同原射線計量分析-熒光猝滅法同時測定Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)

陳科平, 張 敏, 朱乾華, 周 尚, 楊季冬*,3

(1.重慶市涪陵環(huán)境監(jiān)測中心，重慶涪陵 408000；2.長江師范學院化學化工學院，重慶涪陵 408100；3.重慶三峽學院化學與環(huán)境工程學院，重慶萬州 404000)

我國有豐富的稀土資源，而稀土元素的應用十分廣泛，可用于軍事、冶金工業(yè)、石油化工、玻璃陶瓷工業(yè)、農業(yè)及高新技術等各個行業(yè)。植株可吸收環(huán)境中的Eu，人類可通過食物鏈攝入，人體中Eu超標會導致許多疾病的發(fā)生[1]。Ce是自然界中分布較多的一種稀土元素，它具有很好的生物活性和一定的抗腫瘤潛能，對一些農作物有促長增產作用[2]。Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ) 常相互依存于自然界的獨居石、磷灰石等稀土礦物中，在發(fā)光材料和分子篩等功能材料中Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)有互補的物化性能[3，4]。因此，同時測定環(huán)境樣品或功能材料中痕量的Eu和Ce對人類健康與環(huán)境保護均具有十分重要的意義。目前Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ) 的檢測方法主要有分光光度法[5]、熒光光度法[6]、化學發(fā)光法[7]、原子光譜法[8 ]和電化學方法[9]。采用熒光猝滅法測定Eu(Ⅲ)也有文獻報道[10]。但以核苷抗病毒類藥物泛昔洛韋為探針，用熒光猝滅法結合同原射線計量分析法[11]同時測定稀土Eu(Ⅲ)和Cu(Ⅳ)還未見有文獻報道。

本文研究發(fā)現(xiàn)，在B-R緩沖溶液介質中，微量Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的加入可使泛昔洛韋(FCV)的內源性熒光顯著猝滅，且在一定范圍內熒光猝滅程度(△F)與Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的質量濃度成正比，但熒光強度隨Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的質量濃度的線性增幅存在顯著差異。因此，可用熒光猝滅光譜和同原射線計量分析法對Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)進行同時測定。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Hitachi F-2500型熒光分光光度計，U-3010型紫外-可見分光光度計(日本,日立公司)；pH-S20K型精密pH計(梅特勒-托利多(上海)儀器有限公司)。

泛昔洛韋標準品(FCV，中國藥品生物制品檢定所)貯備溶液：6.2×10-4mol/L，工作溶液為6.2×10-5mol/L；Eu(Ⅲ)標準溶液：1 mg/mL，使用時稀釋至10.0 μg/mL；Ce(Ⅳ)標準溶液：100 μg/mL，使用時稀釋至10.0 μg/mL；B-R緩沖溶液：用0.04 mol/L H3PO4、H3BO3和乙酸與0.2 mol/L NaOH溶液按一定比例混合，配成不同pH值的緩沖溶液，用酸度計校正。實驗用水為二次蒸餾水。

1.2 實驗方法

在室溫下，向10 mL比色管中，依次加1.0 mL pH=3.6的B-R緩沖溶液，0.45 mL 6.2×10-5mol/L的FCV溶液,適量的Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)標準溶液(每加一種溶液后均混合均勻)，加水稀釋至刻度并搖勻，靜置5 min，用1 cm石英熒光池，以304 nm為激發(fā)波長，掃描220～500 nm范圍內的熒光光譜，并在波長為370 nm處測量溶液的熒光強度(F)，同時做試劑空白(F0)，計算△F=F0-F。測定參數(shù)：狹縫寬度10 nm，掃描速度1 200 nm/min。

2 結果與討論

2.1 熒光光譜圖

FCV具有強熒光發(fā)射，其熒光發(fā)射光譜如圖1 A所示，最大發(fā)射波長為370 nm(曲線a、a′)，當有Ce(Ⅳ) 或Eu(Ⅲ)存在時，F(xiàn)CV的熒光峰位置不變，但熒光強度受到明顯的抑制(曲線b、b′和曲線c、c′)，且熒光猝滅值△F均隨Eu(Ⅲ)、Ce(Ⅳ)質量濃度的增大而增大，但兩體系的相對熒光強度有顯著差異。由圖1 B可知，在370 nm處其熒光猝滅程度(△F)隨Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅲ)混合物的質量濃度的增大而增強，說明以上2種稀土離子在混合體系中具有光譜加和性，且在一定濃度范圍內熒光猝滅程度與混合物的濃度呈線性關系。基于此，可根據(jù)Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的濃度及體系的熒光猝滅程度制得2條標準曲線，并根據(jù)2條標準曲線圍成的扇形面積和二元一次方程圖解法，求得扇形面積內測量點的混合物總量和2種稀土離子的含量比。據(jù)此，建立熒光光譜和同原射線計量分析同時測定Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的分析方法。

