SSRTP测定痕量Cd(Ⅱ).doc

催化KIO3氧化萘酚绿固体基质室温磷光法测定痕量镉Cd()Solid Substrate Room Temperature Phosphorimetry for Determination of Trace Cd() Based on Its Catalytic Effect on KIO3 Naphthol Green 2011年6 月3 日 目 录中英文摘要（） 1 前言（1）2 实验部分（2）2.1仪器与试剂（2）2.2实验方法（3）3 结果与讨论（3）3.1磷光光谱（3）3.2测定条件（4）3.2.1试剂浓度与用量（4）3.2.2 氧化剂种类对体系的影响（4）3.2.3 pH值对体系的影响（5）3.2.4反应温度与时间（5）3.2.5离子微扰效应对体系的影响 （5）3.2.6 固体基质对体系的影响（6）3.2.7体系稳定性（6）3.3 工作曲线，线性范围，精密度与LD（6）3.4 共存离子的影响（7）3.5 样品分析（7）3.6 反应机理（7）4 结束语（8）参考文献（9）致谢（10）13摘要 在100C反应10min条件下，以Pb2+为离子微扰剂时萘酚绿(R)在醋酸纤维膜（ACM）固体基质上不仅可发射强而稳定的磷光，而且能被KIO3氧化为R而发生磷光信号猝灭； Cd2+与R作用形成(R)2 Cd络合物，同时(R)2 Cd络合物又被KIO3 氧化为R和Cd2+，生成的Cd2+继续与R作用形成(R)2 Cd络合物，从而加速KIO3氧化R反应的进程，导致体系的磷光信号剧烈猝灭，且Cd2+的含量与体系的IP成线性关系，据此可用络合物磷光法测定痕量Cd2+。该方法的线性范围为0.016-16 fg spot1 ,工作曲线的回归方程IP =1.772+6.665 m Cd2+（fg spot1）,n = 5，相关系数r = 0.9990,检出限（LD） =3.6 ag spot1。本方法成功用于水样品中痕量Cd2+的测定。同时探讨了络合物催化磷光法测定痕量Cd2+的反应机理。关键词：Cd()，KIO3，萘酚绿，催化固体基质室温磷光法AbstractNaphthol green (R) could emit strong and stable room temperature phosphorescence (RTP) with the perturbation effect of Pb2+ ion on the surface of nitrocellulose membrane (NCM) under the condition of 100 C and 10 min. And KIO3 could oxidize R to R causing the RTP of R to quench. Cd2+ reacted with R to form the complex (R)2Cd which could be further oxidized by KIO3, then the process of KIO3 oxidizing R was accelerated and the RTP of the system was seriously quenched. Based on the linear relationship between the content of Cd2+ and the IP of the system, a new complex phosphorimetry for the determination of Cd2+ has been established. The linear range of this method was 0.016-16 fg spot1, the regression equation of working curve was IP = 1.772 + 6.665 m Cd2+（fg spot1, n =5) with correlation coefficient (r) of 0.9990 and detection limit (LD) of 3.6 ag spot1. This sensitive, simple and rapid method has been applied to determine trace Cd2+ in water samples. Simultaneously, the reaction mechanism was also discussed.Keywords : Cd()，KIO3，Naphthol Green, catalytic solid substrate room temperature phosphorimetry1. 