催化動力學(xué)熒光法測定頭發(fā)中痕量鉬

宋少飛，李 平，周福林

(1.運城學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，山西 運城044000;2.集寧師范學(xué)院化學(xué)系，內(nèi)蒙古 集寧012400)

鉬作為一種微量元素，是生命體必需的，它參與人體內(nèi)多種酶的組成及酶催化作用，在抗癌、心血管保護(hù)、細(xì)胞內(nèi)電子傳遞、阻止齲齒和結(jié)石等方面具有非常重要的作用. 鉬元素缺乏會導(dǎo)致腎結(jié)石、心血管病、食道癌等多種病癥的發(fā)生;而過量的鉬則損傷生殖細(xì)胞，干擾人體正常的性機(jī)能和身體發(fā)育［1］.

目前，相關(guān)研究表明，原子吸收法［2-4］、分光光度法［5-8］、熒光光度法［9-11］、色譜法［12］、極譜法［13］以及催化光度法［14-16］等已用于樣品中鉬含量的測定.其中，催化動力學(xué)熒光分析法具有靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點，近年來有關(guān)此法測定鉬的報道也不少［17-20］.但上述方法大多反應(yīng)體系較復(fù)雜，而且有的用到組分較多的表面活性劑［19-20］，因而給配制溶液、實驗操作帶來不便.本文研究發(fā)現(xiàn)，在酸性體系中，鉬(VI)離子的存在，可以大大催化加速溴酸鉀與二氯熒光素的氧化褪色反應(yīng).基于此實驗事實，一種用于測定痕量鉬(VI)的催化動力學(xué)熒光法成功建立.相關(guān)實驗數(shù)據(jù)表明，該方法具有較高的靈敏度，較強的選擇性，而且操作簡便，對人發(fā)中鉬(VI)含量的測定結(jié)果良好.

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

儀器:PerkinElmer LS55 型熒光分光光度計(美國PE 公司);BSA124S 電子分析天平(長沙市秋龍儀器設(shè)備有限公司);HHS21-Ni8 型恒溫水浴鍋(北京三二八科學(xué)儀器有限公司);烘箱(天津市華北實驗儀器有限公司);202-18.DB-1A 電熱板(南京庚辰科學(xué)儀器有限公司).

試劑:鉬標(biāo)準(zhǔn)儲備液1 mg/mL;配制方法:精確稱取0.9208g 鉬酸銨于400 mL 燒杯中，用二次蒸餾水定容到500 mL 容量瓶中;KBrO3:0.1 mol/L;H2S04:1 mol/L;二氯熒光素:1 ×10-3mol/L;NaOH 溶液:6 mol/L;混酸∶ 硝酸∶ 高氯酸為5∶ 1 溶液;試劑均為分析純，實驗用水經(jīng)二次蒸餾處理.

1.2 樣品的采集與實驗方法

1.2.1 發(fā)樣的采集方式

對20 名志愿者進(jìn)行采樣，樣本的構(gòu)成不考慮研究對象的年齡和性別.使用不銹鋼剪刀，剪取枕部離發(fā)根1 ～2 cm 處2 ～3 g 頭發(fā)，分別裝入專用塑料袋中.共采集頭發(fā)樣品20 件，分為5 組.

1.2.2 實驗方法

向一支50 mL 比色管中加入一定量的鉬(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液，再分別加入5mL 0.1mol/L 的KBrO3溶液，1.5mL1mol/L 的H2SO4溶液，以及3.5mL 1 ×10-3mol/L 的二氯熒光素溶液，添加完畢后用水定容，搖勻待用.另取一支50mL 比色管，在不加入鉬(VI)標(biāo)準(zhǔn)溶液的情況下，按上述方法制備一份空白溶液，以作對比.然后，將兩支比色管置于80℃的熱水中，水浴加熱10min，取出后用流水冷至室溫.以272nm 為激發(fā)波長，547nm 為發(fā)射波長調(diào)整熒光光度計，分別測定比色管中溶液的熒光強度，記錄數(shù)據(jù).其中，非催化反應(yīng)熒光強度為I0，催化反應(yīng)熒光強度為I，計算強度差:ΔIF= I0-I.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)體系熒光行為

