氟離子濃度檢測的常用方法

氟離子濃度檢測的常用方法

氟脲是人體所需要的元素之一。在某些國家，氟會被添加到飲用水和牙膏中，以防止牙齒疾病。但是,對于能夠起到防齲效果的氟離子濃度仍無定論。我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB5749-2006規(guī)定飲用水中氟化物≤1.0mg/L,可以起到防齲作用。美國ADA組織認(rèn)為,在瓶裝水中的有效氟含量應(yīng)為0.6~1.2mg/L。JenniferMadans等認(rèn)為含氟為0.7mg/L的水對預(yù)防齲齒有效。然而,氟攝入量過多可導(dǎo)致急性和慢性疾病。其中,急性疾病包括胃腸和腎臟功能紊亂等,慢性疾病包括氟斑牙,氟骨癥和腎結(jié)石等。最近,一些研究表明,氟離子的過量攝入與癌癥的發(fā)生有一定的關(guān)聯(lián)。人體對氟離子極為敏感,而導(dǎo)致人體中毒的氟離子濃度和氟離子的安全適用范圍上限又極為接近,由于含氟用品在我們身邊十分常見,包括各種食品、水、牙膏及茶葉等。因此,對環(huán)境中的氟含量的準(zhǔn)確測定是十分必要的。目前,分析檢測氟化物的方法很多,本文對幾種常用、靈敏度和選擇性較高的方法加以概括和分析,同時還就近年檢測氟離子的一些最新方法進(jìn)行了歸納和總結(jié)。1氟離子檢測離子色譜法是采用高壓輸液泵系統(tǒng)將規(guī)定的洗脫液泵入裝有填充劑的色譜柱進(jìn)行分離測定的色譜分析方法,其原理是基于極性分子在液體中所產(chǎn)生的電勢,其中色譜峰面積或峰高與被測物質(zhì)濃度有一定線性關(guān)系。離子色譜法是一種常用的分析離子濃度的方法可用于桑葉、土壤、牙膏等物質(zhì)中氟含量的測定。與離子選擇性電極法和比色法相比,離子色譜法更簡單、更準(zhǔn)確,結(jié)果重現(xiàn)性更好,也能檢測更低濃度的氟離子。在標(biāo)準(zhǔn)溶液中,其檢測范圍是0.5~10.0μmol/L,稍高于分光光度計(jì)法(分別是0.2~0.3μmol/L)。也有學(xué)者認(rèn)為,離子色譜法測定水中氟化物存在不確定性,其不確定性主要與標(biāo)準(zhǔn)曲線和標(biāo)準(zhǔn)溶液相關(guān),總體來講,測定重復(fù)性和樣品定容體積產(chǎn)生的不確定度較小。然而,對于那些化學(xué)性質(zhì)相似的離子,該方法的選擇性較差。為了解決這些問題,新近研究改善了離子色譜法的選擇性和靈敏度。對于牛奶中的氟離子,其檢測范圍達(dá)到了10~2000μg/L,檢測極限達(dá)到3.8μg/L。同時,對水溶液中氟離子,檢測極限也達(dá)到0.1μg/L,而且還不易被液體中的其它離子所干擾,檢測水樣的范圍達(dá)到0.05~1900mg/L。2氟化物含量的測定分光光度法是通過測定有色物質(zhì)在可見光范圍內(nèi)對光的吸收度,對該物質(zhì)進(jìn)行定量分析的方法,被測物在一定濃度范圍內(nèi)服從朗伯-比爾定律。氟離子在pH=4.1的乙酸鹽緩沖介質(zhì)中與氟試劑及硝酸鑭反應(yīng)生成藍(lán)色三元絡(luò)合物,其顏色強(qiáng)度與氟離子濃度成正比,在620nm波長處定量測定氟化物。該測定方法需分光光度計(jì),顯色劑等。目前已用于桑葉、牙膏和礦物質(zhì)等材料或物品的氟含量測定,其穩(wěn)定性好,簡單而快速。此外本方法還可用于測定地面水、地下水和工業(yè)廢水中的氟化物。該方法的影響因素包括:比色皿的光程、參比成分、pH值、檢測順序、顯色時間等。當(dāng)分光光度計(jì)使用光程30mm或10mm的比色皿時,最低檢出濃度為含氟化物0.02mg/L,其測定上限濃度為0.08mg/L。分光光度法中30mm比色皿改為10mm比色皿,氟試劑溶液及硝酸鑭溶液的pH值配制要求改為5到7之間。以去離子水和試劑空白分別作為參比時,標(biāo)樣測定值均在給定的誤差范圍內(nèi),其均值分別為0.996mg/L和1.003mg/L。在pH=4.6時,氟在0.02~0.28mg/L范圍內(nèi)呈直線關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn),樣品在顯色反應(yīng)1h后基本上達(dá)到最大吸光度,故顯色時間選擇1h較0.5h好。