水杨酸荧光酮_罗丹明B荧光共振能量转移光谱信号解析同时测定合金钢中铬锰钼

1、冶金分析,2011,31(2 :8214Metallurgical Analysis ,2011,31(2 :8214文章编号:1000-7571(2011 02-0008-07水杨酸荧光酮2罗丹明B 荧光共振能量转移光谱信号解析同时测定合金钢中铬锰钼陶慧林3, 寿红娟, 朱仕毅(桂林理工大学化学与生物工程学院, 广西桂林541004摘要:研究了水杨基荧光酮(SA F 2罗丹明B (R , 结合偏最小二乘法同时测定钢样中铬(Cr 、锰( , 胶束水溶液中,SA F 与R HB , 计算了两者间荧光共振能量转移参数。、Mo 加入后能量转移体系光谱信号的改变进行解析, 。结果表明, 在优化实验条件

2、下,Cr 、Mn 、Mo 0114113mg/L 、01100195mg/L 、01131126mg/L 范围内整个光谱均呈现出线性变化。对模拟样品和实际样品测定, RSD 3%, 回收率在9410%107%之间。关键词:荧光共振能量转移; 偏最小二乘法; 同时测定; 铬; 锰; 钼中图分类号:O657132文献标识码:A钢材中的化学成分对钢的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性及力学性质等都会产生较大的影响。钢样中Cr 、Mn 、Mo 的测定方法较多, 而且根据Cr 、Mn 在高价态时表现出很强的氧化性, 以及氧析, 实现了Cr 、Mn 、Mo 的同时测定。1实验部分111仪器和试剂RF 25301

3、PC 荧光光度计(日本岛津 , TU 21901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用化速度的不同, 可采用速差动力学光度法实现Cr 和Mn 的同时测定1-3。吴秀红等4利用人工神经网络分光光度法同时测定Mo 和Cr , 叶英植等5则根据Cr 、Mo 与水杨基荧光酮形成络合物的时间不同, 用比例方程法实现对Cr 和Mo 的同时测定。在同一样品中实现两个元素同时测定的还有文献6-10等。张军延等探讨了多元校正2动力学谱法同时测定Cr 、Mo 、W 11, 但利用荧光法对3个元素同时测定的体系目前尚未见报道。本实验首先建立水杨基荧光酮(SA F 2罗丹明B (R HB 能量转移体系。在该体系中SA

4、 F 分别与Cr 、Mo 发生络合反应, 使SA F 的荧光猝灭, 同时R HB 与Mo 发生络合, 且被Cr 和Mn 氧化为无色, 从而表现出荧光共振能量转移仪器有限公司 , FA1104电子分析天平(江苏泰兴市电子仪器厂 ,p HS 23C 型精密p H 计(上海精雷磁仪器厂 。Cr 标准溶液:14142mg/L ; Mn 标准溶液:14160mg/L ;Mo 标准溶液:23100mg/L ; 水杨基荧光酮(SA F 溶液:114910-3mol/L ; 罗丹明B (R HB 溶液:110510-3mol/L ; 溴代十六烷基吡啶(CPB 溶液:310310-3mol/L ; 十六烷基三甲

5、基溴化铵(CTMAB 溶液:417510-2mol/L ; 十二烷基苯磺酸钠(DBS 溶液:114310-2mol/L ; 十二烷基硫酸钠(SDS 溶液:816110-3mol/L ; 吐温40(Tween40 溶液:112610-4mol/L ; HAc :10mol/L 。光谱上的差异, 利用偏最小二乘法对光谱进行解收稿日期:2010-07-09基金项目:广西教育厅科研项目资助(200708L X339作者简介:陶慧林(1961- , 女, 副教授, 研究方向:光谱分析; E 2mail :taohuilin glite1edu 1cn8 陶慧林, 寿红娟, 朱仕毅. 水杨酸荧光酮2罗丹明

