催化动力学分析法及其应用.ppt

催化动力学分析法及其应用 刘佳铭 9/10/2009 第1章 催化动力学分析法简介 第2章 基本原理 第3章 催化动力学分析中指示反应 第4章 动力学分析法 第5 章 发展趋势 第6章 催化动力学分析法研究 1.1历史背景 国外 1963年 Bognar 提出光度分析法测定催化剂的浓度 即C 1967年 PCK 分别撰写动力学分析专论 1968年 Mark 1983年 西班牙 召开了第一届动力学分析国际会议（17个国 家，150名代表参加） 1984年 Mottola 全面述评动力学分析法成为分析化学中一 个重要分支学科 国内 1965年介绍了催化动力学分析法及应用； 1985年在庐山召开第一届动力学分析法会义； 1990年在合肥举行第二届动力学分析法会义； 1995年在无锡举行第三届动力学分析法会义； 第1章 催化动力学分析法简介 随着科学技术的发展，各种现代仪器分析法及仪器联用等 科学成就的涌现，不断推动催化动力学分析法的研究进展。 催化滴定法、催化荧光法、催化化学发光法、催化-萃取光度 法、催化-气相色谱法、催化固体基质室温磷光法等，极大程 度地提高了催化动力学分析法的灵敏度、选择性、准确度、 分析速度与自动化程度，不仅显示其重要的学术研究价值， 而且在应对超痕量分析的新挑战，展开广阔的应用前景。 按化学反应 非催化法：用于测定反应物 中催化剂 催化动力学分析法：测定催化剂、活化剂、阻抑剂或解阻剂 存在与否 酶法分析法：测定酶、底物、活化剂或阻抑剂 差示速率法：测定混合物中n2种不同的痕量物质 按测定反应 电化学分析法：如电位法、电导法、电流法、热量法等 速率的手段 催化滴定法：用催化剂、阻抑剂进行滴定 催化荧光法：测定荧光物质 动力学分光光度法 催化化学发光法 催化固体基质室温磷光法 1.2 分类 1.3 特点 （1） 灵敏：L.D.（检出限）： gng级（ppm-ppb,一般情况） ngpg级（ppt-pg, 少量） 10-13（fg, 个别） 超过多数仪器分析法的灵敏度 （2）高选择性 (如用酶作催化剂，还具有特效性） （3）重现性（在超痕量浓度时反应速率测量的重现性达13%） （4）操作简便、快速（几分钟即可完成） （5）仪器价格低廉，分析费用低 （6）分析数据的记录与处理易自动化、计算机化 （7）应用广 1.4 应用范围 （1）.可利用慢、快反应，甚至副反应； （2）.可测反应物、反应产物、催化剂、活化剂、阻抑剂以及配 位比； （3）.可测高、低、超低含量的无、有机物，生物活性物质； （4）.可用于可见光、紫外光、荧光、磷光、化学发光、生物发光、 电致发光、原子吸收、气相色谱、液相色谱、电化学分析等领域。 2.1 化学动力学概述 判断某一反应能或进行，必须考虑 反应 可能性 现实性 涉及反应进行的 方向、程度（属于热力学问题） 涉及反应进行的速率、条件、反应机理等（属于 动力学问题） 化学动力学是动态的观点，研究反应速率及其影响因素、反应 机理。 影响反应 速率因素 反应温度、时间、介质条件等 反应物、反应产物、催化剂、活化剂、阻抑剂（解阻剂） 等浓度的定量关系 反应机理：指从反应物至产物所经历的一系列中间步骤，是在分析 速率经验规律和实验事实的基础上提出来 第2章 基本原理 2.2 化学反应速率表示法 设 aA + bB = f F + gG， CA、CB、C F 、CG分别表示反应 物、产物的浓度，t为反应时间 则 dCA adt = dCB bdt = dC F fdt = dC G gdt (1) 即 dCA dt = KCA CB a b dCB dt = KCA CB dCF dt = KCF CG dCG dt = KCF CG a b f g fg a、b、f、g为反应分级数，K为速率常数,（2）式为质量作用定律 ，速率定律，速率方程。 2 ( 阿 (2-a)(2-b) (2-c) (2-d) 2.3 基元反应、反应分子数与反应级数 2.3.1基元反应 例 H2O2 + I + H+ = I2 + H2O （总反应） 总反应分为3步进行： 1. H2O2 + I = IO + H2O （基元反应） (慢) 2. IO + H+ = H IO （基元反应） (快) 3. H IO + I + H+ = I2 + H2O （基元反应） (快) 总反应速率决定于最慢基元反应的速率. 2.3.2 反应分子数 1.在基元反应中，参加反应的分子数，称为反应分子数；如果反应 的化学式是原子或离子，则称为原子或离子数。 2.反应分子不能为分数或复数，只能是正整数，以般为1，2或3。 3.多数为单、双分子反应，极少数为三分子反应。 2.3.3 反应级数及其测定方法 反应级数 涵义 指速率方程中浓度项的指数之和；可为整数、分数或负数、0； 注 大多数的反应级数在0-3，但不大于3；反应级数不一定和计量 化学方程式相吻合。 