催化劑對魯米諾熒光反應(yīng)的影響

陳冠戎　尹翔　閆佳怡　宋?！×菏鐑x　連君樸　黃今祺

本期點(diǎn)評專家

張永強(qiáng)? 高級教師，湖南省十佳科技教師?？破罩袊?021年十大科普人物獎(jiǎng)獲得者，全國校園發(fā)明創(chuàng)意大賽、湖南省青少年科技創(chuàng)新大賽、湖南省創(chuàng)新編程與智能設(shè)計(jì)大賽、湖南省科學(xué)調(diào)查體驗(yàn)活動(dòng)評審專家組成員。

一次偶然的機(jī)會，我們接觸到了一種熒光物質(zhì)——魯米諾。魯米諾又名發(fā)光氨，其化學(xué)式為C8H7N3O2，常溫下為蒼黃色粉末，可溶于大多數(shù)有機(jī)極性溶劑，但不溶于水。法醫(yī)學(xué)上使用魯米諾檢驗(yàn)犯罪現(xiàn)場是否含有血跡，生物學(xué)上則用魯米諾檢測細(xì)胞中的銅、鐵及氰化物的存在。

陳冠戎是個(gè)“化學(xué)迷”，喜歡做各種化學(xué)實(shí)驗(yàn)，對魯米諾這一極具特性的物質(zhì)非常感興趣，他與尹翔等好友討論后，大家就開展實(shí)驗(yàn)達(dá)成共識，組成研究小組，共同開展這一研究。

雖然成員分屬兩所不同的高中，放假時(shí)間也不同，但小組成員依然克服萬難，歷經(jīng)多次討論，最終確定了實(shí)驗(yàn)方案，完成了本次探究。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

探究不同催化劑對魯米諾熒光反應(yīng)的影響，探索實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)藥品組合。

二、實(shí)驗(yàn)儀器

燒杯，一次性滴管，培養(yǎng)皿，玻璃棒，表面皿。

三、實(shí)驗(yàn)試劑

魯米諾、氨水、五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）、鐵氰化鉀（[K3Fe（CN）6]）、碳酸氫鈉（NaHCO3）、碳酸鈉（Na2CO3）、5%過氧化氫（H2O2）溶液、水。

四、實(shí)驗(yàn)分工

陳冠戎主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作及化學(xué)試劑配置，尹翔主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)操作、論文撰寫，閆佳怡主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)裝置搭建，宋睿主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集、資料搜集整理，梁淑儀主要負(fù)責(zé)照片拍攝、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集，連君樸主要負(fù)責(zé)資料搜集整理，黃今祺主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)安全隱患排查、過程安全性監(jiān)督。

本次實(shí)驗(yàn)是小組成員群策群力、共同完成的結(jié)果，此處展示的實(shí)驗(yàn)分工僅為小組成員的主要承擔(dān)部分。

五、理論依據(jù)

通常情況下，魯米諾只有經(jīng)氧化劑處理后才能發(fā)光。實(shí)踐中一般采用過氧化氫（H2O2）與氫氧化物的混合水溶液作為激發(fā)劑。在含鐵化合物或含銅化合物的催化作用下，H2O2分解為氧氣和水。此時(shí)，魯米諾與氫氧化物反應(yīng)時(shí)生成二價(jià)陰離子，其可被氧化，生成有機(jī)過氧化物。

但該過氧化物很不穩(wěn)定，會立即分解出氮?dú)猓∟2），生成激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸。在其由激發(fā)態(tài)向基態(tài)的轉(zhuǎn)化過程中，釋放的能量以光子的形式存在，波長位于可見光譜中的藍(lán)光部分。事實(shí)上，3-氨基鄰苯二甲酸是合成魯米諾的前體之一。魯米諾的熒光反應(yīng)本質(zhì)上是因?yàn)镠2O2在催化劑的作用下分解所激發(fā)，那么我們不難推測，H2O2的分解速率將影響魯米諾熒光反應(yīng)的效果。

H2O2在不同的催化劑的作用下反應(yīng)速率有顯著差異。為了進(jìn)一步確定這一差異能否推廣至魯米諾的熒光反應(yīng)上，探究不同催化劑對魯米諾熒光反應(yīng)的影響，我們在充分考慮H2O2分解的常用催化劑為含鐵化合物、含銅化合物的基礎(chǔ)上，以五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）以及鐵氰化鉀（[K3Fe（CN）6]）為例進(jìn)行對比，進(jìn)行了本次實(shí)驗(yàn)。

