催化剂对鲁米诺荧光反应的影响

◆山东省威海市第一中学 陈冠戎 尹翔 闫佳怡

山东省威海市实验高级中学 宋睿 梁淑仪 连君朴 黄今祺

一次偶然的机会，我们接触到了一种荧光物质——鲁米诺。鲁米诺又名发光氨，其化学式为C8H7N3O2，常温下为苍黄色粉末，可溶于大多数有机极性溶剂，但不溶于水。法医学上使用鲁米诺检验犯罪现场是否含有血迹，生物学上则用鲁米诺检测细胞中的铜、铁及氰化物的存在。

陈冠戎是个“化学迷”，喜欢做各种化学实验，对鲁米诺这一极具特性的物质非常感兴趣，他与尹翔等好友讨论后，大家就开展实验达成共识，组成研究小组，共同开展这一研究。

虽然成员分属两所不同的高中，放假时间也不同，但小组成员依然克服万难，历经多次讨论，最终确定了实验方案，完成了本次探究。

图1 小组部分成员进行讨论

一、实验目的

探究不同催化剂对鲁米诺荧光反应的影响，探索实验的最优药品组合。

二、实验仪器

烧杯，一次性滴管，培养皿，玻璃棒，表面皿。

三、实验试剂

鲁米诺、氨水、五水硫酸铜（CuSO4·5H2O）、铁氰化钾([K3Fe(CN)6])、碳酸氢钠（NaHCO3）、碳酸钠（Na2CO3）、5%过氧化氢（H2O2）溶液、水。

四、实验分工

陈冠戎主要负责实验设计、实验操作及化学试剂配置，尹翔主要负责实验操作、论文撰写，闫佳怡主要负责实验装置搭建，宋睿主要负责实验数据收集、资料搜集整理，梁淑仪主要负责照片拍摄、实验数据收集，连君朴主要负责资料搜集整理，黄今祺主要负责实验安全隐患排查、过程安全性监督。

本次实验是小组成员群策群力、共同完成的结果，此处展示的实验分工仅为小组成员的主要承担部分。

五、理论依据

通常情况下，鲁米诺只有经氧化剂处理后才能发光。实践中一般采用过氧化氢（H2O2）与氢氧化物的混合水溶液作为激发剂。在含铁化合物或含铜化合物的催化作用下，H2O2分解为氧气和水。此时，鲁米诺与氢氧化物反应时生成二价阴离子，其可被氧化，生成有机过氧化物。

但该过氧化物很不稳定，会立即分解出氮气（N2），生成激发态的3-氨基邻苯二甲酸。在其由激发态向基态的转化过程中，释放的能量以光子的形式存在，波长位于可见光谱中的蓝光部分。事实上，3-氨基邻苯二甲酸是合成鲁米诺的前体之一。鲁米诺的荧光反应本质上是因为H2O2在催化剂的作用下分解所激发，那么我们不难推测，H2O2的分解速率将影响鲁米诺荧光反应的效果。

H2O2在不同的催化剂的作用下反应速率有显著差异。为了进一步确定这一差异能否推广至鲁米诺的荧光反应上，探究不同催化剂对鲁米诺荧光反应的影响，我们在充分考虑H2O2分解的常用催化剂为含铁化合物、含铜化合物的基础上，以五水硫酸铜（CuSO4·5H2O）以及铁氰化钾（[K3Fe(CN)6]）为例进行对比，进行了本次实验。

六、实验过程

由于实验所用的部分药品具有一定的腐蚀性，加之玻璃仪器若破损有可能划伤皮肤，所有人均在本次实验中佩戴了实验用橡胶手套。氨水具有挥发性，在封闭环境中有可能造成安全事故，因此本次实验过程中进行了通风处理。

（一）铁氰化钾组

在A 烧杯中加入适量NaHCO3与Na2CO3固体，再加入铁氰化钾，加水搅拌，再加入0.3 g 鲁米诺搅拌。在培养皿X 中倒入10 mL 5% H2O2溶液，再倒入A 烧杯中的部分溶液，并迅速关灯，观察现象。

（二）五水硫酸铜组

在B 烧杯中加入与第一组中等量的NaHCO3与Na2CO3固体，再加入五水硫酸铜，加水搅拌，再加入0.3 g 鲁米诺搅拌，最后加入1～2 mL浓氨水。在培养皿Y 中倒入10 mL 5% H2O2溶液，再倒入B 烧杯中的部分溶液，并迅速关灯，观察现象。

图2 实验过程

七、实验结果

（一）铁氰化钾组

培养皿X 中荧光亮度较弱，且颜色为青色，持续时间较短。

图3 培养皿X 中的荧光颜色为青色

（二）五水硫酸铜组

培养皿Y 中荧光亮度较强，且颜色为蓝白色，持续时间较长。

图4 培养皿Y 中的荧光颜色为蓝白色

八、实验结论

五水硫酸铜对鲁米诺的催化效果优于铁氰化钾。催化剂催化H2O2分解的效果越好，对鲁米诺荧光反应的影响越显著。

根据鲁米诺荧光反应原理，溶液中不可缺少的物质是氢氧化物。然而，如果用氢氧化钠（NaOH）或氢氧化钾（KOH）作为反应物，则反应进行时会生成大量的沉淀，遮挡荧光效果。

事实上，CuSO4虽然不与Na2CO3反应，但在反应前也会产生少量沉淀，影响催化剂对鲁米诺的催化作用。在反应物中用浓氨水代替氢氧化物，既提供了OH-，又避免了沉淀对实验现象的影响。

综上，最优反应物组合为：Na2CO3、NaHCO3、五水硫酸铜、浓氨水、鲁米诺、H2O2。

九、实验反思

（一）选用CuSO4代替CuCl2的原因

研究人员曾研究了将不同离子作为反应催化剂对H2O2分解稳定性的影响。实验结果表明，Cu+、Cu2+及Cl-均对H2O2的分解有促进作用，而Ni2+、K+、SO42-及NO3-则对H2O2的分解无明显影响。

倘若用CuCl2探究Cu2+的催化效果，则Cl-有可能影响实验结果，所以我们选择用CuSO4或Cu(NO3)2替代CuCl2。

（二）不选用MnO2的原因

研究人员发现，MnO2对H2O2的分解虽然也有催化作用，但其在催化过程中会发生相变（即物质在温度、压力、磁场等外部参数的连续性变化下，从一种相态变成另一种相态的现象），造成催化活性降低，导致后期效果变差。

同时，MnO2不溶于水，对鲁米诺荧光反应的催化效果不够明显，因此在本次实验中，我们未选用MnO2。

专家点评

文章提供了关于使用五水硫酸铜和铁氰化钾对鲁米诺的催化效果进行比较的结果，并对实验中使用的反应物进行了说明。

本文具有如下优点：一、提供了实验结果和对比分析——通过比较五水硫酸铜和铁氰化钾对鲁米诺的催化效果，得出五水硫酸铜催化效果更好的结论，提供了实验数据和实验结果的科学支撑；二、考虑了影响荧光效果的因素——提到使用氢氧化物作为反应物会产生沉淀，从而遮挡荧光效果，为了解决这个问题，作者建议使用浓氨水代替氢氧化物；三、解释了选用CuSO4代替CuCl2的原因，提供了合理的解释和科学依据。

文章不足之处在于对MnO2的讨论不够充分：提及MnO2对H2O2分解的催化效果，但未对其具体效果进行评估；提及MnO2的相变和不溶于水会降低催化活性，但未提供具体的研究结果或实验数据支持这一观点。