区别 ;反应级数是由实验结果推算的经验值，即宏观值； 反应分子数与反应机理密切相关，即微观值 。 测定方法 (1 ) 利用积分速率方程 （适用于精确区分1、2级，且反应必须持续 几个半衰期的时间） 1.作图法 将C-t数据分别按ln C-t, 1/C-t, 作图，看那个图能显示 直线关系； 2.计算法 将每一对C-t数据代入积分式求出K值，再由那种积分式 算得的一组K值最接近常数。 (2 ) 半衰期法 （适用于速率方程dCA/dt= KCA形式） n 对于 log t1/2 =(1 n)logC0 + 常数 以log t1/2 对logC0 作图，得到一条直线，从直线斜率求反应级数n。 (3 ) 微分法 （误差较大） 设 反应速率R= dCA/dt= KCA， 则 logR=nlogCA + logK n 以logR对ogCA 作图，得斜率为n的一条直线，而求得反应级数n。 速率R必须从浓度对时间曲线上的切线求出。 (4 )孤立法（隔离法） （适用于催化动力学法，最普遍的方法） 若实验速率方程为 dCA/dt= KCACBCC 设 CB、CCCA ，CB、CC可近似看成常数而与K合并为K 则 dCA/dt= K CA 即反应由（ + + ）级降为假级，先求出，再依次求、 。 注：此法需配合前述各种方法使用。 2.4 不同反应级数的比较 比较较 内容 零级级反应应一级级反应应二级级反应应 速率方 程式 dCA/dt=K0dCA/dt=K1CAdCA/dt=K1CACB 基本公式 C0 Ct=K0tln C0/Ct=K1t1/Ct 1/C0=K2t C与t成 直线线关系 C0 Ct与tln C0/Ct与t1/Ct 1/C0与t 半衰期ti/2C0/2K00.693/K11/K2C0 注: 1.反应分子数与反应级数有时一致,有时不一致.因此不能片面 认为单分子反应速率与浓度的一次方成正比,则是一级反应; 双分子反应速率与浓度的二次方成正比,则是二级反应. 2.实际上,应该通过实验,才能准确确定反应级数. 2.5 催化作用原理 n2.5.1 催化剂 n 特点:(1)、量少 ; (2)、v很大 ; (3)、可 再生 n 作用： C 大 正催化 n v Q 小 负催化 n C 大 n N v 活化 n v 抑制 2.5.2 催化作用原理 n A+B P n A+C AC n AC+B P+C C A（反应物） AC B （反应物 ） （催化剂) C P（产物） 2.5.3 活化能 催化反应中,活化能是决定反应速率与方向的主要因素.E0可按阿 累尼乌斯方程式求得. dlnK dT = E0 RT2 2.5.4 催化反应速率方程式 设 aA + bB = f F + gG M A、B为反应物，F、G为反应产物， M为催化剂或活化剂、或阻抑剂 则 催化反应速率方程式有以下几种表达形式： 催化显色反应速率方程式 设 aA + bB = f F + gG （催化显色反应，显色产物为F ） M 则 dCF dt = K1CACBCM a b 考虑反应物浓度（m、n与反应分子数（a、b）不一相同 则 dCF dt = K1CACBCM m n 且 CA、CB很大，在反应中其浓度 的改变可忽略不计，则CACB与 K1的乘积为常数，令为K2 m n 即 F的吸光度（A）时，在Lambert-Seer范围 dt = K1CACBCM dCF dt = K2CM 积分后得： CF= K2CMt 用UV-VIS法测量产物 内， A = CFb 即 A =KCMt (表明催化反应产物的A与催化剂浓度CM、反应时 间t成正比) 据此 ，可通过测定催化反应速率检测CM。 同理，对于催化发光分析法有： 设 反应初始浓度、瞬时浓度的吸光度分别为A0、A，则有 log A /A0= KCMt 当固定时间测试时， log A /A0= KCM 或 A= A A0 （催化UV-VIS增色光度法） log F/F0= KCM 或 F= F F0 （催化荧光增强法） log IP/IP0= KCM 或 IP= IP IP0 （催化磷光增强法） log I/I0= KCM 或 I= I I0 （催化化学发光增强法） 注：1.