（分析化学专业论文）铜的超常氧化态配合物在化学发光分析中的应用研究.pdf

摘要 铜的超常氧化态配合物在化学发光 分析中的应用研究 分析化学专业博士研究生胡玉斐( b 2 0 0 4 0 6 3 ) 指导教师章竹君教授 摘要 过渡金属超常氧化态的存在早在2 0 世纪初就为人们所肯定。现在己知的过渡金属超常氧 化态包括以【c u m l 0 6 瑚孓和【c u ( h 2 t e 0 6 ) 2 】孓形式存在的三价铜、以【n i ( h i o 如】2 。和 附( h 2 t c 0 6 ) 2 】2 。形式存在的四价镍、以 a g ( h 1 0 6 ) 2 】5 - 和【a g ( h 2 r 0 6 瑚5 。形式存在的三价银及以 l ( 2 f e o | 形式存在的六价铁等。迄今国内外已开展了关于过渡金属超常氧化态的反应速率，反 应活性中心的存在形式等的研究。大量的研究表明：这些过渡金属的超高价阳离子不能单独 存在，而它们同适当的多齿配体反应，确能生成稳定的螫合物。过渡金属超常氧化态配离子 由于其结构的特殊性，能产生自由基，亦能成为某些化学反应的高效催化剂，具有广泛的应 用前景。遗憾的是他们在分析化学方面的应用研究却很少。 过渡金属超常氧化态多齿螯合物具有强氧化性和超常催化性能，利用其强氧化性的化学 发光反应已有过研究；主要是用试剂f c u ( h i o 。) 2 】5 或电生【c u ( h l o 如】5 - 氧化化学发光反应测定 糖、氨基酸、蛋白质及某些药物，而作为催化剂的化学发光反应研究及其应用却是一个空白。 在本研究中我们发现，【c u ( h i o 如】5 - 在l u m i n o l h 2 0 2 化学发光体系中具有超常催化性能，其 催化化学发光的量子产率远远超过通常认为催化性能最强的c u 2 + ，c 0 2 + 和c ，也远远超过各 种过氧化物酶。更重要的是在低h 衄i i l o l 浓度和低h 2 0 2 时，对h 2 0 2 的测定几乎没有干扰。 h 2 0 2 的测定灵敏度高达1 0 - i n 0 i l - 1 ，据此设计出测定呼出冷凝物中的过氧化氢、测定香烟烟雾 中的过氧化氢，和测定超声波辐射水溶液产生的羟基自由基的高灵敏度和高选择性的新方法。 还同基于产生h 2 0 2 的酶反应相偶合，测定了人血中的胆固醇和多巴胺。本论文还对 【c u ( h i o 如】5 的氧化化学发光反应进行了系统的研究，包括f c u ( h i o 如】5 。氧化i l m i n 0 1 的化学 发光反应和它的直接氧化化学发光反应，在此基础上建立了测定盐酸林可霉素、硫酸阿米卡 两南大学博十学位论文 星、马来酸麦角新碱、地塞米松磷酸钠、硫酸小诺霉素和妥布霉素等的化学发光新方法。 ( 1 ) 超灵敏化学发光方法测定呼出冷凝物中的过氧化氢 建立了一种新的流动注射化学发光方法用于测定lo m “l - l 的过氧化氢，应用该方法 测定入的呼出冷凝物( e b c ) 中的过氧化氢。该方法是基于在碱性介质中，低浓度的鲁米诺( 1 0 7 m o ll - 1 ) 在化合物k 5 【c u ( h 1 0 6 ) 2 】( d p c ) 的催化作用下能被浓度低至1 0 9m o ll 1 的过氧化氢所 氧化产生化学发光。鲁米诺过氧化氢化学发光反应的其他典型催化荆例如金属离子抑或是辣 根过氧化物酶( h r p ) _ 亦不能干扰过氧化氢的测定。在优化的实验条件下，相对发光强度与过 氧化氢浓度在1 o lo 1 0n 1 0 ll - 。到1 o l o - 8m o ll - 1 呈现良好的线性关系，检出限为4 1 l0 啪ll - 1 ( 3 回。对5 xl o - 9m o ll 1 的过氧化氢平行测定7 次，相对标准偏差为3 2 。该测定方法 具有灵敏度高，选择性好，简单可行的优点。该方法已成功应用于对感冒人群和健康人群样 本的呼出冷凝物中痕量过氧化氢的直接测定。实验结果表明两者具有显著性差异( 样本数量各 为1 1 个) 。 ( 2 ) 测定香烟烟雾中的过氧化氢的超灵敏和高选择性的化学发光新方法 对香烟烟雾冷凝物中过氧化氢的监测不仅有助于研究香烟烟雾与氧化应激，炎症及疾病 的关系，而且有助于研究香烟烟雾的致病机理。本文建立了流动注射化学发光新方法用于直 接测定未经预处理的复杂样品( 香烟烟雾冷凝物) 中的过氧化氢。该方法基于低浓度的鲁米 诺( 1 0 7 n ll 1 ) 和低浓度的过氧化氢( 对浓度为8 l o 9 鲫1 l - 1 硫酸阿米卡星溶液连续测定9 次，相对标准偏差为2 1 。该方法用f 血清中硫酸阿米卡星的含量测定，结果令人满意。 关键词：过渡金属超常氧化态c u ( i ii ) 配合物化学发光过氧化氢药物分析 i v 独创性声明 本人提交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。论文中引用他人已经发表或出版过的研究成果，文中已加了特别标注。 对本研究及学位论文撰写曾做出贡献的老师、朋友、同仁在文中作了明确 说明并表示衷心感谢。 