（分析化学专业论文）催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究.pdf

催化动力学光度法测定微量重金属含量 及反应机理的研究 专业：分析化学 姓名：黄美珍 导师：邹小勇教授 摘要 重金属是工业生产和生物效应方面均有重要意义的元素。由于重金属对人体 的危害很大，因此准确测定食品或环境样品里重金属的含量具有非常重要的意 义。动力学分析法是利用化学反应速率和反应物浓度、催化剂之间的关系而进行 定量分析的方法。而催化动力学光度法具有灵敏度高、选择性好、设备简单、操 作简便的特点，是测定微量重金属的有效方法之一，目前，催化动力学测定微量 铬的研究较多，而测定铅的研究较少，同时对反应机理的研究也较少。本论文采 用催化动力学光度法分别对测定微量重金属铬( ) 和铅( i i ) 进行了研究，并 对其反应机理进行了探讨。 全文共分三部分，主要内容和方法如下： 第1 章 分别概述了动力学分析法的发展历史，动力学分析法的特点和分类：详细介 绍了催化动力学分光光度法的方法原理：介绍了催化动力学分析法的应用和研究 发展趋势：并对近十年国内催化动力学分析法测定微量重金属的最新研究进行了 综述；并阐述了本课题的研究背景和意义。 第2 章 在p h 5 0 的n a a c h a e 缓冲介质中，以邻菲哕啉f p h e n ) 作活化剂，微量 c r ( ) 对h 2 0 2 氧化茜素红s ( a r s ) 褪色反应存在明显的催化作用，由此建 立了测定微量c r ( ) 的新催化动力学光度法。采用固定时间法，在k 。= 4 2 2 n m 处和8 6 对催化体系和非催化体系进行吸光度的测定，应用正交试验法确定 了反应的最佳条件是2 o 1 0 m o l la r s 2 6 m l 、3 o 1 0 3m o l lp h e n1 5m l 、 3 0m o l lh 2 0 22 0m l 及p h = 5 0 n a a c h a c 缓冲溶液2 5 m l 。测定了有关动力学 参数，表观活化能匕= 8 6 5 2k j m o l ，速率常数k = 0 i i m i n ，半衰期t l ，2 = 6 3 m i n 。该方法的检出限为3 3 1 0 g m l ，线性范围为o o o 2 0 i t g m l ，并应 用于湖水、废水中的铬( ) 的测定，结果令人满意。同时还探讨了催化反应机 理。 第3 章 在氨水介质中，痕量c u ( ) 对h 2 0 2 氧化茜素红s 的褪色反应具有催化作 用，而p b ( i i ) 对此褪色反应具有明显的阻抑作用，由此建立了测定微量p b ( 1 i ) 的新催化动力学光度法。应用正交试验法确定了反应的最佳条件是2 o l o q m o l la r s2 0m l 、i 0 m o l ln h 3 h 2 01 0m l 、i g m lc u 溶液2 0m l 和1 0 m o l lh 2 0 22 0m l 。同时讨论了温度和反应时间对反应体系的影响，测定了阻抑 反应速率常数k = o 1 3m i n 半衰期，l ，2 = 5 3m i n ，由此建立了测定微量铅 ( i i ) 新的阻抑动力学光度法。该方法的检出限为7 5 1 0 g m l 线性范围为 0 o o 3 5 “g m l ，并应用于皮蛋和茶叶样品中铅( 1 i ) 的测定，结果令人满意。 同时还探讨了阻抑反应机理。 关键词：催化动力学光度法，重金属，铬( ) 铅( 【i ) 茜素红s u c a t a l y t i c a l l yk i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r y f o rt h e m e a s u r e m e n to ft r a c eh e a v ym e t a l sa n ds t u d y o nt h e i rr e a c t i o nm e c h a n i s m s m a j o r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r y n a m e ：h u a n gm e i z h e n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz o ux i a o y o n g a b s t r a c t h e a v ym e t a l sp l a yi m p o r t a n tr o l e si ni n d u s t r yf i e l d sa n dn a t u r a le c o s y s t e m s t h e ya r ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t st h r e a t e n i n gt h eh e a l t ho fh u m a nb e i n g ，t h e r e f o r e ，i t i sv e r ys i g n i f i c a n tf o rd e t e c t i n ga c c u