荧光、磷光的信号与CM不遵循Lambert-Seer定律； 2. M可为催化剂或活化剂或阻抑剂 催化褪色反应速率方程式 设 aA + bB = f F + gG （催化褪色反应，B为指示物 ） 令 a（ 初始浓度） ax(反应时间为t时刻的浓度） M 则 催化褪色反应速率方程可表示为： dx dt = K1 (ax)CMc (c 为其他所有参与反应物质的浓度） 即 dx d (ax) = K2 CM dt (c 与K1 乘积令为K2 ） 积分、取对数，得： a (ax) = K3CM t log在Lambert-Seer定律范围内，则存在如下关系 A0 = C0b= ab, a= A0/ b At = Ctb= (ax) b, (ax) = A0/ b log(A0/At)=KCMt 当固定时间测试时， log A0 / A = KCM 或 A= A0 A （催化UV-VIS褪色光度法） 同理，对于催化发光分析法有： log F0/F= KCM 或 F= F0 F （催化荧光猝灭法） log IP0/IP= KCM 或 IP= IP0 IP （催化磷光猝灭法） log I0/I= KCM 或 I= I0 I （催化化学发光猝灭法） 2.6 影响反应速率的因素 催化动力学分析法的重现性差,其主要原因在于影响反应速率的 因素较多，如反应物浓度、催化剂（或活化剂、阻抑剂）、反应 温度、反应时间、离子强度等。 2.6.1反应物浓度 在催化剂（或活化剂、阻抑剂）、反应温度、反应时间、离子 强度等不变的条件下： 零级反应速率 与反应物浓度无关； 1级反应速率 与一种反应物浓度成正比； 2级反应速率 与一种反应物浓度的平方成正比； 2级的反应 无分析意义 但可将某些反应物浓度配得 足够大，使其在反应初阶段的浓度保持不变， 作为常数与K合并，即使反应速率只受一种 反应物浓度所控制，化为1级反应求出。 2.6.2 催化剂浓度 催化剂作用：能降低活化能、反应级数，从而增大反应速率。 在一定条件下和某范围内，反应速率与催化剂浓度成线性关 系，据此可用于测定痕量的催化剂。 催化剂不可能无限地加快反应速率，会出现钝化或失活得现象。 2.6.3 活化剂 活化剂作用：影响催化剂与反应物的之间作用，或促使催化 剂的再生，或加速反应中某一步反应（间接作用）。 若催化剂浓度和其他反应条件不变的情况下，低浓度活化剂与 催化反应速率成线性关系，据此可用于测定痕量的活化剂。 2.6.4 阻抑剂 阻抑剂作用：与催化剂在反应中生成非活化或活性减弱的物质， 或与酶-底物复合物ES作用生成非活性的配合物ESI，降低反应速率。 在固定催化剂浓度和其他反应条件时，低浓度阻抑剂与催化反 应速率成线性关系，据此可用于测定痕量的阻抑剂。 2.6.5 反应温度 化学催化和酶催化反应速率是 催化剂、活化剂、阻抑剂的浓度函数 反应温度函数 速率常数与温度的相关性； dlnK dt Ea RT2 = K为速率常数， Ea为活化能， R为气体常数，T为绝对温度， Arrhenius公式 积分后得： lnK = Ea RT + lnA 或 logK = Ea 2.303RT + logA 作logK- 1/T图，得一直线，由斜率=Ea/ 2.303R可求Ea （ J/molL ） 研究表明：不是任何的反应物分子碰撞都能发生反应，而是能量 较高的反应物分子碰撞，才能发生反应。 这是因为反应物分子不仅 需要相互碰撞，还要克服分子间电子的斥力和原子核间的斥力，破 坏或减弱某些化学键等，都需要一定的能量。 2.6.6 离子强度 在催化反应体系中，外来盐可能引起2类的盐效应。 第1类盐效应：外来盐与反应物结合，改变活化配合物的平衡常数，从而影响 反应速率。这种作用，称为第1类盐效应，可用下式表示： logK = logK0 + ZAZB(）1/2+ （KA+kB+K*) (适用于25水介质） (K、K0 分别为有、无外来盐存在下的反应速率常数，ZA、ZB分别为反应物A 、 B的电荷， 离子强度， KA、kB、K*分别为A、B、活化配合物的经验常数） 公式表明： 若ZA、ZB相同，K与呈正相关；若ZA、ZB相反，K与呈负相关； 若反应物都是分子，或一个是分子而另一个是离子，则对K的影响不大； 若外来盐是电中性化合物， KA、kB不等于零，则电中性化合物也会引起盐效应。 第2类盐效应：外来物质通过与反应物之一种物质形成，配合物或沉淀，降低 反应物的有效浓度，从而改变弱酸或弱碱反应物的离子化平衡或造成其他不良的 影响。这种外来盐引起弱酸、弱碱的置换作用，称为第2类盐效应。 分析应用：彻底消除有害的外来离子，并严格控制介质的离子强度，可提高 分析方法的重现性。 2.6.7 溶剂 溶剂对反应速率的影响规律下： 若反应物是 电荷相同的离子或分子，则K与D 成正相关； 电荷相反的离子，则K与D 负正相关； 设K为反应速率， D 为介电常数 一个离子和一个离子分子，则K变化不大。 表面活性及胶束对反应速率的影响规律下： 1.电中性被增溶物与亲核试剂间的亲核反应：被阳离子表面活性胶束所加速， 而被阴离子表面活性胶束所阻抑； 2. 中性被增溶物与亲电试剂间的亲电反应：被阳离子表面活性胶束所阻抑， 而被阴离子表面活性胶束所加速； 3.非离子或两性表面活性剂胶束溶液中，对亲电反应、亲核反应速率的影响 很小。 