UV240型紫外-可见分光光度计(日本岛津公司);WK-2型电热恒温干燥箱(天津津海第一医疗器械实验设备厂)。

1.00×10^-3 mol/L亮蓝标准溶液(亮蓝由上海染料研究所有限公司提供,纯度大于97%);10.0 mol/L盐酸贮备液(由优级纯浓盐酸反复调制而成,经NaOH标准溶液标定其浓度,贮存于下口试剂瓶中);高氯酸;浓硝酸;浓硫酸。除注明外,其余试剂均为分析纯,实验用水为石英亚沸二次重蒸水。

1.2.1 亮蓝的酸度响应行为测定 配制多份浓度为3.00×10^-5 mol/L的亮蓝溶液,分别向其中加入不同量的10.0 mol/L HCl贮备液,调节各份亮蓝溶液中HCl浓度为0.1~6.0 mol/L。 将上述亮蓝溶液转移至直径为1 cm的无色西林瓶中,观察并用相机记录亮蓝溶液的颜色,采用分光光度计测定其在350~700 nm波长范围内的吸收曲线。

1.2.2 高酸度试纸的制备 以中速定性滤纸为基纸,浸泡在一定浓度的十六烷基三甲基溴化铵溶液中,浸润均匀后取出,在空气中晾干,得到改性基纸。

将改性基纸浸泡在一定浓度的亮蓝溶液中,取出,室温下自然晾干,即得到以亮蓝为显色剂的高酸度试纸。

在10 mL比色管中分别加入不同体积的盐酸贮备液,加水定容,配制成H⁺浓度分别为0.1、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0和9.0 mol/L的标准溶液。 将改性基纸浸泡到上述溶液中,达到吸附平衡,取出,室温下晾干,即得到标准比色板。

将高酸度试纸条的一端插入待测试液中,取出,与标准比色板对比并确定待测液中H⁺的浓度。

表1给出了亮蓝在HCl浓度为0~6.0 mol/L溶液中的颜色变化特征。 相机记录的照片表明,亮蓝随溶液中酸浓度的变化而呈现出不同的颜色响应。 当溶液中无HCl时,亮蓝溶液呈鲜艳的蓝色;随着HCl浓度从0.1到6.0 mol/L逐渐提高,亮蓝溶液分别呈现浅蓝、蓝绿、绿、浅绿、草绿、黄绿、深黄和黄色的递变。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 亮蓝在不同浓度HCl溶液的颜色与吸光度变化 Table 1 Colors and absorbance of brilliant blue in the various acid solutions c(HCl)/(mol·L-1) Color A1 λmax2/nm A2 A1 /A2 0 blue 3.258 404.0 0.373 8.73 0.1 dark green 2.167 407.0 0.559 3.88 1.0 bottle green 0.473 424.0 0.830 0.57 2.0 light green 0.183 427 0.906 0.20 3.0 prasinoue 0.057 427.0 0.916 0.06 4.0 kelly 0.024 428.0 1.104 0.02 5.0 lemon yellow 0.012 428.0 1.192 0.01 6.0 yellow 0.001 428.0 1.212 0.001

表1 亮蓝在不同浓度HCl溶液的颜色与吸光度变化 Table 1 Colors and absorbance of brilliant blue in the various acid solutions

图1

Fig.1

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	图1 HCl浓度对亮蓝吸收曲线的影响Fig.1 Effect of HCl concentration on absorption curves of brilliant blue

为了进一步定量说明亮蓝对不同H⁺浓度的响应特性,以水为空白,采用分光光度计测定其在350.0~700.0 nm波长范围内的吸收曲线,结果如图1所示,并将不同测试条件下的最大吸收波长与吸光度同列于表1。 从图1的吸收曲线可以看出,亮蓝在中性溶液中于测定波长范围内存在两个吸收峰(P₁和P₂)(图1,黑线),最大吸收波长分别为622.0和404.0 nm,对应的吸光度之比 A₁ /A₂=8.73。 根据光的互补原理,622.0 nm波长的光属于橙黄色区域,被吸收后溶液呈现出其互补色—蓝色;而404.0 nm波长处的光属于蓝紫色区域,被吸收后溶液呈现出其互补色—黄色。 由于 A₁≫ A₂,所以亮蓝在中性溶液中显蓝色。随介质酸度的提高, A₁逐渐减小, A₂则逐渐增大,导致 A₁ /A₂由8.73逐渐减小到0.001,对应于亮蓝的颜色经历了由蓝到绿再到黄色的渐变。 值得注意的是: λ_max1基本不变,但 λ_max2在HCl浓度≤2.0 mol/L时,随酸度的增大而逐渐红移至427.0 nm,当HCl浓度>2.0 mol/L时不再发生明显变化,说明亮蓝的结构随HCl浓度的增加而发生变化。

