利用Briggs-Rauscher振蕩體系檢測丹皮酚

周 穎，張望寧，張 慧，張?zhí)m蘭，胡 剛

(安徽大學 化學化工學院，安徽 合肥 230601)

非線性化學動力學[1-4]行為，是指處于非平衡狀態(tài)下其內部的一些狀態(tài)量會呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律的系統(tǒng)，化學振蕩是較為典型的一種，已被報道的振蕩體系的種類有很多.就目前而言，研究得較為全面的振蕩體系主要是Briggs-Rauscher(BR)反應和Belousov-Zhabotinsky[5-6]反應.早前的實驗探究中振蕩反應主要以Ce4+或Mn2+等金屬離子為催化劑，后期采用大環(huán)配合物[7]替代，蘋果酸、丙二酸等具有活潑亞甲基的有機物均可以作為有機底物[8].這兩種振蕩體系主要應用于定量分析方面，比如測定離子、有機試劑，抗氧化性分析等.近年來，BR體系被廣泛應用于定量分析有機物，已經(jīng)報道的抗氧化劑類有抗壞血酸[9]、咖啡酸[10]、維生素類[11-12]等，天然多酚類化合物有橄欖苦苷[13]、松果菊苷[13]等，除此之外還應用于酒類[14]以及大豆提取物[15]等相關檢測.通過待檢測物對BR體系的微擾作用對物質進行分析檢測，該方法具有操作簡便、精確度高等優(yōu)點.

丹皮酚(圖示1)，又名芍藥酮，是從牡丹的根皮中提取出來的一種小分子酚類化合物[16]，有天然抗生素之稱[17].丹皮酚具有促進微循環(huán)、抗癌、降血壓、抗炎等多種藥理作用[18]；丹皮酚能使沉積在皮膚中的色素褪色，用于增白皮膚；丹皮酚還可以作為一種優(yōu)良的天然添加劑應用于殺蟲劑中，因此找到一種簡便的測定丹皮酚的方法是有必要的.

檢測丹皮酚的方法有分光光度法[19]、高效液相色譜法[20]及其他方法[21].筆者采用一種新的檢測方法即利用BR振蕩體系來實現(xiàn)對丹皮酚的定量檢測，H2SO4- KIO3- [NiL](ClO4)2(圖示2)-丙二酸(MA)- H2O2作為檢測溶液，其中L為5,7,7,12,14,14-六甲基-1,4,8,11-四氮雜環(huán)十四烷-4,11-二烯.將一定濃度的丹皮酚溶液加入BR振蕩體系中后，從振蕩圖譜中觀察丹皮酚的加入對體系振蕩的影響，并分析加入的丹皮酚的濃度和抑制時間(tin)之間的變化關系，從而建立一種具有操作簡單、可靠性強等優(yōu)勢的檢測丹皮酚的可行性方法.

圖示1 丹皮酚的結構圖示2 [NiL](ClO4)2的結構

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器

所用的藥品：H2SO4(98%)、丙二酸(MA)、碘酸鉀(KIO3)以及過氧化氫(30%)都由阿拉丁生物化學有限公司購入，丹皮酚是從中國國藥化工試劑公司購入，所使用的藥品均為分析純，催化劑[NiL]-(ClO4)2(圖示2)根據(jù)文獻[22-23]中提供的方法制得，并對其進行了IR測試和元素分析.

儀器：恒溫磁力攪拌器(85-2)，上海越眾儀器設備有限公司；甘汞電極(217)、鉑電極(213)，上海雷磁；電子分析天平(FA1054N)，沈陽龍騰電子有限公司；放大器(INA-BTA)、GO!LINK，美國威尼爾；超聲清洗器(JP3-120)，上海超聲儀器有限公司；電化學工作站(LK200型)，上海偉業(yè)儀器有限公司；紫外可見分光光度計(UV-3600)，上海譜元儀器有限公司；移液槍(20～200 μL)，德國熱電公司.