2.6.8 其他影响因素 1. 试剂与分析用水纯度 试剂与分析用水中，如引入外来离子，则反应速率将加大或减小。 因此，试剂必须是高纯，水多采用二次蒸馏水、或去离子水。 2. 容器规格 如闭色管、容量瓶、玻璃容器等规格不一致，将影响加热反应 溶液的温度、时间，从而引起反应速率的变化。 3. 环境污染 实验室空气、设备、仪器、器皿等污染，将使许多玻璃器皿吸 附干扰物，或因吸附作用，而降低反应物和催化剂的浓度，进而 影响反应速率。 4. pH 溶液pH值的改变，能降低或增大某些催化反应的速率。 第3章 催化动力学分析中指示反应 非催化反应 氧化 H2PO2-，分两步 (慢) 指示反应 催化的反应 催化OH（化学发光、蓝多尔特）反应 催化配合物形成、水解、分解反应、活化反应， 阻抑反应 条件：（1）v 小；（2）k 很小； （3）有能指示 v 的指示物或光、电等性能 例: IO3-H2PO2-的反应测定 I- + 3 H3PO3- IO3- +3 H2PO2- 3I2 +3H2O IO3- +5 I- +6H+ 总反应： 2 IO3- + 5H2PO2- +2H+ I2 +5H2PO3- +H2O I2形成的初始速率 dI2/dt=KH2PO2- 5IO3- 2 H+ 2 据此可测定C H2PO2- 诱导反应 MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ 2MnO4-+10Cl-+16H+ Mn 2+ +5Fe 3+ +4H2O (快) 2Mn2+5Cl2+8H2O (慢） （诱导反应） （受诱反应） （诱导体） （受诱体） 当有Fe2+存在时，因MnO4- 氧化 Fe 2+ 的反应，而加速MnO4-氧化 Cl-反应。 3.1指示反应类型 研究新的催化动力学分析法，首要的问题是探索一个灵敏度 高、选择性强的指示反应。 指示反应：指在一定实验条件下，反应速率与待测物质（即 催化剂、活化剂、阻抑剂或解阻剂等）的浓度成线性关系的反 应。 指示物：用于测量反应速率大小的物质。 例1 H2O2 + 邻苯三酚红 褪色 Mn 2+ (指示反应) 例2 (指示物） O Vc + 钼酸铵 钼兰 Bi 3+ (指示反应) (指示物） H (测量反应物的减小速率) (测量反应产物的生成速率) 作为催化动力学分析法的指示反应，必须具备一定的条件。 3.2指示反应、指示物 3.3 指示反应的必要条件 1.反应速率大小适当 （一般几min或数十min） 因K太小，影响分析速度； K太大，一般实验方法无法测量。 用分光光度法测量反应速率的指示反应必须满足以下要求： 2.反应物与反应产物的吸收光谱图应有所不同 因催化显色反应中，催化比非催化反应产物的颜色浅； 催化褪色反应中，非催化反应中反应物的颜色应该很深；而催化反应中 反应物的颜色必须很浅。 故反应物与反应产物的吸收光谱图应有所不同。如相同，可加 入适当的显色剂或外加其他物质，改变二者的吸收光谱图。 3.指示物在测量的浓度范围内遵循Lambert-Beer定律 4.在相同条件下，A值的测量误差必须5%。 在一定时间内反应乃然进行，反应物或反应产物的浓度乃在变 化，必须抑制或终止反应的进行。 抑制或终止反应的措施： 1.迅速冷却，终止反应 （适用高于室温的反应） 2.改变反应体系pH值，终止反应（适用对pH值敏感的反应） 3.加入某种新的反应物（如还原剂、氧化剂），改变催化剂的价 态或形态，或掩蔽催化剂等终止催化反应； 4.加入过量的而又能与反应体系中任何一种反应物迅速地、定量 地发生反应的新物质，急速降低反应物的浓度，终止反应进行。 必须指出：如采用自动化测量反应速率的大小时，就不一定 要求终止反应。因为自动化测量仪能连续跟踪、记录、处理数据， 测量的反应速率相对稳定。 第4章 动力学分析法 M 4.1 涵义：A + B P CA or CB CP t 负 tt 监 测 反 应 过 程 动力学分析法 4. 2 动力学参数（k、E ） n例：NaBO3+R （褪色反应） n 812min log(A0/A)=0.676t-0.426,r=0.9974 n 正比 (一级) t=12min , k=(1/t)ln (A0 /A) =1.610-3 /s =log(A0/A) n 3060 -loglog(A0/A)=2.200(1/T) 103-6.066 n 正比 r=0.999 n log(A0/A) E=2.200 2.303 8.14 n =42.12(KJ/mol) Co2+ TEA P 光谱图 n A 1,2 1. 10.00mL R(荔枝红色素) n 3 2. 1+1.50 mL TEA n A 4 3. 1+1.00ml NaBO3 n 5 4. 3+10.00 mL Co2+ n 5. 