水中微量铝的测定

摘要：本方采用8-羟基喹啉作为荧光试剂，对水中微量铝进行测定，在接近中性介质（PH=7.60）中，试剂能与铝离子形成能被氯仿萃取的混合物，萃取液在365nm氙灯照射下发生荧光，其荧光峰值位于505.6nm，反应具有较高的灵敏度和选择性，方法用于无机盐试剂及水中痕量铝的测定。做了荧光剂的投量、反应时间、线性范围选择及PH变化的条件试验。
关键字：荧光试剂 8-羟基喹啉 铝的测定

一、背景：

建设部颁布的《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中首次将铝列为饮用水水质控制指标之一^[1]。在我国新的生活饮用水卫生标准（2001年）中，也已明确将铝作为其中一项水质指标，规定一、二类水的饮用水中铝的质量浓度不得高于0.2mg/L。

对全国部分城市的饮用水水质调查结果表明：以铝的质量浓度不超过0.2mg/L为标准，所调查的全国40座城市中有32.5%的城市饮用水铝浓度超标，东北地区超标的城市则高达76.9%^[2]。同时，我国的铝浓度控制指标还远低于发达国家的水平，如美国和欧共体等通告的指标是饮用水中铝的质量浓度不超过0.05mg/L^[3]。同时研究发现铝与人类某些疾病有关，因此，研究饮用水中铝的去除是亟待解决的有普通意义的课题。

二、方案的研究

目前，铝的测定方法有很多，有化学法、原子吸收光度法和紫外分光光度法等，但原子吸收光度法受原子化温度限制，基体干扰大，对水中微量铝测定有诸多缺陷，紫外分光度法测定不稳定且灵敏度不高，这些方法都有一定的局限性，对铝有测定不准确，误差较大，由此可见，有必要研究灵敏度更高，更准确可靠的，测定铝的分析方法，所以本实验选用荧光法测铝，现在荧光分析测定铝的方法也很多，铝离子也许多有机试剂形成荧光络合物，香豆素衍生物与铝可络合形成荧光物质，羊毛铬蓝黑B与铝也可络合对铝进行测定，但是上述两种试剂的选择性较差，许多与铝性性质相近的金属离子对铝的测定均有严重干扰，本方所选试剂8-羟基喹啉，它对铝有很好的选择性，在同样条件下许多金属离子并不发生同样的荧光反应，根据反应的选择性建立了一种新的测定痕量铝的荧光分析法，并用于某些实际试样的分析。

三、荧光分析介绍

荧光分析是使被分析的物质形成量子产额大的荧光性分子，利用反映荧光特性的荧光光谱、荧光强度、荧光量子产额、荧光偏光、荧光的寿命等特征这些特征的相互关系进行物质分析。

通常有溶液荧光分析是用激发射光照射试样，使产生拭目以待荧光与激发光分离之生根据荧光光谱做定分析，或者根据荧光强度进行定量分析。

（1）、荧光定量分析

我们首先看一看荧光物质的浓度C与荧光强度F的关系。如图1所示，荧光与吸收的激发光的强度有关。由于激发的吸收遵守朗伯特-比耳定律，于是公式（1）、（2）成立。

F=In=(I-I) 　　　　　　　　　　　　　　　 (1)

F=In (I-I)　　　　　　　　　　 　　　　　 (2)

 式中，I_C2入射光的强度（光量子数/S），I_1：透过光的强度，_：摩尔吸光系数，C：摩尔浓度，d：液横长度（cm）。将（2）式展开即为（3）式。

 F=I（2.303cd）[1-(2.303cd)/2+(2.303cd)²/b+……] 　　　　　　　　　　 (3)

当cd值很小时（3）式可近似地用（4）式表示。

　　　　　　　　　  F=I_O（2.303cd）　　　　　　　　　　  (4)

由（4）式可知，当cd值很小时荧光强度F与浓度C成正比。具体地说，当cd<0.02时F与C大体上成正比，运用（4）式F与C呈直线关系。然而当cd值增大时（3）式中第二项以后的娄和据不能忽略，所以F与C的关系就是一条曲线。公式（4）成立的前提是cd值在极小范围。