為了確定Mo(VI)對KBrO3氧化二氯熒光素褪色反應(yīng)的催化活性，配制不同體系的溶液，用熒光分光光度計分別測定各反應(yīng)體系的熒光行為，給出各體系的激發(fā)和發(fā)射光譜(見圖1).從圖中可以看出，與曲線1，1′ 相比，曲線2，2′ 強度大幅度下降，表明H2SO4溶液中，KBrO3可以緩慢氧化二氯熒光素褪色.向二氯熒光素與KBrO3的混合體系中加入Mo(VI)后，相同時間內(nèi)，其激發(fā)與發(fā)射曲線強度明顯降低，表明褪色反應(yīng)速率加快，確定了Mo(VI)的催化活性(曲線3、3′).但需注意的是，添加Mo(VI)前后，光譜形狀沒有改變，說明Mo(VI)在反應(yīng)體系中僅起催化作用而不會影響反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu).據(jù)此建立了催化動力學(xué)熒光法測定痕量鉬的方法.

圖1 反應(yīng)體系熒光光譜行為:(a)激發(fā)與(b)發(fā)射Fig. 1 Fluorescence spectrum:(a)Excitation and (b)emission

2.2 實驗條件的優(yōu)化

2.2.1 最大激發(fā)和發(fā)射波長的確定

不同反應(yīng)體系的熒光光譜行為如圖1 所示，從中可以看出，加入氧化劑KBrO3與催化劑Mo(VI)前后，各體系的最大激發(fā)與發(fā)射波長均分別位于272 nm 和547 nm 處.基于以上各體系熒光光譜行為，本實驗確定最大激發(fā)和發(fā)射波長分別為272 nm 和547 nm.

2.2.2 氧化底物濃度的影響

本實驗以二氯熒光素為氧化底物，因此，首先考察了二氯熒光素溶液濃度對體系熒光強度的影響(見圖2).由圖可見，在1×10-5～1×10-4mol/L 范圍內(nèi)，隨著二氯熒光素濃度的增加，ΔIF值亦增大，但是底物濃度大于7×10-5mol/L 時，ΔIF值隨著濃度的增加反而減小.曲線的變化趨勢表明，過多的二氯熒光素不利于褪色反應(yīng)，二氯熒光素溶液濃度為7×10-5mol/L 時體系熒光強度最大，為本實驗最佳的底物濃度.

2.2.3 反應(yīng)介質(zhì)酸性的影響

本實驗在酸性介質(zhì)硫酸溶液中進(jìn)行，考察了其濃度對體系熒光強度的影響(見圖3).圖中曲線變化表明，濃度為3 ×10-2mol/L 時，體系ΔIF最大.因此，確定本實驗最佳硫酸溶液濃度為3 ×10-2mol/L.

圖2 二氯熒光素濃度的影響Fig. 2 Effect of concentration of Dichloro-fluorescein

圖3 硫酸溶液濃度的影響Fig.3 Effect of concentration of H2SO4

2.2.4 氧化劑濃度的影響

KBrO3作為氧化劑，其濃度必然對體系熒光強度具有重要的影響，在1 ×10-3～3 ×10-2mol/L 范圍內(nèi)考察了KBrO3濃度與ΔIF值的對應(yīng)關(guān)系(見圖4).圖中曲線變化行為表明，初始，ΔIF值隨著KBrO3溶液增加而增大，當(dāng)濃度達(dá)到1 ×10-2mol/L 時，ΔIF最大.然后，ΔIF值隨著KBrO3溶液增加而降低.因此，本實驗確定最佳的KBrO3溶液濃度為1 ×10-2mol/L.

2.2.5 體系溫度的影響

反應(yīng)體系溫度對氧化劑及催化劑活性均具有重要影響，一般而言，隨著溫度升高，催化劑活性增加.但過高的溫度會導(dǎo)致催化劑失活［21］.在實驗確定了底物、介質(zhì)酸性、氧化劑濃度的情況下，分別在不同溫度下測定了ΔIF值，考察了溫度對熒光強度的影響(見圖5).從圖中可以看出，反應(yīng)體系溫度為80 ℃時，ΔIF達(dá)到最大值.所以本實驗均在80 ℃水浴中進(jìn)行.

