Fenton体系中罗丹明B的化学发光和微量铁_的测定_池泉

第32卷第3期中南民族大学学报（自然科学版）Vol．32No．32013年9月Journal of South-Central University for Nationalities （Nat．Sci．Edition ）Sep．2013收稿日期2012-03-20作者简介池泉（1975-），男，讲师，研究方向：光谱分析，E-mail ：chi_quan@163．com 基金项目国家自然科学基金资助项目（21273289）；中南民族大学自然科学基金资助项目（No．YZZ07009）Fenton 体系中罗丹明B 的化学发光和微量铁（II ）的测定池泉，覃艳蕾，杨桢，雷剑英，池继涛，黄涛（中南民族大学化学与材料科学学院，武汉430074）摘要通过在pH 3．0的高氯酸溶液中Fenton 体系直接氧化罗丹明B 产生化学发光，探讨了影响化学发光反应的因素，建立了微量Fe （II ）离子的化学发光分析方法．结果表明：该法测定Fe （Ⅱ）离子的浓度线性范围为3．0ˑ10－7 1．2ˑ10－3mol ·L －1，检出限为1．7ˑ10－7mol ·L －1．9次平行测定含Fe （II ）离子0．35μg ·mL －1的标准溶液的相对标准偏差为4．7%．根据其化学发光光谱、紫外-可见吸收光谱和荧光光谱，推测其发光机理为Fenton 体系中产生的羟自由基进攻罗丹明B 的1位C 原子形成的活性中间体退激发光．关键词化学发光；Fenton 体系；罗丹明B ；Fe （II ）中图分类号TQ041+．8；O657．3文献标识码A文章编号1672-4321（2013）03-0013-05Chemiluminescence of Ｒhodamine B in Fenton System andIts Application to the Determination of Trace Fe （II ）Chi Quan ，Qin Yanlei ，Yang Zhen ，Lei Jianying ，Chi Jitao ，Huang Tao（College of Chemistry and Materials Science ，South-Central University for Nationalities ，Wuhan 430074，China ）AbstractＲhodamine B was oxidized in Fenton system in HClO 4solution under the pH of 3．0accompanied withchemiluminescence．The influencing factors of chemiluminescence of rhodamine B were discussed and a chemiluminescent method for the determination of trace Fe （II ）was developed．The chemiluminescence intensity is linear with the Fe （II ）concentrations in the range of 3．0ˑ10－7to 1．2ˑ10－3mol ·L －1，with a detection limit of 1．7ˑ10－7mol ·L －1．The relative standard deviation （ＲSD ）for the 9independent detections of 0．35μg ·mL －1Fe （II ）is 4．7%．Based on the chemiluminescence spectra ，UV-Vis spectra and fluorescence spectra ，it was supposed that hydroxyl radicals produced in Fenton system can attack the carbon atom at the 1st position in the rhodamine B molecule to form an active intermediate ，which stimulates luminescence back．