（3）式A-B件（4）式成立

表1内部滤光效应引起的误差

cd	1/2（2.3cd）	1/6(2.3cd)2	F误差（%）
0.001	0.00115	0.000001	+0.1
0.01	0.0115	0.0001	1.1
0.02	0.023	0.0004	2.3
0.05	0.057	0.0022	5.5
0.10	0.115	0.0088	10.6
0.20	0.230	0.035	20

与C无关其值不变、且不产生荧光的再吸收。在浓溶液中的降低（浓度猝灭）以及自吸收的影响是不能忽视的，此时F与C的关系为曲线（见图2中B-C-D段）。当浓度增加时（cd加大）(3)式与(4)式计算荧光强度的误差于表1。由表1可知，cd(密试验：Optical density)<0.02时在2.3%范围内F与C呈线性比例。

（2）定量方法　 荧光定量分析中最常采用标准曲线法。即先将已知的荧光物质配成不同浓度的标准溶液。置于荧光计中测量荧光强度；以荧光强度读数对标准溶液的浓度绘制标准曲线，在完全相同条件下测量试样溶液的荧光强度，然后出荧光强度和标准曲线求出试样溶液中待测物质的含量。

（3）荧光定量分析一些条件   在荧光定量分析中，必须根据试样的种类、目的成分的浓度共存物的种类及其浓度选择适当的荧光反应和操作条件的准则，一般是荧光强度高、影响荧光强度的因素少、分析精密度高等。尽管灵敏度高是荧光分析的一大优点，但在某些情况下宁可在这方面作出牺牲也要保持分析方法具有高精密度。除此之外，在选择荧光试剂时，最好的选择那也是种本身没有荧光或荧光很弱的、容易与测定成分定量反应并能生成值大的荧光物质的荧光试剂。为了确定荧光分析的工作条件应考察PH值、温度试剂用量、荧光化合物稳定性等因素的影响及其消除方法试剂的纯度也是不容忽视的因素。在此基础上还必须搞清目的成分的激发光谱和荧光光谱，正确地理解全部担任。下面介绍有关荧光分析的各种事项。

（a）试剂  荧光分析所用试剂的纯度是十分重要的，即使是特级试剂，其中的杂质有时也会与荧光试剂反应产生荧光或者猝灭荧光造成错误的分析值。必须注意因试剂杂质使激发光谱和荧光光谱发生变化的现象。遇到这种情况时，必须对测定条件重新进行考察荧光分析民用的水以及盐酸、氨水等试剂可以采用亚沸蒸馏法或等温吸收法提纯。试剂长期放置会分解，溶解在试剂中的氧具有猝灭荧光作用。影响荧光光谱苦头和荧光强度。因而需要针对各种试剂的特征认真研究它们的保存条件。

（b）、PH值  一般情况下介质PH值对荧光性有机化合物和荧光性　 合物的荧光光谱以及荧光强度具有很大影响，进行质量分析时必须选择最PH范围。

（c）、温度　 一般情况下间谍升高荧光强度减弱，分析荧光强度对温度对温度敏感的成分时需要使试样保持恒温，一般控制在20~25℃范围内。

（4）荧光的稳定性  用能量较大的激发光照射荧光物质有时会使荧光强度减弱，不能得到稳定值。如图30所示的例子中，用365nm的照射激发Sc-5，7-二氯-8-羟基喹啉络合物的三氯甲烷溶液，在530nm测定荧光强度。当连续地用激发光照射时因络合物的分解或聚合荧光强度显著地减弱。若只是在测定时用激发光照射，经2小时观测并未发现荧光强度减弱。对于这种荧光强度不稳定的成分应尽快测定，也可以按一定的时间间隔数次测定之后绘制荧光强度时间曲线，再将曲线外延求出零时刻的荧光强度。

不同荧光物质荧光强度的变化过程也不同。有的是开始荧光强度逐渐增强，达到一定值后稳定，有的增加到一定程度后逐渐减弱。生成荧光物质的反应速度和荧光物质的稳定性与其化学结构有关，不同结构之间的差别较大。在定量测定之前必认真地考察荧光强度的稳定性。

