溴酸鉀-熒光黃-雙酚A體系的共振光散射研究及其應用

楊洋，李貴榮，徐夢媛，唐律

(南華大學 公共衛生學院，湖南 衡陽 421001)

雙酚A(BPA)是一種環境內分泌干擾物[1]，可以通過水污染危害人體健康[2-3]。生殖表觀遺傳效應[4]、慢性腎病[5]、糖尿病[6]、癌癥[7]等都與BPA 的污染有關。

檢測BPA 的方法主要有：氣相色譜-質譜法[8]、高效液相色譜法[9]、毛細管電泳法[10]、傳感器檢測法[11]和分光光度法[12]等。其中某些方法存在儀器成本高、操作復雜、準確度相對不高等不足 。共振光散射光技術具有操作簡便、線性范圍寬等特點[13]。

在硫酸介質中，BPA 能夠和溴酸鉀、熒光黃反應形成聚集體，體系共振光散射強度的增大值(ΔI)與 BPA 含量在一定范圍內成正比，據此定量檢測水樣中的 BPA。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

BPA、硫酸均為優級純；無水乙醇、熒光黃、溴酸鉀均為分析純；實驗用水均為二次蒸餾水。

RF-4500型熒光分光光度計；UV-VIS 8500 紫外-可見分光光度計；SHHW-21三用電熱恒溫水浴箱；AB204-S電子分析天平。

1.2 BPA標準溶液(5.0 μg/mL)配制

準確稱取0.050 0 g BPA 溶于無水乙醇中，加入超純水，稀釋至100 mL，超聲溶解，得到濃度為0.5 mg/mL的儲備液。使用時用超純水將此溶液稀釋至5.0 μg/mL。

1.3 實驗方法

在10 mL比色管中，分別加入一定量的雙酚 A 標準溶液或水樣，0.60 mL硫酸溶液(0.10 mol/L)，0.50 mL熒光黃溶液(1.0 ×10-4mol/L)，0.40 mL溴酸鉀溶液(0.10 mol/L)，超純水稀釋定容至5.00 mL刻度線，充分搖勻，于70 ℃水浴加熱反應15 min，用流動自來水冷卻，以終止反應。在熒光分光光度計上以λex=λem電壓700 V，激發和發射狹縫均為5 nm時，進行同步掃描，得共振光散射光譜。準確測定489 nm波長處共振光散射強度(I)值及試劑空白共振光散射值(I0)，并計算ΔI(ΔI=I-I0)。

2 結果與討論

2.1 共振光散射光譜圖

不同體系的共振光散射光譜見圖1。

圖1 不同反應體系的共振光散射光譜圖Fig.1 The resonance light scattering spectra of different reaction systems1.H2SO4+FL；2.H2SO4+FL+BPA；3.H2SO4+FL+KBrO3；4～6.H2SO4+FL+KBrO3+BPA (0.8，2.0，3.0 μg/mL)

由圖1可知，在H2SO4介質中，熒光黃溶液的共振光散射值較小(曲線1)，最大共振光散射波長為489 nm。往體系中加入BPA時，共振光散射值未發生明顯變化(曲線 2)，說明低濃度BPA并不引起體系的共振光散射強度變化；若單獨加入溴酸鉀時，共振光散射強度增強(曲線3)。當同時加入溴酸鉀和痕量 BPA 時，體系共振光散射強度會顯著增強，且隨BPA加入量增多而增強(曲線 4～6)，共振光散射強度增大值(ΔI)與BPA濃度在一定范圍內呈線性關系，從而可用于定量檢測BPA。

在H2SO4介質中，溴酸鉀能氧化熒光黃[C20H12O5]，氧化產物能發生質子化而形成帶正電荷的陽離子[C20H12O5]+，后者能與過量的帶負電荷的溴酸根離子形成粒徑增大的離子締合物，導致體系的共振光散射強度增強。其反應可表示為：

但當加入BPA時，因溴酸鉀過量，溴酸鉀同時氧化BPA，形成醌式產物，并質子化[C15H17O2]+[14]，與溴酸根陰離子生成離子締合物。

兩種離子締合物之間通過范德華力、疏水作用力等聚集成更大的聚集體，體系共振光散射強度明顯增強。共聚集體的結構可能為：

2.2 吸收光譜圖

用紫外-可見分光光度計掃描不同體系的吸收光譜，結果見圖2。

由圖2可知，BPA在350～600 nm沒有明顯的紫外吸收峰(曲線1)，熒光黃在436 nm處有最大吸收(曲線2)；單獨加入BPA時，體系的吸收光譜(曲線3)與曲線2基本重合，表明BPA不影響熒光黃的吸光度；在稀硫酸介質中，高溫水浴加熱條件下，溴酸鉀氧化熒光黃，體系的吸光度下降(曲線4)；當同時存在溴酸鉀和BPA時，體系在436 nm處的吸光度值比曲線4低，但氧化產物的末端吸收增加。隨著BPA的加入量增多，熒光黃的吸收值越來越低，氧化產物的末端吸收越來越高，表明BPA能促進溴酸鉀氧化熒光黃(曲線5、6)。當加入BPA后，體系在489 nm處有明顯的共振散射峰(曲線7)，散射峰位置在吸收光譜最大吸收的長波區內，因而可以看作共振光散射峰。

圖2 紫外吸收光譜(1～6)和共振光散射光譜圖(7)Fig.2 Ultraviolet absorption spectrum(1～6) and resonance light scattering spectra(7)1.H2SO4+BPA；2.H2SO4+FL；3.H2SO4+FL+BPA；4.H2SO4+FL+KBrO3；5～6.H2SO4+FL+KBrO3+BPA (0.8，2.0 μg/mL)；7.H2SO4+FL+KBrO3+BPA

