抑制熒光猝滅法測(cè)定水中痕量砷研究

王 川，吳永博

(甘肅省有色金屬地質(zhì)勘查局蘭州礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730046)

砷（arsenic）是自然界中常見(jiàn)的元素之一，元素符號(hào)As，原子序33，舊稱(chēng)“砒”。砷普遍存在于大氣、土壤、巖石、天然水體和生物體中，在環(huán)境中通過(guò)一系列風(fēng)化、生物作用、火山爆發(fā)等自然過(guò)程得以轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)，豐度排在第二十位。人類(lèi)對(duì)砷的認(rèn)識(shí)可追溯到幾個(gè)世紀(jì)以前，自中世紀(jì)至今，無(wú)色、無(wú)味的三氧化二砷（俗稱(chēng)砒霜）常被用作劇毒藥品害人性命。國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）、美國(guó)環(huán)境保護(hù)局（EPA）和國(guó)家毒物學(xué)計(jì)劃都已將砷歸類(lèi)為致癌物質(zhì)[1]。

砷有三種形式存在：?jiǎn)钨|(zhì)砷，三價(jià)砷（arsenite），五價(jià)砷（arsenate），其化合物對(duì)哺乳動(dòng)物的毒性由價(jià)數(shù)的不同，有機(jī)或是無(wú)機(jī)，是氣體、液體、還是固體，溶解度高低、粒徑大小、吸收率、代謝率、純度等來(lái)決定。一般而言無(wú)機(jī)砷比有機(jī)砷毒性大，三價(jià)砷比五價(jià)砷毒性大，單質(zhì)砷則無(wú)毒性[2]。砷化氫的毒性和其它的砷都不同，而它可說(shuō)是目前已知的砷化合物中毒性最大的一個(gè)。

砷化合物主要通過(guò)從食物中攝取、從空氣中吸入及皮膚接觸進(jìn)入人體。如攝入量過(guò)多，砷就會(huì)蓄積在人體的各個(gè)部位，從而引起慢性砷中毒，潛伏期可長(zhǎng)達(dá)幾年甚至幾十年[3]。砷還有致癌作用，飲用含砷量高的水可導(dǎo)致皮膚癌和其他內(nèi)臟癌。

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展促使分析化學(xué)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到痕量元素的檢測(cè)和測(cè)定上來(lái)，它廣泛的應(yīng)用到生物樣品(血液、組織)、環(huán)境(大氣、水樣)、礦產(chǎn)、農(nóng)業(yè)(土壤、農(nóng)作物)、植物中藥等的痕量元素的測(cè)定和分析，尤其是與人息息相關(guān)的砷及其化合物的定量檢測(cè)。隨著砷化物的開(kāi)采、冶煉、制造和使用，大量的砷進(jìn)入環(huán)境，造成砷污染。能夠找到簡(jiǎn)便、易行、可靠的分析方法，是現(xiàn)代痕量分析技術(shù)取得重大發(fā)展的必要條件。

世界衛(wèi)生組織及美國(guó)公共健康組織規(guī)定水中砷的最大允許量為0.05mg.L-1[4]，我國(guó)也制定了一些強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)定生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)50μg.L-1[5]，食品中總砷允許限量不超過(guò)0.2mg.kg-1～0.7mg.kg-1(視食品類(lèi)型而異)[6]，土壤中砷的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(以全砷計(jì))為15mg.kg-1[7]。砷污染已引起世界衛(wèi)生組織的高度重視，因此建立快速、簡(jiǎn)單、靈敏測(cè)定砷的方法十分重要。