Keywordschemiluminescence ；Fenton system ；rhodamine B ；iron （II ）罗丹明是常见的一类荧光染料，在化学发光反应中常用作增敏剂或能量转移试剂［1］．但在一些强氧化性体系中罗丹明类物质也可直接被氧化而产生化学发光，陈国南等［2］发现在碱性条件下，过氧化氢可以氧化二溴茜素紫产生化学发光，在阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵的存在下Co （II ）离子催化此反应，利用此反应建立了水样中痕量Co（II ）的测定方法．马永军等［3-5］发现Ce （IV ）可直接氧化罗丹明B 产生化学发光，并应用于抗坏血酸和DNA 的测定．Fenton 反应也可应用于化学发光体系［6］，本研究在pH 3．0的HClO 4介质中，利用Fe （II ）-H 2O 2体系氧化降解罗丹明B ，褪色的过程中同时产生化学发光，且发光强度与Fe（II）的浓度呈线性依赖关系．本文进一步研究了此发光反应的影响因素，并据此建立了基于罗丹明B化学发光的Fe （II）离子的分析方法，探讨了其发光机理．1实验部分1．1试剂与仪器罗丹明B（分析纯，上海试剂三厂），抗坏血酸（分析纯，上海展云化工有限公司），七水合硫酸亚铁、三氯化铁、30%过氧化氢和其他试剂（分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司）．实验用水（高纯水，18．2MΩ）．称取0．012g罗丹明B溶于10mL高纯水中，获得罗丹明B储备液（2．5mmol·L－1）．Fe（II）储备液和H2O2储备液于实验前新鲜配制．将0．417gFeSO4·7H2O溶解于pH3．0的HClO4溶液中，稀释定容到50mL，获得Fe（II）储备液（0．030mol·L－1）．H2O2储备液（0．010mol·L－1）由30%的H2O2稀释配制，用KMnO4法标定其准确浓度．流动注射化学发光分析仪（IFFM-E型，西安瑞迈分析仪器有限公司），荧光光谱仪（970CＲT型，上海精密科学仪器有限公司），紫外-可见光谱仪（TU-1901型，北京普析分析仪器有限公司）．1．2实验方法采用静态注射的方法进行化学发光试验．加入适量pH3．0的HClO4溶液、Fe（II）标准溶液和40μL罗丹明B溶液于10mL烧杯中，放入化学发光检测器暗盒检测．从注射口注入40μL0．1mol·L－1H2O2溶液，控制混合溶液总体积为2mL，记录加入H2O2后体系化学发光的峰值I，重复测量3次．在荧光光谱仪上记录罗丹明B在Fenton体系中的化学发光光谱和加入H2O2前后罗丹明B的荧光光谱的变化；在紫外-可见光谱仪上记录加入H2O2前后罗丹明B的可见光谱的变化．光谱扫描均在加入H2O2后立即进行，扫描时间1min，连续扫描2次．2结果与讨论2．1化学发光动力学曲线罗丹明B在Fenton体系中的化学发光动力学曲线见图1．由图1可见，在罗丹明B和Fe（II）的混合溶液中注射H2O2后立即检测到发光信号，发光强度迅速达到最大值，然后逐渐减小，在1min内降到本底值附近．说明在Fenton体系中罗丹明B的氧化是一个快速发光过程．图1罗丹明B化学发光动力学曲线The kinetic curve of rhodamine B chemiluminescence2．2介质pH的影响实验发现，在酸性溶液中，用H2O2氧化罗丹明B几乎观察不到化学发光；在碱性溶液中，直接用H2O2氧化罗丹明B可检测到微弱的化学发光．由于Fenton一般在约pH3．0的酸性条件下进行，实验研究了pH在2 6的HClO4介质对体系化学发光的影响，结果见图2．如图2所示，体系化学发光强度随着介质pH的增大而增大，但发光稳定性降低，当pH＞5后化学发光强度减弱．罗丹明B在碱性条件下更易被H2O2氧化，但体系受Fenton反应pH的影响，体系的化学发光强度最大值与Fenton反应的最佳pH不吻合．兼顾发光强度和其灵敏度，选择pH3．0的HClO4介质．4．8ˑ10－5mol·L－1ＲhB；2．0mmol·L－1H2O2；0．90mmol·L－1Fe（II）图2介质pH的影响Fig．