ZM-荧光同时测定稀土金属.doc

荧光猝灭法同时测定稀土铕（）和铈（IV）杨季冬本文系国家自然科学基金（No. 21175015），教育部春晖计划（Z2009-1-63003）资助项目；* E-mail: 。1,3 张 敏1 朱乾华2 周 尚2 1(西南大学化学化工学院，重庆400715) 2(长江师范学院化学化工学院，重庆408100)3(重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆404100)摘 要 在pH为3.353.85的Britton-Robinson缓冲溶液中，铕（III）和铈（IV）均能与泛昔洛韦形成络合物，使泛昔洛韦的荧光显著猝灭。该体系荧光波长为ex/em = 304 /370nm，且在一定范围内荧光猝灭程度（F）与铕（III）和铈（IV）的质量浓度成正比，但荧光强度的减弱随铕（III）和铈（IV）的质量浓度的线性增幅存在显著差异。结合两组分荧光光谱强度的加和性，可建立双组分信号响应的两条同原射线的计量分析法。方法对铕（III）和铈（IV）的检出限分别为8.68、18.0 ng/mL，线性范围分别为0.053.2，0.13.2 g/mL。将该方法用于合成样品中铕（III）和铈（IV）的同时测定，取得满意结果。关键词 荧光猝灭法；泛昔洛韦；铕；铈1 引 言我国有丰富的稀土资源，稀土元素的应用十分广泛，可用于军事、冶金工业、石油化工、玻璃陶瓷工业、农业及高新技术等各个行业。铕系轻稀土，它在评价稀土质量、地球化学探矿普查等工作中，系属重要的指示元素。在电视机、计算机及各种显示器的生产中大量使用。植株可吸收环境中的铕，而人类通过食物链摄入，人体中稀土元素铕超标会导致许多疾病的发生1。铈是自然界中分布较多的一种稀土元素，随着对稀土离子研究的不断深入，发现了铈对生物及人体健康的作用，铈具有很好的生物活性和一定的抗肿瘤潜能，对一些农作物有促长增产作用2-3，因此，测定环境样品中痕量的铕和铈对人类健康与保护环境均具有十分重要的意义。目前对铕和铈的检测方法主要有分光光度法4-5、荧光光度法6-7、化学发光法8、原子发射光谱法9、原子吸收光谱法10、电化学方法11。其中分光光度法虽然操作简便快速，仪器与试剂价格低廉，但灵敏度较低，原子发射光谱法、原子吸收光谱法、电化学方法，由于仪器价格昂贵，难以普及使用而且样品处理过程复杂。近年来，用荧光猝灭法测定稀土铕的研究已有文献报道12。但以核苷抗病毒类药泛昔洛韦为探针，用荧光猝灭法同时测定稀土铕（）和铈（IV）还未见有文献报道。本文研究发现，在BR介质中，微量铕（III）和铈（IV）的加入可使泛昔洛韦的内源性荧光显著猝灭，且在一定范围内荧光猝灭（F）与铕（III）和铈（IV）的质量浓度成正比，但荧光强度随铕（III）和铈（IV）的质量浓度的线性增幅存在显著差异。因此可用荧光光谱和同原射线计量分析法对铕（III）和铈（IV）进行同时测定，将该方法应用于合成环境样品中铕（III）和铈（IV）的同时测定，结果令人满意。2 实验部分2.1 仪器与试剂Hitachi F-2500型荧光分光光度计（日本，日立公司），测定参数：狭缝宽度10 nm；U-3010紫外/可见分光光度计（日本日立公司）；pH-S20K型精密pH计（上海梅特勒-托利多仪器有限公司）。泛昔洛韦（FCV，中国药品生物制品检定所）溶液：配制为6.210-4 mol/L的贮备溶液，用时稀释至6.210-5 mol/L作为工作溶液；铕（III）标准溶液：准确称取0.1000 g Eu2O3于干燥烧杯中，加10 mL盐酸（1+1）溶液，低温加热溶解至清亮，冷却至室温，移入100 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀。此溶液1 mL含1 mg氧化铕，使用时稀释至10.0 g/mL作为工作溶液；铈（IV）标准溶液：100 g/mL，称取Ce(SO4)24H2O 0.2885 g于250 ml烧杯中，加入H2SO4（1+1）8 ml和少量水溶解后，移入1 L容量瓶中，用水稀至刻度，混匀。