關于化學發(fā)光演示實驗的探討*

胡玉斐 賴瑢 李攻科

(中山大學化學與化學工程學院 廣東廣州 510275)

化學發(fā)光分析法是近30年來發(fā)展起來的一種高靈敏的微量及痕量分析法，具有儀器設備簡單、操作方便，靈敏度高，線性響應范圍寬和易于實現(xiàn)自動化等 優(yōu)點[1]。近年來,在完善常見化學發(fā)光試劑和拓寬體系應用的基礎上，與其他技術的聯(lián)用已成為化學發(fā)光分析法的發(fā)展方向。如與流動注射技術、成像技術、免疫技術、色譜技術等的聯(lián)用，現(xiàn)已廣泛應用于生命科學、臨床醫(yī)學、礦物巖石分析、材料分析、環(huán)境保護監(jiān)測、藥物分析等方面[2]。

在高校的儀器分析課程中[3]，化學發(fā)光分析法屬于分子光譜部分，理論部分的學習只有短短幾頁，往往在理論課程和實驗課程中都被忽略。中山大學在現(xiàn)代化學實驗與技術(儀器分析實驗部分)課程中首次開設了化學發(fā)光實驗——流動注射-化學發(fā)光聯(lián)用技術用于眼藥水中鹽酸環(huán)丙沙星含量的研究。在指導學生開始實驗前，需要幫助學生加深對理論課程中知識點的理解，包括化學發(fā)光現(xiàn)象，分析方法應用的原理，常見的化學發(fā)光體系等。若在課程中以直觀、具體的發(fā)光演示實驗為示例，可以給學生留下深刻的印象，激發(fā)學生的實驗興趣。通過演示明顯的發(fā)光現(xiàn)象，幫助學生理解理論課程學習中的基本原理；通過演示實驗的設計、演示及分析講解將實驗現(xiàn)象與理論融為一體，有助于啟發(fā)學生的學習興趣，訓練學生的思維，培養(yǎng)其獨立思考問題的能力。

1 實驗原理

化學發(fā)光現(xiàn)象是化學反應的反應物或生成物吸收了反應釋放的化學能后所產生的光輻射現(xiàn)象。其發(fā)光機理是反應體系中的某些物質分子(如反應物、中間體或熒光物質)吸收了反應釋放的能量而由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，然后再從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，同時將能量以光輻射的形式釋放出來，產生化學發(fā)光。化學發(fā)光分析法是根據(jù)化學發(fā)光反應在某一時刻的發(fā)光強度或發(fā)光總量來確定反應中相應組分含量的分析方法。化學發(fā)光分析法可以測定化學發(fā)光反應的反應物、化學發(fā)光反應中的催化劑、增敏劑或者抑制劑以及偶合反應中的反應物、催化劑或者增敏劑等。常見的應用于液相化學發(fā)光的物質有魯米諾、光澤精和洛粉堿。其中研究較多、在分析中應用最廣的是魯米諾。魯米諾(3-氨基苯二甲酰肼)的化學發(fā)光反應效率為0.05～0.15。魯米諾在堿性溶液中與雙氧水的反應速度慢，而某些金屬離子可催化該反應；故可利用這一現(xiàn)象間接測定這些金屬離子。該方法可應用于痕量Cu2+、Mn2+、Co2+、V4+、Fe2+、Fe3+、Ni2+、Ag+、Au3+、Hg2+等的測定。

2 實驗方法

2.1 儀器與試劑

BPCL微弱發(fā)光測量儀(中國科學院生物物理研究所研制)。

試劑Ⅰ：1×10-3mol/L魯米諾的水溶液；試劑Ⅱ：1×10-2mol/L的H2O2溶液；試劑Ⅲ：1×10-3mol/L鐵氰化鉀水溶液；試劑Ⅳ：1×10-2mol/L Co(Ⅱ)溶液；試劑Ⅴ：1×10-2mol/L Cu(Ⅱ)溶液；試劑Ⅵ：1×10-2mol/L Cr(Ⅲ)溶液。

2.2 實驗方法

演示魯米諾-過氧化氫-催化劑體系化學發(fā)光現(xiàn)象的實驗在暗室中進行，分別在4個測量杯中加入1mL試劑Ⅰ和1mL試劑Ⅱ，然后同時向4個測量杯中平行加入0.2mL試劑Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，觀測杯中的實時的發(fā)光現(xiàn)象。

利用BPCL微弱發(fā)光測量儀對實驗效果最佳的催化劑采用分立取樣法研究其動力學曲線及分析應用。

3 結果與討論

3.1 演示實驗效果

向魯米諾和過氧化氫的混合溶液中平行加入不同催化劑的演示實驗效果如圖1所示。由圖1可以看出加入催化劑能產生明顯的化學發(fā)光，以Cu(Ⅱ)為催化劑，溶液呈藍色，加入后產生的發(fā)光最為微弱；以Cr(Ⅲ)為催化劑，溶液呈綠色，加入后產生發(fā)光強度最大，溶液呈現(xiàn)均勻的藍色很適合觀察;以鐵氰化鉀為催化劑，溶液呈黃色，加入后產生的發(fā)光比較持久; 而以Co(Ⅱ)為催化劑，溶液呈粉紅色，加入即可產生的強烈的發(fā)光信號，信號對比最為明顯，發(fā)光信號隨著Co(Ⅱ)在魯米諾-過氧化氫混合溶液中的擴散呈現(xiàn)梯度變化。