前 言 镉对人体肾、肺、肝、睾丸、脑、骨骼及血液系统均可产生毒性,不仅被美国毒物管理委员会(A TS-DR) 列为第6 位危及人体健康的有毒物质，而且被国际抗癌联盟( IARC) 定为级致癌物1。世界卫生组织规定生活饮用水中镉的含量不得超过0. 003 mg/ L1。随着现代社会的发展, 大量排放的工业废水和生活污水更加重了镉的污染2，显然，镉的含量与人体健康密切相关、同时将污染环境、食物链等。为消除镉的污染源和维护人体生命安全，镉的毒性与含量的测定引起人们的广泛关注。文献已报道过多种测定痕量镉的方法,如石墨炉原子吸收法(LD为6.01011 g ml1) 1、荧光猝灭法 ( LD为1.21010g ml1) 3、共振光散射法 ( LD为1.3 10 8 g ml1) 4、流动注射分光光度法（LD为5.01011 g ml1）5和溶出伏安法（LD为2.21010 g ml1）6等。这些方法的最低LD为5.01011 g ml1，不能满足试样中pg级镉测定的需要。因而探索高灵敏、准确、精密的测定体液和污染源中镉的含量的新方法具有重要意义而学术研究价值。高灵敏的SS RTP已用于痕量铜8 、铝9、蛋白质10 等的测定，显示了SS RTP有广阔的应用前景。本文考察了Cd()灵敏催化碘酸钾氧化R的最佳条件和可行性，建立Cd()催化KIO3氧化萘酚绿固体基质室温磷光法(SSRTP)测定痕量Cd()的新方法。该方法灵敏度高，并成功用于水样中痕量Cd()的测定，拓宽了SS RTP的应用范围，为水样Cd()的测定提供新的技术。本文探讨了络合物催化磷光法测定痕量Cd2+的最佳条件、线性范围、工作曲线、LD、精密度、选择性、实际应用及其反应机理，旨在为水样品中痕量Cd2+的测定提供新的高灵敏的检测技术，从而推动毒物痕量分析的研究进展。2.实验部分2.1仪器与试剂LS-55型磷光光度计（PeCkin ElemeC公司，RTP测试条件：Ex Slit 10nm，Em Slit10nm，Speed 1500nmmin-1）用于磷光光谱扫描与磷光信号测定。AE240型电子分析天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；0.50-L平头微量注射器（上海医用激光仪器厂）；pHS-3B精密pH计（上海雷磁仪器厂）。 Cd()工作液：取1000.0pgml1 Cd()基准试剂，临用时逐级稀释至700.0、500.0、300.0、100.0、0.5（pgml1）为工作液；0.01%萘酚绿水溶液； 1% KIO3溶液。除了Cd()为基准试剂外，其余试剂均为分析纯，水为超纯水。定量滤纸购于杭州新华纸业有限公司。醋酸纤维素膜（ACM）、硝酸纤维素膜（NCM）与聚酰胺膜（PAM）均购于路桥四甲生化塑料厂。预先剪切成 = 1.5 cm的圆片备用。2.2 实验方法往25 mL比色管中依次加入适量Cd2+，2.00 mL R, 2.00 ml KIO3，摇匀，水定容，于100下反应10min，同时做试剂空白。取定量滤纸片（ = 10mm），在中心压痕（=4.0mm），浸入1mol/LPb（CH3COO）2溶液，10秒后取出于901干燥2min，用0.5L平头微量注射器悬空于压痕处点样(0.4L), 901下干燥2min, 于619nm处测定试剂空白(无Cd2+时室温磷光信号) IP1与试液的的室温磷光信号IP，求IP (=IP1IP).2.3 红外光谱分析 将2.00ml R、2.00ml R+2.00 ml KIO3和2.00ml R+2.00 ml KIO3+1000 pg Cd2+分别水定容至25 ml ，100C加热10min，冷却至室温，加10.00ml己醇萃取，取上清液蒸干，得R , R与R精馏物（其中，R与R分别为R的氧化和催化氧化产物）。用溴化钾压片扫描其红外光谱。3.结果与讨论3.1磷光光谱 按实验方法扫描体系的磷光光谱于图1。结果表明，在100C反应10min条件下，以Pb2+为离子微扰剂时R能发射强而稳定的磷光（exmax/emmax = 468.5/629.9nm， IP =283.4，图1曲线1.1）；当KIO3存在时体系的磷光信号猝灭（exmax/emmax = 458.5/619.3nm， IP = 243.7，IP = 39.8，图1曲线2-2），可能是R被KIO3氧化为无磷光化合物的缘故。