圖4 溴酸鉀濃度的影響Fig.4 Effect of concentration of KBrO3

圖5 體系溫度的影響Fig. 5 Effect of reaction temperature

2.2.6 反應(yīng)時間的影響

在上述最佳條件下，考察了反應(yīng)時間對體系熒光強度的影響(見圖6). 由圖可見，當(dāng)反應(yīng)時間為10 min 時，ΔIF最大.所以，確定本實驗的最佳反應(yīng)時間為10 min.

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

按實驗方法，在最佳條件下，對不同濃度的Mo(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行熒光強度測定.分別以Mo(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與熒光強度為參數(shù)制作標(biāo)準(zhǔn)曲線(見圖7)，可以看出，在7 ×10-7～1 ×10-5mg/mL 范圍內(nèi)，Mo(Ⅵ)濃度與ΔIF具有良好的線性關(guān)系.擬合后得回歸方程為:ΔIF=2.178c+32.72(c:×10-6mg/mL)，r=0.9918.

圖6 反應(yīng)時間的影響Fig. 6 Effect of reaction time

圖7 標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig. 7 Calibration graph

2.4 精密度和檢出限

精密度是衡量反應(yīng)體系穩(wěn)定性與否的一個重要指標(biāo)，對濃度為1×10-6mg/mL 的Mo(Ⅵ)標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了11 次平行測定，計算出相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6%，表明本文建立的催化熒光法體系穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差較小.另外，根據(jù)IUPAC 建議，計算所得Mo(Ⅵ)的測定檢出限為9×10-8mg/mL，顯示了該體系較高的靈敏度.

2.5 共存離子干擾實驗

進(jìn)行了共存無機(jī)離子對Mo(Ⅵ)(1 ×10-6mg/mL)熒光行為的干擾試驗，實驗結(jié)果表明，當(dāng)相對誤差在±5%時，共存離子的允許倍數(shù)為:(800 倍);Zn2+(1500 倍);Ca2+、Hg2+、、Al3+(6.5 倍);Pb2+(5倍);Co2+、Cd2+、、Mn2+、、Cr3+(2 倍);Fe3+、、Sn4+(1 倍).在對實際樣品人發(fā)測定中發(fā)現(xiàn)，干擾離子超過允許倍數(shù)造成干擾時，可以使用EDTA 進(jìn)行掩蔽.

2.6 樣品分析

表1 頭發(fā)樣品中鉬(VI)含量測定的實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Data on determination of Mo(VI)in hair and recovery

采集一定量的人發(fā)試樣，置于小燒杯中用丙酮預(yù)洗，再用中性洗滌劑洗滌，然后用熱的蒸餾水沖洗干凈，置于60 ℃的烘箱內(nèi)，用不生銹的剪刀剪成2 cm 左右的小段，待用.準(zhǔn)確稱取0.4000 g 發(fā)樣于250 mL的燒杯中，在通風(fēng)條件下，加入硝酸-高氯酸混合酸(5∶ 1)10 mL.在80 ～100 ℃的水浴中加熱溶解，然后轉(zhuǎn)移到電熱板上加熱，溶液由棕紅色轉(zhuǎn)為淺黃色并蒸至近干，濃煙消失，冷卻后加少量水(若有顏色用活性炭脫色除去)，然后定容于100 mL 容量瓶中，待用.準(zhǔn)確移取待測液1 mL，按實驗方法進(jìn)行測定，實驗測得結(jié)果列于表1.

3 結(jié) 論

基于鉬(VI)對溴酸鉀氧化二氯熒光素褪色反應(yīng)的催化活性，成功建立了可用于測定痕量鉬(VI)的催化熒光法，與其它已有方法相比，催化熒光法靈敏度高，選擇性強，而且實驗操作較為簡便.方法的線性范圍為7 ×10-7～1 ×10-5mg/mL，檢出限為9 ×10-8mg/mL，對濃度為1 ×10-6mg/mL 的鉬(VI)分別平行測定11 次，得相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.6%.已用于人發(fā)中痕量鉬(VI)的測定，結(jié)果令人滿意.

［1］吳茂江.鉬與人體健康［J］.微量元素與健康研究，2006，23(5):66-67.