从亮蓝结构式出发,进一步分析亮蓝的上述光谱吸收行为。 亮蓝的结构式如图2 A所示^[9],当亮蓝处于中性溶液中时,吸收波长较大的P₁和吸收波长较小的P₂分别归属于 和 的吸收行为,而根据物质的共振结构理论^[11],亮蓝在中性溶液中还有另一种结构与之共存(见图2 B);当亮蓝处于酸度>6.0 mol/L 的强酸性介质条件时,P₁几乎完全消失,预示着 结构的消失。基于亮蓝的上述结构,推测亮蓝在中性溶液中以 A式结构为主要型体,呈现蓝色;当亮蓝处于0.1~2.0 mol/L的酸性条件时, B式结构中碱性较强的=N—基团可以优先接受1个H⁺,使共轭性较强的 结构转变为共轭性减弱的 结构,荷正电的 可以与荷负电的—S形成内盐(见图2 C)。由于 C式结构稳定性很强,因而随着介质中H⁺浓度的增大,亮蓝由a式结构逐渐转化成 C式结构,与之相应的外观特征是亮蓝的蓝色减弱、黄色增强的变化;同时其吸收谱图表现为吸收峰P₁消失、P₂增强。由于 C式结构与 B式结构的差别,图1的吸收谱图观察到HCl浓度≤2.0 mol/L时,随H⁺浓度增强, λ_max2由404.0 nm逐渐红移至427.0 nm;但当溶液酸度>2.0 mol/L 时,亮蓝的另外两个磺酸基也各接受一个H⁺,使 A₂继续增大,但由于 C式结构的主体不再发生变化,所以最大吸收波长不再发生变化。

图2

Fig.2

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	图2 亮蓝的结构式( A, B)及其质子化结构( C)Fig.2 Structural formula of brilliant blue( A, B) and its protonated formula( C)

为证实亮蓝在不同酸度介质中接受质子H⁺个数的推测,配制了一系列不同浓度的HCl溶液,其中均含有3.00×10^-5 mol/L的亮蓝,以水为空白,测定溶液在622.0 nm波长处的吸光度。 设亮蓝在中性水溶液中全部以深蓝色的碱式型体B ^n-存在,此时吸光度最大,即 A_max∝ c_亮蓝;当亮蓝处于0.1~6.0 mol/L的HCl溶液中时,有部分亮蓝加合 n个H⁺,转化成无色的酸式型体H _nB,使吸光度减小为 A,即( A_max- A)∝[H _nB], A∝[H _nB],当HCl 浓度≥6.0 mol/L时,亮蓝全部以H _nB形式存在,此时 A→0。 对于亮蓝的表观加质子反应:B ^n-+ nH⁺ H _nB,溶液中的[H⁺]与吸光度之间符合如下关系式^[12]:

lg [H⁺]= 1nlg 1KH+ 1nlg [HnB][Bn-]= 1nlg 1KH+ 1nlg Amax-AA

图3

Fig.3

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	图3 lg Amax-AiAi~lg [H+]关系曲线Fig.3 The relation of lg [H+] and lg Amax-AiAi

式中, K^H为亮蓝的表观加质子常数。按此关系式处理实验数据:绘制lg Amax-AiAi~lg [H⁺]关系曲线(图3)。 由图3知,该曲线呈折线,在0.1~2.5 mol/L浓度范围内呈线性关系,线性回归方程为lg [H^]+]=0.706lg Amax-AiAi(相关系数 r=0.998),据此求得 n=1,说明在此酸度范围内亮蓝加合1个质子;在2.5~6.0 mol/L浓度范围内呈线性关系,线性回归方程为lg [H⁺]=0.340lg Amax-AiAi-0.129(相关系数 r=0.994),据此求得 n'=2.9,说明在此酸度范围内亮蓝加合3个质子。这个实验结果证实了我们对亮蓝在不同酸度条件下加合质子H⁺个数的推测。

分别考察了普通滤纸、定性滤纸、定量滤纸作为基纸时亮蓝在基纸上的着色均匀度及试纸在不同酸度溶液中的色阶区分度。结果表明,普通滤纸表面过于粗糙,亮蓝在其上着色不均匀;定量滤纸着色后色度较浅,对酸度的颜色响应不明显;中速定性滤纸上浸润最均匀,测定溶液酸度时色阶区分度最好,因此选择中速定性滤纸作为基纸。

