催化劑對魯米諾熒光反應的影響

陳冠戎　尹翔　閆佳怡　宋睿　梁淑儀　連君樸　黃今祺

本期點評專家

張永強? 高級教師，湖南省十佳科技教師。科普中國2021年十大科普人物獎獲得者，全國校園發明創意大賽、湖南省青少年科技創新大賽、湖南省創新編程與智能設計大賽、湖南省科學調查體驗活動評審專家組成員。

一次偶然的機會，我們接觸到了一種熒光物質——魯米諾。魯米諾又名發光氨，其化學式為C8H7N3O2，常溫下為蒼黃色粉末，可溶于大多數有機極性溶劑，但不溶于水。法醫學上使用魯米諾檢驗犯罪現場是否含有血跡，生物學上則用魯米諾檢測細胞中的銅、鐵及氰化物的存在。

陳冠戎是個“化學迷”，喜歡做各種化學實驗，對魯米諾這一極具特性的物質非常感興趣，他與尹翔等好友討論后，大家就開展實驗達成共識，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，放假時間也不同，但小組成員依然克服萬難，歷經多次討論，最終確定了實驗方案，完成了本次探究。

一、實驗目的

探究不同催化劑對魯米諾熒光反應的影響，探索實驗的最優藥品組合。

二、實驗儀器

燒杯，一次性滴管，培養皿，玻璃棒，表面皿。

三、實驗試劑

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、實驗分工

陳冠戎主要負責實驗設計、實驗操作及化學試劑配置，尹翔主要負責實驗操作、論文撰寫，閆佳怡主要負責實驗裝置搭建，宋睿主要負責實驗數據收集、資料搜集整理，梁淑儀主要負責照片拍攝、實驗數據收集，連君樸主要負責資料搜集整理，黃今祺主要負責實驗安全隱患排查、過程安全性監督。

本次實驗是小組成員群策群力、共同完成的結果，此處展示的實驗分工僅為小組成員的主要承擔部分。

五、理論依據

通常情況下，魯米諾只有經氧化劑處理后才能發光。實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，魯米諾與氫氧化物反應時生成二價陰離子，其可被氧化，生成有機過氧化物。

但該過氧化物很不穩定，會立即分解出氮氣（N2），生成激發態的3-氨基鄰苯二甲酸。在其由激發態向基態的轉化過程中，釋放的能量以光子的形式存在，波長位于可見光譜中的藍光部分。事實上，3-氨基鄰苯二甲酸是合成魯米諾的前體之一。魯米諾的熒光反應本質上是因為H2O2在催化劑的作用下分解所激發，那么我們不難推測，H2O2的分解速率將影響魯米諾熒光反應的效果。

H2O2在不同的催化劑的作用下反應速率有顯著差異。為了進一步確定這一差異能否推廣至魯米諾的熒光反應上，探究不同催化劑對魯米諾熒光反應的影響，我們在充分考慮H2O2分解的常用催化劑為含鐵化合物、含銅化合物的基礎上，以五水硫酸銅（CuSO4·5H2O）以及鐵氰化鉀（[K3Fe（CN）6]）為例進行對比，進行了本次實驗。

六、實驗過程

由于實驗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，所有人均在本次實驗中佩戴了實驗用橡膠手套。氨水具有揮發性，在封閉環境中有可能造成安全事故，因此本次實驗過程中進行了通風處理。

（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，加水攪拌，再加入0.3 g魯米諾攪拌。在培養皿X中倒入10 mL 5%H2O2溶液，再倒入A燒杯中的部分溶液，并迅速關燈，觀察現象。

（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，加水攪拌，再加入0.3 g魯米諾攪拌，最后加入1～2 mL濃氨水。在培養皿Y中倒入10 mL 5%H2O2溶液，再倒入B燒杯中的部分溶液，并迅速關燈，觀察現象。

七、實驗結果

（一）鐵氰化鉀組

培養皿X中熒光亮度較弱，且顏色為青色，持續時間較短。

（二）五水硫酸銅組

培養皿Y中熒光亮度較強，且顏色為藍白色，持續時間較長。

八、實驗結論

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

根據魯米諾熒光反應原理，溶液中不可缺少的物質是氫氧化物。然而，如果用氫氧化鈉（NaOH）或氫氧化鉀（KOH）作為反應物，則反應進行時會生成大量的沉淀，遮擋熒光效果。

事實上，CuSO4雖然不與Na2CO3反應，但在反應前也會產生少量沉淀，影響催化劑對魯米諾的催化作用。在反應物中用濃氨水代替氫氧化物，既提供了OH-，又避免了沉淀對實驗現象的影響。

綜上，最優反應物組合為：Na2CO3、NaHCO3、五水硫酸銅、濃氨水、魯米諾、H2O2。

九、實驗反思

（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催化劑對H2O2分解穩定性的影響。實驗結果表明，Cu+、Cu2+及Cl-均對H2O2的分解有促進作用，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-有可能影響實驗結果，所以我們選擇用CuSO4或Cu（NO3）2替代CuCl2。

（二）不選用MnO2的原因

研究人員發現，MnO2對H2O2的分解雖然也有催化作用，但其在催化過程中會發生相變（即物質在溫度、壓力、磁場等外部參數的連續性變化下，從一種相態變成另一種相態的現象），造成催化活性降低，導致后期效果變差。

同時，MnO2不溶于水，對魯米諾熒光反應的催化效果不夠明顯，因此在本次實驗中，我們未選用MnO2。

專家點評

文章提供了關于使用五水硫酸銅和鐵氰化鉀對魯米諾的催化效果進行比較的結果，并對實驗中使用的反應物進行了說明。

本文具有如下優點：一、提供了實驗結果和對比分析——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論，提供了實驗數據和實驗結果的科學支撐；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物會產生沉淀，從而遮擋熒光效果，為了解決這個問題，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依據。

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果或實驗數據支持這一觀點。