r a t e l yh e a v ym e t a lq u a n t i t i e si nf o o do r e n v i r o n m e n ts a m p l e s t h ek i n e t i ca n a l y t i c a lm e t h o d sa r em a d eu s i n gt h er e l a t i o n s a m o n g c h e m i c a lr e a c t i o nr a t e s ，r e a c t a n tc o n c e n t r a t i o n sa n dc a t a l y s t s t h ec a t a l y t i c a l l y k i n e t i c s p e c t r o p h o t o m e t r y h a sh i g hs e n s i t i v i t y , e x c e l l e n ts e l e c t i v i t y , i n e x p e n s i v e i n s t r u m e n t sa n d s i m p l eo p e r a t i o n i ti so n eo f t h ee f f e c t i v em e t h o d sf o rd e t e c t i n gt r a c e h e a v ym e t a l s c u r r e n t l y ，t h e r ea r em a n yr e s e a r c h e so nt h et r a c ec h f o m i u ma n a l y s i s w i t h c a t a l y t i c a l l y k i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r y , h o w e v e r , f e wf o rt h et r a c el e a d m e a s u r e m e n ta n di t sr e a c t i o nm e c h a n i s m i nt h i st h e s i s t h em e a s u r e m e n t so ft r a c e c r ( v i ) a n dp b ( i i ) w e r ee s t a b l i s h e dw i t hk i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r y , a n dt h e i r r e a c t i o nm e c h a n i s m sw e r ea l s od i s c u s s e d t h i st h e s i si n c l u d e st h r e ec h a p t e r s ，a n dt h ef o l l o w i n ga r em a j o rc o n t e n t ： i l l c h a p t e rl i n t h i sc h a p t e r , t h ed e v e l o p i n gh i s t o r y , t h es p e c i a l i t y , a n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f k i n e t i ca n a l y t i c a lm e t h o d sa r er e v i e w e d t h ef u n d a m e n t a l so fc a t a l y t i c a l l yk i n e t i c s p e c t r o p h o t o m e t r ya r ci n t r o d u c e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h em e t h o d h a v ea l s ob e e nd e s c r i b e d t h ea p p l i c a t i o no fc a t a l y t i c a l l yk i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r y f o rt h ea n a l y s i so ft r a c eh e a v ym e t a l sa r er e v i e w e dd u r i n gt h el a s t1 0y e a r s a n dw e a l s oe x p o u n dt h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft h ep r o j e c t c h a p t e r2 an e wc a t a l y t i c a l l yk i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r