亮蓝在基纸上着色慢且吸附量小,造成试纸应用时变色不明显,因此需要对其进行改性。根据异性相吸的原理,我们选择了十六烷基三甲基溴化铵溶液对基纸进行改性。改性基纸具有亮蓝吸附速度快、着色均匀且牢固等优点,究其原因主要由于十六烷基三甲基溴化铵属于阳离子表面活性剂,附着在基纸表面后使基纸带正电,易与带负电荷的亮蓝产生静电作用,因而强化了亮蓝在基纸上的固化。研究发现,十六烷基三甲基溴化铵的浓度对亮蓝固化效果有影响:浓度过低,改性效果不明显;浓度过高,经亮蓝染色制成的试纸呈黑蓝色,造成测定时酸度区分度差。除此之外,干燥温度对试纸制备也有影响,当将湿润的基纸置于40℃以上烘箱中干燥时,发现较高的干燥温度易使基纸发黄、变脆,因此采用室温自然晾干制备试纸。

图4

Fig.4

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	图4 高酸度试纸( c(HCl)=0 )和标准比色板Fig.4 High acidity precision test paper( c(HCl)=0) and standard colorimetric plate

基于以上影响因素的分析,我们将改性基纸浸泡在一定浓度的亮蓝溶液中,浸润均匀后取出,室温下自然晾干,即得到以亮蓝为显色剂的高酸度试纸(图4, c(HCl)=0);将亮蓝浸泡在不同浓度盐酸溶液中,按实验方法所述得到标准比色板如图4( c(HCl)=0.1~9.0 mol/L)所示。 实验表明,吸附态亮蓝可以在更宽的酸度范围内产生颜色响应,这可能是由于亮蓝在改性基纸上的吸附使单位面积上的亮蓝对酸度的识别位点增多,因而吸附态亮蓝可以辨别更高酸度。

2.3.1 无机酸种类的影响 亮蓝的颜色与其偶氮式结构有关,若不饱和双键结构遭到破坏,可能使之转化成无色化合物。 为此考察了0.1~9.0 mol/L浓度范围内的HNO₃、HClO₄、H₂SO₄等强氧化性酸对高酸度试纸的影响,结果表明,试纸在上述溶液中仍然显示出与同浓度HCl相同的颜色。 因此,吸附态亮蓝的颜色仅与介质的酸度有关,而与酸的种类无关,氧化性酸并不能破坏亮蓝的结构,这符合染料显色稳定的特性。

2.3.2 金属离子的影响 很多酸碱指示剂兼具金属指示剂的性能,为此考察了常见金属离子对试纸颜色的影响。 配制了分别含0.2 mol/L金属离子(12种)的0.1和9.0 mol/L HCl溶液,用本试纸测定溶液的酸度,并与标准比色板对照。 结果表明,溶液中共存的Fe³⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Cd²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Mn²⁺、Cr³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等均不影响本试纸对溶液酸度的响应,充分体现出本试纸的广泛适用范围。

2.3.3 模拟试液中酸度的测定 按文献[1,6]配制了3种酸性清洗剂,配方列于表2。 用本试纸测定酸度,并用NaOH滴定法对1号和2号试液进行了对照试验,结果同列于表2。 结果表明,滴定法测定结果约为试纸测定结果的2倍,这是由于硫酸中两个H⁺全部参与了滴定反应,而试纸法测定的则是溶液中H⁺的平衡浓度,表明试纸法测定结果可靠。 由于3号试液中的H₃PO₄和H₂C₂O₄·2H₂O的解离受到高浓度HCl的抑制,对溶液酸度的贡献可以忽略不计,因此未做对照试验。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试纸和滴定法对酸性清洗剂测定结果比较 Table 2 Comparative results of acidic cleaning agents by test paper and titration methods No. Famula Determination results by test paper c(H+)/(mol·L-1) Determination results by titration c(H+)/(mol·L-1) 1 H2SO4(98%) 60 mL,HCHO10 mL,and H2O to 1 L 1 1.96(containing 0.980 mol/L H2SO4) 2 H2SO4(98%)65 mL, N-thiourea 5 g,H2O to1 L 1 2.26(containing 1.13 mol/L H2SO4) 3 HCl(36%) 500 mL,H3PO4(85%) 20 mL, H2C2O4·2H2O 6 mL,Lauryl sodium 5 g,and H2O to 1 L 6 —

表2 试纸和滴定法对酸性清洗剂测定结果比较 Table 2 Comparative results of acidic cleaning agents by test paper and titration methods