六、實(shí)驗(yàn)過程

由于實(shí)驗(yàn)所用的部分藥品具有一定的腐蝕性，加之玻璃儀器若破損有可能劃傷皮膚，所有人均在本次實(shí)驗(yàn)中佩戴了實(shí)驗(yàn)用橡膠手套。氨水具有揮發(fā)性，在封閉環(huán)境中有可能造成安全事故，因此本次實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了通風(fēng)處理。

（一）鐵氰化鉀組

在A燒杯中加入適量NaHCO3與Na2CO3固體，再加入鐵氰化鉀，加水?dāng)嚢瑁偌尤?.3 g魯米諾攪拌。在培養(yǎng)皿X中倒入10 mL 5%H2O2溶液，再倒入A燒杯中的部分溶液，并迅速關(guān)燈，觀察現(xiàn)象。

（二）五水硫酸銅組

在B燒杯中加入與第一組中等量的NaHCO3與Na2CO3固體，再加入五水硫酸銅，加水?dāng)嚢?，再加?.3 g魯米諾攪拌，最后加入1～2 mL濃氨水。在培養(yǎng)皿Y中倒入10 mL 5%H2O2溶液，再倒入B燒杯中的部分溶液，并迅速關(guān)燈，觀察現(xiàn)象。

七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（一）鐵氰化鉀組

培養(yǎng)皿X中熒光亮度較弱，且顏色為青色，持續(xù)時(shí)間較短。

（二）五水硫酸銅組

培養(yǎng)皿Y中熒光亮度較強(qiáng)，且顏色為藍(lán)白色，持續(xù)時(shí)間較長。

八、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

五水硫酸銅對魯米諾的催化效果優(yōu)于鐵氰化鉀。催化劑催化H2O2分解的效果越好，對魯米諾熒光反應(yīng)的影響越顯著。

根據(jù)魯米諾熒光反應(yīng)原理，溶液中不可缺少的物質(zhì)是氫氧化物。然而，如果用氫氧化鈉（NaOH）或氫氧化鉀（KOH）作為反應(yīng)物，則反應(yīng)進(jìn)行時(shí)會生成大量的沉淀，遮擋熒光效果。

事實(shí)上，CuSO4雖然不與Na2CO3反應(yīng)，但在反應(yīng)前也會產(chǎn)生少量沉淀，影響催化劑對魯米諾的催化作用。在反應(yīng)物中用濃氨水代替氫氧化物，既提供了OH-，又避免了沉淀對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的影響。

綜上，最優(yōu)反應(yīng)物組合為：Na2CO3、NaHCO3、五水硫酸銅、濃氨水、魯米諾、H2O2。

九、實(shí)驗(yàn)反思

（一）選用CuSO4代替CuCl2的原因

研究人員曾研究了將不同離子作為反應(yīng)催化劑對H2O2分解穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu+、Cu2+及Cl-均對H2O2的分解有促進(jìn)作用，而Ni2+、K+、SO42-及NO3–則對H2O2的分解無明顯影響。

倘若用CuCl2探究Cu2+的催化效果，則Cl-有可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以我們選擇用CuSO4或Cu（NO3）2替代CuCl2。

（二）不選用MnO2的原因

研究人員發(fā)現(xiàn)，MnO2對H2O2的分解雖然也有催化作用，但其在催化過程中會發(fā)生相變（即物質(zhì)在溫度、壓力、磁場等外部參數(shù)的連續(xù)性變化下，從一種相態(tài)變成另一種相態(tài)的現(xiàn)象），造成催化活性降低，導(dǎo)致后期效果變差。

同時(shí)，MnO2不溶于水，對魯米諾熒光反應(yīng)的催化效果不夠明顯，因此在本次實(shí)驗(yàn)中，我們未選用MnO2。

專家點(diǎn)評

文章提供了關(guān)于使用五水硫酸銅和鐵氰化鉀對魯米諾的催化效果進(jìn)行比較的結(jié)果，并對實(shí)驗(yàn)中使用的反應(yīng)物進(jìn)行了說明。

本文具有如下優(yōu)點(diǎn)：一、提供了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對比分析——通過比較五水硫酸銅和鐵氰化鉀對魯米諾的催化效果，得出五水硫酸銅催化效果更好的結(jié)論，提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)支撐；二、考慮了影響熒光效果的因素——提到使用氫氧化物作為反應(yīng)物會產(chǎn)生沉淀，從而遮擋熒光效果，為了解決這個(gè)問題，作者建議使用濃氨水代替氫氧化物；三、解釋了選用CuSO4代替CuCl2的原因，提供了合理的解釋和科學(xué)依據(jù)。

文章不足之處在于對MnO2的討論不夠充分：提及MnO2對H2O2分解的催化效果，但未對其具體效果進(jìn)行評估；提及MnO2的相變和不溶于水會降低催化活性，但未提供具體的研究結(jié)果或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)支持這一觀點(diǎn)。