yw a ss t u d i e df o rt h ed e t e r m i n a t i o n o ft r a c e c h r o m i u m ( v i ) ，d e p e n d i n g o nt h er e m a r k a b l y c a t a l y t i c e f f e c to f c h r o m i u m ( 1 o nt h eo x i d a t i o no fa l i z a r i nsb y h y d r o g e np e r o x i d e w i t h i ，1 0 一p h e n a n t h r o l i n e ( p h e n ) a sa c t i v a t i n ga g e n ti nh a c n a a cb u f f e rs o l u t i o n ( p h5 0 ) u n d e rt h ec o n d i t i o n so fk = 4 2 2 u ma n dc o n s t a n tt e m p e r a t u r e ( 8 6 ) ，i n d i c a t o r r e a c t i o ni sf o l l o w e ds p e c t r o p h o t o m e t r i c a l l yb ym e a s u r i n gt h ea b s o r b a n c ec h a n g ew i t h t h em e t h o do ff i xt i m e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t a n dt h ek i n e t i cp a r a m e t e r sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o ni s2 o 1 0 1 m o t l a r s2 6m l + 3 o x1 0 一m o l lp h e n1 5m l + 3 0m o l lh 2 0 22 0m l + p h 5 0n a a c h a c2 5m l t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yo fc a t a l y t i cr e a c t i o ni sf o u n d t oh e8 6 5 2k j m 0 1 t h er a t ec o n s t a n ti sf o u n dt ob e0 iim i n a n dt h eh a i f i i f ei s6 3 m i n t h ed e t e c t i o nl i m i to ft h em e t h o di s3 3 1 0 g m l a n dt h el i n e a rr a n g ei s 0 0 - 4 ) 2 0 肛g m l t h i sm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no f t r a c ec h r o m i u m ( v i ) i nl a k ew a t e ra n dw a s t ew a t e r t h em e c h a n i s mo fr e a c t i o nw a s a l s od i s c u s s e d c h a p t e r3 i th a sb e e no b s e r v e dt h a tl e a d ( i i ) c a ns e n s i t i v e l yi n h i b i tt h er e a c t i o no f h y d r o g e n p e r o x i d eo x i d i z i n gd i s c o l o r a t i o no fa l i z a r i a nsc a t a l y z e db yc o p p e r ( i i ) i nn h 3 l - l z o s o l u t i o n an e wi n h i b i t i o n c a t a l y s i sk i n e t i cs p e c t r o p h o t o m e t r yf o rt h ed e t e r m i n a t i o n o fl e a d ( i i ) w a sp r o p o s e d e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e db yo r t h o g o n a lt e s t t h eo p t i m u mc o n d i t i o ni s2 0 x1 0 1m o l l a r s2 0m l + 1 0 m o l ln h 3 h 2 01 0m l + ip g m lc u 2 + 2 0m l + 1 0m o l lh 2 0 22 0m l t