4+1.50 mL TEA n R: Litchi chineses Red 500/nm 4.3 测定C催化剂方法 4.3. 1 固定时间法（t=const） CM3 设 A+B P AP CM2 A 则: dCP/dt=K1CM 令to Ao t2 At CM1 CP/ t=(At-Ao)/(t2-t1)=K1CM (1) t2 t CM 图1.M在不同浓度 图2.工作曲线 若t1=0,CP= 0时，则Ao = 0 时的反应速率 即: At=K1 t2 CM(若t2=const) (2) K 故At = K CM M n由(2)式: At=K1 t2 CM AP CM3 t n CM=(At/K1) (1/t2 ) n CM2 n令At=const , 则 CM1 n CM=K(1/t2 ) or 1/CM=Kt2 n t3 t2 t1 t0 CM1-1 CM2-1CM3-1 n 图3.CM不同时的 图4.固定吸光度 n 反应速率 法的工作曲线 4.3.2 固定A法 4.3.2 斜率法 ndCM/dt=K1CM AP CM3 tg nC/ t=(A2-A1)/(t2-t1) CM2 n=K1CM 令 CM1 n C0 ntg= K1CM t1 t2 t3 t CM1 CM2 CM3 nCM = 1/K1 tg=K斜tg 图5. CM不同时， 图6. 斜率法的 n AP与t的相关性 工作曲线 t1 A1 t2 A2 4.4 方法选择性 物理方法 催化动力学分析法 4.4.1 选择性： 高 低 4.4.2 影响因素： 外来干扰离子；催化剂的形态、价态； 反应的PH值、温度及反应物浓度 4.4.3 提高选择性的途径： l 改变反应条件（如反应的类型与浓度、pH、反应温度、活化 剂、阻抑剂等）。 2 改变催化剂或共存物的价态和形态。 3 选用分离措施，除去干扰物。 4 采用掩蔽剂 。 5 进行空白实验 4.5 方法准确度 4.5.1 E为5% 4.5.2 提高准确度的途径： 选择合适的分析手段，尽量减少测量误差； 增加平行测定次数，减少偶然误差； 消除测量过程中的系统误差。 4.6方法精密度 n表示方法：RSD%=s/( x )100 % n n S= n要求： RSD% 5 n 例：线性范围：0.2 10g/L n n=11 n RSD% :4.6 3.2 ( xi - x )2 n - 1 4.7.1 重要痕量分析方法及其灵敏度 4.7 方法灵敏度 n方法 LD.（g） 方法 LD.（g） 方法 LD (g） n重量分析法 10-5 荧光法 10-9 石墨炉AAS 10-12 n容量分析法 10-7 反向伏安法 10-10 螯合物的GC 10-12 nX射线荧光法 10-7 火焰AAS 10-10 MS 10-12 n分光光度法 10-8 AES 10-10 活化分析法 10-13 n催化分析法 10-12 ICPAES 10-11 放射同位素技术 10-15 4.7.2灵敏度 设催化反应 A + B = F + G 则速率方程为 dCF/dt= kCMCACB=CF/t=kCMCACB= CM=CF/(kCACBt)= A/(kCACBbt) 令max =105Lmol-1cm-1 , b=5cm , A=0.05 , CA=CB=1mol/L , t=10min. k=108/min . 则可测的最小浓度CM=10-16mol/L(理论值)远大于实际值。 M(催化剂) 指示物 影响灵敏度的因素 a、监测仪器和测量技术 如单色光（选用波带宽度很 狭窄的单色光，微量或长吸收池均可提高灵敏度） b、催化指示反应 空白值 反应速率 空白值 令催化反应： A+B F+G (反应机理未知) 则：dCF/dt =kCACBCM + kCACB (此时，总反应速率包括催化与 催化反应 非催化反应 非催化反应二种反应速率） Ai As = kSD/21/2（置信度为99.7时，k=3.00） As方法：采用极度清洁的工作环境、反应容器、高纯试剂和分析用水等。 M 第5 章 发展趋势 探索高灵敏度的新方法 寻求提高选择性的新途径 探讨终止催化反应的措施 研究反应机理，建立新的催化动力学分析法 研制新的监测仪器 催化动力学分析法，已不是单指可见光、UV范畴。 正在往F、P、CL、BL、免疫分析渗透，使分析的灵敏度提高 到单分子甚至单原子水平。 1998年perezbendito关于药物动力学分析法的评述中都涉及 到 RTP；L.D.达到pg级。 检测方法： F CL BL SS-RTP 标记物： Europium Chelate acridinium Ester Alkaline phosphate SS-RTP L.D.