目前已報(bào)道的測(cè)定砷的方法有Ag-DDC分光光度法[8]、砷化氫-鉬藍(lán)光度法[9]、催化動(dòng)力學(xué)光度法[10]、熒光猝滅法[11]、原子吸收光譜法[12]、石墨原子吸收法[13]、氫化物發(fā)生原子熒光光譜法[14]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICPAES）[15]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法學(xué)法（ICP-MS）[16]等。傳統(tǒng)的檢驗(yàn)方法有砷斑法，靈敏度低；Ag-DDC分光光度法，準(zhǔn)確可靠，但操作繁瑣，靈敏度低，且吸收劑為致癌物質(zhì)，大量樣品分析時(shí)試劑及玻璃儀器太多極不方便；原子吸收分光光度法測(cè)定砷的靈敏度低，干擾大；原子吸收法、ICP-AES、ICP-MS等可獲得高靈敏度和操作自動(dòng)化，但這些方法都需昂貴的儀器設(shè)備，不易推廣。吖啶黃（Acridine yellow，縮寫(xiě)為AY）是具有較強(qiáng)熒光的堿性染料，其分子式為C14H14ClN3，分子量為259.73，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1。本文基于在H2SO4介質(zhì)中，痕量的As（Ⅲ）能靈敏阻抑KMnO4氧化吖啶黃的反應(yīng)，使其熒光猝滅值減小，且在一定的濃度范圍內(nèi)，體系的熒光變化值與As（Ⅲ）的濃度呈良好的線性關(guān)系，據(jù)此建立了抑制熒光猝滅法測(cè)As（Ⅲ）的方法。此方法靈敏度高、儀器設(shè)備簡(jiǎn)單、分析成本低，可適用于水質(zhì)樣品中痕量砷的測(cè)定。

圖1 吖啶黃的結(jié)構(gòu)式

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

1.1.1 試劑

高錳酸鉀（AR）、吖啶黃（AR）、三氧化二砷（AR）、氫氧化鈉（AR）、濃硫酸（AR）、去離子水。

1.1.2 儀器

LS-55型熒光分光光度計(jì)、電子天平。

1.2 溶液的配制

1.2.1 As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液（2.0μg.mL-1）的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取干燥的三氧化二砷0.1327g于燒杯中，加入10.0mL5.0mol.L-1的氫氧化鈉溶液溶解，加入25.0mL1.0mol.L-1的硫酸，攪拌均勻，移入100mL容量瓶中，用蒸餾水水稀釋至刻度混勻，得到1.0mg.mL-1的As(Ⅲ)儲(chǔ)備液，用時(shí)逐級(jí)稀釋到2.0μg.mL-1。

1.2.2 吖啶黃溶液（1.0×10-6mol.L-1）的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.2579g丫啶黃試劑于小燒杯中，用水溶解并轉(zhuǎn)移定容至100mL容量瓶中。

得1.0×10-4mol.L-1的吖啶黃儲(chǔ)備液，用時(shí)逐級(jí)稀釋至1.0×10-6mol.L-1。

1.2.3 高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液（1.0×10-4mol.L-1）的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取16.0mg高錳酸鉀試劑于燒杯中，溶于1000mL水中，蓋上表面皿，加熱煮沸保持30min，放置7天后過(guò)濾，濾液貯存于棕色試劑瓶中備用。用草酸鈉標(biāo)定得1.0×10-4mol.L-1的高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在10mL比色管中，分別加入1×10-6mol.L-1的吖啶黃溶液3.00mL，0.1mol.L-1的硫酸0.40mL，1.0×10-4mol.L-1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液0.50mL，其中一支比色管加入適量的2.0μg.mL-1As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，另一支不加作為試劑空白，用去離子水定容至刻度，反應(yīng)10min后，采用熒光分光光度計(jì)，在1%下設(shè)置儀器的激發(fā)狹縫為10nm，發(fā)射狹縫為10nm，λex=452nm和λem=562nm，測(cè)量空白溶液的熒光強(qiáng)度F0和待測(cè)樣品溶液的熒光強(qiáng)度F，并計(jì)算熒光強(qiáng)度之差(△ F=F-F0)。

圖2 吖啶黃的激發(fā)與發(fā)射光譜

圖3 吖啶黃的抑制熒光猝滅光譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 吖啶黃的激發(fā)與發(fā)射熒光光譜圖

圖2中的曲線a為吖啶黃中加入硫酸時(shí)的激發(fā)光譜，最大激發(fā)波長(zhǎng)為452nm。曲線b為吖啶黃中加入硫酸時(shí)的發(fā)射光譜，最大發(fā)射波長(zhǎng)為562nm。曲線c為加入硫酸和高錳酸鉀后吖啶黃的發(fā)射光譜圖，由體系的發(fā)射光譜圖可知，在硫酸介質(zhì)中，高錳酸鉀能氧化吖啶黃，使其熒光強(qiáng)度降低，發(fā)生熒光猝滅。