往体系加入1000 pg Cd2+时，体系的磷光信号剧烈猝灭（exmax/emmax = 458.1/621.6 nm， IP =134.5，IP =109.2，图1曲线4.4），比氧化体系的IP大2.8倍，表明Cd2+对KIO3氧化R反应具有催化作用。故选择458 /622作为测定Cd2+的工作波长。/nmIP图 1萘酚绿- KIO3- Cd2+体系磷光光谱体系exemIPIPem1. 2.00ml R468.5629.9283.42. 1+1000 pg Cd2+458.0620.0277.06.49.93. 1+2.00 ml KIO3458.5619.3243.739.810.64. 2-+1.0 pg Cd2+458.2619.5239.14.610.45. 2+1000 pg Cd2+458.1621.6134.5109.28.36. ACM412.7581.833.5表1 R - KIO3- Cd2+体系的磷光特性3.2 测定条件 3.2.1试剂浓度与用量 对12 pg Cd2+ml1，分别考察试剂浓度与用量对体系IP的影响(表2)。结果表明，当试剂浓度与用量分别为2.00 ml 0.010%R，2.00 ml 1.0% KIO3时体系的IP值最大且稳定。表2 试剂浓度与用量试剂变量体系的IP最佳值R（%）RSD（%）0.005,0.010,0.020,0.030,0.04030.2,31.9,31.2,30.3, 28.41.2,1.5,1.1,2.3,1.40.010 %R（ml）RSD（%）0.50,0.70,1.00,1.50,2.0030.1,30.2,30.5,31.2,31.41.7,2.3,2.1,1.1,1.52.00 mlKIO3（%）RSD（%）0.1,0.5,1.0,1.5,2.028.4,28.8,31.6,31.5,30.91.7,2.5,1.8,1.7,2.81.0 %KIO3（ml）RSD（%）0.5,1.0,1.5,2.0,2.5, 3.028.4,28.9,31.1,31.4,31.2,30.01.1,1.2,2.1,2.5,1.7,3.02.0 ml3.2.2氧化剂种类对于在相同离子和发光剂下，分别考察不同氧化剂对体系IP的影响，结果表明，采用KIO3时，体系的IP值最大且稳定，且体系的IP值对应的RSD小于5%。IPRSD%图2 氧化剂种类对体系及其RSD%的影响B为体系IP，C为IP 对应的RSD%A,B,C,D,E分别为KClO3, KBrO3,KIO3 , H2O2, KClO43.2.3pH值对体系的影响对于12 pg Cd2+ml1，分别考察pH值对体系的IP的影响(图3)，结果表明，当溶液pH3.0时体系IP随着pH的增加而减小，显然，选用酸度(pH =3.0)时体系IP最稳定，且体系的IP值对应的RSD小于5%。3.2.4反应温度与时间 IPRSD%图3 pH对体系及其RSD%的影响B为体系IP，C为IP 对应的RSD%3.2.4反应温度与时间 对于12 pg ml1Cd()，分别考察反应温度与时间对体系的影响（图4-5）。结果表明，在100C加热10min时，体系的IP值最大，且体系的IP值对应的RSD小于5%。 IPRSD%IPRSD% 图4反应温度对体系及其RSD%的影响 图5反应时间对体系及其RSD%的影响 B为体系IP，C为IP 对应的RSD% B为体系IP，C为IP 对应的RSD% 3.2.5离子微扰效应 众所周知， 荧光受重原子显著性猝灭，而磷光可被重原子选择性地增强。在磷光分析中常利用重原子效应提高固体基质室温磷光强度和改善光谱的精细结构，从而提高分析的选择性和灵敏度。对于12 pg ml1Cd(),分别考察1.00mol/ L的Li+(A)、Pb2+(B)、Cu2+(C)、Ag+(D) 等离子对体系IP的影响，实验表明：其IP依次为30.2, 37.8, 20.3与23.5, Pb2+的IP最大, 且体系的IP值对应的RSD小于5%， 故选用Pb2+为离子微扰剂。同时考察Pb2+浓度对体系IP的影响，当浓度为0.050, 0.10, 0.50, 1.0, 1.5与2.0, 其IP依次为13.2, 24.6, 34.2, 37.6, 19.3与10.4, 且体系的IP值对应的RSD小于5%，结果表明：1.0mol l1 Pb2+为最佳。