使用时稀释至10.0 g/mL作为工作溶液；Britton-Robinson（BR）缓冲溶液：用0.04 mol/L H3PO4，H3BO3和CH3COOH与0.2 mol/L NaOH溶液按一定比例混合，配成不同pH值的缓冲溶液，并用酸度计校正其pH值。其它所用试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。2.2 实验方法在室温下，向10 mL比色管中，依次加1.0 mL pH = 3.6的BR缓冲溶液，再加入0.45 mL 6.210-5 mol/L的FCV溶液和适量的铕（III）和铈（IV）标准溶液，每加一种溶液后混合均匀，加水稀释至刻度并摇匀，静置5 min，加入1 cm荧光石英池中，以304 nm为激发波长，在波长为370 nm处测量溶液的发射强度（F），同时作试剂空白（F0），FF0F。3 结果与讨论3.1 荧光光谱图泛昔洛韦具有强荧光发射，其荧光发射光谱如图1 A所示，最大发射波长为370 nm（曲线1，1），当有Ce4+或Eu3+存在时，泛昔洛韦的荧光峰位置虽然没有变化，但荧光发射强度受到明显的抑制（曲线2，2和3，3），且荧光猝灭值F均随Eu3+、Ce4+质量浓度的增大而增大，但两体系的荧光相对强度有显著差异。由图1 B可知，由Eu3+与Ce4+以一定比例混合成系列不同的浓度，在370 nm处其荧光猝灭程度（F）也随混合物的质量浓度增大而增强，说明2种稀土离子在混合体系中具有光谱加和性，且在一定浓度范围内荧光猝灭与混合物浓度呈线性关系。基于此可根据Eu3+和Ce4+体系的荧光猝灭程度测得2条标准曲线，并根据2条标准曲线围成的扇形面积和二元一次方程图解法，可求得扇形面积内测量点的混合物总量和2种稀土离子的含量比。从而建立荧光光谱和同原射线计量分析法同时测定Eu3+和Ce4+的分析方法，方法具有高的灵敏度和很好的计量选择性。图 1 反应体系的荧光光谱图Fig. 1 Fluorescence spectra of the reaction systemA：a，a. FCV；b，b. FCV+Ce；c，c. FCV+Eu；CFCV = 5.610-6 mol/L；Eu =Ce = 1.0 gmL-1；pH = 3.6；B：ah：(Eu+Ce)= 0，0.05，0.32，0.72，1.2，2.0，2.4，2.8 g/mL；CFCV = 5.610-6 mol/L；pH = 3.62.2 适宜的反应条件2.2.1 反应介质和酸度的影响考察了BR，HAc-NaAc和HCl-NaAc等不同缓冲溶液对反应体系的影响，结果表明，BR缓冲溶液作反应介质时效果最好。当用BR缓冲溶液作反应介质时，溶液酸度对荧光强度的影响如图 2所示，表明 2种反应体系适宜的pH值范围相似，两体系的最佳pH范围为3.353.85。故实验选用 pH= 3.6的BR缓冲溶液作为反应介质，其用量为1.0 mL。 2.2.2 泛昔洛韦浓度的影响图 2 酸度对荧光强度的影响Fig. 2 Effect of acidity on fluorescence intensitya. FCVEu；b. FCVCe；CFCV = 5.210-6 mol/L；Eu =Ce = 1.0 gmL-1图 3 FCV浓度对荧光强度的影响Fig. 3 Effect of FCV concentration on fluorescence intensitya. FCVEu；b. FCVCe；Eu =Ce = 1.5 gmL-1；pH = 3.6在选择的最佳酸度下，考察了FCV的浓度对体系荧光强度的影响，如图 3所示，2种反应体系泛昔洛韦适宜的浓度范围均为5.010-6 mol/L6.210-6 mol/L。FCV为荧光物质，其用量对体系的荧光强度有直接影响。浓度太大时，猝灭作用不明显；浓度太小，线性范围变窄。兼顾灵敏度和线性范围，本实验选用FCV的浓度为5.610-6 mol/L。 2.2.3 温度对荧光强度的影响图 4 温度对体系荧光强度的影响Fig. 