流動注射化學發光分析法實驗條件的控制*

嵇正平 郁金丹 胡效亞

(揚州大學化學化工學院 江蘇揚州 225002)

化學發光是指化學反應致使反應產物處于激發態，在退激時以光輻射形式釋放能量的現象。以此為基礎的化學發光分析法不需要外源性激發源，因此設備簡單，誤差來源少。其內源性激發源為化學能，對被檢光信號無背景干擾，因此有較高的信噪比。

化學發光分析法是一種在非平衡狀態下進行的檢測方法，屬于動力學分析法。反應物的加入速度、混和狀態、體系溫度及反應時間等都會對檢測結果產生較大影響。所以，化學發光分析法常與流動注射技術相結合，建立流動注射化學發光分析法。圖1是其典型的流程。

圖1 流動注射化學發光分析流程圖

目前，流動注射化學發光分析法已得到了廣泛的應用[1-5]，其內容也被編入了教材[6]。在諸多文獻和筆者教學過程中，發現一個非常普遍的現象：條件優化及檢測時，隨著某種反應物濃度的增大，化學發光信號出現先上升再下降的情況(圖2)。對于這種“隨著試劑濃度增大，信號不升反降”的情況，許多文獻未作解釋。也有一些文獻認為這是由于過量的試劑對光產生了吸收,導致發光信號減弱。

為了討論這一現象的成因，本文以間苯二酚-KMnO4發光體系為研究對象，采用流動注射及靜態注射法，研究了反應物KMnO4濃度對化學發光強度的影響。

1 儀器與試劑

IFFM-E流動注射化學發光分析儀(西安瑞邁電子科技有限公司)。

間苯二酚(0.20mmol·L-1)，KMnO4(0.20mmol·L-1)，H2SO4(0.2mol·L-1)，HAc(0.2mol·L-1)。

2 實驗內容

2.1 流動注射化學發光

0.20mmol·L-1間苯二酚作為R1，0.2mol·L-1H2SO4溶液作為R2，蒸餾水作為載液C，將不同濃度KMnO4作為樣品S(圖1)，做流動注射化學發光試驗。管徑2mm，流速1.0mL·min-1。

2.2 靜態注射化學發光

取0.10mmol·L-1間苯二酚-0.1mol·L-1HAc溶液1.00mL加入到小燒杯中，置于暗盒內，開啟化學發光檢測儀，用注射器注入1.00mL不同濃度的KMnO4溶液，記錄化學發光-時間圖譜。

3 結果與討論

3.1 試劑濃度的影響

根據流動注射化學發光-時間譜圖，求出發光峰值并作出I-c(KMnO4)濃度關系圖(圖2)。

圖2 發光強度與KMnO4濃度的關系

由圖2可知，發光強度峰值(I)隨KMnO4濃度(c)呈非單調函數關系：當c在0.00～0.04mmol·L-1范圍內，I與c呈正相關性(其中c在0.00～0.02mmol·L-1范圍內，有較好線性關系);而當c高于0.04mmol·L-1時，I與c呈負相關性。

筆者認為圖2的非線性(乃至非單調性)并不是由于過量的反應物KMnO4對光吸收所造成的，原因如下：

如果是由于過量的KMnO4對光的吸收所導致，根據朗比定律:

(1)

式中I0為反應發出光強，ε為摩爾吸光系數，b為光程長度。對式(1)進行轉換，得：

I=I0×10-εbc

(2)

式(2)雖表明I與c有負相關性，但I減小的斜率應隨c增加呈漸緩趨勢；而在圖2中，c在高濃度時下降速度很快。這表明過量KMnO4濃度產生的光吸收不是其負相關性的主要原因。

根據KMnO4的最大吸收波長(525nm)的摩爾吸光系數，可計算0.12mmol·L-1相對于0.04mmol·L-1的吸光度：

其中0.1cm為發光池螺旋管半徑，可近似作為平均光程長度。

3.2 靜態注射反應時間的影響

為了討論上述現象產生的主要原因，我們進行了靜態注射實驗。考慮到強酸性條件下的反應速度相對于靜態注射的操作速度過快，靜態注射實驗采用HAc溶液作為介質。結果如圖3。