IPRSD%IPRSD% 图6 离子微扰剂对体系及其RSD%的影响 图7 离子微扰剂浓度对体系及其RSD%的影响B为体系IP，C为IP 对应的RSD% B为体系IP，C为IP 对应的RSD% 3.2.6 固体基质 对于12 pg ml1Cd()，分别考察PAM、ACM、NCM、Paper等固体基质对体系IP的影响，体系的IP分别为28.9, 37.9, 30.2 ,和20.7，其RSD（%）分别为1.3，1.9，2.5，1.6，结果表明：当采用ACM时体系的IP值最大，且体系的IP值对应的RSD小于5%，故采用ACM为固体基质。IPRSD%IPRSD% 图8 固体基质对体系及其RSD%的影响 图9静置时间对体系及其RSD%的影响B为体系IP，C为IP 对应的RSD% B为体系IP，C为IP 对应的RSD% 3.2.7体系的稳定性对于12 pg ml1Cd()，考查静置时间对体系IP值的影响（图9），结果表明，在最佳条件下自流水冷却5 min始计时在50 min内体系IP值几乎不变。且体系的IP值对应的RSD小于5%。3.3工作曲线，线性范围，精密度与LD实验研究表明，m Cd2+在0.016-16 fg spot1范围内与IP呈良好线性关系，其线性回归方程为IP =1.772 +6.665 m Cd2+（fg spot1）,n = 5;相关系数r = 0.9990, LD 为3.6 ag spot1(8.8 1015 g ml1)，灵敏度高。分别对0.016和16.0 (fg spot1) Cd()进行9次测定，其相对标准偏差（RSD）分别为1.7%与2.1 %，精密度好。线性回归方程线性范围（g /mL）相关系数RSD(%)检出限（g /mL）本文IP =1.772 +6.665 m Cd2+（fg spot1）,n = 54.010-84.010-5 0.99901.708.8 109文献1A = - 0.0035 + 0. 1594c，n = 60. 99903.406.010-5文献3F0/ F = 0.0848 + 1.75 ( 10- 3g/ mL )2.010-46010-4 0.99904.601.210- 4文献4I = 292. 43 (g /mL ) + 215. 97, n = 110. 042. 680. 99930.981. 2810- 2文献5A = 2.493 (g/ L ) + 23.509， n = 51.010-44.010-2 0.99882.385.010- 5文献11A=007582+002333， n = 100.99461.712.3810- 43.4共存离子的影响 Present methodRef. 3Coexistent ions最大允许浓度（g mL1）MultipleRealative error (%)MultipleNi2 +0.041.010 4-1.7200Al3 +0.041.010 42.4200K +0.041.010 42.1400Cu2 +0.401.010 5-3.7100Hg2 +0.401.010 52.3100Mg2 +0.401.010 51.8150Zn2 +0.401.010 51.4120Ca2 +0.401.010 53.8500NO3-4.001.010 64.1700SO42-4.001.010 61.1700Cl-4.001.010 6-2.61000F-4.001.010 6-3.31000按实验方法测定4pgml1 Cd2+和4 pgml1 Cd2+ + Xgml1共存离子中Cd2+的含量，当相对误差不大于 5.0 时共存物的允许倍数与荧光猝灭法3比较于下表。显然，本方法比文献3共存离子（物）允许的倍数大，表明本方法有高的选择性。共存离子(物)允许倍数The methodRef.3Ni2 +1.010 4200Al3 +1.010 4200K +1.010 4400Cu2 +1.010 5100Hg2 +1.010 5100Mg2 +1.010 5150Zn2 +1.010 5120Ca2 +1.010 5500NO3-1.010 6700SO42-1.010 6700Cl-1.010 61000F-1.010 610003.5 样品分析取过滤后的一定量实际水样,以盐酸调整其酸度为0.04 mol/ L ,并加入KI使其浓度0.02mol/ L ,加水稀释至50 mL。