在理論課程講授中，化學發(fā)光分析法定量的依據(jù)是在化學發(fā)光分析中，被分析物相對于發(fā)光試劑小得多。對于一級動力學反應，發(fā)光強度與被分析物濃度呈線性關系。催化劑Co2+溶液為粉紅色，產生的藍色發(fā)光信號對比明顯，藍色信號隨催化劑與發(fā)光試劑的混合程度加大而呈現(xiàn)明顯的梯度。因此，我們選擇魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ) 體系進行演示實驗。

圖1 不同催化劑作用下的化學發(fā)光現(xiàn)象

3.2 魯米諾型發(fā)光體系的動力學曲線

在堿性介質條件下,過渡金屬離子能增強魯米諾與過氧化氫的化學發(fā)光反應。常用典型的響應曲線(強度對時間的曲線)描繪該化學發(fā)光反應的特征。響應曲線不僅與實驗條件(包括pH和試劑濃度)有關，還與催化劑的使用有關。我們采用分立取樣法研究了魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ)體系的動力學曲線，保持其他實驗參數(shù)不變，記錄Co(Ⅱ)溶液(1×10-4g/mL)催化魯米諾(1×10-5mol/L,pH=11)-H2O2(1×10-4mol/L)化學發(fā)光反應的響應曲線(圖2),其相對發(fā)光強度在催化劑Co(Ⅱ)溶液注射后1s內達到最大。

圖2 魯米諾-H2O2-Co(Ⅱ)化學發(fā)光反應的動力學曲線魯米諾:1×10-5mol/L(pH=11);H2O2:1×10-4mol/L;注射的Co(Ⅱ)：1×10-4g/mL

3.3 魯米諾化學發(fā)光體系的分析應用

在化學發(fā)光分析中，被分析物相對于發(fā)光試劑小得多。對于一級動力學反應，dc/dt=Kc(K為反應速率常數(shù)；c為被分析物的濃度)，在一定條件下，峰值光強度與被測物濃度呈線性。固定魯米諾與過氧化氫的濃度，改變注射的Co2+溶液的濃度，實驗結果如圖3所示。從圖3可看出，相對發(fā)光強度隨Co2+溶液濃度的增大而顯著增大。據(jù)此可利用該化學發(fā)光體系對Co2+進行測定。在固定魯米諾和過氧化氫濃度條件下，相對發(fā)光強度(ΔI)與Co2+溶液濃度呈良好的線性關系,ΔI=128.44c+22075(c為Co2+溶液濃度，單位為mol/L)，R2=0.9942。

圖3 相對發(fā)光強度隨Co(Ⅱ)濃度變化關系魯米諾: 1×10-6mol/L(pH=11);H2O2:1×10-5mol/L;注射的Co(Ⅱ)：1×10-9mol/L～1×10-6mol/L

3.4 魯米諾型發(fā)光體系的發(fā)光機理

由文獻[4]可知，過渡金屬離子(Co2+,Cu2+,Fe3+,Ni2+,Cr3+)對魯米諾-過氧化氫化學發(fā)光體系有明顯的催化作用。最先被報道的是Cu(Ⅱ)，而應用最廣泛的是Co(Ⅱ)，原因在于Co(Ⅱ) 對魯米諾-過氧化氫有很好的催化作用以及其在自然水體系中的低濃度。魯米諾-過氧化氫-Co(Ⅱ)體系已被用于測定過氧化氫，檢出限達納摩爾和亞納摩爾級，可向學生講授魯米諾型化學發(fā)光的可能機理如下：

以Me(Ⅱ)表示的這類催化劑通常在反應中具有可變化合價。在溶液中溶解氧作用下，生成超氧陰離子自由基、羥基自由基以及過氧化氫。

圖4 魯米諾與活性氧物質作用機理

4 結論

演示實驗選用的魯米諾-H2O2-Co2+體系在暗室中發(fā)光信號對比明顯。由于人們對基于魯米諾氧化反應而產生的發(fā)光反應機理的研究相對比較深入，體系的實際應用廣泛，很適合作為本科生的化學發(fā)光法演示實驗。通過該實驗的演示，明顯的藍色發(fā)光信號能給學生留下了深刻的印象；同時，結合詳細的機理講解，能幫助學生加深對理論課講授知識點的理解。該演示實驗已經連續(xù)2年在我校化學院本科三年級中開設，授課效果良好。

[1] Su Y Y,Chen H,Wang Z M,etal.AppliedSpectroscopyReviews,2007,42:139

[2] Gracia L G,GarcíaCampana A M,Huertas Pérez J F,etal.AnalyChimActa,2009,640(1-2):7

[3] 于化江,袁華,楊鳳珍,等.滄州師范專科學校學報,2009,25(1):94

[4] Lv C,Song G Q,Lin J M.TrendsAnalChem,2006,25(10):985

[5] Bustos C,Salgado G,LoUez C.ChemEducator,2001,6(1):97