6、B 荧光共振能量转移光谱信号解析同时测定合金钢中铬锰钼. 冶金分析,2011,31(2 :8214实验用水均为二次蒸馏水。112实验方法11211能量转移体系荧光光谱图的绘制在一系列10mL 比色管中, 依次加入一定量的SA F 溶液和R HB 溶液,0125mL 417510-2mol/L 的CTMAB 溶液, 用水定容, 摇匀。恒温30下静置10min 后, 在ex =460nm 波长下激发, 记录从505650nm 的荧光谱图。11212水杨基荧光酮和罗丹明B 荧光量子产率的测定用各胶束溶液和蒸馏水配制适当浓度的SA F 溶液、R HB 溶液, 0105, 扫描吸收光谱并读取abs ,

7、。设置各项:激发波长ex =495nm ; 扫描速度为中速; 狭缝宽度(nm 为EX =3, EM =3; 灵敏度为高; 发射光谱波长范围在505650nm ; 响应时间为0125s 。11213利用能量转移体系测定Cr 、Mn 和Mo 按照能量转移体系的选择方法, 先观察两种染料在各种胶束溶液中的吸收光谱特征(如图1的a 和b 。由图可知,SA F 在各胶束溶液中的吸收峰都明显比在蒸馏水中大, 说明胶束溶液对SA F 的吸收光谱有显著增敏作用。同时, 还显示出SA F 在阴离子型表面活性剂中吸收峰红移, 这是由于SA F 是一种极性小的不易溶解于水的有机染料。SA F , 进而在水, , 一

8、旦进入表面, 产生吸收光谱, 说明SA F 与表面活性剂之间的静电作用没有改变其极性。R HB 水溶性较好, 这是一种阳离子型染料与胶束发生较强静电作用。R HB 除在DBS 中吸光度减小且发生红移外, 在其他表面活性剂中吸收峰基本不变。由SA F 与R HB 在各胶束溶液中的荧光光谱(图1的c 和d 可见, SA F 在所有胶束溶液中的荧光强度都较在水中的强度大, 说明所有的胶束对SA F 都有增敏作用。阳离子型和中性表面活性剂对SA F 的最大发射波长几乎没有影响, 阴离子表面活性剂对SA F 的增敏作用最强且发生明显红移。R HB 在阴离子型表面活性剂中的荧光强度比水中的强度明显减弱,

9、这是由于R HB 是一种带正电荷的染料, 阴离子型表面活性剂的加入与其发生正负离子的结合作用而使R HB 的荧光发生猝灭, 而在阳离子表面活性剂和中性表面活性剂中, 由于胶束的形成发生了荧光增敏作用。SA F 与R HB 在Tween40中都能发生荧光增敏作用, 所以初步选择Tween40作为SA F 2R HB 能量转移的胶束介质。但进一步的实验结果表明, 当两种染料同时处于T ween40胶束介质中时, 却不能发生有效的能量转移(如图2 。这是因为在荧光共振能量转移过程中, 不仅要求两种染料能够在胶束溶液中发出较强的荧光, 而且还要求两种染料间的距离达到某一定值, 这样才会在光谱中显示出有

10、效的能量转移现象。在T ween 40中虽然SAF 和RHB 都能被包裹到T ween 40胶束中, 但这种包裹可能是对单一染料的包裹, 即T ween40与SAF 和RHB 分别形成胶粒, 而不是将二者包含在一个胶粒中, 因此在光谱中不能显示有效的能量转移现象。实验表明(如图2 , 在CTMAB 、CPB 中SAF 2RHB 之间能发生有效的能量转移。9 在10mL 比色管中, 依次加入0120mL 114910-3mol/L 的SA F 溶液,0104mL 110510-3mol/L 的R HB 溶液,0125mL 417510-2mol/L 的CTMAB 溶液、不同量的Cr 、Mn 、M

11、o 标准溶液以及110mL 10mol/L 的HAc , 用水稀释至刻度, 摇匀。在30的恒温温度下静置10min 后, 在激发波长ex =460nm 处, 扫描505650nm 的发射光谱。仪器的激发和发射狭缝宽度均为5nm 。11214样品的处理及测定称取011000g 钢样于500mL 锥形瓶中, 加入15mL 硫酸,5mL 磷酸, 加热溶解试样至煮沸, 待有白烟冒出后, 滴加5mL 硝酸, 再沸腾3min 左右, 加入1mL 10g/L 硝酸银溶液,20mL 100g/L 过硫酸铵溶液, 煮沸直到有紫红色出现, 继续沸腾5min , 冷却后用水稀释至p H 5左右, 滴加40g/L N

