最大吸收(曲線2);單獨(dú)加入BPA時(shí),體系的吸收光譜(曲線3)與曲線2基本重合,表明BPA不影響熒光黃的吸光度;在稀硫酸介質(zhì)中,高溫水浴加熱條件下,溴酸鉀氧化熒光黃,體系的吸光度下降(曲線4);當(dāng)同時(shí)存在溴酸鉀和BPA時(shí),體系在436 nm處的吸光度值比曲線4低,但氧化產(chǎn)物的末端吸收增加。隨著BPA的加入量增多,熒光黃的吸收值越來越低,氧化產(chǎn)物的末端吸收越來越高,表明BPA能促進(jìn)溴酸鉀氧化熒光黃(曲線5、6)。當(dāng)加入BPA后,體系在489 nm處有明顯的共振散射峰(曲線7),散射峰位置在吸收光譜最大吸收的長(zhǎng)波區(qū)內(nèi),因而可以看作共振光散射峰。

        圖2 紫外吸收光譜(1~6)和共振光散射光譜圖(7)Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum(1~6) and resonance light scattering spectra(7)1.H2SO4+BPA;2.H2SO4+FL;3.H2SO4+FL+BPA;4.H2SO4+FL+KBrO3;5~6.H2SO4+FL+KBrO3+BPA (0.8,2.0 μg/mL);7.H2SO4+FL+KBrO3+BPA

        2.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

        2.3.1 反應(yīng)介質(zhì)及用量的優(yōu)化 分別考察鹽酸、硫酸和磷酸等反應(yīng)介質(zhì)對(duì)體系共振光散射強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明,ΔI鹽酸>ΔI硫酸>ΔI磷酸,但由于使用鹽酸作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)體系線性較差,且硫酸作為反應(yīng)介質(zhì)時(shí)體系穩(wěn)定,最終選擇硫酸為酸性介質(zhì)。 探討硫酸(0.10 mol/L)用量對(duì)體系ΔI值的影響,結(jié)果見圖3。

        圖3 硫酸用量的優(yōu)化Fig.3 Optimization of the H2SO4 dosage

        由圖 3可知,當(dāng)硫酸體積為0.60 mL時(shí),ΔI值達(dá)到最大;酸度太小時(shí),氧化產(chǎn)物產(chǎn)生去質(zhì)子化作用而成為中性分子,不能和溴酸根離子結(jié)合,ΔI值小;酸度過高時(shí),溴酸根離子不能和氧化產(chǎn)物形成離子締合物,ΔI值小。故0.60 mL的硫酸用量最佳。

        2.3.2 熒光黃用量的確定 考察熒光黃溶液(1.0 ×10-4mol/L)用量對(duì)反應(yīng)體系ΔI值的影響,結(jié)果見圖4。

        圖4 熒光黃用量的優(yōu)化Fig.4 Optimization of the FL dosage

        由圖4可知,當(dāng)熒光黃體積為0.50 mL時(shí),反應(yīng)體系的 ΔI值達(dá)到最大;熒光黃體積小時(shí),形成的聚集體少,ΔI值偏低;熒光黃過量,試劑空白大,ΔI值偏低。故本實(shí)驗(yàn)確定1.0 × 10-4mol/L 熒光黃溶液的最佳體積為0.50 mL。

        2.3.3 氧化劑種類及其濃度的選擇 分別比較H2O2、KBrO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化劑對(duì)反應(yīng)體系的影響,結(jié)果見圖5。

        圖5 氧化劑種類的選擇Fig.5 Selection of oxidant types

        由圖5可知,KBrO3對(duì)熒光黃的氧化效果最佳。

        考察KBrO3溶液(0.10 mol/L)用量對(duì)體系共振光散射強(qiáng)度的影響,結(jié)果見圖6。

        圖6 溴酸鉀體積的優(yōu)化Fig.6 Optimization of the KBrO3 dosage

        由圖6可知,KBrO3的用量少時(shí),形成的聚集體不夠,反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng),ΔI值較小;KBrO3用量過多時(shí),反應(yīng)快,但空白值增加,ΔI值也偏小;KBrO3溶液用量為0.40 mL時(shí),ΔI值達(dá)到最大,故本實(shí)驗(yàn)選擇加入 0.10 mol/L KBrO3溶液 0.40 mL。