1.2 實驗步驟

首先用H2SO4(98%)配制出0.025 mol·L-1的H2SO4溶液，并以0.025 mol·L-1的H2SO4為溶劑配制出0.017 3 mol·L-1[NiL](ClO4)2溶液、0.14 mol·L-1KIO3溶液、2.0 mol·L-1MA溶液、4.0 mol·L-1的H2O2溶液.用蒸餾水配制0.01 mol·L-1丹皮酚溶液.向50 mL的燒杯中加入14.5 mL 0.025 mol·L-1H2SO4、2.0 mL 0.017 3 mol·L-1[NiL](ClO4)2、5.5 mL 0.14 mol·L-1KIO3、3.5 mL 2.0 mol·L-1MA溶液.將鉑電極和甘汞電極固定在磁力攪拌器的支架上，然后將電極探頭浸入混合溶液中，打開磁力攪拌器，調節(jié)轉速500 r·min-1，在冰浴條件下對混合溶液進行均質處理，2個電極通過放大器(美國，威尼爾)和GO!LINK與計算機(PC)相連接，打開Logger Lite 數(shù)據(jù)采集程序，在設置參數(shù)欄設置好采樣時間，接著移取14.5 mL 4.0 mol·L-1的H2O2溶液到燒杯中，然后點擊開始采集按鈕，軟件會將電勢隨時間變化的實驗數(shù)據(jù)記錄在PC機上，如圖1(a)所示.重復以上操作步驟，當振蕩圖譜出現(xiàn)第6個振蕩電勢最低位點處時，用移液槍移取40 μL 0.01 mol·L-1丹皮酚溶液，振蕩結束后的圖譜如圖1(b)所示，從圖譜中可以看到丹皮酚的加入會使得體系的振蕩受到抑制，并在一定的抑制期(tin)后恢復振蕩.為了便于后續(xù)實驗的探究，將振蕩停止到振蕩恢復的時間定義為抑制期(tin).

(a)無擾動的標準BR振蕩圖譜; (b)加入1.0×10-5mol·L-1丹皮酚后的擾動振蕩圖譜. 共同條件：c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3) =0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1; c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1；T=(4±0.5) ℃；R =500 r·min-1.圖1 體系振蕩圖譜

2 結果與討論

2.1 體系組分的優(yōu)化

BR振蕩體系是由H2SO4，KIO3，MA，H2O2，[NiL](ClO4)2這5種不同組分構成，調節(jié)其中任一組分濃度都會改變BR體系的振蕩響應，從而影響丹皮酚的檢測結果.因此在實驗中，采用控制變量法來調控振蕩體系中各個組分的濃度，以獲得檢測丹皮酚的最優(yōu)組分濃度.

體系中最優(yōu)H2SO4濃度的探究.在溫度(4±0.5)℃、轉速500 r·min-1的反應條件下，體系中各組分濃度c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c(H2SO4)=1.45 mol·L-1保持不變，在H2SO4濃度為0.018 75～0.040 mol·L-1范圍內，改變體系中H2SO4的濃度，所得抑制時間(tin)與H2SO4濃度的關系如圖2(a)所示.從圖中可以看到，在H2SO4濃度區(qū)間為0.025～0.030 mol·L-1時，抑制時間不會過長或過短，選用區(qū)間中c(H2SO4)=0.025 mol·L-1作為體系中H2SO4的最優(yōu)濃度.

體系中最優(yōu)[NiL](ClO4)2濃度的探究.在溫度(4±0.5) ℃、轉速 500 r·min-1的反應條件下，體系中各組分濃度c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1保持不變，在[NiL](ClO4)2的濃度為5.19×10-4～1.512×10-3mol·L-1范圍內，改變體系中[NiL](ClO4)2的濃度，所得抑制時間(tin)與[NiL](ClO4)2濃度的關系如圖2(b)所示.當[NiL](ClO4)2濃度區(qū)間為5.19×10-4～8.64×10-4mol·L-1時，抑制時間較長，在濃度區(qū)間為8.64×10-4～1.512×10-3mol·L-1時，抑制時間在逐漸縮短，由圖2(b)可以觀察到當c([NiL](ClO4)2)=8.64×10-4mol·L-1時抑制時間不會過長或過短，選取該濃度作為體系中[NiL](ClO4)2的最優(yōu)濃度是合適的.