12、aO H 溶液至p H 10, 过滤, 用热水冲洗沉淀, 合并滤液, 用硫酸(1mol/L 调节至p H 3, 加热1min , 冷却后以蒸馏水定容至500mL 。取适量样品溶液于10mL 比色管中, 其余操作按照11213的实验步骤进行。2结果与讨论211SAF 与RHB 在不同溶剂中的荧光共振能量转移特性T AO Hui 2lin ,SHOU H ong 2juan ,ZHU Shi 2yi. S imultaneous determ ination of chrom ium , m anganese and m olybdenum by spectral signal analysis

13、of flu orescence resonance energy trans fer in salicylic acid flu orone 2rhodam ine B system. M etallurgical Analysis ,2011,31(2 :82 14图1在各胶束溶液和水中,SAF(a 和RHB (b 的吸收光谱及SAF(c 和RHB (d 的荧光光谱Fig 11The absorption spectrum of SAF(a and RHB (b and the fluorescence spectrumof SAF(c and RHB (d in every micell

14、ar solution and w ater图2在各胶束溶液和水中,SAF 和RHB 的荧光共振能量转移特性Fig. 2The character of FRET betw een SAF and RHB in every micellar solution and w aterc CPB =512110-4mol/L , c CTMAB =517010-4mol/L , c DBS =517210-4mol/L , c SDS =710610-4mol/L , c Tween40=115810-4mol/L.1 0陶慧林, 寿红娟, 朱仕毅. 水杨酸荧光酮2罗丹明B 荧光共振能量转移光谱信号

15、解析同时测定合金钢中铬锰钼. 冶金分析,2011,31(2 :8214212不同介质中RHB 对SAF 荧光的猝灭和荧距离R 0之间有下列关系13:66E =R 0/(R 0+r 6光共振能量转移特性为了探讨SA F 2R HB 间荧光共振能量转移的机理, 绘制常温下R HB 猝灭SA F 荧光的Stern 2Volmer 曲线, 以确定SA F 2R HB 间所发生荧光猝(2K N2-4R 0=81810E =1-F/F 06-25J (3(4式中K 2=2/3, 为偶极空间取向因子; N 为介质折射常数, 取水和有机物折射指数的平均值11336; 为受体(R HB 的荧光量子产率; J 为

16、给。根据4, 间荧光共振能量SAF 2RHB 体系中能量转移参数T able 1E nergy transfer parameters of SAF 2RHBsystem in micellar solutions and w aterK q 介质SAFMedium (L/mol/s 灭的常数, 进而判断两染料在各种胶束溶液中的猝灭机理。因此, 可以用Stern 2Volmer (SV 关系式12计算二者发生荧光能量转移时的荧光猝灭速率常数K q , 如下式:(1 I /I =1+K q 0c q =1+K SV c qRHB012201530111011601450106r (nm ECPB

17、 DBS SDS81021010012091811090135712710901325145109010251594514727189081087714520154901618010960109301183-01025CTMAB 919910100115图3各胶束溶液和水中SAF 2RHB分子对的Stern 2V olmer 曲线Fig 13Stern 2V olmer plots for SAF 2RHB moleculapair in micellar solutions and w aterc CPB =512110-4Tween40115610100116H 2O从SV 曲线, 可以确

18、定SA F 与R HB 在CPB 和C TMAB 中可能发生有效的能量转移。通过对供能体与受能体之间的结合距离r 的计算, 在两种溶剂中r 均小于7nm , 符合发生荧光共振能量转移的条件; 而从能量转移效率来看, 在CT 2MAB 中的E 值较大, 且SA F 在两表面活性剂中mol/L , c CTMAB =517010-4mol/L , c DBS-4=517210-4mol/L , c SDS =710610mol/L , c Tween40=115810-4mol/L , c SAF =114910-5mol/L.由图3知, 在蒸馏水和阴离子表面活性剂中,R HB 对SA F 的猝灭