h ee f f e c t so f t e m p e r a t u r ea n dt i m e o nr e a c t i o ns y s t e mw e r ea l s od i s c u s s e d t h ei n h i b i t e dr e a c t i o nr a t ec o n s t a n ti sf o a n d t ob eo 1 3m i n 一a n dt h eh a l f - l i f ei s5 3 m i n t h ed e t e c t i o nl i m i to ft h em e t h o di s 7 5 1 0 g m l a n dt h el i n e a rr a n g ei s0 0 - 4 ) 3 5i x g m l t h i sm e t h o dh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e df o rt h ed e t e r m i n a t i o no fl e a d ( i i ) i np r e s e r v e de g g sa n dt e a t h e m e c h a n i s mo fi n h i b i t e dr e a c t i o nw a sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ：c a t a l y t i c a l l yk i n e t i cs p e e t r o p h o t o m e t r y ，h e a v ym e t a l s ，c h r o m i u m ( v i ) ， l e a d ( i i ) a l i z a r i ns v 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 第1 章催化动力学分析法及其进展 1 1 动力学分析法概述 1 1 1 动力学分析法的兴起与发展 动力学分析法是利用化学反应速率和反应物浓度、催化剂之间的关系而进 行定量分析的方法。它可用分光光度法荧光光度法、离子选择电极法、滴定法、 电流法，电导法，气相色谱法测量反应物浓度的变化。最常用的是分光光度法， 采用分光光度法测定又称为动力学分光光度法，它与传统的热力学方法不同，动 力学方法在非平衡态便可进行测定，因而拓展了化学反应范围。动力学分光光度 法克服了经典分光光度法的弱点，使分光光度法有了新的进展，它不仅是一种重 要的定量分析方法，而且还是一种研究催化与动力学反应机理的重要工具之一。 最早的动力学分析法是利用溶液的p h 值变化，以研究蔗糖的转化、脂类的 皂化和重氮基乙酸乙脂的分解等与p h 值有关的反应。到了1 9 6 3 年b o g n a r 提出 过一种测定催化剂浓度的方法，即是在相同条件下，采用目视法或光度法，将含 有未知量催化剂的反应速率与含有已知量催化剂的一系列“标准反应”的速率进 行比较，从而确定催化剂的浓度【l 】。二十世纪五十年代，由于分析仪器的发展， 促进了测量技术的进步，把非催化动力学分析法也包括进去，总称为动力学分析 法或称速率法。在这时期内所发表的动力学分析方法，多数只有学术价值，用以 测定实际样品的方法甚少。 在二十世纪六十年代，动力学分析法得到了发展。m a r k t m 等撰写了动力学分 忻专论。催化动力学分析法在近2 0 多年得发展迅速，发表了不少论文和专廿【“j ， 在很多分析化学著作中都列有专章。s t a n l e y t 副在美国a n a l y t i c a lc h e m i s t r y 杂志 上发表的题为”k i n e t i cd e t e r m i n a t i o na n ds o m ek i n e t i ca s p e c t so fa n a l y t i c a l c h e m i s t r y ”的评述文章，对1 9 9 7 年、1 9 9 8 年两年的动力学分析法进展情况进行 了评述，引用的参考文献就约2 0 0 0 余篇。从1 9 8 3 年9 月在西班牙召开第一届动 中山大学硕士学位论文腱化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 力学分析国际会议以来，己先后在世界各地召开了六届动力学分析国际会议，内 容涉及动力学分析方法，多组分的动力学分析法，流动分析，机理研究等诸方面。 动力学分析受到了国外学者的广泛重视。 六十年代初，任镇章、张树成详细地介绍了催化动力学分析法及其应用，是 我国出现最早的动力学分析文献。1 9 7 8 年后，在分析化学的教材中亦出现有关 动力学分析法的专章或专节内肃【“”，祝大昌等编译并出版了有关催化动力学分 析法译文专集【剐，国内还出版了动力学的专著【9 1 ，大量的研究论文不断地出现在 分析化学、分析试验室等2 0 余种期刊上，1 9 8 5 年6 月于江西庐山召开了 首次动力学分析法讨论会，此后的几年又陆续召开了多次动力学分析法讨论会， 这标志着我国动力学分析法的研究正在日趋成熟，而且形成了我国的特色，众多 论文被国外学者引用。 