取1.0ml水样，按实验方法测定Cd2+含量,并进行加标回收率实验,结果与原子吸收法相比较，结果列于表4。自来水和九龙江水样经过不同倍数的稀释处理，因此自来水中Cd2+的实际含量为0.38g/ L，九龙江水中Cd2+的实际含量为0.55g/ L。 表4 样品中Cd2+的分析结果（n=6）样品SamplePresent Method（pg/mL）RSD(%)Added（pg/mL）Obtained（pg/mL）Recovery(%)AAS法（pg/mL）自来水1.502.32.003.4598.5 1.52九龙江水0.224.10.300.53101.00.21结果表明，本方法的回收率(%)为98.5%-101.0%，6 次测定的相对标准偏差都在5% 以下，表明本方法具有较高的准确度和精密度，可适用于水样中Cd2+的含量的测定。3.6反应机理在100C反应10min条件下，R可发射强而稳定的磷光（IP =283.4）。当KIO3存在时R的磷光信号猝灭(IP = 243.7)，可能是R被KIO3氧化为无磷光化合物R，其反应7如下（Scheme 1）：Scheme 1 R与KIO3的氧化还原反应Cd2+存在时，与形成R的反应类似，R与Cd2+作用形成(R)2 Cd络合物（Scheme 2）：Scheme 2 R与Cd2+的络合反应KIO3 氧化(R)2 Cd为R和Cd2+（Scheme 3）：Scheme 3 KIO3 氧化(R)2 Cd反应生成的Cd2+继续与R作用形成(R)2 Cd络合物，从而加速KIO3氧化R反应的进程，导致R的磷光信号剧烈猝灭(IP =134.5，IP =109.2)，且Cd2+含量与体系的IP值成线性关系，藉此可用催化磷光法测定痕量Cd2+。为验证KIO3氧化R和Cd2+催化氧化反应的可能性，我们扫描了R、R与R的红外光谱于表5。表5. R , R与R的IR光谱数据(: 伸缩振动)SampleFe-OCd-O N=OSO3HNO2C=O (cm1)(cm1)(cm1)(cm1) (cm1)(cm1)(cm1)R:3426 : 1607: 1547: 1499:1354:1306:1207:1119:1037R:3426 :1207:1119:1037:1341:1857-1640(R)2 Cd:3457:1207:1119:1037:1341:1857-1640 由表5可见， R在3426 cm1 处出现Fe-O伸缩振动吸收峰；经过化学氧化和催化氧化处理后3426 cm1伸缩振动吸收峰消失； 1607 ,1547 和1499 cm1 为萘环的骨架振动吸收峰，经化学氧化和催化氧化后吸收峰强度大幅度降低，表明萘环几乎完全被氧化；1207 , 1119 , 1037 cm1处萘酚绿中磺酸基的特征吸收峰,在处理后仍出现1207 , 1119 , 1037 cm1振动吸收峰峰，可以推测处理后变为硫酸钠；萘酚绿中1354和1306 cm1 为亚硝基N = O 伸缩振动吸收峰，经化学氧化和催化氧化后完全消失, 并在1341 cm1附近出现了新吸收峰，该峰为硝酸盐吸收峰，说明亚硝基N = O 被氧化生成硝酸盐。值得注意的是R经化学氧化和催化氧化后在1857-1640 cm1出现了较强的新吸收峰,可以推测为羧酸及萘醌中C = O伸缩振动吸收峰,而R没有C = O 伸缩振动吸收峰，进一步表明萘酚绿分子中萘环被氧化降解为羧酸和萘醌.。3457 cm1新的伸缩振动吸收峰的出现，推测含有Cd-O键，提示R与Cd2+的络合反应生成 (R)2 Cd R与Cd2+的络合物。4.结束语本文建立了催化KIO3氧化萘酚绿磷光猝灭法测定痕量Cd()的新方法，该方法具有灵敏度高,选择性好,试样用量少，快速、简便等优点，适用于水样中痕量Cd()的测定。 参考文献：1 HU Xiao-bin（胡晓斌）; HAN Zhi-ping（韩志萍）; WANG Chen-yi（王趁义）.Determination of trace cadmium in surface water by graphite furnace atomic absorption spectrometry with multiple Injections for concentration(累积进样石墨炉原子吸收光谱法测定地表水中痕量镉). 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