19、曲线几乎与X 轴平行, 说明R HB 对SA F 荧光的猝灭不明显, 由于两种染料的猝灭并非实质上的分子间相互作用, 而只是一种能级间的能量转移, 故在蒸馏水和阴离子型表面活性剂中R HB 不能很好的吸收SA F 发出的能量, 能量转移效率很低。尽管在Tween40中, SA F 与R HB 的荧光都能得到很好的增敏效果, 但是二者的基态和激发态能级间的能量转移效率并不高, 两分子之间没有达到有效能量转移的距离。相比之下, 在阳离子表面活性剂中, SA F 荧光的猝灭程度很高, 在光谱中SA F 2R HB 间能量转移现象明显, 说明在此类型表面活性剂中SA F 与R HB 之间能够发生有效的

20、能量转移。根据F rster 偶极2偶极非辐射能量转移理论, 发生能量转移时, 非辐射能量转移效率E , 供能体与受能体之间的结合距离r 及临界能量转移图4CTMAB 胶束溶液中SAF 与RHB之间的荧光共振能量转移Fig 14Fluorescence resonance energy transfer betw een SAF and RHB in CTMAB micellarc CTMAB =213810-3mol/L , c SAF =114910-5mol/L , c RHB(110 =(0100, 1158, 3116, 5126, 8142, 10152, 12163, 15178

21、, 19199, 25125 10-6mol/L.11 T AO Hui 2lin ,SHOU H ong 2 juan ,ZHU Shi 2yi. S imultaneous determ ination of chrom ium , m anganese and m olybdenum by spectral signal analysis of flu orescence resonance energy trans fer in salicylic acid flu orone 2rhodam ine B system. M etallurgical Analysis ,2011,31

22、(2 :8214的荧光量子产率相当, R HB 在C TMAB 中的荧光量子产率大于在CPB 中, 因此, 选出C TMAB 胶束溶液作为SA F 2R HB 的能量转移介质。由图4可知, 随着R HB 浓度的不断增加, 在539nm 处SA F 荧光峰的强度逐渐降低, 但其峰位置不变;213应用SAF 2RHB 荧光共振能量转移体系对Cr 、Mn 、Mo 的同时测定Cr 、Mn 、Mo 加入后对SA F 2R HB 荧光共振能量转移体系的猝灭差值如图5所示。Cr 、Mn 、Mo 分别在0114113mg/L 、0110195mg/L 、01131126mg/L 范围内整个光谱而579nm 处

23、R HB 荧光峰的强度则逐渐增强, 且峰位置逐渐红移。以上说明, 在C TMAB 中SA F 与R HB 之间发生了有效的能量转移。均呈现出良好的线性变化 。图5C r 、Mn 、Mo 加入后体系光谱的变化Fig 15The changes in spectra of SAF 2RHB system after adding Cr , Mn , Mo 21311实验条件的选择分别考察了利用SA F 2R HB 荧光共振能量转移体系同时测定Cr 、Mn 、Mo 时HAc 、C TMAB 的浓度,SA F 与R HB 间浓度均为0170mg/L 时, 在优化试验条件下对多种共存物质进行干扰实验。当

24、相对误差5%时, 各共存物质的允许量如下(以mg/L 计 :N H 4+(0125 , Mg 2+(0112 , Ca 2+(0111 , Vc (0102 、I -(0102 , V (01011 、柠檬酸、草酸、Hg 2+(0101 , W (01008 , Ba 2+(01007 , Cu 2+、Fe 3+、Ni 2+(01003 , Zn 2+、Co 2+(01002 , Cd 2+(01001 , Al 3+(010005 。21313合成样品的测定利用偏最小二乘法对度比例以及温度等因素的影响。实验结果表明, 体系中HAc 浓度在110mol/L 时, 加入Cr 与Mo 后, 体系荧

25、光强度下降最大; 而Mn 在HAc 浓度为110210mol/L 时体系荧光强度下降较大, 故选择HAc 浓度为110mol/L 。在C T 2MAB 的用量试验中, 发现当CTMAB 的用量在0120mL 时Cr 荧光下降最大, 而Mn 荧光下模拟样品进行评价并寻找最合适的主成分数。当主成分数为3时, 建模的预测能力最好, 因此在主成分数为3时对模拟样品进行测定。结果见表2。由表2可知, 各组分的RSD 3%(n =5 , 回收率在9410%107%之间。21314实际钢样的测定按上述实验方法每次降最大时C TMAB 的用量在0125-0135mL 之间,Mo 荧光下降最大时CTMAB 的用