学位论文作者： 勘童爱 签字日期： 20 0 8 年4 月1o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：口不保密，口保 密期限至年月止) 学位论文作者签名：嘲。受 签字日期：20 0 8 年4 月 日 瓣弘 签字日期：年月 日 两南人学博十学位论文 碲酸根在碱性溶液中的平衡如下( 包括水的溶度积) 【1 3 】： h 5 t e 0 6 + o h = ；! = h 4 t e 0 6 2 - + h 2 0l o g pl2 3 0 4 9 h 4 t e 0 6 2 + o h = ；= = h 3 t e 0 6 3 。+ h 2 0l o g p 2 2 1 若【o h 。】在 0 0 1 o 1 m o l l 1的范围以内， 可以计算出 【h 4 t e 0 6 2 】【h 5 t e 0 6 】：【h 3 t e 0 6 3 _ 】= ( 1 0 0 1 0 0 0 ) ：( 0 8 9 3 8 9 3 ) ：1 ，可知道h 5 t 的6 和 h 3 t e 0 6 3 。的存在形式可忽略，在碱性介质中碲酸根的主要存在形式是h 4 t e 0 6 。 在碱性水溶液中，高碘酸物种并非以h 1 0 6 4 一的形式存在，c r o u t h 锄e l 【1 4 ，1 5 】 及其合作者得到不同p h 范围内，2 5 有以下平衡： h 5 1 0 6 ；兰= 兰h 4 1 0 6 - + 矿l o g l 依l = 1 “ h 4 1 0 6 ；兰垒h 3 1 0 6 ：2 + 一 1 0 9 1 k 2 ：8 3 6 h 3 1 0 6 2 ；垒苎h 2 1 0 6 3 + 旷 1 0 9 1 i ( 3 = 1 4 9 8 在2 5 的平衡常数k i 、k 2 、k 3 分别为2 3 l o 2 、4 3 5 l 旷、1 0 5 l o 1 5 。高碘 酸物种在酸性介质中以h 5 1 0 6 的形式存在；当体系p h 值接近7 时，主要以h 4 1 0 6 形式存在：当p h 值为8 。1 4 时，其主要存在形式为h 3 1 0 6 2 和h 2 1 0 6 3 - ；只有在浓 度极高的条件下，才以二聚体形式1 2 0 9 4 一存在。 a v e s t o n 【1 6 】在碱性介质中测定了2 5 时下列平衡常数： 21 0 4 - + 2o h ；= 烹h 2 1 2 0 l 广l 哪l - 1 5 0 5 ( 1 ) 1 0 4 + o r + h 2 0 ；h 3 1 0 6 2 。 1 0 9 f 1 2 = 6 2 1( 2 ) 1 0 4 。+ 2o h - ；= h 2 i o l o g 风= 8 6 7 ( 3 ) 据此可以计算出各物种的分布。若在弱碱性条件下，【o h - 】在 5 1 0 。3 1 1 0 。2 m o l l 1 的范围以内，可以计算出 h 2 1 0 6 3 1 ： h 3 1 0 6 2 1 ：( 1 4 “2 8 9 ) ：1 0 0 ， 高碘酸根的主要以h 2 1 0 6 3 和h 3 1 0 6 2 形式存在；而在强碱性条件下， o h 】在 5 1 0 之o 1 m o l l 1 的范围以内，【h 2 i o ，】： h 3 1 0 6 2 = ( 1 4 4 2 8 9 ) ：1 0 0 ，高碘酸根的主 要存在形式为h 2 1 0 6 孓。如【o h 】1 1 0 。2 n 1 0 l l 1 时， h 2 i o ，1 ： h 3 1 0 6 2 。】【h 2 1 2 0 l ，l ：【1 0 4 - 1 兰2 9 0 ：1 0 0 ：o 0 2 ：6 1 0 ，在该碱性条件下，二聚体和1 0 4 可以忽略，高碘酸的存 在形式是 h 2 1 0 6 3 】和【h 3 1 0 6 2 - 】共存，该结果与m u n l l y 根据c r 0u _ t h 锄e l 数据计算结 果相符合，高碘酸根的分析浓度 1 0 4 】“兰 h 2 1 0 6 3 】c + 【h 3 1 0 6 2 1 。( e 表示平衡浓度) 。根 据式( 2 ) 和( 3 ) 可得到式( 4 ) 和( 5 ) ：如下所列。 2 两南大学博十学位论文 2 2 铜( i ii ) 配离子氧化反应动力学及机理 在众多的文献报道中c u ( i i i ) 的最终被还原产物为c u ( i i ) ，因而反应过程中肯 定是一步的，单电子从还原剂转移到c u ( i i i ) 。虽然c u ( i ) 也能够被络合而稳定存在， 但是实验过程中【3 1 】证明了没有c u ( i ) 的存在，因而c u ( i l i ) 氧化有机物的反应都 是一步单电子转移的。总之，不管反应过程中是有自由基还是离子偶极型的，c u ( i i ) 为最终产物最终决定了反应过程中的单电子转移。 2 3 铜( i l1 ) 配离子引发聚合反应的机理 由于a g ( i i i ) 3 2 】，c u ( i i i ) 【3 3 】，n i ( ) 3 4 】都能在适当的配体和介质条件下产生自 由基，而引发一些像丙烯酰胺，丙烯酸甲酯等单体聚合，所以过渡金属超常价态配离 子也是一种良好的聚合反应中的引发剂。