4Effect of temperature on fluorescence intensity（inset: Effect of temperature on FF0）a. FCVEu3+；b. FCVCe4+；CFCV = 5.610-6 mol/L；Eu3+ =Ce4+ = 1.0 gmL-1；pH = 3.6考察了温度对体系RRS强度的影响。结果表明，在1535 条件下，最大且稳定；3545 之间呈直线下降趋势， 超过45 时下降趋势更加明显，故实验选择在室温下进行。2.2.4 试剂的加入顺序及体系的稳定性实验考察了稀土、FCV、BR缓冲溶液；稀土、BR缓冲溶液、FCV；FCV、BR缓冲溶液、稀土，3 种试剂加入顺序对体系的影响。结果发现，试剂加入顺序对几乎没有影响。实验对体系的稳定性考察发现，体系在室温下可以稳定120 min以上，表明荧光强度具有良好的稳定性。2.2.5 离子强度的影响以加入NaCl的方法，实验了离子强度对荧光猝灭的影响。结果表明，NaCl的加入对体系的值影响不大。因此该反应体系可以允许较大离子强度存在。2.2.6 表面活性剂的影响图 5 FCV与Eu3+和Ce4+相互作用的同原射线图Fig. 5 Rays chart with same one point ofFCV- rare earth compounds system1. FCVEu3+；2. FCVCe4+；3. FCVEu3+ +Ce4+；the experimental conditions were thesame as those described in Fig. 1研究了表面活性剂溴化十六烷基三甲基铵（CTMAB）、十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（DDBS）、十二烷基硫酸钠（SDS）对体系荧光强度的影响。结果表明，表面活性剂对体系均无作用，因此该体系中不加入表面活性剂。2.3 标准曲线及其相关参数在适宜的反应条件下，分别以不同质量浓度的Eu3+、Ce4+及其混合物与FCV反应，在最大发射波长处测定荧光强度，并以荧光猝灭值（F）对稀土离子的质量浓度作图，绘制标准曲线，标准曲线的有关参数列于表1，由表1可见，方法具有高灵敏度。图 5是FCV与Eu3+、Ce4+相互作用的同原射线示意图，直线 3是Eu3+和Ce4+以 3：1混合后与FCV反应体系的标准曲线，3条标准曲线相交于原点附近。直线 1和直线 2分别为Eu3+-FCV、Ce4+- FCV体系的标准曲线形似“射线”，两条直线相交于“同一原点”（0.06，423.0），围成一定范围的扇形面积，据此可测量得到混合物总量和2种稀土离子的含量比，再用二元一次方程图解可计算得到2种稀土离子的含量 13-14。表 1 标准曲线的相关参数及其检测限Table 1 Related parameters for the calibration graphs and the detection limits of Eu3+ and Ce4+体系 测定波长/nm 回归方程 相关系数/r 线性范围/gmL-1 检出限/ngmL-1System Measurement Linear regression Correlation Linear range Detection limitwavelength/nm equation /(mgL-1) coefficient(r) / (mgL-1) / (gL-1)Eu3+- FCV 370 F=273.17+2510.59c 0.9988 0.053.2 8.68Ce4+- FCV 370 F=350.75+1211.00c 0.9993 0.13.2 18.0Eu3+Ce4+-FCV 370 F=335.31+2136.76c 0.9968 0.052.8 10.22.4 荧光猝灭反应类型荧光猝灭包括静态猝灭和动态猝灭15。静态猝灭是猝灭剂和荧光物质分子在基态时生成不发光的配合物，从而导致荧光强度降低的过程。动态猝灭是指猝灭剂与荧光物质的激发态分子之间所发生的与扩散有关的相互作用过程，如能量转移或电子转移过程。二者的显著区别是：（）基态配合物的生成往往将引起荧光物质吸收光谱的改变。