流动注射化学发光分析法实验条件的控制*

嵇正平 郁金丹 胡效亚

(扬州大学化学化工学院 江苏扬州 225002)

化学发光是指化学反应致使反应产物处于激发态，在退激时以光辐射形式释放能量的现象。以此为基础的化学发光分析法不需要外源性激发源，因此设备简单，误差来源少。其内源性激发源为化学能，对被检光信号无背景干扰，因此有较高的信噪比。

化学发光分析法是一种在非平衡状态下进行的检测方法，属于动力学分析法。反应物的加入速度、混和状态、体系温度及反应时间等都会对检测结果产生较大影响。所以，化学发光分析法常与流动注射技术相结合，建立流动注射化学发光分析法。图1是其典型的流程。

图1 流动注射化学发光分析流程图

目前，流动注射化学发光分析法已得到了广泛的应用[1-5]，其内容也被编入了教材[6]。在诸多文献和笔者教学过程中，发现一个非常普遍的现象：条件优化及检测时，随着某种反应物浓度的增大，化学发光信号出现先上升再下降的情况(图2)。对于这种“随着试剂浓度增大，信号不升反降”的情况，许多文献未作解释。也有一些文献认为这是由于过量的试剂对光产生了吸收,导致发光信号减弱。

为了讨论这一现象的成因，本文以间苯二酚-KMnO4发光体系为研究对象，采用流动注射及静态注射法，研究了反应物KMnO4浓度对化学发光强度的影响。

1 仪器与试剂

IFFM-E流动注射化学发光分析仪(西安瑞迈电子科技有限公司)。

间苯二酚(0.20mmol·L-1)，KMnO4(0.20mmol·L-1)，H2SO4(0.2mol·L-1)，HAc(0.2mol·L-1)。

2 实验内容

2.1 流动注射化学发光

0.20mmol·L-1间苯二酚作为R1，0.2mol·L-1H2SO4溶液作为R2，蒸馏水作为载液C，将不同浓度KMnO4作为样品S(图1)，做流动注射化学发光试验。管径2mm，流速1.0mL·min-1。

2.2 静态注射化学发光

取0.10mmol·L-1间苯二酚-0.1mol·L-1HAc溶液1.00mL加入到小烧杯中，置于暗盒内，开启化学发光检测仪，用注射器注入1.00mL不同浓度的KMnO4溶液，记录化学发光-时间图谱。

3 结果与讨论

3.1 试剂浓度的影响

根据流动注射化学发光-时间谱图，求出发光峰值并作出I-c(KMnO4)浓度关系图(图2)。

图2 发光强度与KMnO4浓度的关系

由图2可知，发光强度峰值(I)随KMnO4浓度(c)呈非单调函数关系：当c在0.00～0.04mmol·L-1范围内，I与c呈正相关性(其中c在0.00～0.02mmol·L-1范围内，有较好线性关系);而当c高于0.04mmol·L-1时，I与c呈负相关性。

笔者认为图2的非线性(乃至非单调性)并不是由于过量的反应物KMnO4对光吸收所造成的，原因如下：

如果是由于过量的KMnO4对光的吸收所导致，根据朗比定律:

(1)

式中I0为反应发出光强，ε为摩尔吸光系数，b为光程长度。对式(1)进行转换，得：

I=I0×10-εbc

(2)

式(2)虽表明I与c有负相关性，但I减小的斜率应随c增加呈渐缓趋势；而在图2中，c在高浓度时下降速度很快。这表明过量KMnO4浓度产生的光吸收不是其负相关性的主要原因。

根据KMnO4的最大吸收波长(525nm)的摩尔吸光系数，可计算0.12mmol·L-1相对于0.04mmol·L-1的吸光度：

其中0.1cm为发光池螺旋管半径，可近似作为平均光程长度。

3.2 静态注射反应时间的影响

为了讨论上述现象产生的主要原因，我们进行了静态注射实验。考虑到强酸性条件下的反应速度相对于静态注射的操作速度过快，静态注射实验采用HAc溶液作为介质。结果如图3。