对于c u ( i i i ) 而言，c u ( i i i ) j c u ( i i ) 转变是 单电子转移过程，刘盈海的研究小组【3 2 3 5 】的研究工作表明：用c u ( d 为氧化剂， 以大分子的特征基团为还原剂，组成的氧化还原体系不仅能引发烯类单体聚合， 而且这样的氧化还原体系在大分子上产生接枝点而引发共聚能获得高接枝率，在 接枝共聚方面亦有一定的应用【3 6 3 9 】。其机理如下图所示： oh ohoh i llnlo h l r 一c 攀： + c u ( i i i ) 啼r c n ? 一r 苞肉+ h 2 0 4 oh oh | ll l r 一c _ + m 啼r c n m f l h h 第二部分作为催化剂超常氧化态铜( i i i ) 配离j f 的席刖研究 第二部分作为催化剂超常氧化态铜( i li ) 配离子的应用研究 第一节鲁米诺一过氧化氢化学发光体系中典型催化剂的 催化作用及催化机理 鲁米诺( 5 氨基一2 ，3 二氢一1 ，4 一二杂氮萘二酮，也称3 氨基邻苯二甲酰肼) 是最常 见的化学发光试剂之一( 结构式如下图1 ) 。最早由a l b r e c h t 【1 】在1 9 2 8 年提出，在碱 性溶液( p h = l o 一1 1 ) 中加入过氧化氢时可以观测到微弱的蓝色发光现象。加入适当 的氧化剂或者催化剂，如n a c l o 、k 2 s 2 0 8 、0 4 、k 3 f e ( q 哨、f e ( i i ) 盐、m n ( i i ) 盐、 c u ( i i ) 氨配合物离子、过渡金属离子、辣根过氧化物酶等，可以极大地提高化学发 光强度。鲁米诺的化学发光量子效率与溶液中的p h 值有密切的关系，见下表，p h = 1 l 附近时达到最大值，约为o o l o 0 2 。其在水溶液系统中约在1 一1 5 2 ，3 】。 o n h i n h n h 2 o 5 - 锄i n o 一2 ，3 一d i h y d r o p h t l l a l a z i n e 1 ，4 一d i o n e 图1 鲁米诺的化学结构式 表1 鲁米诺化学发光介质与量子效率之间的关系 在碱性水溶液中，当以过氧化氢为氧化剂时，可以观察到明显的化学发光现 象( 九= 4 2 5 姗) 4 8 】。多数学者认为是，反应体系的过氧化氢在反应过程中产生了超 氧阴离子自由基，超氧阴离子自由基氧化鲁米诺得到的0 c 一羟基过氧化物，该过氧 化物分解生成激发态的二价阴离子氨基邻苯二甲酸盐，当激发态的中间体回到基 态时，将能量以光子的形式释放出来，产生化学发光。 而v o i c e s c u 9 】的推测其反应机理可能基于以下反应式： 第二部分作为倦化剂超常氧化态铜( i i i ) 配离子的席 j 研究 曼曼曼量曼曼曼曼皇曼量舅曼曼曼曼曼曼! ! 皇皇皇曼曼! 曼! 曼鼍曼! 曼! ! 曼蔓! 曼蔓! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼量曼曼曼鼍曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼 m e 2 + + 0 2 m e 3 + + o ，+ m e 2 + + o ，+ h + - - m e 3 + + h ，o ， 此外，对过氧化氢存在的体系，过渡金属离子能催化过氧化氢的分解，通过 f e n t o n 反应产生羟自由基( o h ) 及氧，同时超氧阴离子自由基( 0 2 ，) 通过h a b * w e i s s 反应 2 1 】进一步促进羟自由基的形成。 m e 2 + + h 2 0 2 m e 3 + + o h + o h + m e 3 + + o ，+ o ，+ m e 2 + h 2 0 2 + 0 2 。卜0 2 + o h 。+ o h 鲁米诺在各种活性氧物质( 主要是超氧阴离子自由基，羟基自由基) 作用下的可 能的化学反应 2 2 】如下图2 所示： 7 第一：部分作为催化剂超常氧化态铜( i i i ) 配离二f 的戍j 1 研究 自由基也会同过氧化氢反应生成超氧阴离子自由基，该反应的二级反应速率为 3 7 1 0 7 d m 3 m 0 1 。1 s 一1 2 4 】。同时经过以下的过程，羟自由基约在3 s 内已基本消失。 2o h + h 2 0 2 o h 幸+ h 2 0 2 0 2 。+ h 3 0 + 当然，羟自由基也会很快和超氧阴离子自由基发生如下反应 2 3 】，但是，事实 上，超氧阴离子形成时，体系内的羟自由基的浓度已降得很低，使以下的反应对 体系的影响不大。 o h + + 0 2 0 2 + o h 。 过渡金属离子c u ( i i ) 催化机理可参照上述过程。