(a mol) 1.010-4 3.010-3 1.010-5 8.710-20 单位说明 缩写 g ng pg fg ag zg g 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 10-21 5.1探索高灵敏度的新方法 5.1.1 探讨高灵敏度的催化反应 基于80加热30min的条件下，茜素红可发射强而稳定的荧光， Al 3+能灵敏催化氯酸钾氧化茜素红为无荧光化合物，而使荧光 猝灭，据此建立了催化氯酸钾氧化茜素红荧光猝灭法测定痕量 铝的新方法。其线性范围为0.040 4.00 (ng/ L),工作曲线的回归 方程为If = 8.731 + 21.73 cAl 3+（ng/ L)， n=6，相关系数 r = 0.9992，检出限为 5.3 pg / L Al 3+ 。本法成功用于人发、茶叶样 品中痕量铝（）的测定。同时探讨了催化氯酸钾氧化茜素红 离子缔合物荧光反应机理。 催化荧光反应 Spectrochimica Acta Part A 62 (2005) 637640 Lin Shao-Qin, Liu Jia-Ming, Li Long-Di ect. 催化磷光反应 例1 基于在H2SO4介质中DBS存在下，二甲基黄在滤纸上 能发射强 而稳定的室温燐光（RTP ），NaIO4可氧化R使室温燐光猝灭， As()能催化NaIO4氧化R的反应，使RTP剧烈猝灭,且Ip与As() 含量成线性关系，据此可建立增敏高碘酸钠氧化二甲基黄催化固 体基质室温燐光猝灭法测定痕量砷的新方法。检出限为0.12 ag/spot (对应浓度3.01015g/ml。 Guo Hui Zhu, Zhi Ming Li, ect, Chinese Chemical Letters,2007，18：711-713 例2 基于HCl介质和90加热10min的条件下，罗丹明B（Rhod.B） 与四苯硼化钠（Na B(C6H6)4）作用生成 Rhod.B + B(C6H6)4 离子缔合物，Mo(VI)催化过氧化氢氧化Rhod.B + B(C6H6)4 导致SS-RTP剧烈猝灭，其Ip与Mo(VI)含量呈线性关系,据此建立 了催化过氧化氢氧化罗丹明B-四苯硼化钠离子缔合物固体基质室 温燐光猝灭法测定痕量钼的新方法。检出限为0.34 (ag/spot)（对应 浓度8.5 1016 g ml1） Jia-Ming Liu*, Shirong Hu, Guo-hui Zhu. Anal. Chim.Acta（2006,561，198-203 ） 5.1.2 优选最佳实验条件 反应的温度、时间、介质、酸度、反应物浓度和表面活性剂 等对反应速率影响较大。 通常，采用探索最佳实验条件，以降低非催化反应速率， 相应地提高催化反应的灵敏度。 例1 基于铍试剂（R）在滤纸固体基质上能发射强而稳定的室温燐 光，而维生素C能还原铍试剂（R）为无燐光化合物，使R的固体 基质室温燐光（SS-RTP）猝灭，,- 联吡啶可活化铜催化维 生素C还原R的反应，导致R的SS-RTP剧烈猝灭，据此建立了 ,- 联吡啶活化维生素C还原铍试剂催化固体基质室温燐光 猝灭法测定痕量铜的新方法。加比不加,- 联吡啶时的Ip 高3.3倍，表明,- 联吡啶活化维生素C还原铍试剂的反应。 检出限为0.0088 (fg/spot )(对应浓度2.21014g/ml) Liu Jia Ming ，ect.Spectrochimica Acta Part A,2006,64：10461050 5.1.3 改变测量反应速率的方法和取样量 改变测量反应速率的方法，在一定程度上提高了方法的灵敏度。 例1 采用双波长测量技术，可提高了方法的灵敏度i.5倍。 例2 用斜率法比固定时间法、固定吸光度法的灵敏度高。 例3 催化SS-RTP法的取样量达l级级，比催化荧光法小1000倍(ml)， 故检出限低，灵敏度高1000倍。 5.2 寻求提高选择性的新途径 5.2.1研究提高选择性的反应 长期以来，催化动力学分析法的应用受到限制，其原因在于 选择性差，直接影响分析结果的准确度和重现性。显然，寻求 提高选择性的新途径，成为催化动力学分析法的主要发展趋势。和 1,探讨酶的催化或抑制作用，是提高催化动力学分析法选择性 的有效途径 例1脲素酶在只能催化脲素水解，生成氨和二氧化碳： CO（NH2）2 + H2O = 2NH3 + CO2 脲素酶 当脲素分子上氨基的氢被甲基所取代，脲素酶催化脲素水解 就停止了。 例2 痕量汞和银阻抑转化酶催化蔗糖水解 当pH = 5.5时，Ag+抑制作用最明显，不受其它离子的干扰； 当pH = 4.0时，Hg 2+抑制作用最强，其它离子的干扰甚微，可 分别测定Ag+和Hg 2+。 现已发现，1000多种生物酶对催化反应具有催化或抑制作用， 均能建立测定痕量物质的新方法，并显示一定的选择性。 