图3 静态注射发光强度与浓度及时间的关系

① 在静态注射中，I-t的总趋势为：KMnO4注入后，发光强度开始增大，在3s时，发光强度达最大；随后发光强度逐渐下降。

合理的解释是：开始时两种溶液相互混合，随着混合均匀性增强，发光强度增加；在3s后随着反应的进行，两反应物的浓度下降，反应速度下降，曲线呈现一般动力学曲线的特征。

② 在反应的最初5s，KMnO4在0.00～0.12mmol·L-1浓度范围内，I-c呈正相关性，其中在反应的最初3s呈良好的线性关系。说明在本文研究的浓度范围内，KMnO4对光的吸收几乎不影响发光强度。

③ 反应至7s时，呈正相关性的浓度范围为0.00～0.11mmol·L-1，浓度大于0.11mmol·L-1时，发光强度反而下降。

④ 反应7s之后，随时间延长，正相关性及线性范围逐渐变窄。

3.3 流动注射化学发光线性范围的主要影响因素

虽然本文的流动注射、静态注射实验分别在强酸性、弱酸性条件下进行，反应速度相差较大，但流动注射中液体的流动速度快、体积小、混匀时间也短，所以两者反应的趋势是相似的。据此可以认为：在流动注射化学发光分析中，造成I-c“非线性”乃至“非单调性”关系的主要原因是检测过程中反应时间过长。对此可用速度方程进行分析：

对于一个化学发光反应：

化学发光强度与反应速度成正比：

其中v为反应速度，x、y分别为A、B两物质的反应级数，kCL、kv及k均为常数。

若两物质的反应级数均为1，则为:

I=kcAcB

若将不同浓度A物质注入固定浓度B中，反应时间为0s时刻，则有：

式中cA0、cB0分别为A、B的起始浓度。

可以看出发光强度与A浓度呈正比关系。

反应至t时刻，由于A、B浓度降低，发光强度It为：

可以看出t越大，It-cA0线性关系越差。而t较大时，It-cA0还有可能呈负相关性。

反应时间还与所连接管路有关。如图1所示，化学发光池前有一段管路ab，反应物在此相互混合并反应。如果ab太长，则反应物将在此段管路发生了较大程度的反应(这部分发光信号未被检测)，当溶液进入化学发光池时，所检测的是反应时间为t时刻的发光强度。显然，若ab段越长，t就越大，I-c线性范围也就越小。

4 结论

对于一般的流动注射化学发光分析，反应物相互混匀后，反应时间越长，发光强度与反应物浓度的线性关系越差，甚至造成两者之间为非单调性函数关系。

如果被研究反应物是被测组分，此现象对检测线性范围及灵敏度均会产生不良影响。作者在科研和教学实践中，采取了如下改善措施：

① 调整连接管路ab长度，使反应物能尽快在化学发光池中混匀，尽可能减小反应时间。

② 若因技术原因，无法缩短ab，可以适当提高蠕动泵速度。

③ 调节介质条件，适当降低反应速度常数，以降低ab段内反应的程度。

④ 适当增大另一个反应物的浓度，使其在反应过程中近似为常量。

当然，上述条件的改变可能会引起其他不良影响。故具体实验参数需要通过条件实验进行优化。

[1] 陈效兰,杨娟,徐淑静,等.分析化学,2009,37(11):1622

[2] 李银环,吕九如.分析化学,2007,35(5):743

[3] 何树华,何德勇,章竹君.分析化学,2006,34(11):1622

[4] Zheng J,Springston S R,Lioyd J W.AnalChem,2003,75:4696

[5] Fletcher P J,Andrew K N,Forbes S,etal.AnalChem,2003,75:2618

[6] 扬州大学,徐州师范大学,盐城师范学院,等.新编大学化学实验(三).北京:化学工业出版社,2010