变色酸荧光光度法测定自来水中痕量Al(Ⅲ)

顾佳丽， 伊鲁东， 李东玲， 胡雪健， 赵 恒， 赵 刚*

(渤海大学化学化工学院，辽宁锦州 121013)

铝是地壳中含量最丰富的金属元素之一，日常生活中铝制品和含铝食品等随处可见，特别是近年来由于水环境污染、含铝食品添加剂的滥用及铝制设备的使用等原因，造成自来水中铝含量较高[1]，而研究表明铝在人体内可以缓慢蓄积，长期过量摄入会损害脑组织、肾脏、肝细胞和骨骼等人体组织[2]，因此检测自来水中Al(Ⅲ)的含量是十分必要的。水样中检测Al(Ⅲ)的主要有：国家标准方法[3]，分光光度法[4]，原子吸收光谱法[5]，电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)及电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等方法。

图1 1,8-二羟基萘-3,6-二磺酸结构Fig.1 Structure of 1,8-dihydroxy-naphthalene-3,6-disulfonic acid

荧光光谱法具有灵敏度高、选择性好、分析速度快等优点，已被用于多种样品中Al(Ⅲ)含量的测定[6]。常用于测定Al(Ⅲ)的荧光试剂有8-羟基喹啉类[7]、喹诺酮类[8]、三羟基荧光酮类[9]、若丹宁[10]和羟基蒽醌类[11]等，但需要加入表面活性剂以提高灵敏度[12]。变色酸(结构见图1)因其共轭体系及刚性平面结构而具有较强内源性荧光[13]，作为荧光配体可与B(Ⅲ)[14]和Fe(Ⅲ)[15]等中心离子形成配合物使体系荧光增强，由此可测定这些离子的含量，但此类变色酸荧光法测定Al(Ⅲ)的报道较少。本文研究表明Al(Ⅲ)会增强变色酸体系的荧光强度，因此建立了变色酸荧光法测定痕量Al(Ⅲ)的新方法，该方法可用于水样中痕量Al(Ⅲ)的测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

F4500荧光分光光度计(日本，日立公司)；pHS-3C型精密酸度计(上海雷磁仪器有限公司)。

变色酸1,8-二羟基萘-3,6-二磺酸(分析纯，上海迈瑞尔化学技术有限公司)。标准储备溶液：准确称取0.320 g变色酸，用40%甲醇溶解后，定容于1 000 mL容量瓶中，浓度为1.0×10-3mol·L-1；Al(Ⅲ)标准溶液(1.0 g·L-1，国药集团化学试剂有限公司)；其它所用试剂均为分析纯。实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

于10 mL比色管中，依次加入一定量的Al(Ⅲ)标准溶液，2.0 mL 8.0×10-5mol·L-1变色酸工作溶液4.0 mL的HAc-NaAc缓冲溶液(pH=4.5)，40%甲醇定容，摇匀，静置10 min。在λex/λem=340/370 nm处扫描空白荧光强度F0和配合物荧光强度F(激发狭缝和发射狭缝均为10 nm)，以ΔF(ΔF=F-F0)对Al(Ⅲ)浓度作标准曲线。

1.3 试验设计

1.3.1中心组合设计和响应面分析在单因素试验的基础上，采用中心组合设计(Central Composite Design,CCD)对影响Al(Ⅲ)含量的主要因素和水平进一步优化。对数据进行二次多项式回归拟合，建立自变量数学模型，并结合方差分析、各因素水平及其交互作用评价结果，预测最佳提取条件，最后根据回归方程绘制响应面分析图。

1.3.2数据分析利用Design-Expert.V8.0.6软件进行CCD响应面分析。

2 结果与讨论

2.1 荧光光谱

图2 Al(Ⅲ)与变色酸作用的荧光光谱Fig.2 Fluorescence spectra of chromotropic acid with Al(Ⅲ)1.Chromotropic acid；2.Chromotropic acid-Al(Ⅲ)；cchromotropic acid=1.0×10-5 mol·L-1；cAl(Ⅲ)=50 μg·L-1；pH=4.0.

变色酸荧光光谱如图2所示，在340 nm光激发下，变色酸最大发射波长为370 nm，这表明在紫外光照射下，变色酸具有内源性荧光。当加入Al(Ⅲ)后，其发射峰位置基本不变但荧光强度增强，这表明Al(Ⅲ)对变色酸荧光具有增敏作用，Al(Ⅲ)使变色酸微环境发生变化，极性增强，因此推断Al(Ⅲ)与变色酸之间存在相互作用并形成了配合物[16]。并且荧光增敏值ΔF与Al(Ⅲ)的浓度在一定范围内呈良好线性关系，故可以用变色酸荧光光度法测定Al(Ⅲ)的含量。

2.2 测定条件的优化

2.2.1溶液酸度的影响溶液酸度对体系荧光强度影响较大。考察了常用缓冲溶液：Na2HPO4-柠檬酸(pH=1～6)、HAc-NaAc(pH=4～6)、Na2HPO4-NaH2PO4(pH=6～8)、B-R(pH=4～8)的影响。结果表明，当pH<4时，Al(Ⅲ)-变色酸体系ΔF较小，说明强酸性条件不利于配合物的形成；当pH>5.5时，Al(Ⅲ)水解；只有当pH=4～5时，体系荧光强度增值较大且稳定。比较几种缓冲溶液，在HAc-NaAc缓冲溶液中体系荧光强度最大。当HAc-NaAc缓冲溶液用量在1.0～3.0 mL范围内时，ΔF随缓冲溶液用量的增加而增大，当用量为4.0 mL时，ΔF最大且稳定，因此选择pH=4.5的HAc-NaAc缓冲溶液4.0 mL。