2.利用金属离子与有机基体生成配合物，提高催化反应的选择性 例1 钌和钯的氯配合物均能催化焦磷酸锰()与对-苯醌的反应, 但钌的硫酸盐有灵敏的催化作用,而钯的硫酸盐无催化活性,故在 硫酸盐溶液中测定钌不受钯的影响,显示出测定方法的高选择性. 5.2.2 寻求新的掩蔽剂、活化剂和缓冲剂 .掩蔽剂（如，等） 在催化反应体系中，有目的加入掩蔽剂，利用“内部分离” 作用，使待测催化剂之外的其它催化剂形成配合物而失去催化 活性，从而提高催化反应的选择性。 .活化剂 在催化反应体系中，加入某种活化剂，既可提高催化反应的 灵敏度，又能提高其选择性。 例，联吡啶与乙二胺对催化过硫酸盐氧化对 氨基苯磺酸反应，具有活化作用，同时掩蔽与共存的 的干扰，提高了催化动力学法测定的选 择性。 .缓冲剂 某些缓冲剂除了调控溶液的外，还能与离子形成稳定的 配合物，使其失去催化活性，从而提高催化反应的选择性。 例采用催化光度化测定时，用碳酸氢钠缓冲剂，共存 的与碳酸氢离子形成配合物，使失去催化活性， 倍量的不干扰的测定。 5.2.研究新的分离方法 尽管在催化动力学分析法中可采用蒸馏法、共沉淀法、溶剂萃 取法和色谱法等分离法消除离子的干扰，提高方法的选择性，但 操作繁琐，影响分析速度。 因此，当前出现分离方法新的研究趋势： 1.萃取分离-催化测定联用技术：可提高方法的选择性、灵敏度 、 准确度、分析速度等； 2.气相色谱-催化测定法;显示高选择性、高灵敏度、快速等突出 的优点。 5.2.4 改变反应条件，调整催化反应过程 如改变催化剂的价态、形态、性质，缓冲剂、反应物、反应 酸度、反应温度等条件，扩大催化剂的活性差距，提高催化反 应的选择性。 5.3 探讨终止催化反应的措施 一般光度计上无法实现自动测量和连续记录速率数据，只能每 隔一定时间测量一次，然而催化反应乃在进行。因此，光度计上 无法准确读数，影响测定的准确度。显然，寻求终止催化反应的 方法，是提高测定准确度的关键。据国内外文献报道，终止催化 反应的方法如下： 1.冷却法 适用高温、温度系数差别大的催化反应 2 .阻抑剂法 如加阻抑剂，使催化剂形成稳定的配合物、分解，或改变催化 剂的价态，使催化剂失去原有的催化活性。 3 降低反应浓度法 当催化反应进行一定时间之后，往反应体系中加入某种过量 的试剂，使之与任何一种反应物定量的、快速地作用，使反应 物失去原有的性质，并将反应物的浓度降低到最大的限度，从 而终止催化反应的进行。 例1 Os Ce() + As（） = Ce() + As（）（催化反应） Ce() + Fe（） = Ce() + Fe（）（加Fe（）与Ce() ， 终止催化反应） 注：加入的试剂不能改变催化反应产物的性质与颜色，否则会影 响吸光度的测量，进而影响分析结果的准确度。 4 调整反应体系的pH 对pH值范围较窄的催化反应，当反应进行一定时间之后，快速 用水稀释，或加酸碱，使反应体系的pH超出所需的pH值范围，从 而终止催化反应，便于准确测定吸光度。 5.4 探讨催化反应机理 当前，国内外多数根据反应物的性质及有关化学理论推论，或 利用某些实验现象桥侧记地作些解析，由此推断的催化反应机理 与实际情况有差距。因此，加强研究催化反应机理，对提高催化 动力学分析的准确度，具有重要的学术研究价值与实用意义。 5.4.1反应机理 例1 A + B C + D 其反应机理如下 X AX + Y（ A 初反应物裂解生成中间产物X和反应产物Y） X + BY + C （ X与反应产物B作用得反应产物C和Y ） Y + AD + X （ Y再与A反应得产物D和另一个X ） X + YA 在反应过程中， X催化A与 B作用生成C和 D产物的化合反应， 直至Y进而与中间产物X反应，再化合生成A而中断， （1）此反应机理符合总反应，且能导出反应的级数； （2）单独的动力学测量并不能准确无误地建立反应机理，还需 中间产物性质与中间反应速率的独立证据； （3）催化剂会改变化学反应机理：催化剂本身参加反应，其作用 通常是先与反应物作用生成中间产物，然后中间产物进一步反应 得到产物与催化剂。 5 4.2 揭示反应机理的方法 1 根据客观事实和前人的文献资料，对所研究的总反应拟出可能 的反应机理； 2 利用化学反应动力学经典唯象理论中的基本定律，求得各个基 元反应； 3 通过计算，消除反应速率方程中不稳定中间产物浓度，得到只 包含稳定组元浓度的反应速率方程式或进一步解出其动力学方程， 从而确定反应机理。 