26、量为0130mL 。大量的C TMAB 会降低测定体系的灵敏度, 因此实验选择CTMAB 的用量为0125mL 。同时测定Cr 、Mn 、Mo 时, 不仅要求荧光强度改变较大, 还要求待测物质彼此的光谱信号有一定的差别。实验发现在c SAF /c RHB =5时3种元素的光谱差别相对较大, 故选择c SAF /c RHB =5进行实验。实验时先配制相应溶液, 然后加入样品, 于30下恒温1015min , 冷却后测定, 其效果最佳。21312共存物质的影响Cr 、Mn 、Mo 浓加入适量样品1或样品2, 通过偏最小二乘法解析14-15, 得出样品中Cr 、Mn 、Mo 的含量(见表3 。由表3

27、可知, 所测出结果都在给定含量范围之内(见表2 , 所以该方法具有较好的准确度和精密度。1 2编号 No . 元素 Element Cr 1 Mn Mo Cr 2 Mn Mo Cr 3 Mn Mo Cr 4 Mn Mo Cr 5 Mn Mo Cr 6 Mn Mo 编号 No . 样品 1 37SiMn2MoV 样品 2 5CrMnMo 参考文献 : 1 张东 ,张春丽 ,万莉 ,等 . 鸡冠花红褪色速差动力学光 2 张东 ,霸书红 ,高俊杰 ,等 . 速差褪色动力学光度法同 3 姜华 ,张江 1 速差动力学光度法同时测定铬和锰 J . 4 吴秀红 ,李井会 ,高礼让 ,等 . 人工神经网络分光

28、光度 度法同时测定铬 和锰 J . 冶金分析 ( Metallurgi2 cal Analysis , 2008 , 28 (4 : 39242. 时测定钢中铬 和锰 J . 冶金分析 ( Metallurgical Analysis , 2006 , 26 ( 6 : 44247. 法同时测定钼和铬 J . 分析试验室 ( Chinese Journal 分析 试验 室 ( Chinese Jo urnal of Analysis Laborato2 ry , 2004 , 23 ( 1 : 61263. 陶慧林 ,寿红娟 ,朱仕毅 . 水杨酸荧光酮2罗丹明 B 荧光共振能量转移光谱信号解析

29、 同时测定合金钢中铬锰钼 . 冶金分析 ,2011 ,31 (2 :8214 表2 模拟样品测定结果 测出值 Fo und Table 2 Results of determination for simulation samples 加入值 Added 11 01 01 73 01 58 11 01 01 51 01 81 11 01 01 29 11 04 01 72 01 73 01 81 01 72 01 51 11 04 01 43 01 73 11 04 平均值 Mean (mg/ L (mg/ L (mg/ L 11 037 01 707 01 605 11 038 01 549

30、 01 756 11 037 01 292 01 984 01 722 01 726 01 785 01 741 01 500 01 983 01 441 01 759 01 973 RSD ( % 11 2 11 7 11 4 11 1 21 7 11 2 21 7 11 2 11 0 11 1 11 0 21 4 11 2 回收率 ( % Recovery 103 105 103 106 103 100 100 961 8 941 9 951 1 991 4 971 5 971 9 951 0 941 0 Table 3 Results for the determination of s

31、teel samples 元素 Element Cr 标示含量范围 Indicated content range ( w / % 11 611 9 01 601 9 11 211 6 001 3 Mn Mo Cr Mn Mo 01 4501 6 01 1501 3 01 446 ,01 440 ,01 441 ,01 4386 ,01 440 01 771 ,01 750 ,01 764 ,01 7582 ,01 752 01 977 ,01 958 ,01 979 ,01 9768 ,01 975 11 051 ,11 047 ,11 036 ,11 028 ,11 021 01 689

32、,01 713 ,01 702 ,01 711 ,01 720 01 596 ,01 617 ,01 599 ,01 604 ,01 608 11 052 ,11 045 ,11 038 ,11 030 ,11 023 01 530 ,01 540 ,01 549 ,01 559 ,01 568 01 753 ,01 755 ,01 756 ,01 758 ,01 760 11 051 ,11 046 ,11 036 ,11 029 ,11 022 01 279 ,01 296 ,01 288 ,01 295 ,01 301 01 973 ,01 991 ,01 980 ,01 986 ,01