2The effect of medium pH on luminescence intensity 2．3罗丹明B浓度的影响罗丹明B浓度对体系化学发光强度的影响结果见图3．如图3所示，体系的发光强度随罗丹明B41中南民族大学学报（自然科学版）第32卷浓度的增加而增加．当浓度超过3．0ˑ10－5mol ·L －1后，发光强度增加减缓；浓度超过4．8ˑ10－5mol ·L －1后，发光强度反而减弱，这是由于罗丹明B浓度增加，颜色加深，产生自吸收现象［7］．故选择罗丹明B 的浓度为4．8ˑ10－5mol ·L －1．0．90mmol L －1Fe （II ）；2．0mmol L －1H 2O 2；pH 3．0图3罗丹明B 浓度的影响Fig．3The effect of ＲhB concentration on luminescence intensity2．4H 2O 2浓度的影响H 2O 2浓度对体系的化学发光强度影响见图4．由图4可见，化学发光强度随H 2O 2浓度的增加而增加．当体系中H 2O 2的终浓度在mmol ·L －1级时，Fe （II ）的浓度与发光强度的线性关系较好，且较稳定，兼顾方法的灵敏度和重现性，选用40μL 0．1mol ·L －1的H 2O 2溶液，其终浓度为2mmol ·L －1．4．8ˑ10－5mol ·L －1ＲhB ；1．5mmol ·L －1Fe （II ）；pH 3．0图4过氧化氢浓度的影响Fig．4The effect of H 2O 2concentration on luminescence intensity2．5Fe （II ）与Fe （III ）的比较Fenton 反应中Fe （II ）与Fe （III ）可相互转化，直接使用Fe （III ）需要在碱性条件下并辅助加热Fenton 反应才能进行［8］．相同条件下Fe （II ）与Fe （III ）对体系化学发光强度的影响，结果见图5．如图5所示，在一定Fe （II ）浓度范围内，化学发光强度随浓度的增加而增加，浓度超过1．5mmol ·L －1后，化学发光强度增加缓慢后维持不变；随着Fe （III ）浓度的增加，化学发光只有微弱增强，与Fe （II ）相比，作用不明显．故在此实验条件下，Fe （III ）不能直接用于催化发光反应．1）Fe （II ）；2）Fe （III ）4．8ˑ10－5mol ·L －1ＲhB ；2．0mmol ·L －1H 2O 2；pH 3．0图5Fe （II ）与Fe （III ）的比较Fig．5The effect of Fe （II ）and Fe （III ）on luminescence intensity2．6Fe （II ）测定的校准曲线、精密度及检出限在最佳实验条件下，Fe （II ）浓度在3．0ˑ10－7 1．2ˑ10－3mol ·L －1（1．7ˑ10－8 6．7ˑ10－5g ·mL －1）时，体系的化学发光强度与Fe （II ）浓度有线性关系，结果见图6．如图6所示，线性回归方程为I =13．39+498．66c （mmol ·L －1），r =0．997，检出限为1．7ˑ10－7mol ·L －1（9．4ng ·mL －1）．9次平行测定0．35μg ·mL －1Fe （II ）的标准溶液，相对标准偏差为4．7%．4．8ˑ10－5mol ·L －1ＲhB ；2．0mmol ·L －1H 2O 2；pH 3．0图6Fe （II ）的校准曲线Fig．6Calibration curve of Fe （II ）2．7干扰实验对常见的金属离子和一些有机小分子以及白蛋白等物质进行干扰实验，若允许化学发光强度峰值的变化率为ʃ5%，当Fe （II ）浓度为0．42μg ·mL －1时，共存物质最大允许倍数结果见表1．如表1所示，不同物质影响Fenton 反应的进行和发光测定的原因各有不同：金属离子中Fe （III ）影响较大，因Fenton 反应中Fe （II ）和Fe （III ）可相互转换，即Fe （III ）也参与到Fenton 反应；Co （II ）在一定条件下也可催化H 2O 2分解，作用和Fe （II ）类似；柠檬酸、氨51第3期池泉，等：Fenton 体系中罗丹明B 的化学发光和微量铁（II ）的测定基酸和白蛋白则较易和铁形成络合物．表1不同物质对Fe （II ）测定的影响Tab．