2.2 抑制熒光猝滅光譜圖

取7支10mL比色管均加入3.00mL1.0×10-6mol.L-1的吖啶黃液，再分別加入0.40mL0.1mol.L-1的硫酸，再分別在2號(hào)～7號(hào)比色管管中依次加入0.50mL1.0×10-4mol.L-1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液，再分別加入0.00mL、0.00mL、0.50mL、1.00mL、1.50mL、2.00mL、2.50mLAs(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液，均用去離子水定容至10.00mL，放置10min，在設(shè)定條件下測(cè)熒光強(qiáng)度值。

測(cè)定結(jié)果如圖3，由圖3（1、2）曲線可見(jiàn)，在高錳酸鉀的作用下，吖啶黃會(huì)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，而據(jù)圖3（3～7）曲線可見(jiàn)，當(dāng)固定吖啶黃和高錳酸鉀的用量時(shí)，隨著As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液加入量的增加，體系熒光強(qiáng)度上升，但熒光發(fā)射光譜的峰位和峰形基本不變，說(shuō)明As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液可抑制高錳酸鉀氧化吖啶黃發(fā)生熒光猝滅。并且，在此條件下，體系的熒光強(qiáng)度的變化值△F與As(Ⅲ)的濃度呈良好的線性關(guān)系。

2.3 反應(yīng)條件的優(yōu)化

2.3.1 反應(yīng)介質(zhì)及酸度的選擇

分別試驗(yàn)了H2SO4、HCl、H3PO3三種酸性介質(zhì)對(duì)反應(yīng)體系熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，在H2SO4介質(zhì)中，其對(duì)反應(yīng)體系的熒光強(qiáng)度的影響最小，研究了H2SO4用量在0.20mL、0.30mL、0.40mL、0.50mL、0.60mL時(shí)對(duì)體系的熒光強(qiáng)度的變化值△F的影響，當(dāng)達(dá)到0.40mL時(shí)體系的熒光強(qiáng)度的變化值△F有最小值，故選用0.1mol.L-1H2SO4加入量0.40mL。

2.3.2 吖啶黃溶液用量的選擇

試驗(yàn)了吖啶黃溶液用量對(duì)體系△F的影響，在2.00mL、2.50mL、3.00mL、3.50mL、4.00mL的范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到3.00mL時(shí)，體系的△F增長(zhǎng)緩慢，故選用1×10-6mol.L-1吖啶黃溶液3.00mL。

圖4 吖啶黃對(duì)反應(yīng)體系熒光強(qiáng)度的影響

2.3.3 高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液用量的影響

試驗(yàn)了KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液用量對(duì)體系△F的影響，在0.30mL、0.40mL、0.50mL、0.60mL、0.70mL的范圍內(nèi)，隨著氧化劑高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液用量的增加，體系的熒光強(qiáng)度變化值△F增大，當(dāng)達(dá)到0.50mL時(shí)，體系的△F最大，當(dāng)繼續(xù)增加氧化劑高錳酸鉀溶液的用量時(shí)，由于吖啶黃發(fā)生猝滅程度過(guò)大，導(dǎo)致As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液對(duì)吖啶黃猝滅的抑制作用減少，體系的△F減小。故選用1.0×10-4mol.L-1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液0.50mL。

圖5 高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液用量對(duì)反應(yīng)體系熒光強(qiáng)度的影響

2.3.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在2min～25min范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的，體系的熒光強(qiáng)度變化值△F變化很小，時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)靈敏度相當(dāng)，體系在反應(yīng)終止30min內(nèi)，其熒光強(qiáng)度基本不變。故選用10min作為體系的最佳反應(yīng)時(shí)間。