相反，动态猝灭只影响荧光分子的激发态，并不改变荧光物质的吸收光谱；（）温度升高可降低基态配合物的稳定性，因而减小静态猝灭的程度，而动态猝灭与扩散有关温度升高将增大扩散系数，从而增大双分子猝灭常数16。以下从吸收光谱和温度效应两方面来探讨猝灭机理。图 6 吸收光谱Fig. 6 Absorptionspectraa. FCV；b. FCVCe4+；c. FCVEu3+；CFCV = 1.810-5 mol/L；Eu =Ce = 30 gmL-1；pH = 3.6图6显示了FCV本身的最大吸收光谱max304 nm，Eu3+、Ce4+与FCV反应后吸收光谱发生明显变化，不仅吸光度值降低，而且最大吸收波长略为红移，max分别为12 nm和6 nm；图4中的小插图表明随着温度的升高荧光猝灭率（FF0）降低。由于吸收光谱的改变和荧光猝灭作用随着温度升高而降低是静态猝灭反应的两个重要特征，因此由实验结果可推断Eu3+、Ce4+对FCV荧光猝灭是一种静态猝灭。2.5 分析应用2.5.1 同时测定Eu3+和Ce4+的荧光光谱分析方法的建立（1）加和性的测试: 由标准混合物测得的荧光强度和单组分标样测得的荧光强度之和的计算值对照结果表明，在所选波长下相对误差小于5%，说明其加和性很好。（2）方法的选择性试验: 在370 nm处以Eu3+-Ce4+（3：1）混合物（总量为1.0 g/mL）进行实验，相对误差5%时，共存离子的最大不干扰倍数为: NH4+（250），Ca2+（150），Mg2+（160），Ba2+（220），As3+（20），La3+（15），Sb3+（10），Mn2+（200），K+（400），Na+（400），Fe3+（35），Cu2+（45），Zn2+（100），Y3+（8），Hg2+（55），Ni2+（50），Gd3+（5），Cl-（400），NO3-（100），CO32-（200），SO42-（150），柠檬酸（90）。由于其它稀土离子浓度较大时对Eu3+和Ce4+的测定有不同程度的干扰作用，故采用多点增量法测定了合成样品中的回收率。（3）同原射线计量分析法的建立: 根据2.3的分析，可建立同时测定Eu3+和Ce4+的荧光光谱的同原射线计量分析法。以Eu3+- FCV体系的标准曲线和Ce4+-FCV体系的标准曲线作为2条相交于同一点的标准曲线，如图5形成扇形面积范围。在370 nm处的实验测量点，若落在Eu3+- FCV体系的标准曲线（直线 1）上则可计算Eu3+的含量；若落在Ce4+-FCV体系的标准曲线（直线 2）上则可计算Ce4+含量；若混合物落在 2条同原射线围成的扇形面积范围内，如在虚线 3上，则可借助二元一次方程的图解法求得Eu3+和Ce4+的含量比，即如图5所示，Eu3+ /Ce4+ =（F2 + F1）/F1，再由测量点对应的横轴值可直接量得混合物的总量，即可分别计算出Eu3+和Ce4+的含量。2.5.2 实际样品中Eu3+和Ce4+的同时测定 按照前述实验过程，用荧光光谱法和双标准曲线计量分析法同时测定人工合成样品中的Eu3+和Ce4+。结果列于表2中，从表2可见，结果令人满意。表 2 合成样品的回收率测定（n=5）Table 2 Synthetic sample test results and recovery合成样品中共存离子 加入量 测得值 RSD/% 回收率Coexistence ion Added（g/mL） Found（g/mL） Recovery（%）in synthesis samples Eu3+ Ce4+ Eu3+ Ce4+ Eu3+ Ce4+ Eu3+ Ce4+Ba2+,Mg2+,Ca2+,Gd3+,Cl- 0.10 0.10 0.103 0.105 2.0 3.2 103 105K+,La3+,Fe3+,Na+,NO3- 0.60 0.60 0.598 0.604 1.2 1.1 99.7 100.7Mn2+, Zn2+,Cu2+, SO42-, Sb3+ 1.00 1.00 1.023 1.022 4.3 4.3 102.3 102.2References1 XU Guang-Xian. 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