近年來,一些新型分光光度測定法被研發(fā)出來,如Barghouthi和Mereih提出用鋁間苯二酚藍(lán)復(fù)合物代替硝酸鑭,分光光度測定范圍為0.0~1.0mg/L,該方法簡單,靈敏度高,可以被推薦為新的分光光度測定方法,從而用于檢測飲用水中低濃度的氟。傳統(tǒng)用于測定牙膏中氟和單氟磷酸鈉的主要方法是離子色譜法,由于氟化物與常用的離子交換劑的結(jié)合很弱,可能導(dǎo)致定量不準(zhǔn)確,在測量時需要兩個校準(zhǔn)曲線測定氟和單氟磷酸鈉,過程較為繁瑣。Themelis和Tzanavaras使用反向流動噴射分光光度法,使得氟測量濃度從0.0~9.0mg/L都表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系,并且可以快速、簡便、準(zhǔn)確地測定牙膏中的氟離子和單氟磷酸鈉。3氟含量測定法離子選擇電極是一種電化學(xué)傳感器,在一定范圍內(nèi),其電位與溶液中特定離子活性的對數(shù)呈線性關(guān)系,通過與已知離子濃度溶液的比較可求得未知溶液的離子活度。該法需離子計(jì),如氟離子選擇電極,甘汞電極。相比于其它檢測氟離子的方法,如離子色譜法、分光光度法等,氟離子選擇電極法的成本低,操作簡單,是一種快速、高效的方法。該方法應(yīng)用范圍十分廣泛,絕大多數(shù)測定樣品中氟含量均采用了此方法。該法已用于蔬菜、水果、茶葉、蠶桑、藥材、電鍍廢水、豆類、飼料、牙膏、人血、豬肉、碘鹽、空氣、香煙煙氣、煤等物中氟含量的測定,也可用于測定地面水、地下水和工業(yè)廢水中的氟化物,本方法的最低檢測限為0.05mg/L,測定上限可達(dá)1900mg/L,適應(yīng)pH值范圍為5~8。研究者通過該方法可測出桑葉中0.10μg/mL的氟離子、牙膏中0.02μg/mL的氟離子、以及尿液中0.10mg/L的氟離子。離子選擇電極的影響因素包括溶液的pH值、溫度、攪拌、電極浸入深度與位置、測定順序、電極平衡狀態(tài)的調(diào)節(jié)等,其中,pH值的影響最為顯著。當(dāng)溶液的pH值高于8,OH-離子就會顯著影響測量結(jié)果;而當(dāng)pH值低于5時,H+又會成為干擾因素。此外,測定溶液中其他離子也會對結(jié)果產(chǎn)生干擾,如Fe3+和Al3+等,需要采用純度高的去離子水進(jìn)行溶液的配制。4熒光探針系統(tǒng)目前很多研究者期望發(fā)現(xiàn)新的氟特異的熒光探針來檢測氟離子的濃度,氟熒光分析法由于其高敏感性、準(zhǔn)確性以及多功能生物成像等特點(diǎn)受到了各方高度關(guān)注,各種各樣的氟熒光探針被逐漸開發(fā)出來?；谶@些探針產(chǎn)生的不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)制,我們將這些熒光劑分成3種:氫鍵類[氟和NH的H之間的氫鍵(酰胺,吡咯,吲哚,尿素和硫脲)],氟硼絡(luò)合物類以及氟化物介導(dǎo)的脫甲硅烷基化類。4.1熒光探針的應(yīng)用作為最小和電負(fù)性最強(qiáng)的原子,氟原子具有獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì),可以與其它原子、離子、原子團(tuán)形成很強(qiáng)的氫鍵,大多數(shù)公開的氟熒光指示劑均基于氫鍵給體,如胺,尿素和咔唑等。近些年來,熒光陰離子探針由于其簡單性,高度的特異性和檢出下限低,而受到越來越多的關(guān)注。一般將熒光強(qiáng)度與氟離子濃度呈正比的探針稱為熒光“打開”(turnon)探針,其性能相對更好,因?yàn)闊晒狻瓣P(guān)閉”(turnoff)探針可能因其他粒子而產(chǎn)生假陽性現(xiàn)象,而且熒光“打開”探針更容易觀察?；诖嗽淼姆x子熒光劑有很多,例如,基于雙水楊醛的氟離子熒光“打開”探針,在吸收和熒光光譜的變化時由OH-和氟化物的陰離子之間的氫鍵作用引起的,可能提供一種簡單高效的雙通道陰離子熒光探針。