［2］Filik H，?engel T，Apak R. Selective cloud point extraction and graphite furnace atomic absorption spectrometric determination of molybdenum(VI)ion in seawater samples［J］. Journal of Hazardous Materials，2009，169(1-3):766-771.

［3］Gürkan R，Aksoy ü，Ulusoy H. Determination of low levels of molybdenum(VI)in food samples and beverages by cloud point extraction coupled with flame atomic absorption spectrometry［J］. Journal of Food Composition and Analysis，2013，32(1):74-82.

［4］夏行昊，姜毓君，單藝.石墨爐原子吸收光譜法測定嬰幼兒食品及乳品中鉬［J］.中國乳品工業(yè)，2014，42(5):58-59.

［5］車音，陳松慶，朱霞石.濁點萃取分離-光度法測定水中痕量鉬［J］.理化檢驗-化學(xué)分冊，2010，46(6):618-620.

［6］王君玲，王科偉，樊月琴，等.新試劑聯(lián)苯基雙熒光酮分光光度法測定微量鉬［J］.光譜實驗室，2013，30(4):1836-1839.

［7］Gharehbaghi M，Shemirani F. Ionic liquid-based dispersive liquid-liquid microextraction and enhanced spectrophotometric determination of molybdenum(VI)in water and plant leaves samples by FO-LADS［J］. Food and Chemical Toxicology，2011，49(2):423-428.

［8］Le?ková M，Sklenárˇová H，Bazel Y，et al. A non-extractive sequential injection method for determination of molybdenum［J］. Talanta，2012，96(15):185-189.

［9］Jiang C Q，Wang J Z，He F. Spectrofluorimetric determination of trace amounts of molybdenum in pig liver and mussels［J］. Analytica Chimica Acta，2001，439(2):307-313.

［10］尚虹.熒光光度法測定自來水及尿樣中痕量鉬［J］.中國衛(wèi)生檢驗雜志，2009，19(7):1505-1506.

［11］喬善寶，王慶東，焦昌梅.異丙腎上腺素?zé)晒夥止夤舛确y定豆樣中痕量鉬［J］.理化檢驗-化學(xué)分冊，2009，45(9):1051-1052;1055.

［12］劉德曄，谷靜，劉華良.離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用研究尿中碘和鉬形態(tài)［J］.分析實驗室，2013，32(7):40-44.

［13］付愛瑞，肖凡，羅治定，等.氫氧化錳共沉淀分離-催化極譜法測定土壤中有效鉬［J］.理化檢驗-化學(xué)分冊，2012(4):417-419.

［14］樊雪梅，崔孝煒.催化動力學(xué)光度法測定鉬尾礦中痕量鉬(Ⅵ)［J］.分析科學(xué)學(xué)報，2014，30(1):127-129.

［15］Nakano S，Kamaguchi C，Hirakawa N. Flow-injection catalytic spectrophotometic determination of molybdenum(VI)in plants using bromate oxidative coupling of p-hydrazinobensenesulfonic acid with N-(1-naphthyl)ethylenediamine［J］. Talanta，2010，81(3):786-791.

［16］Phansi P，Henrr′quez C，Palacio E，et al Automated in-chip kinetic-catalytic method for molybdenum determination［J］. Talanta，2014，119(15):68-74.

［17］鮑所言，李書存，王桂花，等.催化熒光法測定痕量鉬［J］.河北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2001，21(1):61-64.

［18］宋桂蘭，郭英，任白皋.液膜分離富集二甲氧基羥基苯基熒光酮熒光猝滅法測定微量鉬的研究［J］.分析試驗室，2005，24(5):44-47.

［19］李英杰，陳世界，高立娣.SAF-Tween80-β-CD 熒光熄滅法測定微量鉬的研究［J］.分析試驗室，2008，27(1):31-33.

［20］王麗紅，張輝，李德玲，等.催化熒光光度法測定痕量鉬(Ⅳ)［J］.理化檢驗-化學(xué)分冊，2009，45(9):1072-1074.

［21］李志孫，啟文，劉繼森，等.甲醇制烯烴催化劑失活模型［J］.應(yīng)用化學(xué)，2014，31(4):394-399.