研究鲁米诺过氧化氢体系的 化学发光机理，仍主要围绕体系中的活性氧物质( 0 2 、o h 、0 2 一、h 2 0 2 以及1 0 2 ) 对鲁米诺的氧化作用，生成激发态的中间体，而作为催化剂的过渡金属离子，其 催化效应主要表现在促进体系中各种活性氧的形成，特别是超氧阴离子的形成， 而发光过程仍是激发态的a p 回到基态时的能量释放过程。 1 2 生物酶催化剂 另一类典型催化剂为酶，包括微过氧化物酶，辣根过氧化物酶( h r p ) 2 5 2 7 】， 过氧化氢酶，黄嘌呤氧化酶，金属蛋白如：细胞色素c ，血晶素( h 锄i n ) 2 8 3 0 】， 血色素( 1 l e m o 舀o b i n ，瑚) ) 3 1 】等。应用最广泛的是辣根过氧化物酶，即h r p 。h r p 对鲁米诺一过氧化氢的催化作用常被设计成酶固定化的过氧化氢的化学发光传感器 2 5 ，3 2 3 4 】。以加强为例，其催化机理如下简图3 所示 3 5 3 9 】。h r p 和过氧化氢反 应生成氧化的h r p 唧d ，而h r p i 和鲁米诺阴离子反应生成一个半还原酶 ( h r p i i ) 和鲁米诺自由基，而酶h i 冲能和另一分子的鲁米诺反应生成h 】冲，鲁 米诺自由基和冲优先接触，作为一个电子载体增加了鲁米诺的发光效率。 9 两南大学博十学何论文 h r p i h 2 0 2 h l 心 l 岫i n o l h r p i i l lm d i c a l ( l h 。) i 卜n 2 【3 - 枷晶p h t h a l a t e 】弋+ 3 锄i n o p h m a t e h v 图3h l 强催化鲁米诺一过氧化氢化学发光机理示意图 进一步讨论这类酶催化剂的结构，无论是过氧化氢酶，瑚冲或是细胞色素( 血 红素加氧酶) ，对鲁米诺过氧化氢的催化作用，均基于催化剂与过氧化氢反应生成 了形式上是f e ) 的氧化态中间体【4 0 】。多数情况下，n ( ) = o ”的活化中心与卟 啉7 c 阳离子自由基化合。高铁血红素的氧化过程中，f e ( v ) 中间态并不常见，原因 是它会很快被未氧化的高铁血红素所还原，生成二聚的f e ( ) 和f e ( i ) 一卟啉7 c 阳 离子自由基化合物形式。据推测，该化合物对鲁米诺的氧化起决定作用，能引发 后续的反应，即鲁米诺生成激发态的3 氨基邻苯二甲酸盐，随后产生光辐射。以 h e m i n 为例，讨论其催化机理，如下图4 所示： l o 两南大学博十学付论文 k 3 f e ( c n ) 6 ：f e 3 + h 2 0 2 + f e 3 + - l -h 0 2 + f e 2 + + h + h ，o ， + f e 2 + - -o h + o h + f e 3 + o h + + f e 2 + 卜 o h 。+ f e 3 + h o ，+ f e ： + - - -l o ，+ h + + f e 2 + h 0 2 + 0 2 - + h + h 0 2 + h 2 0 2 -o h 。+ o h 宰+ 0 2 鲁米诺一k 3 f e ( c 6 过氧化氢体系，化学发光光谱、荧光光谱实验的结果表明， 化学发光的最大波长仍在4 2 5 姗，在相同的实验条件下，与氨基邻苯二甲酸的荧 光光谱完全一致，说明激发态产物仍是3 一氨基邻苯二甲酸盐。据林金明【4 1 】研究小 组对其反应动力学的研究，反应过程中k 3 f e ( c 6 的消耗量不大，可推测k 3 f e ( c n ) 6 在反应过程中起到催化剂的作用。该体系的机理可用下图5 表示。 1 2 第_ 部分作为催化剂超常氧化态铜( i i i ) 配离r 的廊用研究 0 n 心 o l 。 汁k l k + o 盯 千 k 2 l + f e ( a 3 ；= = = = k 2 o n h 2 0 o r r 器 + 0 2 j 0 n h 2o o n h 2o 忖 l + h ，o 忖 n 如+ f e ( 时+ 旷 i ；l 删+ 蹦c n 矿 n h n h 2 0 + f e ( c n ) 6 3 口 口 + n 2 卅ko 图5k 3 f e ( c n ) s 催化鲁米诺一过氧化氢化学发光机理示意图 p a r e j o 【4 2 】比较了不同的金属离子( c o ( i i ) ，c u ( d ，f e ( i i ) ，f e ( i i i ) ) 和螯合剂( e d l a ， c i 砸ca c i d ) 存在下，生成的化合物较金属离子本身，能增强作为鲁米诺过氧化氢体 系的发光强度，研究其催化能力和特点。结果表明，c o 与e d t a 生成的化合物具有 很好的催化能力，在c o e d t a 的催化作用下，化学发光信号达最大值出现平台的 时间可持续3 0 s 。应用该体系可测定过氧化氢，其线性范围为1 0 。1 2 5 。 c u 2 + 和蛋白质结合形成的配合物要比单一的c u 2 + 催化能力要高得多，可用于蛋 噼誓噼 oo 薹 脏 快 噼一。噼 曲南人学博十学位论文 白质的测定 4 3 。但其增强机理至今仍不清楚。基于c u 2 + 与生物分子结合的化合物 能极大的增强鲁米诺过氧化氢的化学发光信号，t s u k a g o s h i 【4 4 利用该现象结合毛细 管电泳技术，实现了2 0 种氨基酸，4 种缩氨酸，1 1 种蛋白质的分离测定。