动力学分析法的发展与仪器的发展息息相关，因为动力学测量需要以时间为 实验参数来观察反应物或生成物浓度随时间变化。随着科学技术的发展，各种现 代分析仪器与仪器分析的不断出现，又给动力学发展带来了活力，例如把动力 学分析与气相色谱联用，建立了动力学气相色谱技术；与流动注射法联用，建 立了动力学流动注射法：与萃取分离技术和光度法相结合，又建立了催化萃取 光度法等新的测量方法。这样，不仅提高了动力学分析法的灵敏度、选择性和准 确度，而且减少了操作上的人为因素，同时也提高了分析速度并为动力学分析法 实现半自动化和自动化，开辟了广阔的前景。 1 1 2 动力学分析法的特点 与热力学方法相比，动力学方法具有下述优点： ( 1 ) 反应选择性较好，适用于混合物中性质十分相似组分的同时测定( 如 有机化合物中的异构体和同系物) ，按传统的热力学方法往往由于相应平衡状态 的自由能差异不大，难以区分，通常要采用分离技术，由于反应的活化能和速率 常数在很大程度上取决于反应物形成的中间活性络合物的结构，因此结构上有微 小差别的反应物将以明显不同的速度进行反应，固而可用动力学方法进行测定， 尤其是酶催化反应的选择性更好，专一性强，在某些情况下甚至是特效的。 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 ( 2 ) 催化动力学分析法灵敏度高，通常分光光度法的灵敏度为1 0 m o l l ， 而从理论上推算催化动力学分光光度法能检测的最低浓度可达1 0 。1 6m o l l ，实 际上目前已能检测1 0 。2 m o l l 的痕量物质。 ( 3 ) 扩大了可利用的化学反应范围，很多化学反应由于达到平衡的时间很 慢，或者平衡常数太小，或者有副反应发生，而不能采用热力学分析法，但可采 用动力学分析法。因为后者并不要求反应完全，只需测定反应起始阶段的数据即 可。 ( 4 ) 由于动力学分析法是以时间为变量的，便于计算机与分析仪器的联机 使用，容易实现流程控制、样品检测、数据采集和处理的自动化。时间测量的精 度非常高，可精确到1 0 4 2s ，因此测定的准确性高。 动力学分析法亦有一定的应用范围，它要求被测体系的反应速度必须与所用 仪器或设备的应答时间相适应，所选用的测定方法必须尽量简单，且具有适当的 灵敏度。 i 1 3 动力学分析法的分类 1 1 3 1 动力学分析法中的化学反应 动力学分析法是以化学反应为基础的，应用于动力学分析中的化学反应大体 上有三种类型。 1 催化反应 ( 1 ) 氧化还原反应( 包括催化反应、活化反应、阻抑反应) ： ( 2 ) 非氧化还原反应( 包括取代反应、配位交换反应，分解反应和水解反 应) ： ( 3 ) 酶催化反应( 包括活化效应、抑制效应) ： 2 非催化反应 3 诱导反应 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 1 1 3 2 动力学分析法的分类 根据化学反应中催化剂存在与否，动力学分光光度法一般可分为非催化动力 学方法( 包括速差动力学分析法) 和催化动力学方法( 包括酶催化动力学分析法) 两大类。 i 催化法 此法是以催化反应为基础测定物质含量的方法，可用于测定催化剂或活化剂 或阻抑剂浓度或含量，即根据催化反应速度的加快或减慢测定催化剂或阻抑剂的 含量。通常又把后一种称为阻抑法或反催化法，该方法灵敏度很高，一般可达“g 级。 2 酶催化法 酶是生物化学催化剂，酶催化反应显著的特点是它的特效性和高灵敏度，它 不仅用于测定酶的活性，也可用来测定底物、活化剂和酶的阻抑剂。酶催化反应 的起始速度是酶的浓度( 活性) 一级形式的函数。当底物浓度较低时，起始速度 也正比于底物的浓度。阻抑剂能使酶催化反应的速度降低，起始反应速度随阻抑 剂浓度的增大而减少，在一定的浓度范围内呈线性关系，因此也可测定阻抑齐u 的 含量。 酶催化分析法主要应用于解决生命科学中的问题，在临床检验和生物化学的 研究中日益受到重视。例如一些生命物质和体液中极微量的特殊有机成分，当用 其它方法测定有困难时，酶法分析则有其独到之处。此外也可用来测定痕量能阻 抑或促进酶催化反应的无机离子。酶催化反应具有极高的灵敏度，可以测定i o 以2 g m l 的痕量物质，同时方法的选择性很好，因为酶是一种生物催化剂，具有极 高的催化效率和高度的专一性。 3 非催化法 通过测量非催化反应的速度来确定反应混合物中的单一组分或同时测定多 种组分。非催化法的灵敏度低于催化法，但对一些速度很慢的反应或者有副反应 发生时，用该法比较适当，如许多有机反应一般比较慢，故常用于有机分析。 4 速差动力学法 它是非催化反应中的一种，是不经分离同时或连续测定混合物中性质相似的 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 多组分的重要方法，它基于共存组分与同一试剂反应的速率差别达到测定目的。 即选择一定的条件，让反应物或试剂溶液迅速混合，同时用仪器测量与反应物或 生成物浓度成正比的某一参数( 如吸光度、电导、电位) 随时间的变化，经数学 处理求出各组分的含量。由于速差动力学分析以时间为变量，便于计算机与分析 仪器的联机使用，实现实验控制、样品检测、数据采集和处理的自动化，故近年 来发展十分迅速。 