5.4.3 催化反应机理的确定 （1）根据实验事实解析机理 例催化氯酸钾氧化茜素红离子缔合物荧光反应机理 茜素红可发射强而稳定的荧光（图1,曲线4,4）；氯酸钾能氧化 茜素红为无荧光化合物，使荧光猝灭（图1，曲线3,3）； /nm If 图1 荧光光谱 Fig 1 The Fluorescence spectra 4,4 2.00 mL R(alizarin red) 3,3 4,4+3.00 mL KClO3 2,2 3,3+1.00pg Al 3+ 1,1 3,3+100pg Al 3+ Al 3+与茜素红作用生成铝茜素红配合物5 ； 铝茜素红配合物又被氯酸钾氧化为无荧光化合物， 从而加速荧光的猝灭效应（图1,曲线2,2）据此可用催化氯酸钾氧 化茜素红荧光猝灭法测定痕量铝。 Lin Shao-Qin ，Liu Jia-Ming, etc. Determination of trace aluminum by fluorescence quenching methodbased on catalysis of potassium chlorate oxidizing alizarin red. Spectrochimica Acta Part A 62 (2005) 637640 （2）选用现代仪器确定反应机理 采用先进现代仪器测定反应体系的自由基、不稳定的中间配合 物、反应产物结构等，获得符合客观事实的反应机理。 5.5 研制新的监测仪器 在催化动力学分析中，检测反应速率常用的仪器有分光光度计 、催化极谱仪、流动注射分析仪、微型电子计算机等，正向动态 分析、连续分析、遥控分析、数字化、高速化、自动化、计算机 化等方向发展。 近年来随着科学成就的渗透、引用，监测仪器 出现在线分析、 仪器联用、高灵敏度、高精密度、高准确度等发展趋势，有力 推动催化动力学分析的研究与应用进展。 例1生物芯片技术 最近研究表明，将生物芯片植入人脑，即可调控与指挥人的思 维及行动，使人成为高智商的动物，无所意为。 例2 表面增强拉曼光谱(SERE)检测技术 表面增强拉曼光谱与共振拉曼光谱结合，检出极限已经接近 单分子水平。 例3 化学发光检测系统 Tan和Yueng使用激光光学显微镜和CCD检测系统: Ce() + As（） Ce() + As（） 检测了反应产物Ce()的荧光，表明应用适当的催化荧光反应有 可能检测单个金属离子。 Os() 催化 6.1 催化荧光光度法 例 Cu-D-4.0 和 Cu(Bipy) 2+催化Cu 2氧化Hfin荧光光度法测定 痕量铜 第6章 催化动力学分析法研究 6.1.1 技术背景 定量测定铜有催化动力学褪色光度法(检出限为1.9109 g ml1 ) 1、 催化动力学荧光光度法(检出限为41012 g ml1) 2 、荧光 光度法（检出限2.21010 g ml1）3 、二级管阵列检测-激光诱 导荧光光度法（检出限5.01010 g ml1）4、硫化镉荧光探针荧 光光度法（检出限2.31010 g ml1）5、原子吸收光谱法（检出 限为3.51010 g ml1） 6 和固相萃取法（检出限为2.01011 g ml1）7等。上述方法灵敏度不高。显然，探索高灵敏、高选择 性测定痕量铜的新方法，在生命科学领域中具有重要学术价值与实 际意义。 K. K.Ong等人8利 用聚 酰 胺 基( Polyamidoamine , PAMAM)树 枝状大分子作为内型受体，捕获荧光素分子，再将其与抗体共价 结合，得到了水溶性的荧光素树枝状分子抗体的复合物(其抗 体、树枝状分子和荧光素的比例分别为1：1：10和2：1：10)。在 荧光显微镜下，观察其发生免疫反应时荧光性质的变化，发现与 使用单个荧光素-抗体相比,荧光信号有所增强，而且减少了非特异 性结合。 K. K.Ong 8等制备了HFin-抗体, FITC-树枝状分子-抗体, 和FITC- 树枝状分子共轭物，并将树枝状大分子作标记物称为是一种信号 放大的战略性方法。 6.1.2 学术思想 我们设想用树枝状大分子增大测量的荧光信号，从而提高荧光分 析法测定铜的灵敏度和选择性，以便推动树枝状分子科学和发光分 析法的研究进展。 实研究发现，Hfin可发射强而稳定的荧光,Cu 2能氧化Hfin而导 致Hfin的荧光信号下降，Cu(Bipy) 2+ （,- dipyridyl）与 Cu-D-4.0（4.0-generations polyamidoamine (聚酰胺胺，PAMAM) -dendrimers）能催化Cu 2氧化Hfin的反应使Hfin ，强度剧烈下降 ，且Cu 2+的含量与 F值呈线性关系，据此建立了Cu(Bipy) 2+和 Cu-D-4.0催化Hfin荧光法测定痕量铜的新方法。 6.1.3 实验方法 往25mL荧光池中加入适量铜，1.0mL HFin，1.0mL D-4.0，2.0ml -联吡啶，1.5mlKH2PO4- Na2HPO4，混匀，水定容，30、 15min后，加2.0mL Na2H2EDTA，同时作试剂空白，于ex/em =488/514nm 处以荧光方