流動注射化學發(fā)光分析法實驗條件的控制*

嵇正平 郁金丹 胡效亞

(揚州大學化學化工學院 江蘇揚州 225002)

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

化學發(fā)光分析法是一種在非平衡狀態(tài)下進行的檢測方法，屬于動力學分析法。反應(yīng)物的加入速度、混和狀態(tài)、體系溫度及反應(yīng)時間等都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生較大影響。所以，化學發(fā)光分析法常與流動注射技術(shù)相結(jié)合，建立流動注射化學發(fā)光分析法。圖1是其典型的流程。

圖1 流動注射化學發(fā)光分析流程圖

目前，流動注射化學發(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]。在諸多文獻和筆者教學過程中，發(fā)現(xiàn)一個非常普遍的現(xiàn)象：條件優(yōu)化及檢測時，隨著某種反應(yīng)物濃度的增大，化學發(fā)光信號出現(xiàn)先上升再下降的情況(圖2)。對于這種“隨著試劑濃度增大，信號不升反降”的情況，許多文獻未作解釋。也有一些文獻認為這是由于過量的試劑對光產(chǎn)生了吸收,導致發(fā)光信號減弱。

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

1 儀器與試劑

IFFM-E流動注射化學發(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 實驗內(nèi)容

2.1 流動注射化學發(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)，做流動注射化學發(fā)光試驗。管徑2mm，流速1.0mL·min-1。

2.2 靜態(tài)注射化學發(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)，開啟化學發(fā)光檢測儀，用注射器注入1.00mL不同濃度的KMnO4溶液，記錄化學發(fā)光-時間圖譜。

3 結(jié)果與討論

3.1 試劑濃度的影響

根據(jù)流動注射化學發(fā)光-時間譜圖，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)光強度與KMnO4濃度的關(guān)系

由圖2可知，發(fā)光強度峰值(I)隨KMnO4濃度(c)呈非單調(diào)函數(shù)關(guān)系：當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c高于0.04mmol·L-1時，I與c呈負相關(guān)性。

筆者認為圖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對光吸收所造成的，原因如下：

如果是由于過量的KMnO4對光的吸收所導致，根據(jù)朗比定律:

(1)

式中I0為反應(yīng)發(fā)出光強，ε為摩爾吸光系數(shù)，b為光程長度。對式(1)進行轉(zhuǎn)換，得：

I=I0×10-εbc

(2)

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

根據(jù)KMnO4的最大吸收波長(525nm)的摩爾吸光系數(shù)，可計算0.12mmol·L-1相對于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度。

3.2 靜態(tài)注射反應(yīng)時間的影響

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

圖3 靜態(tài)注射發(fā)光強度與濃度及時間的關(guān)系

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

合理的解釋是：開始時兩種溶液相互混合，隨著混合均勻性增強，發(fā)光強度增加；在3s后隨著反應(yīng)的進行，兩反應(yīng)物的濃度下降，反應(yīng)速度下降，曲線呈現(xiàn)一般動力學曲線的特征。

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對光的吸收幾乎不影響發(fā)光強度。

③ 反應(yīng)至7s時，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，發(fā)光強度反而下降。

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

3.3 流動注射化學發(fā)光線性范圍的主要影響因素

雖然本文的流動注射、靜態(tài)注射實驗分別在強酸性、弱酸性條件下進行，反應(yīng)速度相差較大，但流動注射中液體的流動速度快、體積小、混勻時間也短，所以兩者反應(yīng)的趨勢是相似的。據(jù)此可以認為：在流動注射化學發(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過程中反應(yīng)時間過長。對此可用速度方程進行分析：

對于一個化學發(fā)光反應(yīng)：

化學發(fā)光強度與反應(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)級數(shù)，kCL、kv及k均為常數(shù)。

若兩物質(zhì)的反應(yīng)級數(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)時間為0s時刻，則有：

式中cA0、cB0分別為A、B的起始濃度。

可以看出發(fā)光強度與A濃度呈正比關(guān)系。

反應(yīng)至t時刻，由于A、B濃度降低，發(fā)光強度It為：

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

反應(yīng)時間還與所連接管路有關(guān)。如圖1所示，化學發(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，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)光信號未被檢測)，當溶液進入化學發(fā)光池時，所檢測的是反應(yīng)時間為t時刻的發(fā)光強度。顯然，若ab段越長，t就越大，I-c線性范圍也就越小。

4 結(jié)論

對于一般的流動注射化學發(fā)光分析，反應(yīng)物相互混勻后，反應(yīng)時間越長，發(fā)光強度與反應(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)物是被測組分，此現(xiàn)象對檢測線性范圍及靈敏度均會產(chǎn)生不良影響。作者在科研和教學實踐中，采取了如下改善措施：

① 調(diào)整連接管路ab長度，使反應(yīng)物能盡快在化學發(fā)光池中混勻，盡可能減小反應(yīng)時間。

② 若因技術(shù)原因，無法縮短ab，可以適當提高蠕動泵速度。

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

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

當然，上述條件的改變可能會引起其他不良影響。故具體實驗參數(shù)需要通過條件實驗進行優(yōu)化。

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

[2] 李銀環(huán),呂九如.分析化學,2007,35(5):743

[3] 何樹華,何德勇,章竹君.分析化學,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] 揚州大學,徐州師范大學,鹽城師范學院,等.新編大學化學實驗(三).北京:化學工業(yè)出版社,2010