（5）激发光谱和荧光光谱  在定量分析中，针对具体情况可以利用表观的激发光谱和荧光光谱。在具体工作中应根据共存干扰和荧光的我选择最佳的激发波长和荧光波长，完全不必拘泥于最大激发波长和荧光波长。但是激发光谱和荧光光谱与光源的选择和测定灵敏度的提高直接相关。应该把它们作为重点考察的内容。

（6）校准曲线  进行定量分析时，荧光强度必须与测定成分的浓度成比例，并具有良好的重现性。为此一般多彩校准曲线法。首先用一定浓度的与测定成分具有类似荧光光谱的标准参比溶液设定仪器的工作条件，然后以该溶液作参比测定书籍浓度的标准溶液系列的荧光强度，以浓度与荧光强度的对应关系作图即是校准曲线。根据校准曲线确定试样浓度的方法就是标准曲线法,在定量分析中最好使用校准曲线的直线部分。

（7）共存盐类的影响　 在定量分析中，共存物质的于质产生荧光、共存物质与荧光物质发生反应、共存物质吸收激发光或荧光使荧光强度减弱。遇到这些情况必须采取相应的措施消除这些干扰。

四．荧光测定装置

根据光学系统结构的不同，荧光测定装置可分为荧光光度计（fluorometer）、荧光分光光度计（fluorospectrophotometer）分光荧光光度计（Spectrofluorophtometer）三大类。在本实验中采用荧光分光光度计结构，组成的部件中包括光源、激发光选择器、试样室、荧光选择器、光电转换器和显示器几个部分。在测定溶液的荧光时，在与激发光垂直的方向测定荧光。

五、实验原理

铝离子与8-羟基喹啉反应生成络合物能被氯仿萃取，萃取液在激发光波长365纳米的氙灯照射下会产生发射波长为506.6纳米的荧光，以此建立铝的荧光测定方法。

六．实验部分

1）实验仪器

日本岛RF-5000型荧光分光光度计

四面石英试样池容量瓶，50毫升8个，1升3个，100毫升1个，250毫升1个　

吸量管　 2ml  2支，5ml  1支，10ml  1支，1ml  1支

量筒　　 50ml  1个， 10ml  1个

分液漏斗 250ml　 7个

漏斗　　 7个

2）药品

KAl（SO₄）₂ 12H₂O　 8-羟基喹啉　 H₂SO₄（98%18moll₂）氨水　 NH₄AC　 冰醋酸　 氨水

3）试剂配制

1、铝储存标准液1（1.000克铝/升）：溶解17.57gKAL(SO₄)₂ 12H₂O加入1：1H₂SO₄至溶液清澈移至容量并瓶中甲水稀释至于刻度摇匀。

2、铝储存标准液2（0.25克铝/升）：溶解4.39克KAL(SO₄)₂ 12H₂O加入1：1H₂SO₄至溶液清澈，移至1L常量瓶中用水稀释至刻度摇匀。

3、工作标准液（2.00微克铝/升）：取2.00ml铝的储存标准液对1升容量瓶中，用水稀释到刻度摇匀。

4、工作标准液2，（0.025微克铝/升）：以0.1ml铝的储存标准液于1L容量瓶中用水稀释到刻度摇匀。

5、8-羟基喹啉溶液（2%）：溶解2g  8-羟基喹啉溶于6ml冰醋酸中，用水稀释到100ml缓冲溶液：称50 g　 NH₄AL及17.5ml　 NH₃  H₂O用蒸馏水稀释至250ml,摇匀。

4）实验方法

 取6个250毫升分液漏斗，加入50ml水，再加入0.025微克的铝/升，铝的工作标准液沿壁加入2ml 20ml8-羟基喹啉溶液和2ml缓冲溶液至以上各分液漏斗中，每个溶液均用20ml氯仿萃取2次，萃取的溶液通过脱脂棉滤入50ml容量瓶中并用少量氯仿洗涤脱指棉。用氯稀释至刻度,摇匀倒入到四面石英试样池中放入荧光分光光度仪中。萃取液在激发波长为=365nm下对荧光发射的光谱进行扫描，得到最大荧光峰值位于波长=505.6nm后,设置好荧光分光光度计需设的参数在/=365nm/505.6nm处测量络合物与试剂空白的荧光强度,得出对应荧光强度。