圖3 靜態注射發光強度與濃度及時間的關系

① 在靜態注射中，I-t的總趨勢為：KMnO4注入后，發光強度開始增大，在3s時，發光強度達最大；隨后發光強度逐漸下降。

合理的解釋是：開始時兩種溶液相互混合，隨著混合均勻性增強，發光強度增加；在3s后隨著反應的進行，兩反應物的濃度下降，反應速度下降，曲線呈現一般動力學曲線的特征。

② 在反應的最初5s，KMnO4在0.00～0.12mmol·L-1濃度范圍內，I-c呈正相關性，其中在反應的最初3s呈良好的線性關系。說明在本文研究的濃度范圍內，KMnO4對光的吸收幾乎不影響發光強度。

③ 反應至7s時，呈正相關性的濃度范圍為0.00～0.11mmol·L-1，濃度大于0.11mmol·L-1時，發光強度反而下降。

④ 反應7s之后，隨時間延長，正相關性及線性范圍逐漸變窄。

3.3 流動注射化學發光線性范圍的主要影響因素

雖然本文的流動注射、靜態注射實驗分別在強酸性、弱酸性條件下進行，反應速度相差較大，但流動注射中液體的流動速度快、體積小、混勻時間也短，所以兩者反應的趨勢是相似的。據此可以認為：在流動注射化學發光分析中，造成I-c“非線性”乃至“非單調性”關系的主要原因是檢測過程中反應時間過長。對此可用速度方程進行分析：

對于一個化學發光反應：

化學發光強度與反應速度成正比：

其中v為反應速度，x、y分別為A、B兩物質的反應級數，kCL、kv及k均為常數。

若兩物質的反應級數均為1，則為:

I=kcAcB

若將不同濃度A物質注入固定濃度B中，反應時間為0s時刻，則有：

式中cA0、cB0分別為A、B的起始濃度。

可以看出發光強度與A濃度呈正比關系。

反應至t時刻，由于A、B濃度降低，發光強度It為：

可以看出t越大，It-cA0線性關系越差。而t較大時，It-cA0還有可能呈負相關性。

反應時間還與所連接管路有關。如圖1所示，化學發光池前有一段管路ab，反應物在此相互混合并反應。如果ab太長，則反應物將在此段管路發生了較大程度的反應(這部分發光信號未被檢測)，當溶液進入化學發光池時，所檢測的是反應時間為t時刻的發光強度。顯然，若ab段越長，t就越大，I-c線性范圍也就越小。

4 結論

對于一般的流動注射化學發光分析，反應物相互混勻后，反應時間越長，發光強度與反應物濃度的線性關系越差，甚至造成兩者之間為非單調性函數關系。

如果被研究反應物是被測組分，此現象對檢測線性范圍及靈敏度均會產生不良影響。作者在科研和教學實踐中，采取了如下改善措施：

① 調整連接管路ab長度，使反應物能盡快在化學發光池中混勻，盡可能減小反應時間。

② 若因技術原因，無法縮短ab，可以適當提高蠕動泵速度。

③ 調節介質條件，適當降低反應速度常數，以降低ab段內反應的程度。

④ 適當增大另一個反應物的濃度，使其在反應過程中近似為常量。

當然，上述條件的改變可能會引起其他不良影響。故具體實驗參數需要通過條件實驗進行優化。

[1] 陳效蘭,楊娟,徐淑靜,等.分析化學,2009,37(11):1622

[2] 李銀環,呂九如.分析化學,2007,35(5):743

[3] 何樹華,何德勇,章竹君.分析化學,2006,34(11):1622

[4] Zheng J,Springston S R,Lioyd J W.AnalChem,2003,75:4696

[5] Fletcher P J,Andrew K N,Forbes S,etal.AnalChem,2003,75:2618

[6] 揚州大學,徐州師范大學,鹽城師范學院,等.新編大學化學實驗(三).北京:化學工業出版社,2010