近2 0 年来，在溶液中进行的快速反应动力学研究不断提高，实验技术不断 提高，主要实验技术有驰豫法和流动法。驰豫法的应用不太广泛。停留法是流动 法的一种，它是在突然停止流动后测定信号随时间的变化，应用很广连续流动 法比停留法更适合快速反应的测定，但消耗试剂和试液量较多。流动注射分析法 ( f i a ) 可看作是连续流动法，它消耗试剂、试液量少，己广泛用于速差分析。 5 诱导方法 诱导方法是以诱导反应为指示反应测定诱导剂，已知的诱导方法为数不多 但其中大多数灵敏度很高。在一定低浓度范围内，诱导反应的诱导期与诱导体浓 度呈简单的线性关系，基于此可进行定量测定。 i 1 4 动力学分析法的准确度和精密度 1 测定方法对准确度的影响 动力学方法的准确度与所选用反应的专一性有关，同时也受到测量方法本身 的准确度和实验条件的影响。定时法和变时法的选择主要根据反应时间，欲测组 分的性质和所用的监测技术而定。当分析信号与浓度成直线关系时，定时法优势 明显( 如酶反应中底物的测定) ；当分析信号随浓度呈非线性关系改变时，变时 法则比较合适，两种方法是相互补充的。 2 仪器因素对精密度的影响 反应速度测量中其精密度与下列因素有关：( 1 ) 检测信号的噪音和漂移：( 2 ) 反应条件的恒定性：( 3 ) 在时间测量体系中所得数据引起的误差大小，其精密度 决定于所用监测方法能达到的重现性，通常在士2 1 0 的范围内波动。 3 本底对动力学分析法的影响 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 除了反应物浓度、温度、催化剂及溶剂和离子强度等因素对化学反应速率有 影响外，化学反应的速度还强烈地依赖于本底的影响。在催化动力学分析中，本 底数值小且稳定将有利于提高方法的灵敏度和准确度，引起本底变动的主要原因 有：( i ) 体系中存在杂质，甚至极微量的固态物质( 尘埃、滤纸纤维等) 也会带 来影响：( 2 ) 试液与用来绘制校准曲线的溶液组成不同，特别是p h 值、盐类的 组成、离子强度及试剂与水带入的杂质等：( 3 ) 反应器皿的厚薄差异而引起的温 度不一致，在实际测量时，必须使本底速度或普通反应速度( v o ) 尽可能小，才 能获得必要的准确度。 i 2 催化动力学分析法的种类 催化法是指一切基于直接或间接监测催化反应速率的方法，在直接法中待测 组分起着催化剂的作用，在间接法中则起着抑制和活化剂的作用。 i 直接法 利用原级催化效应进行测定，主要用于催化剂的直接测定，可采用分光光度 法、化学发光法或荧光法监测指示反应，其中化学发光反应灵敏度特别高，但反 应速度的测量最常用的仍是分光光度法。按反应类型可分为： ( i ) 化学发光法 有一些指示反应，受催化作用时，其慢反应伴随着光辐射而产生化学发光， 且单位时间的光辐射量与催化剂浓度成正比，故可用于定量测定。如朱昌清等 1 l i 研究了鲁米诺亮绿s f p h9 0 氨水过氧化氢铜的催化化学发光体系，建立了人 发、茶叶中铜的催化化学发光分析法，检出限为1 6 1 0 。9m o l l 。 常见的化学发光体系有鲁米诺、光泽精、洛粉碱、没食子酸、邻苯三酚等。 ( 2 ) 催化荧光法 催化荧光( 荧光反应的生成或反应物荧光的熄灭) 动力学分析法是荧光动力 学分析法的主要类型，与荧光分析法，分光光度分析法和催化动力学分析法相比， 具更高的灵敏度和专属性，这是因为由于只有为数不多的化合物会显示明显的荧 光，以及激发波长和发射波长二者可选择的原因，另外，在某些情况下，荧光特 性和动力学特性之间相互影响，有助于消除某些影响，1 9 6 9 年r y a n 等m i 首次提 6 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 也以催化动力学荧光光度法测定a g ( i ) 以来，其灵敏度、选择性优于分光光 度法。如在氨水介质中f 存在下，h 2 0 2 氧化茚三酮产生微弱荧光，而铜使荧光 强度增大，用于人发、潞党参中铜的测定，检测限为7 4 x 1 0 mg m l l l 3 i ，t a n g t 4 1 等基于i ，对高锰酸钾氧化新合成荧光试剂s a p n b h 使其荧光猝灭的阻抑作 用，建立了动力学荧光法测定痕量铱( i v ) 的新方法。 ( 3 ) 分光光度法 分光光度法是基于物质对光的选择吸收而建立起来的分析方法，该方法实验 设备简单、检测方便、具有较高的灵敏度。 2 间接法 该法是利用改变催化反应速率来进行测定的，主要用于活化剂和阻抑剂的测 定。 ( 1 ) 阻抑剂的测定 阻抑剂是能够让催化剂失去活性的物质，这种方法能够降低检出限和改善方 法的选择性。如在盐酸介质中痕量邻苯二胺能灵敏地阻抑f e p 催化h 2 0 2 氧化甲 基红的褪色反应，可用于测定环境水样中邻苯二皑1 5 l ， ( 2 ) 活化剂的测定 有些物质本身并无催化作用，但能使催化剂的催化活性大大提高，从而显著 增大指示反应的反应速度，这类物质称为活化剂。用活化剂增大反应速度的作用 称为活化作用，是提高催化动力学分析法灵敏度的一个有效的方法，同时也增加 了方法的选择性。