1The effect of various substances on the determination of Fe （II ）离子对Fe （II ）的最大允许倍数其他物质对Fe （II ）的最大允许倍数K +、Cl －、NO －3、SO 2+4＞2000蔗糖1200Cu 2+190葡萄糖600Ca 2+900色氨酸1000Zn 2+110精氨酸2Fe 3+6半胱氨酸4Co 2+7白蛋白8Pb 2+50柠檬酸4允许限度测定相对误差为ʃ5%2．8Fe （II ）样品的测定在最佳实验条件下测定了合成样和自来水中的Fe （II ），并作加标回收试验，结果见表2．如表2所示，自来水样品中未检出Fe （II ），所有样品的加标回收率均在90% 110%之间．表2不同样品中Fe （II ）的测定（n =3）Tab．2Determination of Fe （II ）in various samples （n =3）样品加入浓度/（μg ·mL －1）回收浓度/（μg ·mL －1）相对标准偏差/%回收率/%合成样00．0683．9－0．1680．2354．699．4自来水0ND －－0．1680．1552．892．3ND ：未检出2．9化学发光机理罗丹明B 在Fenton 体系中的光谱测定结果见图7．化学发光光谱如图7a 所示，因反应是一个快速发光过程，在进行发光光谱扫描时，发光过程已接近完成，发光信号微弱，观察到在430nm 有一较强的发射峰．图7b 和图7c 分别记录了在罗丹明B 和Fe （II ）离子的混合溶液中加入过氧化氢前后紫外－可见光谱和荧光光谱的变化．图7中显示，罗丹明B在550nm 有最大吸收，加入过氧化氢后其吸收峰值迅速下降，反应2min 后几乎褪色完全，且在褪色的过程中，其吸收峰发生蓝移．与此相对应，罗丹明B 在589nm 的荧光发射峰峰值也迅速下降（激发波长505nm ），同时发生蓝移．1）ＲhB +Fe （II ）；2）ＲhB +Fe （II ）+H 2O 20min ；3）ＲhB +Fe （II ）+H 2O 21mina ）化学发光光谱；b ）紫外-可见吸收光谱；c ）荧光光谱（λEx =505nm ）图7罗丹明B 在Fenton 体系中的光谱测定Fig．7Spectrometric determination of rhodamine B in Fenton system据此推测发光机理如下：Fe （II ）+H 2O 2→Fe （III ）+OH －+·OH．（1）Fenton 反应迅速产生大量的羟自由基·OH （反应1），·OH 进攻罗丹明B 的1位C 原子，生成活性的自由基中间体（反应2），中间体退激发光（反应3）．中间体15位C 原子进一步受到·OH 攻击，C1—C15键断裂，降解形成小分子产物（反应4）．中61中南民族大学学报（自然科学版）第32卷间体的共轭程度较罗丹明B降低，因此观察到在褪色过程中溶液的吸收峰和荧光峰均发生蓝移．3结语本文在pH3．0的高氯酸溶液中Fenton体系直接氧化罗丹明B产生化学发光，探讨了影响化学发光的因素和发光机理，并据此建立了微量Fe（II）离子的化学发光分析方法．该法测定Fe（Ⅱ）离子的浓度线性范围为3．0ˑ10－7 1．2ˑ10－3mol·L－1，检出限为1．7ˑ10－7mol·L－1．9次平行测定含Fe（II）离子0．35μg·mL－1的标准溶液的相对标准偏差为4．7%．根据其化学发光光谱、紫外-可见吸收光谱以及荧光光谱，推测其发光机理为Fenton体系中产生的羟自由基进攻罗丹明B的1位C原子形成的活性中间体退激发光．实验还发现一些还原性物质（如抗坏血酸）浓度较低时对体系的化学发光有增敏作用，浓度较高时抑制化学发光，有望据此建立一些还原性物质的新的化学发光分析方法．参考文献［1］林金明．化学发光基础理论与应用［M］．北京：化学工业出版社，2004．［2］Chen G-N，Duan J-P，Hu Q-F．Flow injection chemilu-minescent detection of trace Co（II）with dibromoalizarinviolet-H2O2-CTMAB 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