體系中最優(yōu)KIO3濃度的探究.在溫度(4±0.5) ℃；轉速=500 r·min-1的反應條件下，體系中各組分濃度c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4mol·L-1；c(H2SO4)=0.025 mol·L-1；c(MA)=0.175 mol·L-1；c(H2O2)=1.45 mol·L-1保持不變，改變體系中KIO3的濃度范圍0.014～0.028 mol·L-1，所得抑制時間(tin)與KIO3濃度的關系如圖2(c)所示.從圖中可以看到，當KIO3濃度區(qū)間為0.014～0.019 25 mol·L-1時，tin下降幅度較大;在濃度區(qū)間為0.019 25～0.024 5 mol·L-1時，tin平穩(wěn)下降;在濃度區(qū)間為0.024 5～0.028 0 mol·L-1時,tin趨于平穩(wěn).最終選取平穩(wěn)下降區(qū)間中的c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1時作為實驗最優(yōu)濃度.

體系中最優(yōu)MA濃度的探究.在溫度(4±0.5) ℃；轉速=500 r·min-1的反應條件下，體系中各組分濃度c(H2SO4)=0.025 mol·L-1；c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1;c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4mol·L-1；c(H2O2)=1.45 mol·L-1保持不變，改變體系中MA的濃度范圍0.15～0.25 mol·L-1，所得抑制時間(tin)與MA濃度的關系如圖2(d)所示.選取便于實驗探究的MA的濃度作為最佳體系濃度，選用c(MA)=0.175 mol·L-1.

(a) c(H2SO4)=0.018 75～0.040 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1；(b) c([NiL](ClO4)2)=5.19×10-4～1.512×10-3 mol·L-1，c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1；(c) c(KIO3) =0.014～0.028 mol·L-1，c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1；(d) c(MA) =0.15～0.25 mol·L-1，c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1；(e) c(H2O2)=1.30～1.65 mol·L-1，c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4 mol·L-1. 共同條件：c(丹皮酚)=1.0×10-5 mol·L-1，T =(4±0.5) ℃，R =500 r·min-1.圖2 體系組分濃度對抑制時間(tin)的影響

體系中最優(yōu)H2O2濃度的探究.在溫度(4±0.5) ℃、轉速=500 r·min-1的反應條件下，體系中各組分濃度c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4·mol·L-1,c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1,c(MA)=0.175 mol·L-1，c(H2SO4)=0.025 mol·L-1保持不變，改變體系中H2O2的濃度范圍1.30～1.65 mol·L-1，所得抑制時間(tin)與H2O2濃度的關系如圖2(e)所示.從圖中可以看到，當H2O2濃度區(qū)間為1.40～1.55 mol·L-1時，tin平穩(wěn)下降，選用區(qū)間中c(H2O2)=1.45 mol·L-1時作為H2O2的最優(yōu)體系濃度.

2.2 丹皮酚的定量分析實驗

在上述實驗中探究出的最優(yōu)體系濃度下(c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65×10-4mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1)，進行BR振蕩體系對丹皮酚的定量分析實驗.實驗結果表明，抑制時間(tin)與加入的丹皮酚濃度之間呈一定的線性關系，選用分段函數(shù)法來進行探究，結果如圖3所示.