圖6 時(shí)間對(duì)反應(yīng)體系熒光強(qiáng)度的影響

2.4 工作曲線與檢測(cè)限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，按照實(shí)驗(yàn)方法繪制工作曲線。取7支10mL比色管編號(hào)并均加入1.0×10-6mol.L-1的吖啶黃液3.00mL，再分別加入0.1mol.L-1的硫酸0.40mL，再分別在2號(hào)～7號(hào)比色管管中依次加入1.0×10-4mol.L-1KMnO4標(biāo)準(zhǔn)溶液0.50mL，再分別依次加入0.00mL、0.00mL、0.50mL、1.00mL、1.50mL、2.00mL、2.50mLAs(Ⅲ)標(biāo) 準(zhǔn)溶液，均用去離子水定容至10.00mL，放置10min，在設(shè)定條件下測(cè)熒光強(qiáng)度值并計(jì)算體系熒光強(qiáng)度變化值△F。結(jié)果表明，在5.0μg.L-1～500μg.L-1范圍內(nèi)，吖啶黃的熒光抑制猝滅程度（△F）與As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度C之間的線性關(guān)系良好，線性回歸方程為△F=25.26+75.18C（μg.mL-1）（R2=0.9991），按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行11次空白實(shí)驗(yàn)，求得標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.074，3S/回歸曲線的斜率得檢出限為2.95μg.L-1，標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖4。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)曲線圖

2.5 干擾離子的影響

以50μg.L-1As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液為基礎(chǔ)，配制Cu2+溶液的濃度分別為1倍、2倍、3倍、4倍、5倍、5.5倍、6倍的As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，再測(cè)定不加Cu2+時(shí)體系的熒光強(qiáng)度值和加入不同濃度的Cu2+時(shí)體系的熒光強(qiáng)度值，計(jì)算相對(duì)誤差，當(dāng)Cu2+的濃度大于5倍的As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度時(shí)，相對(duì)誤差＞5%，因此確定Cu2+的允許存在濃度為200μg.L。用同樣的方法，研究了水中常見(jiàn)離子和有機(jī)物對(duì)測(cè)定As(Ⅲ)的影響，結(jié)果表明：當(dāng)相對(duì)誤差＜±5%時(shí)，要使共存物質(zhì)對(duì)體系的熒光特性無(wú)影響，則共存物質(zhì)的允許量為5倍的Cu2+；10倍的BrO3-、丙酮、乙酸乙酯；100倍的Ag+、Zn2+、Cr5+、草酸、2，4，6-三硝基酚；200倍的Ni2+，Pb2+，A13+；400倍的Zn2+；1000倍的SCN-，Co2+，Br-。1500倍的Na+、K+、Cl-、NO3-、F-。

2.6 混合樣品的測(cè)定與加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

分別稱(chēng)取1.0gNaCl、1.0gKNO3、0.13g干燥的As2O3于燒杯中，加入10.0mL5.0mol.L-1的氫氧化鈉溶液溶解，加入25.0mL1.0mol.L-1的硫酸調(diào)節(jié)pH至中性，轉(zhuǎn)移至100mL容量瓶中，加入去離子水定容至刻度，搖勻配成混合樣品。移取0.20mL混合樣品于100mL容量瓶中稀釋。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，按照實(shí)驗(yàn)方法，量取1.00mL混合樣品稀釋液進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得△F值按照線性回歸方程求得測(cè)定濃度，并計(jì)算回收率。同時(shí)對(duì)混合樣品稀釋液進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，并計(jì)算加標(biāo)回收率，其結(jié)果如表1所示。

表1 混合樣品的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液能抑制吖啶黃的熒光猝滅，通過(guò)試驗(yàn)確定的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：室溫條件下，以硫酸為反應(yīng)介質(zhì)，1.0×10-4mol.L-1的高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量為0.50mL，1.0×10-6mol.L-1的吖啶黃溶液用量為3.00mL，反應(yīng)時(shí)間為10min。在5.0μg.L-1～500μg.L-1范圍內(nèi)，吖啶黃的抑制熒光猝滅程度（△F）與As(Ⅲ)標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度C之間的線性關(guān)系良好，線性回歸方程為△F=25.26+75.18C（μg.mL-1）（R2=0.9991），測(cè)得檢出限為2.95μg.L-1，應(yīng)用于混合樣的加標(biāo)回收率的測(cè)定，回收率在96%～98%之間，結(jié)果滿意。