下图是应 用该方法获得的电泳图谱。生物分子例如0 【一氨基酸，缩氨酸，蛋白质经电泳分离 后与c u ( i i ) 反应生成相应的c u ( i i ) 生物分子化合物，该物质能增强鲁米诺一过氧化氢 的发光，产生化学发光峰。 r e f 【“】a 氨基酸的电泳图谱图 林的研究小组【4 5 ，4 6 把c o ( ) 乙醇胺配合物( c o h ( m e a ) 2 ) 固定在强酸性的 d o w e x 5 0 w 离子交换树脂上，设计了一种过氧化氢的传感器，该设计的特点在于 使用了非缓冲介质的鲁米诺溶液，其p h = 6 ，这样的介质条件适合过氧化物酶的催 化氧化反应。 1 4 一 莎考秘| | 一雾 o 、n 。、f ， 一丫燮弋 r e f - 【4 5 】c o ( 1 1 ) - 乙醇胺固定于d o w e x 5 0 w 的可能结构模型 推测催化剂的可能反应如下式： 旧南大学博十学位论文 q j h 2 0 2 h v 缸8 n m 图6c 硼m e a ) 2 r e s i n 催化鲁米诺一过氧化氢化学发光机理示意图 s h i g e l ( is a s a l ( i 【4 7 】等报道了一种新的c u ( ) 的化合物，该化合物显示了与过氧 化氢酶相似的催化活性，该化合物对鲁米诺过氧化氢体系有明显的催化效应，催 化效应强于一些其他的典型的催化剂，例如c u ( o a c ) 2 、血晶素、c y c l e n - c u ( i i ) 化合 物。该化合物结构式如下图所示： 0 h 詈 ； r e c 【4 7 lc u ( i i ) 化合物的化学结构及其对鲁米诺一过氧化氢体系的催化效果比较 ( a ) 鲁米诺：o 1 m m ；催化剂浓度：4 州；过氧化氢：o 5m m ；l ：b 一酮胺 该新型的c u ( i i ) 化合物由p - 酮胺僻3 一氨基一l ，2 丙二醇和3 ( 乙氧基亚甲基) 2 ，4 戊二酮合成) 和c u ( o a c ) 2 在三乙胺存在条件下，在甲醇溶液中合成的浅蓝色晶体。 1 6 第二部分作为催化剂超常氧化态铜( i i i ) 配离子的应用研究 该化合物具有和氧化酶、加氧酶以及过氧化氢酶相似的活性，它能催化鲁米诺一过 氧化氢的化学发光反应。a 图比较它与其他几种典型催化剂的催化效应。结果表 明，该c u ( i i ) 化合物的催化效应明显高于k 3 f e ( c m 6 和c u ( o a c ) 2 ，与血晶素( 氯高铁 血红素) 的催化效果相似，据此推测其催化机理与血晶素的催化机理 4 8 ，4 9 】相似， “f e = o ”卟啉激发态阳离子氧化鲁米诺和过氧化氢生成鲁米诺的激发态分子和超氧 阴离子。为验证该推论，向该化合物的甲醇溶液中加入过氧化氢，导致d d 键的红 移( 九= 6 2 0 一6 5 0 i l i l l ) ，据此推测形成了肛1 ，1 氢过氧化铜( ) ( l c u ( i i ) ) 2 o o h ) ，它亦 是形成超氧阴离子的氧化剂。 2 铜( 1 li ) 配离子对鲁米诺一过氧化氢的催化作用 高价氧化态的过渡金属离子常借助于某些多齿配体螫合而稳定存在 5 0 】，例如 二( 过碘酸根) 合铜( i i i ) 配离子、二( 过碘酸根) 合银( i i ) 配离子和二羟基二( 过碘酸根) 合镍( ) 配离子等。二( 过碘酸根) 合铜( i i i ) 配离子( d p c ) 在碱性介质中是良好的氧化 剂在文献中已有报道。我们在实验中发现，该c u ( i i i ) 配离子对鲁米诺一过氧化氢化 学发光体系有明显的催化效应，催化能力强于其他的典型的催化剂例如c 0 2 + 、c u 2 + 、 c r 2 + 、k 3 f e ( c 6 和h r p 。催化能力比较如下图所示【5 1 】。 r e f 5l 】c u ( 1 1 1 ) 与其他典型催化剂对鲁米诺- 过氧化氢体系的催化效果比较 鲁米诺：o o l 一1 m ；催化剂浓度：o 1 m m ；过氧化氢：h 2 0 2 ：5 1 0 母m 鲁米诺过氧化氢d p c 体系的优点还在于由于d p c 出色的催化效应，过氧化 氢氧化鲁米诺的化学发光在低的试剂浓度条件下也能发生。在c u i i ) 的催化作用 下，碱性介质中( p h = 8 1 2 ) ，低浓度的过氧化氢( 9 5 ) 由陕西师范大学( 西安，中 国) 提供。高碘酸钾( 0 4 ) 上海化学试剂公司( 上海，中国) ；过二硫酸钾( k 2 s 2 0 4 ) 购 自上海爱建化学试剂公司( 上海，中国) ；五水合硫酸铜( c u s 0 4 5 h 2 0 ) 和氢氧化钾 ( k o h ) 购自重庆化学试剂公司( 重庆，中国) ；过氧化氢( h 2 0 2 ，3 0 ) 购自重庆东施 化学试剂公司。使用的试剂均为分析纯，使用前不需进步提纯。实验用水是去 离子的二次蒸馏水。 