2.2.2表面活性剂的影响分别试验了不同的表面活性剂:溴化十六烷基三甲基铵(CTMAB)、十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)、十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、吐温-80(Tween-80)、聚乙烯醇(PAV)对体系荧光强度的影响，结果表明表面活性剂对ΔF无显著影响。因此，本实验不加入表面活性剂。

2.2.3变色酸浓度的影响变色酸浓度在0.5～8.0×10-5mol·L-1范围内时，ΔF随变色酸浓度的增大而增大，可能变色酸浓度较小时，Al(Ⅲ)不能与变色酸全部结合，但浓度大于1.0×10-4mol·L-1时ΔF减小。原因可能是较大浓度的变色酸会因为其自身荧光强度增加导致配合物ΔF减小。因此本实验选择变色酸浓度为8.0×10-5mol·L-1。

2.2.4甲醇浓度的影响当甲醇浓度在20%～100%范围内时，ΔF随甲醇浓度的增大而增大，但当甲醇浓度大于40%时，荧光强度变化不大，从分析成本角度考虑选择40%甲醇。

2.2.5温度和反应时间的影响变色酸与Al(Ⅲ)在室温条件下5 min即可完成反应，且荧光强度至少可以稳定1 h。温度超过50 ℃时，可能由于变色酸-Al(Ⅲ)配合物稳定性下降而导致ΔF减小。本实验选择室温条件下，Al(Ⅲ)与变色酸作用10 min后进行荧光测定。

图3 等摩尔连续变换法Fig.3 Job’s methodcAl(Ⅲ)+cchromotropic acid=1.0×10-4 mol·L-1，pH=4.5.

2.3 配合比的测定

采用等摩尔连续变换法及摩尔比法，保持cAl(Ⅲ)+c变色酸=1.0×10-4mol·L-1不变情况下，以ΔF对cAl(Ⅲ)/(cAl(Ⅲ)+c变色酸)作图(图3)，测定Al(Ⅲ)-变色酸配合物的配比为1∶1。固定Al(Ⅲ)的浓度为1.0×10-5mol·L-1不变，当变色酸浓度在0～1.0×10-4mol·L-1范围内变化时，以ΔF对c变色酸/cAl(Ⅲ)作图(图略)，测定Al(Ⅲ)-变色酸配合物的配比为1∶1。

2.4 CCD试验及响应面分析

2.4.1回归模型的建立根据CCD原理设计3因素3水平共20组试验，表1为自变量因素和水平，表2为试验设计及结果。对表2试验数据进行回归拟合，得到3个自变量的二次多项回归方程：ΔF=210.55+15.20A-13.26B-0.81C+7.88AB-3.12AC+14.13BC-25.10A2-44.55B2-56.22C2。

表1 Central Composite试验的因素和水平

表2 CCD设计与结果

试验模型方差分析结果见表3，回归模型的一次项A、B显著，交互项BC和二次项A2、B2、C2均显著(P<0.05)。该二次回归模型P<0.0001，表明该回归方程关系极显著，失拟项P值0.1083>0.05，表明失拟不显著，说明该方程拟合合理。

表3 CCD方差分析

2.4.2响应面分析及优化根据回归方程进行响应面分析，确定3个因素及其交互作用对Al(Ⅲ)含量的影响，响应面曲面及等高线图如图4所示。响应面坡度越陡峭说明此因素对响应值影响越显著。当pH处于零水平时，ΔF随变色酸浓度或甲醇浓度的增大均呈现先增大后减小的趋势，说明在适中的变色酸浓度或甲醇浓度交互作用下，ΔF可达到最大值。

图4 BC交互作用的响应面图Fig.4 Response surface plots for the factors

利用软件预测得最佳实验条件为：pH=4.64，变色酸浓度7.87×10-5mol·L-1，甲醇39.69%时，ΔF最大值213.577。根据上述最佳条件进行验证试验，取平行三次实验结果平均值，以验证模型可靠性，ΔF最大值为204.13。

2.5 共存元素的影响

2.6 方法的线性范围和检出限

在最佳条件下，分别用不同浓度的Al(Ⅲ)与变色酸作用，考察ΔF值与Al(Ⅲ)浓度的关系。结果表明，线性回归方程为:ΔF=2.6425c+93.613，线性范围为5～70 μg·L-1，相关系数r=0.9969。平行11次测定空白溶液，用3倍的标准偏差除以标准曲线斜率计算检出限为1.1 μg·L-1。

2.7 样品的测定与验证

取3种不同地区的自来水样品，过滤后储存于塑料瓶中，按实验方法测定Al(Ⅲ)的含量。测得的浓度为33.69～43.33 μg·L-1，加标回收率93.6%～107.2%，相对标准偏差(RSD)为1.3%～5.7%，结果见表4。

3 结论

在酸性介质中，Al(Ⅲ)与变色酸反应生成稳定的配合物，使得变色酸内源性荧光增强，由此建立了测定Al(Ⅲ)的荧光分析新方法。利用响应面法优化了荧光法测定Al(Ⅲ)的实验条件，结果表明变色酸荧光法灵敏高、检出限低、分析速度快、选择性较高，可不加表面活性剂直接测定水样中的Al(Ⅲ)，具有一定的实用价值和推广前景。