(a) 抑制時間(tin)與低濃度區(qū)間丹皮酚的線性關系圖；(b) 抑制時間(tin)與高濃度區(qū)間丹皮酚的線性關系圖. 共同條件：c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(MA)=0.175 mol·L-1，c([NiL](ClO4)2)=8.65 × 10-4 mol·L-1，c(H2O2)=1.45 mol·L-1，T=(4±0.5) ℃，R = 500 r·min-1.圖3 抑制時間(tin)與丹皮酚濃度的線性關系圖

結果表明，當?shù)てし訚舛萩(丹皮酚)在5.0×10-6～2.0×10-5mol·L-1區(qū)間時，所得的線性關系為：tin=-79.018+3.0×107c(丹皮酚)(R2=0.998 7)，如圖3(a)所示；當?shù)てし訚舛萩(丹皮酚)在2.0×10-5～8.75×10-5mol·L-1區(qū)間時，所得的線性關系為：tin=-1 072.2+8.0×107c(丹皮酚)(R2=0.998 7)，如圖3(b)所示.丹皮酚濃度與抑制時間(tin)的工作曲線表明，可以根據(jù)二者的響應關系建立出一種定量分析丹皮酚的新方法.

為驗證該實驗方法的可重復性，筆者將檢測濃度為2.0×10-5mol·L-1的丹皮酚加入BR振蕩體系中，記錄出現(xiàn)抑制時間，并將該實驗重復進行10次.最終求得RSD=2.64%，其回收率結果如表1所示.求證得出該檢測方法有較好的重復率.

表1 丹皮酚的回收率

2.3 外來離子對定量分析的干擾

在丹皮酚的定量分析過程中，外來離子可能會造成干擾.對此筆者研究了外來離子對該實驗的干擾效果，結果如表2所示.其中比率越小說明干擾程度越大.所以在使用該方法進行丹皮酚的定量分析時，要避免比率小的離子的干擾.

表2 外來離子對定量分析的干擾

2.4 反應機理的探究

以下是針對以[NiL](ClO4)2為催化劑的BR振蕩體系的12步反應機理，該機理是基于NF模型[24]和FCA模型[25]提出的，反應機理如下

HOI+I-+H+?I2+H2O，

(1)

HIO2+I-+H+→2HOI，

(2)

(3)

(4)

(5)

2HOO·→H2O2+O2，

(6)

HOI+H2O2→I-+O2+H++H2O，

(7)

IO2·+[NiL]2++H+?[NiL]3++HIO2，

(8)

H2O2+[NiL]3+→[NiL]2++HOO·+H+，

(9)

(10)

MA?MA(enol)，

(11)

I2+MA(enol)→MAI+I-+H+.

(12)

通過以上的反應機制可以看到，由于反應步驟較多，無法確定丹皮酚參與其中哪一種反應步驟，丹皮酚可能與初始組分溶液發(fā)生反應，也可能與反應鏈中的中間產(chǎn)物發(fā)生反應.為了探究丹皮酚與體系中的哪種物質發(fā)生了反應，筆者利用循環(huán)伏安實驗對以下4組溶液進行驗證：(1)H2SO4+MA；(2)H2SO4+[NiL](ClO4)2；(3)H2SO4+KIO3；(4)H2SO4+H2O2.分別向這4組溶液中加入不同濃度梯度的丹皮酚溶液，觀察加入丹皮酚前后的循環(huán)伏安圖譜變化，判斷是否進行了氧化還原反應.

循環(huán)伏安實驗結果表明，丹皮酚在實驗(3)中，即當酸性KIO3存在時，循環(huán)伏安曲線的氧化還原峰會發(fā)生位移，如圖4所示.證實丹皮酚會與初始組分溶液中的KIO3發(fā)生氧化還原反應.

實驗條件：c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，Scan rate=100 mV·s-1.圖4 循環(huán)伏安曲線圖

盡管在循環(huán)伏安實驗中表明了丹皮酚可以與KIO3直接發(fā)生反應，但是如果考慮是二者之間的直接反應，則丹皮酚會被迅速消耗完，從而無法解釋抑制時間的問題，因此說明該擾動行為不是KIO3與丹皮酚直接發(fā)生反應產(chǎn)生的.