配制o 0 1 m o l l 1 的鲁米诺储备液：将1 7 7 2 9 鲁米诺用o 1m 0 1 l 1n a 2 c 0 3 缓冲 溶液溶解，用二次水稀释至1 l ，使用前放置2 4 小时以上。该储备液避光保存可稳 定存放至少一个月。参照已有文献 2 5 】，在强碱性介质中，合成o 0 1 m o l l 1 的d p c 溶液：准确称取o 2 3 9 0 4 、o 1 2 5 9c u s 0 4 5 h 2 0 、0 1 4 9n a 2 s 2 0 8 、k o h ( o 8 9 ) 和 3 0 m l 二次水共煮沸并保持微沸2 0 分钟直至得到澄清的棕红色溶液，冷却并稀释 至5 0 m l 。该溶液放置冰箱内0 4 保存可稳定数月，实验时现配现用。d p c 储备 溶液根据九= 4 1 5 n m 处的吸收用紫外可见分光光度仪定性测定。配制0 1 i n o ll 1 的 过氧化氢储备液：准确移取1 1 2 m l3 0 ( v ) 过氧化氢稀释到1 0 0 m l 。该储备液的 标定可通过测定紫外吸收实现。使用前逐级稀释该储备液配制工作标准溶液。通 常纯化后的实验用水中含有痕量的过氧化氢，例如超纯水( 使用m i l l i q 纯水器处理 后的水) ，因此，我们将放置于阳光下暴晒的二次水作为我们的实验用水。这样的 处理是为了降低化学发光信号的背景。 2 2 仪器 流动注射化学发光系统( ：雾霪引妻蚤薹萋善羹鬓 x 两南火学博十学位论文 图1 流动注射一化学发光系统示意图 p ：蠕动泵；m ：k y ”型三通；v 注样阀；f ：流通池；p m t 光电倍增管；h ：避光室；p c ：计算机；w ：废液； a ：d p c 溶液；b ：鲁米诺溶液；c ：二次水或过氧化氢标准溶液或样品 2 3 实验方法 流动注射一化学发光方法如图1 所示，蠕动泵分别以2 om l m i n 。1 的流速将过氧化 氢标准溶液或样品溶液与鲁米诺溶液通过相应的管道输入流路。当注样阀位于采 样位置时，在m 点混合的鲁米诺和分析物流经整个流路，记录仪记录的时稳定的 基线；当注样阀位于注样位置时，鲁米诺和分析物的混合溶液流经样品环( 7 5p l d p c ) ，将d p c 溶液载入流通池中，产生化学发光。我们选择了注射d p c 的模式， 因为鲁米诺和过氧化氢体系在无催化剂d p c 的条件下，基线很低。光电倍增管工 作高压8 0 0 v 。在线性范围内，发光强度的增量觚蜕也五和而分别对应过氧化氢 和水空白的信号值) 与对应的过氧化氢浓度成比例，实现对过氧化氢的定量测定。 样品收集呼出冷凝物的收集方法与n o w a l 【报道的方法相似 1 0 】。简而言之，所 有采样对象采样前用纯净水漱口，采样过程中用鼻夹防止对象用鼻呼吸。采样时， 对象通过连接在烧杯上的吹口呼吸，玻璃蛇型管包裹烧杯外部，用冷水冷却烧杯 收集呼出冷凝物。收集的样品于- 2 0 一2 5 保存，在一周内完成分析测定。考虑到 重现性和稳定性，我们采用标准加入法( 即加入已知量的过氧化氢标准溶液) 采集的 样品进行测定。 西南大学博十学位论文 浓度增大而增大。当d p c 浓度高于l 1 0 。4m o ll ，由于高浓度溶液中的臼吸收， 化学发光强度略有降低。我们在以后的实验中，选用的d p c 浓度为l l o 。4m o l l - 1 。 图3d p c 浓度对发光强度的影响 鲁米诺4 l o 7 m o il 1 ：过氧化氢lxl 仃7 i m ll ；流速2 o m lm i n 。 鲁米诺一过氧化氢一金属离子的反应在中性或酸性介质条件下并不产生化学发 光，该体系必需是在碱性条件下才能进行。此外d p c 是在强碱性介质( k o h 溶液) 条件下制得。因此我们在鲁米诺溶液中加入0 1 m 的k o h 调节介质的p h 值。我 们试验了介质p h 值在8 1 2 对化学发光强度的影响，如图4 所示。当p h - 1 l 时化 学发光强度达到最大值。考虑到高的灵敏度和准确度，在以后的实验中，我们选 择了p h = 1 l 的鲁米诺溶液o h ) 。 皇is昌u：ii厂lu u a l i b 弓笛 第二部分作为催化剂超常蓁竺i 耄ii ；l 鬟耄蒌萋萋蠢鬻霪 蘩羹茎囊；奏蠹季三i 鞫耋i 窭冀i 琴童! 垂i i 詈萎 薹蚕奏羹蓁蓁羹薹薹霎篓蠢雾囊囊妻雾耋蓁霪 薹茎薹i 事i 囊i 霪耋i 薹i i 堇霎妻! i 孽i ；三言薹l 圣i i 萋篓喜耋l 主i 萋誊；堂i 塞；萋蓁茎i 主茹蘑蔫”2 蓄姜夔錾幕引羹薹；需薹饕鋈雾蓁霎| 冀蠢羹誊l 髫冀囊堑丽? 蜘耋萋囊羹雾薹 鋈薹雾薹耋；l 蠢惴薹l 窭l 1 ) 和低浓度的过氧化氢( 一-嚣一。篮 两南大学博十学位论文 t i m es c h e d u i e 图6 男性和女性样本的呼出冷凝物中过氧化氢含量随 零霎| i 薹辇霪墓雾扣量薹蕃雪薹骜雾霎翼塞誓叶荔鬟哆藿霪；霎夔! ! 篓雾囊霎羹璧薹墓篓冀鎏霪而雾篓耋 薹蘑卅萎耋奏主 崖萋竖薹奏馐漏薹萎藿赣辫糕糯能嘏铂瑟薹霎芎兰丽衙耋i 蠢奸芫持移耀甾键毯 龠锊靖移结薹圜- 丽i 璺黔委 报道的测 定香烟烟雾冷凝物中过氧化氢的方法包括电子顺磁共振自旋捕集法【1 5 】，比色法 【1 6 】，荧光法 1 7 】。