33、 991 01 734 ,01 723 ,01 723 ,01 717 ,01 711 01 732 ,01 714 ,01 731 ,01 728 ,01 725 01 796 ,01 774 ,01 791 ,01 785 ,01 780 01 733 ,01 734 ,01 742 ,01 746 ,01 751 01 519 ,01 497 ,01 505 ,01 496 ,01 486 01 981 ,01 968 ,01 988 ,01 989 ,01 990 表3 钢样测定结果 测出值 ( w / % Found 平均值 ( w / % Mean 01 248 11 737 01

34、 465 01 758 11 367 01 224 01 248 ,01 251 ,01 247 ,01 247 ,01 247 11 734 ,11 715 ,11 740 ,11 745 ,11 751 01 454 ,01 477 ,01 460 ,01 465 ,01 471 01 747 ,01 755 ,01 757 ,01 763 ,01 769 11 366 ,11 381 ,11 362 ,11 363 ,11 363 01 227 ,01 218 ,01 229 ,01 229 ,01 215 (3 : 28230. 5 叶英植 ,韩华云 ,陈亚华 ,等 . 速差动力学法同

35、时测定 6 张明浩 ,詹国平 1 同时测定锰和铬的增敏碘量法研究 J . 冶 金 分 析 ( Metallurgical Analysis , 1999 , 19 7 沈京沙 ,杨桂法 1 还原光度法同时测定不锈钢中铬和 8 翟虎 ,陈小全 ,邵辉莹 ,等 . 偏最小二乘分光光度法同 lurgical Analysis , 2008 , 28 ( 5 : 40243. of Analysis Laborato ry , 1999 , 18 (6 : 34236. 铬和钼 J . 分析化学 ( Chinese Jo urnal of Analytical Chemist ry , 1995 ,

36、23 (4 : 4132415. 锰 J . 冶金分析 ( Metallurgical Analysis , 2001 , 21 ( 5 : 59260. 时测定钢铁中铬和锰的研究 J . 冶金分析 ( Metal2 01 37 01 76 01 94 01 62 01 87 103 102 104 RSD ( % 13 01 82 01 80 21 0 11 1 21 9 01 58 Abstract : The fluorescence reso nance energy t ransfer mechanism of salicylic acid fluoro ne ( SA F 2rho

37、2 damine B ( R HB system was st udied. Co mbining wit h t he partial least squares met hod , t he chro mium ( Cr , manganese ( Mn and molybdenum ( Mo in steel were simultaneo usly determined. The result s showed t hat SA F and R HB co uld generate effective fluorescence reso nance energy t ransfer i

38、n hexade2 cyl t rimet hyl ammo nium bro mide micelle aqueo us solutio n. The fluorescence reso nance energy t ransfer parameter bet ween t hem was calculated. The change of spect ral signal s of energy t ransfer system af ter adding Cr , Mn and Mo was analyzed by partial least squares met hod , real

39、izing t he simultane2 o us determinatio n of t hese t hree element s. The result s indicated t hat , under t he op timal experimental co nditio ns , t he whole spect ra showed linear change fo r Cr , Mn and Mo in mass co ncent ratio n ranges of 01 14 - 11 3 mg/ L , 01 10 - 01 95 mg/ L and 01 1311 26

40、 mg/ L , respectively. This met hod was applied to t he determinatio n of simulated samples and act ual samples. The relative standard deviatio ns ( RSD were smaller t han 3 % , and t he recoveries were 941 0 % - 107 %. Key words :fluorescence reso nance energy t ransfer ; partial least squares met ho d ; simultaneo us deter2 minatio n ; chro mium ; manganese ; molybdenum 9 乔元彪 ,李春明 1 多元线性回归分光光度法同时测定 铁矿石中锰和铬 J . 冶金分析 ( Metallurgical Analy2 sis , 1998 , 18 ( 6 : 54255. 10 王贤德 , 顾志澄 1 催化动力学法同时测定铬和钼 J . 同济大学学报 (Journal of To ngji U niversity , 1995 , 23 (2 : 2102315. 11 张军延 , 朱仲良 ,邓子峰 ,等 .