圖1 反應體系的熒光光譜圖Fig.1 Fluorescence spectra of the reaction systemA：a，a′.FCV；b，b′.FCV+Ce(Ⅳ)；c，c′.FCV+Eu(Ⅲ)；cFCV=5.6×10-6 mol/L；cEu(Ⅲ)=cCe(Ⅳ)=1.0 μg·mL-1；pH=3.6.B：a-h：cEu(Ⅲ)+Ce(Ⅳ)=0，0.05，0.32，0.72，1.2，2.0，2.4，2.8 μg/mL；cFCV=5.6×10-6 mol/L；pH=3.6.

2.2 適宜的反應條件

2.2.1反應介質和酸度的影響考察了B-R、HAc-NaAc和HCl-NaAc等不同緩沖溶液對反應體系的影響。結果表明，B-R緩沖溶液作反應介質時效果最好。當用B-R緩沖溶液作反應介質時，溶液酸度對熒光強度的影響如圖 2所示，兩體系的最佳pH范圍為3.35～3.85。實驗選用 pH=3.6的B-R緩沖溶液作為反應介質，其用量為1.0 mL。

2.2.2FCV濃度的影響在選擇的最佳酸度條件下，考察了FCV的濃度對體系熒光強度的影響。如圖 3所示，2種反應體系FCV適宜的濃度范圍均為5.0×10-6～6.2×10-6mol/L。FCV為熒光物質，其用量對體系的熒光強度有直接影響。濃度太大時，猝滅作用不明顯；濃度太小，線性范圍變窄。兼顧靈敏度和線性范圍，本實驗選用FCV的濃度為5.6×10-6mol/L。

2.2.3溫度對熒光強度的影響考察了溫度對體系熒光強度的影響。結果表明，在溫度15～35 ℃條件下，△F最大且穩(wěn)定；溫度在35～45 ℃之間呈直線下降趨勢，溫度在超過45 ℃時下降趨勢更加明顯，故實驗選擇在室溫下進行。

2.2.4試劑加入順序及體系的穩(wěn)定性實驗考察了稀土離子、FCV、B-R緩沖溶液；稀土離子、B-R緩沖溶液、FCV；FCV、B-R緩沖溶液、稀土離子3 種試劑加入順序對體系△F的影響。結果發(fā)現(xiàn)，試劑加入順序對△F幾乎沒有影響。同時實驗還考察了體系的穩(wěn)定性，體系在室溫下可以穩(wěn)定120 min以上，穩(wěn)定性良好。

圖2 酸度對熒光強度的影響Fig.2 Effect of pH on fluorescence intensitya.FCV-Eu(Ⅲ)；b.FCV-Ce(Ⅳ)；cFCV=5.2×10-6 mol/L；cEu(Ⅲ)=cCe(Ⅳ)=1.0 μg/mL.

圖3 泛昔洛韋濃度對熒光強度的影響Fig.3 Effect of FCV concentration on fluorescence intensitya.FCV-Eu(Ⅲ)；b.FCV-Ce(Ⅳ)；cEu(Ⅲ)=cCe(Ⅳ)=1.5 μg/mL；pH=3.6.

2.2.5離子強度的影響考察了離子強度對熒光猝滅的影響。結果表明，NaCl的加入對體系的△F值影響不大。

2.2.6表面活性劑的影響研究了表面活性劑溴化十六烷基三甲基銨(CTMAB)、十二烷基硫酸鈉(SDS)以及十二烷基苯磺酸鈉(DDBS)對體系熒光強度的影響。結果表明，表面活性劑對體系的△F均無作用，因此實驗中不加入表面活性劑。

2.3 標準曲線及其相關參數(shù)

圖4 泛昔洛韋與Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)相互作用的同原射線圖Fig.4 Rays chart with same one point of FCV-rare earth ions system1.FCV-Eu(Ⅲ)；2.FCV-Ce(Ⅳ)；3.FCV-Eu(Ⅲ)+Ce(Ⅳ)；the experimental conditions were the same as those described in Fig.1.