（5）结果与讨论　

[1]：试剂及其铝络合物的荧光光谱

参照实验步骤；绘制试剂与铝合物的荧光激发光谱与发射光谱（见图1）由图1可知，铝与试剂所形成的络合物在＝505.6时，发出的荧光强度最强。

　 

[2]反应PH值的影响

方法取6个250毫升分液漏斗；各加入4.0ml的0.025铝的工作标准液：沿壁加入2ml 2%的8－羟基喹啉溶液和2ml缓冲溶液，至以上各分液漏斗中，调节其PH分别为5、6、7、8、9、10。后用氯仿每次20ml萃取2次。

得出：

表2(a)　

PH值	5	6	7	8	9	10
F	25.407	26.306	31.557	28.602	13.340	15.302

可以确定最佳PH段应在6-8之间

所以为求得更精确的PH范围又做了以下实验此次调节PH分别为6.85 6.97， 7.28 ，7.40， 7.60， 7.99 。

得出：　　　　

表2( b)　 

PH	6.85	6.99	7.28	7.40	7.61	7.99
F	29.211	31.039	31.601	32.254	33.173	28.602

?

 可见在PH=7.60时荧光强度最强。

[3]：反应时间的影响

方法取7个250ml分液漏斗各加入50ml水，再各向加入4.0ml的0.025毫克铝/升的工作液，沿壁加入2ml 20%的8-羟基喹啉溶液和2ml缓冲溶液至以上各分液漏斗中使其分别反应时间为10min、 20min、 30min 、40min、50min 、60min、 70min 后用氯仿每次20ml萃取两次得结果如下：

表3 

t(min)	10	20	30	40	50	60	70
F	17.080	22.022	23.278	25.203	27.34	27.014	24.252

F的趋势明显t=30min时有一定的误差将t=30min舍去

由图可见在t=50min是荧光强度最强。

溶液再加入2ml缓冲溶解使其反应。

c:取1个250ml的分液漏斗加入50ml水,加入2ml的8-羟基喹啉溶液，后加入2ml缓冲溶液，最后再入4.0ml的0.025毫克铝/升的标准工作液使其反应.

d:取1个250ml的分液漏斗加入50ml水，加入2ml的8-羟基喹啉溶液，后加入2ml缓冲溶液，最后再入4.0ml的0.025毫克铝/升的标准工作液使其反应

e:取1个250ml的分液漏斗加入50ml水,加入2ml的8-羟基喹啉溶液，后加入2ml缓冲溶液，最后再入4.0ml的0.025毫克铝/升的标准工作液使其反应

f:取1个250ml的分液漏斗加入50ml水,加入2ml的8-羟基喹啉溶液，后加入2ml缓冲溶液，最后再入4.0ml的0.025毫克铝/升的标准工作液使其反应

分别用20ml的氯仿萃取2次标定进行测量

结果如下：

表4

加药顺序	AF
AL-缓冲溶液-8-羟基喹啉	35.522
AL-8-羟基喹啉-缓冲溶液	23.234
8-羟基喹啉-缓冲溶液-AL	26.046
8-羟基喹啉-AL-缓冲溶液	21.959
缓冲溶液-8-羟基喹啉-AL	30.321
缓冲溶液-AL-8-羟基喹啉	29.045

则可以看出当加入顺序为AL-缓冲溶液-8-羟基喹啉时为最优顺序。

[5]、加入缓冲剂的量对荧光的影响

取6个分液漏斗分别加入50ml水，各加入4.0ml的0.025毫克铝/升的标准工作液分别沿壁加入0ml、0.5ml、1.5ml、2.0ml和2.5ml的8-羟基喹啉溶液，后分别加入2ml缓冲溶液，至以上各分液漏斗中，使其反应后用20ml的氯仿萃取2次。

测定结果如下

表5