2.3 實驗條件優化

2.3.1 反應介質及用量的優化 分別考察鹽酸、硫酸和磷酸等反應介質對體系共振光散射強度的影響。結果表明，ΔI鹽酸>ΔI硫酸>ΔI磷酸，但由于使用鹽酸作為反應介質時體系線性較差，且硫酸作為反應介質時體系穩定，最終選擇硫酸為酸性介質。 探討硫酸(0.10 mol/L)用量對體系ΔI值的影響，結果見圖3。

圖3 硫酸用量的優化Fig.3 Optimization of the H2SO4 dosage

由圖 3可知，當硫酸體積為0.60 mL時，ΔI值達到最大；酸度太小時，氧化產物產生去質子化作用而成為中性分子，不能和溴酸根離子結合，ΔI值小；酸度過高時，溴酸根離子不能和氧化產物形成離子締合物，ΔI值小。故0.60 mL的硫酸用量最佳。

2.3.2 熒光黃用量的確定 考察熒光黃溶液(1.0 ×10-4mol/L)用量對反應體系ΔI值的影響，結果見圖4。

圖4 熒光黃用量的優化Fig.4 Optimization of the FL dosage

由圖4可知，當熒光黃體積為0.50 mL時，反應體系的 ΔI值達到最大；熒光黃體積小時，形成的聚集體少，ΔI值偏低；熒光黃過量，試劑空白大，ΔI值偏低。故本實驗確定1.0 × 10-4mol/L 熒光黃溶液的最佳體積為0.50 mL。

2.3.3 氧化劑種類及其濃度的選擇 分別比較H2O2、KBrO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化劑對反應體系的影響，結果見圖5。

圖5 氧化劑種類的選擇Fig.5 Selection of oxidant types

由圖5可知，KBrO3對熒光黃的氧化效果最佳。

考察KBrO3溶液(0.10 mol/L)用量對體系共振光散射強度的影響，結果見圖6。

圖6 溴酸鉀體積的優化Fig.6 Optimization of the KBrO3 dosage

由圖6可知，KBrO3的用量少時，形成的聚集體不夠，反應時間長，ΔI值較小；KBrO3用量過多時，反應快，但空白值增加，ΔI值也偏小；KBrO3溶液用量為0.40 mL時，ΔI值達到最大，故本實驗選擇加入 0.10 mol/L KBrO3溶液 0.40 mL。

2.3.4 反應溫度的影響 反應溫度對體系ΔI值的影響見圖7。

圖7 反應溫度的優化Fig.7 Optimization of the reaction temperature

由圖7可知，催化體系和非催化體系在室溫條件下，反應速率較慢，反應溫度越高，體系反應速率越快，ΔI值也越高，溫度為 70 ℃時，體系ΔI值達到最大；溫度高于 70 ℃之后，ΔI值反而隨著溫度的升高而下降，這可能是因為非催化反應速度加快所致。故選用 70 ℃ 為最佳溫度。

2.3.5 反應時間的影響 反應時間對實驗的影響見圖8。

圖8 反應時間的優化Fig.8 Optimization of the reaction time

由圖8可知，ΔI隨反應時間的延長而逐漸變大，超過15 min后，ΔI值波動較小，并隨著反應時間的延長而趨于穩定。因此反應時間選用15 min。在室溫條件下，本體系催化和非催化反應緩慢，故選用流動自來水冷卻終止反應。實驗表明，體系在自來水流水冷卻1 min后可迅速降至室溫，且此時ΔI值最大。故本實驗在70 ℃ 水浴15 min后，流水冷卻1 min。

2.4 標準曲線、檢出限和精密度

在優化后的最佳實驗條件下，對不同濃度的BPA標準溶液進行測定，結果見圖9。

圖9 BPA測定的標準曲線Fig.9 The calibration curve for BPA determination

由圖9可知，BPA濃度在 0.04～4.60 μg/mL范圍內與共振光散射強度增大值ΔI呈良好的線性關系。標準曲線回歸方程為：ΔI=8 842.4c+1 328.7，相關系數r=0.999 3。

根據IUPAC1998的規定，檢出限LOD=3Sb/k，計算出BPA的檢出限為0.019 μg/mL，其中Sb為空白測量的標準偏差(n=11)，k是分析曲線的斜率。分別平行測定11次低、中、高3種不同濃度的BPA樣品 (0.40，2.00，3.00 μg/mL)，相對標準偏差分別為2.21%，1.98%，2.15%，可見本方法精密度良好。

2.5 樣品測定及加標回收率

分別對市面上3個不同廠家的飲用水進行檢測，均未檢測出BPA。向這些水樣品中分別加入0.40，2.00，3.00 μg/mL的 BPA 標準溶液進行加標回收實驗，平行測定6次，結果見表1。

表1 樣品中BPA的檢測結果(n=6)

注：N.D.指未檢出。

由表1可知，該方法的回收率為97.5%～103%，相對標準差RSD為2.51%～4.98%。

3 結論

利用雙酚A對溴酸鉀氧化熒光黃具有促進作用，且溴酸鉀能同時氧化BPA，建立一種新的共振光散射法檢測水中BPA。實驗最佳條件為：向水樣品中依次加入0.60 mL硫酸溶液(0.10 mol/L)，0.50 mL 熒光黃溶液(1.0×10-4mol/L)，0.40 mL溴酸鉀溶液(0.10 mol/L)，70 ℃水浴加熱反應15 min，流動自來水冷卻(以終止反應)，在489 nm處測定共振光散射強度。方法的線性范圍是：0.04～4.60 μg/mL，相關系數為0.999 3，檢出限為0.019 μg/mL，回收率為97.5%～103%，RSD為2.51%～4.98%，方法具有較好的選擇性，適用于水中雙酚A的檢測。