此外,也有用于乙腈溶液而非水溶液的熒光“打開”指示劑,其也顯示出很好的選擇性。4.2新型氟離子熒光劑除了依靠氟離子所產(chǎn)生的氫鍵而研制成的熒光劑外,氟離子能作為電子對的給予體,如氟離子和硼離子之間極強(qiáng)的親和性,研制出新型的氟離子熒光劑。目前,可以用作氟離子探針領(lǐng)域的有機(jī)硼化合物分為兩類,即三芳基硼化合物、硼酸和硼酸酯的有機(jī)硼化合物。4.2.1三芳基硼化合物4.3雙光子成像技術(shù)的應(yīng)用目前,大部分氟離子熒光劑都是基于氫鍵鍵合和硼氟絡(luò)合物原理,具有高選擇性及高靈敏度,但在生物體內(nèi)應(yīng)用存在一定局限。由于氟離子具有強(qiáng)烈的水化傾向,因此氫鍵鍵合的方法不能有效在水介質(zhì)中實(shí)現(xiàn),同時硼氟絡(luò)合物存在細(xì)胞毒性、自身不穩(wěn)定性等的局限。近年新出現(xiàn)的氟化物介導(dǎo)脫甲硅基法可以很好地解決這些問題。雙光子顯微成像技術(shù)相對于單光子顯微成像技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn),如細(xì)胞損害小、成像靈敏度高、數(shù)據(jù)獲取效率高和防止組織自發(fā)熒光等。DokyoungKim等報(bào)道了一種香豆素類衍生物可作為一種新型的雙光子吸收材料用于檢測氟離子,該染料在斑馬魚體內(nèi)可以作為一種性能良好的氟熒光指示劑,在pH=7.4的緩沖液[20%CH3CN的10mmol/LHEPES(4-羥乙基哌嗪乙磺酸)、20mmol/LNaF]中,相對于其它陰離子(Cl-、CN-、Br-、I-、NO3-、HSO4-、ClO4-、PF6-、CH3COO-、SCN-和N3-),該染料其對氟離子具有極高的選擇性,其測量范圍極廣(0×10-6~1600×10-6),而且在pH4~10都可以發(fā)揮作用。雖然如此,香豆素類衍生物必須由紫外光激發(fā),這就會對細(xì)胞產(chǎn)生一定的殺傷作用。5熒光指示劑法檢測氟離子目前,各種傳統(tǒng)的氟離子測定方法較多,既有一定優(yōu)勢,也有不足,主要依賴指定的標(biāo)準(zhǔn)曲線來測定氟離子的濃度,但其影響因素較多,因而影響測量結(jié)果。氟離子熒光劑作為近來研制出的氟離子檢測方法,與傳統(tǒng)方法相比,它們具有高選擇性及高靈敏度。其中,氟化物介導(dǎo)的脫甲硅烷基化特有的高敏感性、準(zhǔn)確性以及多功能生物成像,對于氟離子檢測分析提供了方便快捷的解決方案,同時實(shí)現(xiàn)了對生物體內(nèi)氟離子濃度的檢測,這就為科研工作以及臨床檢測提供可能。因此,氟離子熒光指示劑法在氟離子的檢測方面將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。相信在不久的將來氟離子熒光劑技術(shù)將會更多的造福于人類。很早就有人認(rèn)為3價(jià)硼化合物可以作為有效的熒光劑檢測氟化物,最終Yamaguchi等人將該理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),他們首次把三芳基硼用于氟離子的比色法檢測,通過滴定曲線計(jì)算得到的結(jié)合常數(shù)為(2.8±0.3)×105mol/L,該發(fā)現(xiàn)可以作為3價(jià)硼化合物氟熒光劑的一個里程碑,其存在的問題是結(jié)合系數(shù)過低,對于負(fù)離子不夠敏感。為了解決這一問題,Wang等制成了一種氟離子熒光硼劑,其原理是基于B-N衍生物的不同電荷轉(zhuǎn)移發(fā)射,這種雙齒化合物的結(jié)合常數(shù)為5×109mol/L。一種由三芳基硼化合物與卟啉共價(jià)結(jié)合形成的新化合物,實(shí)現(xiàn)了對氟離子的比色法檢測。同時,這類化合物作為熒光探針,可以表現(xiàn)出“關(guān)”和“開”的兩種效應(yīng),提高了檢測的方便性和靈敏性。這類新型的雙光子氟離子探針具有8倍的放大效應(yīng),可作為高選擇性和高靈敏度的雙光子熒光氟離子探針。盡管有機(jī)硼π-共軛化合物可以