如在p h 6 5 的n a h 2 p 0 4 - n a 2 h p 0 4 缓冲溶液介质中利用i ，l o 一 谁哕啉活化铜( i i ) 催化h 2 0 2 氧化邻氨基酚显色的指示反应，用萃取平衡控制 反应时间和水相中邻氨基酚的浓度和反应程度，建立了萃取动力学光度法测定活 化剂l ，1 0 菲哕啉的新方法【t 6 1 。 i 3 催化动力学分光光度法 在催化动力学分析法中用于测定的方法包括：光度法荧光法，电位法， 和滴定法，只是加进了“时间”的影响因素。具体测定的对象并非催化剂本身，而 黾“化学放大”了的其它物质，其中最常用的是分光光度法，采用光度法测定的又 7 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 称为催化光度法。 1 3 1 方法原理【1 7 i 以催化反应为基础来测量物质含量，其基本原理是测量受均相催化加速的某 一化学反应的速度，利用其数值与催化剂浓度( 或间接地与活化剂浓度、阻抑剂 浓度、解阻剂浓度等) 存在的函数关系，进行这些物质的测定。例如，某均相催 化反应： c a t a + b ；= = x + y 式中c a t 为催化剂，该反应称为催化剂c a t 的指示反应，被测定的物质，如x 、 y 、a 或b 称为指示物质。 随着反应的进行，反应产物x 和y 的量越来越多，而反应物a 和b 的量越 来越少。反应速度可以用生成物浓度的增加辈f 或华) 或反应物浓度的减少 d ld t 一掣( 或一辈) 来表示。 d td f 对于上述催化反应，其反应速度为( 以x 浓度的增加来表示) ： , i x ，。：七( a - x ) ( 1 1 ) 出 一 式中，a 和a x 分别为反应物a 的起始浓度和瞬时浓度，x 为生成物x 的浓度， c c 。为被测催化剂的浓度，七为反应速率常数。 为了方便，常选用反应物b 的浓度远远高于a 的浓度，计算时可视b 的浓度 保持不变，将上述反应看成一级反应。若将( i i ) 式积分 f 熹= k c 。j 衍 可得： i o g 三= k c c j ( 1 - 2 ) 因此，反应物a 的起始浓度与瞬时浓度比的对数值与反应时间和催化剂浓 度的乘积成正比，如果反应时间恒定，则仅与催化剂的浓度成正比。 如果反应物a 或生成物x 在某一浓度范围内存在光的吸收，就可以用吸光 中山大学硕士学位论文 催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 度代替方程式( 1 - 2 ) 中的浓度项。例如，若a 存在光的吸收，即a = 6 4 a l ， 4 = 毛c a - x ) l ，则 - 。s 砉= ， ， 式中a 0 和a f 分别为反应物a 的起始吸光度和t 时刻的瞬时吸光度，此式即为催 化褪色反应的基本关系式。 如果反应进行的程度不大于3 ，即反应刚开始的一段时间内测量浓度的方 法很灵敏，则a x ，a x z a ，可视为常数，反应为准零级反应，此时，反应 速度与反应物浓度无关，其动力学方程式可表示为： 警= 积分后得： x = k c c m t ( 1 - 4 ) 即反应产物x 的浓度与催化剂浓度和时间的乘积成正比。固定测量时间，即可 获的工与的线性关系。 如果反应物产物x 为有色物质，在一定浓度范围内存在吸光度，则a 。= 占。x ， ( 1 - 4 ) 式改写为： 鲁= t a t = 耙s j c c m t = k c c j ( 1 - 5 ) ( 1 - 5 ) 式即为催化显色反应的基本方程式，式中常数项拓。，合并为k 。 由于催化剂能改变某一化学反应的速度，并不影响反应平衡，且在反应进行 的过程中不断得到再生，因而痕量的催化剂可以不断地重复作用，只要维持足够 长的反应时间，就可以积聚相当多的反应产物x ( 或y ) 或消耗一定量的反应物 a ( 或b ) 以供测定。 1 3 2测量方法 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 用催化动力学光度法测定溶液中反应物或催化剂的含量时，通常采用起始反 应速度法，这是因为该法有三个主要优点：( 1 ) 由于反应只进行到反应平衡时的 很小一部分，生成的产物浓度很低，因而逆向反应速度对总反应速度没有显著影 响：( 2 ) 在反应起始阶段，任何副反应所引起的复杂化都是最轻微的：( 3 ) 在起 始阶段，各种反应物的浓度不会产生明显的变化，反应按假一级或假零级反应动 力学进行，因此，测定的重现性较好。 起始反应速度法包括起始斜率法、固定时间法、固定浓度法。 i 起始斜率法 起始斜率法又叫正切法，它是根据线性曲线斜率来测定未知物浓度的方法。 将( 1 - 5 ) 式改写为： a t = k c c m 则a t 是a f 曲线的斜率，且与c c m 成正比，则 t a n 0 = a t = k c c m ( 1 - 6 ) 在实际测定中，选定一定浓度的c c m i 、c c a l 2 、c c 越j ，庄不同的时间t i ，f t 3 测出溶液相应的吸光度a i ，a 2 ，a 3 ，绘制a f 曲线，求出相应的斜率 a t = t a n 0 ，在t a i l 0 一c c m 标准曲线上查出相应的c c m 。 