罗丹明6G催化动力学荧光光度法测定水中氟化物

时间：2024-09-03

李志英*，李林，张焱

(忻州师范学院化学系，山西忻州 034000)

氟是牙齿和骨骼的组成部分，水中氟化物含量过低，使牙龈的防龋效果降低，但摄入过多的氟也会容易患斑齿病，甚至使人体骨骼密度过高，骨质变脆，从而导致疼痛、韧带钙化、骨质增生、脊椎黏合、关节行动不便等症状。水中含氟量偏高或偏低都直接影响人的身体健康，最新的WHO饮用水指导值是1.5 mg/L，因此，建立快速准确地检测水中的微量氟化物含量的方法是非常必要的。目前，氟化物的测定方法主要有：离子选择电极法[1]、离子色谱法[2]、气相色谱法[3]、高效液相色谱法[3]、荧光法[4]、分光光度法[5]、催化动力学法[6]。

本文研究发现，在H2SO4介质中，微量NaF对KBrO3氧化罗丹明6G使其荧光猝灭具有催化作用，且荧光减弱程度与F-含量呈线性关系，由此建立了催化动力学荧光光度法测定微量氟化物的新方法。该方法简便，快速，准确度高，可用于水中微量F-的测定。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

F-4500荧光光谱仪(日本，日立公司)；pHS-3B(上海精密科学仪器有限公司)；数显电热恒温水浴锅(北京科伟永兴仪器有限公司)；AL204电子天平(梅特勒—托利多仪器有限公司)。

NaF标准溶液：准确称取0.0500 g 105 ℃烘干至恒重的NaF，用少量蒸馏水溶解并定容到50 mL的容量瓶中，得1.00 mg/mL NaF的储备液，用时稀释为10 μg/mL的工作液。罗丹明6G溶液：准确称取0.4790 g罗丹明6G，用少量蒸馏水溶解并定容到100 mL的容量瓶中，得1.0×10-3mol/L的罗丹明6G储备液，用时稀释为1.0×10-5mol/L工作液。KBrO3溶液：准确称取0.23 g KBrO3，用少量蒸馏水溶解并定容到100 mL的容量瓶中，得1.0×10-2mol/L的KBrO3溶液，用时稀释为1.0×10-4mol/L工作液。本实验所用试剂均为分析纯，水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

取两支25 mL比色管，其中一支加入一定量NaF标准溶液，另溴酸钾一支不加，再分别依次加入0.4 mol/L H2SO41.5 mL，1.0×10-5mol/L罗丹明6G工作液0.6 mL，1.0×10-4mol/L KBrO3工作液3.0 mL，加水至25 mL刻度，摇匀，置于60 ℃条件下反应7 min，流水冷却3 min，用1 cm荧光比色皿,于535 nm激发波长和556 nm发射波长处测量催化体系荧光强度F和非催化体系荧光强度F0，并计算△F(△F=F0-F)值。

2 结果与讨论

图1 荧光光谱图Fig.1 Fluorescence spectraConditions：2.5×10-6 mol/L Rhodamine 6G，3.6×10-5 mol/L KBrO3,0.4 μg/mL NaF，0.4 mol/L H2SO4.1,1′ Rhodamine 6G+H2SO4;2,2 Rhodamine 6G+H2SO4+KBrO3;3,3 Rhodamine 6G+H2SO4+KBrO3+NaF.

2.1 荧光激发和发射光谱

罗丹明6G在水溶液中能发出强的黄绿色荧光。当被氧化剂氧化后，分子结构被破坏，荧光消失。分别配制罗丹明6G+H2SO4、罗丹明6G+H2SO4+KBrO3、罗丹明6G+H2SO4+KBrO3+NaF溶液体系，在荧光光度计上测量其激发和发射光谱，测定结果见图1。图中曲线1、1′与2、2′对比可见，在无F-存在的情况下，罗丹明6G氧化KBrO3的反应进行的缓慢，但当有F-存在时，反应速率明显加快，说明F-对此反应有很强的催化作用，本实验选择556 nm为测定波长。

2.2 pH的选择

按1.2节实验方法，固定其它条件不变，用0.4 mol/L H2SO4和2% NaOH溶液调节pH 值为3、4、5、6、7、8、9、10。实验结果表明：pH=5时，△F最大，故本实验加入1.5 mL 0.4 mol/L H2SO4，使反应体系pH=5。

2.3 罗丹明6G和KBrO3的用量

按1.2节实验方法，固定其它条件不变，只改变罗丹明6G溶液的体积，分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mL。实验结果表明，罗丹明6G用量为0.6 mL时△F最大。因此本法选用1.0×10-5mol/L的罗丹明6G溶液0.6 mL。按同样方法选择KBrO3溶液的量1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 mL，结果表明，KBrO3用量为3.0 mL时△F最大。因此本法选用1.0×10-4mol/L的KBrO3溶液3.0 mL。

2.4 反应温度的选择

分别选择加热温度为30、40、50、60、70、80、90、100 ℃进行实验。结果表明，随着温度升高 △F先增大，当温度达到60 ℃时，△F值最大，而后随着温度升高又降低，故选用60 ℃作为最佳反应温度。由于体系在室温下几乎不反应，故用流水冷却3 min终止反应，溶液放置30 min后△F值几乎不发生变化。温度在30～60 ℃之间ln△F与1/T(T为绝对温度)呈线性关系，其线性回归方程为：ln△F=-9533.3/T+33.626,相关系数r=0.9976，由此可以计算出表观活化能Ea=79.3 kJ/mol。

2.5 加热时间的选择

按1.2节实验方法，固定其它条件不变，分别选择反应时间为2、4、6、7、8、10、12 min。结果表明，加热时间在6～7 min内△F随加热时间的延长迅速增大，加热时间为7 min时△F值最大，7 min后再随着时间的延长△F值反而降低，故选择加热时间为7 min。加热时间在2.0～7.0 mim之间，△F与时间呈线性关系，在该时间范围内为假零级反应，其线性回归方程为：△F=14.875t-6.3542，相关系数r=0.9912，反应的表观速率常数K=△F/t=13.53/s。

2.6 工作曲线及检出限

实验结果表明，当NaF溶液浓度在0.04～2.8 μg/mL时与△F呈良好的线性关系，其线性回归方程为：△F=39.475c+39.623,R2=0.9983,线性范围为0.04～2.8 μg/mL。求得其标准偏差(Sb)为0.501，相对标准偏差(Sr)为0.106%，利用3Sb/K公式求得检出限为0.038 μg/mL。

2.7 共存离子的影响

2.8 样品分析

将水样酸化后过滤，通过阳离子交换树脂除去Fe3+、Cu2+、A13+等金属离子，定容。取0.1 mL处理液，按实验方法进行三次平行实验，结果见表1。

表1 水样中氟含量的测定

2.9 机理探讨

罗丹明6G 溶液能发出很强的黄绿色荧光,这与其含有共轭大π键有关。当被氧化后分子中环氧己烯的π键遭破坏,共轭大π键断裂,荧光猝灭。反应机理可能是：由于罗丹明6G的空间位阻作用,与KBrO3反应进行的速度很慢,通过计算机模拟，在弱酸性介质中,F-的一对孤电子进入溴的空轨道,其产物能迅速与罗丹明6G 反应,使荧光猝灭,生成F-，产生的F-又可参与反应循环,表现为催化作用。