自旋捕集法需要昂贵的电子顺磁共振装置，缺乏样品预处理( 分 馏) 详尽的基本信息说明。而最为常用的比色法则包括复杂的样品预处理过程，例 如可溶性有机馏分的分离和使用氮气去除残留的有机溶剂等。荧光法最显著的特 点是灵敏度高，对过氧化氢的测定多基于以辣根过氧化物酶为催化的底物氧化后 荧光强度的增强或减弱而实现的 1 8 】。颜飞等应用锄p l e x 红h r p 荧光法测定了过 氧化氢，检出限仅为1 0 刁m 0 1 l 1 【1 7 】。 两南大学博十学位论文 第三节测定香烟烟雾中的过氧化氢的超灵敏和 高选择性的化学发光新方萎 鐾薹i 罐薹霎鎏囊筒等豢霎翼萎蓁薹蓁霎蓁蓁薹蓁蓁薹雾蓁雾捌翼冀羹嘉羹嘉j 羹羹薹呱 篓羹羹霎 萋爹荔薹霎垂奏冀薹为蓁囊饔羹羹鍪；段藿j 霎蓁鬟鎏囊羹黍霎蓁萎萋蓁穗雾冀 耋蔷墓霎薹耋薹譬薹薹薹引妻薹| ；萎翟蕉堡蓁蓁靳雾薹篓塞茎羹i 萋霎妻叁丙菩羹夏萎季 薹仰ji 耄i 妻霎i 子，结果表明，1 0 0 0 倍的c 0 2 + ，c ，c p ，c “v i ) ，n i 2 + ， c u 2 + ，c u +，m 孑+ ，f e 2 + ，f e ”，p b 2 + ，a 1 3 十，z n 2 + ，m n 2 + ，c d 2 + ，s n 2 + ，f e ( c m 6 孓，n h 4 + ，f ，b r ， c 2 0 4 玉，i o3 ，s e 0 3 2 。，尿酸，柠檬酸，l o 倍的葡萄糖，果糖不干扰。此外，鲁米诺过 氧化氢辣根过氧化物酶( 冲) 因其较高的灵敏度常用于测定过氧化氢，结果表明， 即使是浓度达1 o l o 击m o l l 1 的h i 心也不干扰实验，原因在如此低的试剂浓度条 件下h r p 对该体系的催化作用不明显。干扰实验结果表明该方法具有良好的选择 性克实现痕量过氧化氢的测定。 3 5f 卜cl 方法的应用 该f i c l方法用于测定人的呼出冷凝物中的过氧化氢。采样过程在“实验方 法 部分已详细叙述。收集0 0 3 9 人的呼出冷凝物，加入已知量的过氧化氢标准溶 液，用二次水稀释到2 5 m l ，直接用于分析测定。表2 是加标回收实验结果。结果 表明该方法可用于测定呼出冷凝物中的痕量过氧化氢。 表2e b c 样品的加标回收实验结果 为测定呼出冷凝物中过氧化氢含量在一段时间内的变化情况，从上午9 ：3 0 到下 午4 ：3 0 ，每隔一个小时采样一次，采样对象分男，女分别进行了研究，结果如图6 所 示。无论对象是男或女，呼出冷凝物中过氧化氢含量最大值均出现在下午2 ：3 0 。图 5 的结果表明 x 笫一：部分作为催化剂超常氧化态铜( 1 1 1 ) 配离子的应用研究 2 3 实验方法 流动注射化学发光体系 如图l 所示，过氧化氢标准溶液或样品溶液与鲁米诺溶液通过相应的管道以2 om l m i n - 的流速输入流路在m 点混合，并作为d p c 的载流，通过十六通注射阀， 将7 5 此d p c 溶液载入流通池中，产生化学发光。我们选择了注射d p c 的模式，因 为鲁米诺和过氧化氢体系在无催化剂d p c 的条件下，基线很低。光电倍增管工作 高压8 0 0 、，。在线性范围内，根据发光强度的增量觚删：也。五和，o 分别对应过氧化 氢和水空白的信号值) 对过氧化氢进行定量测定。 a b c w 图1 流动注射一化学发光系统示意图 p ：蠕动泵；m ：。y ”型三通；v 注样阀；f ：流通池；p m t 光电倍增管；p c ：计算机；w ：废液； a ：d p c 溶液；b ：鲁米诺溶液；c ：二次水或过氧化氢标准溶液或样品 样品收集 香烟烟雾用自制的产烟装黄产生。详细的说明如下：2 5 0 l i l l 玻璃双颈烧瓶用 于收集香烟烟雾。将香烟( 约8 4 m m ) 插在移液枪头的开口一端，另一端( 尖端) 与抽 气泵的泵管相连。将香烟通过双颈烧瓶的一颈上的塞子，直插入烧瓶中部( 约为烧 瓶球形高度的一半处) 。1 m l 磷酸钾缓冲溶液( p b s ，5 0 1 1 1 m ，p h = 7 4 ) 滴入烧瓶中，通 过振荡溶液使之附着在烧瓶内壁形成均匀的液膜。是为了保证香烟烟雾的绝大多 数能被该液膜所捕集。香烟点燃后，烟雾导入烧瓶中，不断轻摇烧瓶使烟雾溶于 p b s 中。为模拟烟雾反应，通过轻摇烧瓶，香烟燃烧生成的烟雾和烧瓶底部的液 膜反应，而避免了直接鼓泡。在香烟燃烧过程中，5 分钟内在烧瓶中收集1 0 股烟 雾，最后通过微孔滤膜( 孔径0 2 2 p m ) 可收集到约o 5 m l 的黄色液体作为样品供实 验用。没有特别说明，所有样品均为测定前采集，室温下需避光放置。采样用的 两南大学博十学位论文 香烟烟雾中的过氧化氢能帮助解释其致病机理，亦对降低香烟危害及质量控制有 现实的愿意。该f i c l 方法能有效用于测定香烟烟雾中的过氧化氢含量。实验结 果表明整支香烟能产生毫克级的过氧化氢。该方法具有灵敏度高，选择性好的特 点，其测定结果在更深入的研究中，有助于解释香烟的致病机理。 