2 固定时间法 本法是使指示反应进行到时刻f 后，立即终止反应，测定反应物或生成物的 浓度，或测定与浓度呈线性关系的某一特征值，在分光光度法中用吸光度代替 浓度。 当反应时间固定时，根据( 1 3 ) 式，则l 。g 导与c c a c 成正比，绘制l 。g 鲁一c c m 标准曲线。根据( 1 - 5 ) 式，a 与c c 。成正比，绘制a c c 。标准曲线。 催化光度法中，通常采用快速冷却、改变酸度，加入能与反应物牢固结合的 物质或能与催化剂结合失去活性的物质使指示反应“终止”。 固定时间法比斜率法简便，但其准确度要差些，对有明显诱导期的指示反应 难以得到可靠的结果。 3 固定浓度法 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 也称变时法，本法是测量指示反应中有色络合物的浓度达到某规定数值时所 需的时间，固定有色络合物的浓度，即固定吸光度a 值，则c c 。与反应的时间t 成反比。 c c m = ( a k ) l t ( 1 - 7 ) 根据式( 1 - 7 ) 绘制c c 。广l f 标准曲线 本法的优缺点与固定时间法大致相同。 4 标准加入法 实验测定时，取两份完全一样的试液，其被测物质浓度为c 的溶液，一份 加入已知量的被测物质，其浓度为c o ，另一份不加，然后采用上述三种方法中 的任一种进行测定，本法适用于非催化反应和催化反应速度进行较慢的那些指示 反应，在实际样品分析中应用较少。 t 3 3 催化动力学分光光度法的显色反应 催化动力学反应速率的测量最常用的是分光光度法，利用一些高灵敏度的显 色反应，可测定n g 级的痕量元素，应用最普遍的是s a n d e l l k o l t h o f f 反应、卟啉 类试剂的金属催化反应和氧化还原催化反应。 1 s a n d e l l k o l t h o f f 反应 s a n d e l l k o l t h o f f 发现碘离子能催化铈盐氧化亚胂酸的反应，人们根据这一指 示反应测定各种样品中低浓度的碘离子( 或碘酸盐) ，如食盐、水、蔬菜，血清 和尿中的碘，特别是测定蛋白质结合碘有重要意义。 2 卟啉类试剂的金属催化反应 金属离子与卟啉试剂类化合物的配位反应能被许多金属离子催化加速，如 f e 2 + 对c 2 + 与t ( 4 m o 3 s p ) p ( m e s o 四( 4 甲氧基3 磺基苯基) 卟啉) 的反应 具有催化作用，反应时间为lm i n ，用h 2 s 0 4 酸化后终止反应后，在4 1 6 r i m 下测 吸光度，可测定n g m l 级的f e ( 1 i ) 【1 引， 3 氧化还原催化反应 金属的催化测定中，最灵敏的方法是以催化氧化还原反应为基础。在水溶 液中，通常利用参加反应的氧化还原电对的标准电极电位来估计反应发生的可能 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 性。 当e o ( o x l r e d i ) e o ( o x 2 r e d 2 ) l 对，则可能发生 0 x i 十r e d 2 = r e d i + o x z 一个氧化还原反应，只有当它在动力学上是受抑制的( 在电子转移反应中， 氧化剂的被占轨道与还原剂的未占轨道间的轨道重叠受阻，或在原子或原子团转 移的情况下，共价键必需分裂) ，才能作为指示反应。 因为金属离子对于指示反应的氧化还原催化作用是与催化剂的价态变化有 关： r e d ，+ m ( ”1 卜o x 2 + m ” o x i + m o + ，e 沁d t + m ( “+ + 因而，催化剂氧化还原对的实际电位就应处在反应物的氧化还原对电位的中 间，才能发生催化效应。 e ( o x l r e d 0 e ( m ( ”卜m ”) e ( o x z r e d 2 ) 在催化氧化一还原反应中通常采用过氧化氢、过硫酸铵，溴酸钾、高碘酸钾、 氯酸钾等作为氧化剂。 i 3 4 催化动力学分光光度法的灵敏度和选择性1 1 9 1 灵敏度及其影响因素 催化动力学光度法与平衡分光光度法相比，最重要的特征是具有低的检出限 和高的灵敏度，其灵敏度大多在“g n g m l 级之间，部分在n g p g m l 级范围内 ( 表i 1 ) ，为了估计催化分光光度法的检出能力，采用最低俭出限 k 1 。表示， 丧1 - 1 催化分光光度法和平衡分光光度法捡出限g g m l ) 的比较 2 中山大学硕士学位论文催化动力学光度法测定微量重金属含量及反应机理的研究 ( 1 ) 最低检出限 根据朗伯比尔定律，当被测量的是指示物质x 的吸光度时，该定律具有以 下形式： a a = 吼l a x 】 ( 1 - 8 ) 对以x 为指示物质的催化反应，在考虑非催化反应的起始条件下： v r = a x a t = 瓯 k 】n c ( 1 - 9 ) n c = 【a 0 e b 0艮= 催化反应的速率常数 k 】硼i 。= x 】m 。n 。“h c m a x k | ( i i l “ ( 1 1 0 ) 将此式代入( 1 - 8 ) 得： 【k 】m i n = a a m i n k m 缸l m a x f m 瓢i i c m a x k k m 舣 ( 1 -