        2.3.4 反應(yīng)溫度的影響 反應(yīng)溫度對(duì)體系ΔI值的影響見圖7。

        圖7 反應(yīng)溫度的優(yōu)化Fig.7 Optimization of the reaction temperature

        由圖7可知,催化體系和非催化體系在室溫條件下,反應(yīng)速率較慢,反應(yīng)溫度越高,體系反應(yīng)速率越快,ΔI值也越高,溫度為 70 ℃時(shí),體系ΔI值達(dá)到最大;溫度高于 70 ℃之后,ΔI值反而隨著溫度的升高而下降,這可能是因?yàn)榉谴呋磻?yīng)速度加快所致。故選用 70 ℃ 為最佳溫度。

        2.3.5 反應(yīng)時(shí)間的影響 反應(yīng)時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響見圖8。

        圖8 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化Fig.8 Optimization of the reaction time

        由圖8可知,ΔI隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變大,超過15 min后,ΔI值波動(dòng)較小,并隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定。因此反應(yīng)時(shí)間選用15 min。在室溫條件下,本體系催化和非催化反應(yīng)緩慢,故選用流動(dòng)自來水冷卻終止反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,體系在自來水流水冷卻1 min后可迅速降至室溫,且此時(shí)ΔI值最大。故本實(shí)驗(yàn)在70 ℃ 水浴15 min后,流水冷卻1 min。

        2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和精密度

        在優(yōu)化后的最佳實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)不同濃度的BPA標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果見圖9。

        圖9 BPA測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.9 The calibration curve for BPA determination

        由圖9可知,BPA濃度在 0.04~4.60 μg/mL范圍內(nèi)與共振光散射強(qiáng)度增大值ΔI呈良好的線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為:ΔI=8 842.4c+1 328.7,相關(guān)系數(shù)r=0.999 3。

        根據(jù)IUPAC1998的規(guī)定,檢出限LOD=3Sb/k,計(jì)算出BPA的檢出限為0.019 μg/mL,其中Sb為空白測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=11),k是分析曲線的斜率。分別平行測(cè)定11次低、中、高3種不同濃度的BPA樣品 (0.40,2.00,3.00 μg/mL),相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.21%,1.98%,2.15%,可見本方法精密度良好。

        2.5 樣品測(cè)定及加標(biāo)回收率

        分別對(duì)市面上3個(gè)不同廠家的飲用水進(jìn)行檢測(cè),均未檢測(cè)出BPA。向這些水樣品中分別加入0.40,2.00,3.00 μg/mL的 BPA 標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn),平行測(cè)定6次,結(jié)果見表1。

        表1 樣品中BPA的檢測(cè)結(jié)果(n=6)

        注:N.D.指未檢出。

        由表1可知,該方法的回收率為97.5%~103%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差RSD為2.51%~4.98%。

        3 結(jié)論

        利用雙酚A對(duì)溴酸鉀氧化熒光黃具有促進(jìn)作用,且溴酸鉀能同時(shí)氧化BPA,建立一種新的共振光散射法檢測(cè)水中BPA。實(shí)驗(yàn)最佳條件為:向水樣品中依次加入0.60 mL硫酸溶液(0.10 mol/L),0.50 mL 熒光黃溶液(1.0×10-4mol/L),0.40 mL溴酸鉀溶液(0.10 mol/L),70 ℃水浴加熱反應(yīng)15 min,流動(dòng)自來水冷卻(以終止反應(yīng)),在489 nm處測(cè)定共振光散射強(qiáng)度。方法的線性范圍是:0.04~4.60 μg/mL,相關(guān)系數(shù)為0.999 3,檢出限為0.019 μg/mL,回收率為97.5%~103%,RSD為2.51%~4.98%,方法具有較好的選擇性,適用于水中雙酚A的檢測(cè)。

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