在適宜的反應條件下，分別以不同質量濃度的Eu(Ⅲ)、Ce(Ⅳ)及其混合物與FCV反應，在最大發(fā)射波長處測定熒光強度，并以熒光猝滅值(△F)對稀土離子的質量濃度作圖，繪制標準曲線，標準曲線的有關參數(shù)列于表1。

圖4是FCV與Eu(Ⅲ)、Ce(Ⅳ)相互作用的同原射線示意圖。圖中直線 1和直線 2分別為FCV-Eu(Ⅲ)、FCV-Ce(Ⅳ)體系的標準曲線，形似“射線”，兩條直線相交于“同一原點”(0.06，423.0)，圍成一定范圍的扇形面積；直線 3是Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)以 3∶1混合后與FCV反應體系的標準曲線。3條標準曲線相交于原點。據(jù)此可測量得到混合物總量(通過扇形面積內的計量校正可得)和2種稀土離子的含量比c1/c2=(△F2+△F1)/△F1，從而可通過圖解法得到Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的含量[12，13]。

表1 標準曲線的相關參數(shù)及其檢測限

2.4 熒光猝滅反應類型

熒光猝滅包括靜態(tài)猝滅和動態(tài)猝滅[14]。圖6顯示了FCV本身的最大吸收光譜λmax=304 nm，Eu(Ⅲ)、Ce(Ⅳ)與FCV反應后吸收光譜發(fā)生明顯變化，不僅吸光度值降低，而且最大吸收波長略為紅移，△λmax分別為12 nm和6 nm。溫度對△F/F0的影響見圖7。吸收光譜的改變和熒光猝滅作用隨著溫度升高而降低是靜態(tài)猝滅反應的兩個重要特征，因此推斷Eu(Ⅲ)、Ce(Ⅳ)對FCV的熒光猝滅是靜態(tài)猝滅。

2.5 分析應用

2.5.1熒光光譜同時測定Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ) 由標準混合物測得的熒光強度以及單組分標樣測得的熒光強度之和的結果表明，在所選波長下相對誤差小于5%，說明其加和性好。在370 nm以Eu(Ⅲ)-Ce(Ⅳ)(3∶1)(總量1.0 μg/mL)進行實驗，相對誤差≤±5%時，共存離子干擾情況如表2。由于其它稀土離子濃度較大時干擾Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的測定，故采用多點增量法測定合成樣品的回收率。

圖6 吸收光譜Fig.6 Absorption spectraa.FCV；b.FCV-Ce(Ⅳ)；c.FCV-Eu(Ⅲ)；cFCV=1.8×10-5 mol/L；cEu(Ⅲ)=cCe(Ⅳ)=30 μg/mL；pH=3.6.

圖7 溫度對△F/F0的影響Fig.7 Effect of temperature on △F/F0a:FCV-Eu(Ⅲ);b.FCV-Ce(Ⅳ).

Co-existing ionCo-existing concentration(μg/mL)Relative error(%)Co-existing ionCo-existing concentration(μg/mL)Relative error(%)K+400-1.8Sc3+10-3.7Na+400-2.0Ti4+12-3.3NH+4250-2.1Y3+10-4.5Ca2+150-2.3Zr4+12-4.4Mg2+160-2.5La3+15-3.4Ba2+220-2.2Gd3+8-4.8Mn2+200-1.9U4+15-3.9Fe3+35-2.8Th4+16-4.0Cu2+45-2.6Cl-4002.1Zn2+100-1.9NO-31002.6Hg2+55-2.7CO2-32002.3Ni2+50-2.6SO2-41502.5Sb3+15-3.4PO3-41202.8As3+20-3.0C5H7O5COO-902.9

2.5.2合成樣品分析由于自然界的稀土礦物中所含稀土元素眾多，且可能在本法中相互干擾，所以我們先行實驗合成樣品以驗證方法的實用性。按照前述實驗過程，用熒光光譜法和同原射線計量分析法同時測定人工合成樣品中的Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)。結果列于表3中。

表3 合成樣品的回收率測定(n=5)

3 結論

研究發(fā)現(xiàn)，當泛昔洛韋與Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)分別反應形成絡合物時泛昔洛韋的強熒光(λex/λem=304/370 nm)可顯著猝滅，且反應體系熒光猝滅程度(△F)在一定范圍內熒光與Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)的質量濃度成正比。據(jù)此可用熒光猝滅光譜和“同原射線計量分析法”對Eu(Ⅲ)和Ce(Ⅳ)進行同時測定。該方法可應用于環(huán)境樣品和功能材料合成樣品中痕量雙組分混合物的同時測定。