基于FCA模型的BR振蕩體系通常由許多重要的中間體I2、I-、HOI、IO2·和HOO·等組成，前期Cervellati等[26]發(fā)表的文獻中，都提出并驗證了中間體過氧基(HOO·)是引起振蕩暫時停止的原因.在酸性介質中，筆者認為丹皮酚被氧化為苯醌類化合物，反應過程如反應(13)所示.將丹皮酚加入BR振蕩體系后，其與反應中間體HOO·發(fā)生反應，這使得反應(10)中IO2·濃度降低，反應(8)受到了干擾，導致[NiL]3+和[NiL]2+的轉化過程出現(xiàn)斷裂，體系的振蕩受到抑制，從而產(chǎn)生了抑制時間.又因參與到振蕩體系中的丹皮酚的濃度是極其微量的，所以加入體系中的丹皮酚會被迅速消耗完，在被消耗完全后振蕩體系的反應鏈將不受抑制，體系恢復振蕩.因此在該實驗中，同樣認為丹皮酚與振蕩體系中的中間體HOO·發(fā)生了反應，從而解釋了出現(xiàn)的抑制時間(tin)問題.

(13)

為證實以上假設，用紫外分光光度計對產(chǎn)物進行實驗分析.準備待測溶液：40 μL 0.01 mol·L-1丹皮酚溶液，34.5 mL 0.025 mol·L-1H2SO4溶液，5.5 mL 0.14 mol·L-1KIO3溶液，將以上溶液混合攪拌30 min，以保證待測物丹皮酚被完全氧化，將從該混合物中取1 mL溶液倒入比色皿中，進行UV實驗，實驗結果如圖5所示.

實驗條件：c(H2SO4)=0.025 mol·L-1，c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1，c(丹皮酚)=1.0× 10-5 mol·L-1 .圖5 產(chǎn)物的紫外吸收光譜圖

圖5的實驗結果表明，吸收峰出現(xiàn)在360 nm處，此吸收峰為苯醌類化合物的特征吸收峰，結合丹皮酚的有機結構特征，認為在振蕩體系中的氧化產(chǎn)物可能為4-甲氧基-1,2-苯醌.進一步證實了丹皮酚與振蕩體系中存在的中間體HOO·發(fā)生了反應.

3 結束語

筆者探索出了一種檢測丹皮酚的新方法，利用丹皮酚對BR振蕩體系的微擾作用對其進行了定量分析.采用控制變量法調節(jié)BR體系組成中H2SO4、KIO3、[NiL](ClO4)2、丙二酸、H2O2的濃度，得到檢測的最優(yōu)體系濃度：c(H2SO4)=0.025 mol·L-1;c(KIO3)=0.019 25 mol·L-1；c(MA)=0.175 mol·L-1；c([NiL](ClO4)2)=8.65 × 10-4mol·L-1；c(H2O2)=1.45 mol·L-1.并在最優(yōu)體系濃度下對丹皮酚進行檢測，找出了丹皮酚加入體系中產(chǎn)生的抑制時間(tin)和濃度之間的線性關系，丹皮酚的檢測范圍為5.0×10-6～8.75×10-5mol·L-1，結果表明：在低濃度區(qū)間5.0×10-6～2.0×10-5mol·L-1時，所得的線性關系為tin=-79.018+3.0×107c(丹皮酚)(R2=0.996 1)；在高濃度區(qū)間2.0×10-5～8.75×10-5mol·L-1時，所得的線性關系為tin=-1 072.2+8.0×107c(丹皮酚)(R2=0.998 7).通過CV和UV實驗，證實了體系中的丹皮酚發(fā)生了氧化還原反應，丹皮酚被振蕩的中間產(chǎn)物HOO·氧化為4-羥基-1,2-苯醌，從而使得實驗的擾動機理得到解釋.