第二：部分作为催化剂超常氧化态铜( i t t ) 配离子的府喟研究 第四节化学发光新方法测定超声波辐射水溶液 产生的羟基自由基 摘要：从安全角度考虑，超声场测量显得尤为重要。对超声场的研究可以通过测定由于空穴 效应产生的羟基自由基实现。本文介绍了一种测定羟基自由基的新方法，该方法是基于鲁米 诺过氧化氢k 5 【c u ( h 1 0 6 瑚( d p c ) 的化学发光反应。通过测定与过氧化氢浓度成正比的相对发 光强度来计算产生的羟基自由基。结合流动注射技术，化学发光方法能在线，实时检测超声 波辐射的水溶液产生的羟基自由基。该方法具有灵敏度高的特点，对过氧化氢的测定检出限 达4 1 1 0 1 1m o ll - 1 ，能用于测定超痕量过氧化氢的测定。应用该方法，我们研究了羟基自由 基产量于单位体积超声输出功率，超声时间的关系。结果表明：羟自由基的产量随单位体积超 声输出功率增加而增加。羟自由基的产量与超声时间呈良好的线性关系。对超声清洗器的超 声场中羟自由基的产量的空间发布进行了研究。 1 引言 近年来，超声波得到了广泛的关注和深入的研究。不仅仅是因为其作为基础 科学的复杂性，更因为它很多领域的广泛应用。例如超声波清洗器的使用已经相 当普遍。在商业用途方面，超声波被用于食品、药品和农副产品的加工【l 】以及废 水的深度处理 2 】。超声波技术的医学应用主要包括诊断和治疗。作为一种无创的 诊断工具，体外胎音超声波扫描( 3 1 0 m h z ) 仍然相当的普遍。至今许多的解剖部位 仍得益于超声波扫描技术。而通过测定超声波的传输速度和衰减程度 3 ，4 】，高频率 ( 3 0 m h z ) 的超声扫描被用于骨健康的确诊和骨质疏松症的诊断，原因还在于它和 x 光检查技术一样，是非破坏型的技术。超声波无创诊断技术在产科学上也有应 用 5 】。而它在治疗上的应用更为丰富，从碎石术【6 】、外科手术 7 】，到物理疗法 8 】 都能看到这种技术的运用。此外，高频的超声波不但有助于海洋学 9 】领域的研究， 在考古学 1 0 】上也有应用。深入研究超声现象不仅对学术研究有重要意义，同时亦 能为其工程应用的进一步研究提供可靠的补充性数据。 对于声场的测量最初出于安全的考虑而发展起来的。随后，鉴于超声波的声 场性质和其分布信息对衡量超声系统性能的重要意义，越来越多的超声应用领域 都需要对声场进行准确的描述。因而声场测量的学术研究引起了越来越多研究者 的关注。在此基础上的各种测试技术和手段也日益丰富。这些方法多是基于评估 由于超声波传播时的空穴现象而产生的各种效应实现对超声场的研究 1 1 】。这些针 对各种不同超声效应的测量方法主要包括热效应( 局部高温、整体升温) 测量、机械 4 l 妁南大学博十学何论文 效应( 声冲流、冲击波、微射流) 测量、光效应( 声致发光) 测量和化学效应测量( 水 溶液中产生羟基自由基和加速化学反应) 测量等。例如热效应测量方法主要是用热 传感器测定超声介质的温度升高，但传感器在声场中易于空化腐蚀，该类方法的 重现性和灵敏度都受到考验而且测量对象多为介质中的总声功率和平均声强，却 无法对声场分布进行描绘。机械效应的测量主要包括辐射力法和水听器法，辐射 力法较水听器法先出现，它主要是测定超声场中的单向辐射力，通常是以线性传 播为研究模型，介质在超声场中的空化效应对测量结果有很大的影响 1 4 】。而水昕 器法能提供有关声场空间分布和局部声压强度的数据，一般的水听器由于它们频 带的限制而不能用于低频高强空化场的测定【1 5 】。通过直接测定声压，压点水听器 【1 6 ，1 7 】和光纤水听器【1 8 】常用于高强空化场的时空性质的测定。光效应测量方法用 光电倍增管( p m t ) 或相机 1 9 ，2 0 】记录声致发光强度而了解空化场的发布情况。化学 效应测量主要包括薄膜腐蚀法【2 1 】，染色法【2 2 】和碘释放法【2 3 】。这些方法的缺点 主要是测量误差大( 如薄膜腐蚀法) ，干扰因素多造成的伪迹影( 如染色法) 。 超声场的空化作用的产生，不仅容易损坏使用的测量传感器，而且产生的空 化气泡会散射由声源发出的超声波，振荡的气泡会产生自己的信号，干扰声源信 号的测定。而空化效应能产生自由基( o h ) 也是众所周知的。当超声波辐射水溶液 时，大量的空化气泡在极小的范围和极短的时间破裂，是瞬时的局部压力和温度 急剧上升( 压力达1 0 4p ，温度达1 0 4k ) ，在这样的极端条件下，产生o h 和h 这 类活性自由基 2 4 】。对超声场化学效应的测量是通过直接或间接定量测定体系的羟 基自由基实现的。薄膜腐蚀法，染色法和碘释放法属于间接测定类的方法，利用 了分析物对体系中羟基自由基的清除效应。w e i s s l e r 反应和f m 【e 放射测定法则是 直接测定体系中的自由基【2 5 】，然而该类方法易受体系其他的活性氧的影响，只要 是h 0 2 和h 2 0 2 。羟基自由基通过复杂的自由基反应( 主要是羟基自由基的再结合 反应) 最终形成稳定的h 2 0 2 2 6 】。实时在线检测超声场的过氧化氢的产量既能计算 超声水体系的羟基自由基，也能有效评估超声场的空化效应。视过氧化氢