JA N U S Z SŁA W IŃ S K I
ZASTOSOWANIE CHEMILUMINEŚCENCJI W FAZIE CIEKŁEJ DO ANALIZY GLEB. CZĘŚĆ I. WPŁYW WYCIĄGÓW Z GLEB NA CHEMILUMINESCENCJĘ WSKAŹNIKÓW ALKACYMETRYCZNYCH
K a t e d r a C h e m ii O g ó ln e j W SR S z c z e c in
Chemiluminenscencja (ChL) w fazie ciekłej znajduje w ostatnich latach coraz szersze zastosowanie analityczne [1— 5]. Dotychczas jednak nie podjęto badań mających na celu w ykorzystanie jej do analizy gleb, chociaż można się spodziewać, że m ożliwości w tym zakresie są duże. Praca niniejsza stanowi pierwszą próbę wykorzystania ChL do analizy gleb i dlatego w ydaje się wskazane podanie elem entarnych wiadomości na temat wskaźników chem ilum inescencyjnych.
ChL nazyw am y prom ieniowanie elektrom agnetyczne towarzyszące reakcjom chemicznym. Zawarte może być ono w UV, widzialnym oraz podczerwonym zakresie widma. Do celów analitycznych w ykorzystuje się najczęściej ChL widzialną, tj. o długości fal 400— 7800 A i dosta tecznie dużym natężeniu.
Proces ChL podzielić można na dwa stadia:
— stadium wzbudzenia (chemiczne), w którym w w yniku reakcji substratów A, B... tworzy się wzbudzony produkt P*
A + В + ... reakcja P*
s u b s t r a t y --- ^ produkt (1)
— stadium lum inescencji (fizyczne):
P* --- ► P + hvP (2)
W większości przypadków ChL uwarunkowana jest obecnością dwóch substratów — utleniacza i chemiluminoforu. Najczęściej stosowanym utleniaczem w fazie ciekłej jest H20 2 lub 0 2. Chemiluminoforami są za zwyczaj związki organiczne, mające słabo związane atomy wodoru.
Związki te utleniają się poprzez pośrednie stadium w olnych rodników
(semichinonów) do związków karbonylowych i O2, znajdujących się w e
wzbudzonych elektronowo stanach singletow ych S lub tripletow ych T —
stadium (1). Dezaktywacja prom ienista z tych stanów do stanu podsta
wow ego S (lub T w przypadku 0 2) m anifestuje się jako ChL — sta dium (2).
Niektóre chemiluminofory odznaczają się zdolnością do szczególnie silnego świecenia i stosowane są w analizie m iareczkowej jako w skaźni ki. Do najważniejszych należą:
— hydrazyd kwasu 5-aminoftalowego, tzw. lum inol — L,
— dwuazotan N, N '-dw um etylo 9,9'-dwuakrydyny, tzw. lucygeni- na — LC,
— 2, 4, 5-trójfenvloim idazol, tzw. lofina — III, — siloksen — IV.
LC
0
I Л Ш ж
Zastosowanie chemiluminoforów jako wskaźników w analizie m ia reczkowej polega na tym, że podlegają one reakcjom warunkującym lum inescencję tylko w określonych warunkach, a m ianowicie w określo nym pH i potencjale oksydacyjno-redukcyjnym . Jeżeli warunki, w jakich zaczyna się świecenie (lub wygasa), odpowiadają warunkom punktu koń cowego miareczkowania PK, to m oment zaświecenia (lub wygaśnięcia) wskazuje na koniec miareczkowania. Wartość pH lub potencjału oksyda- cyjno-redukcyjnego, dla której roztwór zawierający wskaźnik zaczyna dostrzegalnie świecić (lub wygasać), nazyw am y wykładnikiem m iano wania WM.
Szczególne znaczenie mają wskaźniki chem ilum inescencyjne w ana lizie produktów rolniczych i przetworów przemysłu rolno-spożywczego oraz w analizie m ateriału biologicznego, tj. w przypadku miareczkowania roztworów silnie zabarwionych lub m ętnych. Um ożliwiają one wyraźne uchw ycenie P K miareczkowania poprzez obserwację w ciemni
pojawia-nia się lub zaniku promieniowapojawia-nia. Wskaźniki te mogą być również za stosowane do takich miareczkowań, które dotychczas nie były m ożliwe
z powodu tworzenia się przeszkadzających produktów reakcji. Warto
zaznaczyć, że podczas m iareczkowań chem ilum inescencyjnych, w prze ciw ieństw ie do pomiarów potencjom etrycznych lub konduktom etrycz- nych, nie wprowadza się do badanego roztworu jakiegokolwiek przyrzą du pomiarowego. Porównanie wskaźników fluorescencyjnych z chem ilu- m inescencyjnym i w ykazuje pewne zalety tych ostatnich. M ianowicie nie jest potrzebne zewnętrzne źródło światła, ponadto w iele jonów silniej wygasza prom ieniowanie fluorescencyjne od chemiluminescencyjnego.
W przypadku miareczkowania w yciągów glebowych m ętnych lub za barwionych, np. kwasami hum inowym i, jonami F e3 + , Ti3+ uchw yce nie P K miareczkowania wobec wskaźników barwnych sprawia duże trudności i jest mało precyzyjne. Można przypuszczać, że zastosowanie wskaźników chem ilum inescencyjnych ułatw i w tych warunkach w ykony wanie oznaczeń i zw iększy ich dokładność. Próby opracowania konkret nych metod muszą być jednak poprzedzone badaniami wstępnym i. W y nika to z faktu, że związki obecne w roztworze reagującym mogą w p ły
wać na (1) lub (2) stadium ChL bądź zmieniając [P*], bądź też
prawdopodobieństwo dezaktywacji św ietlnej wzbudzonego produktu P*. Spośród substancji zawartych w wyciągach z gleb jony i zole wodoro tlenków m etali ciężkich, np. F e3 + , Mn3+, 4 + , Ti3+, Cu2+, Co2+ mogą ka talizować utlenianie chemiluminoforów oraz rozkład H20 2. Fenole, am iny aromatyczne, garbniki i prawdopodobnie związki hum usowe mogą być inhibitorami reakcji wolnorodnikowych, warunkujących ChL. Nie można jednak przewidzieć a priori wypadkowego działania na ChL tak złożo nych układów, jakimi są w yciągi z gleby.
Dlatego konieczne jest wykonanie badań wstępnych, które określiły by, czy i w jakim stopniu w yciągi wodne z gleb w pływ ają na ChL wskaźników. K ryterium przydatności wskaźników jest wielkość zmian składu widm owego I = f(h), w ykładników mianowania W M oraz natę
żenia I chem ilum inescencji pod w pływ em w yciągów z gleb. W pracy
niniejszej badane są te trzy wielkości dla kilku wskaźników chem ilu m inescencyjnych, stosowanych w alkacymetrii [2, 4, 6].
M A TERIAŁ GLEBOW Y I METODYKA BADAŃ
Do badań użyto trzech rodzajów gleby: I — piasek luźny z poziomu iluw ialnego z w yspy Wolin, II — ił z m iejscow ości Brzeziny, położonej w obrębie czarnych ziem pyrzyckich, III — torf przejściowy z Reptowa
o stopniu rozkładu 8 w skali von Poste. Charakterystyka tych gleb po dana jest w tab. 1.
A nalizy fizyczne i chemiczne wykonano w Katedrze Gleboznawstwa WSR w Szczecinie. Z każdego rodzaju gleby sporządzono po trzy w y ciągi: wodny, 0,ln HC1 i 0,01n NaOH biorąc 50 ml roztworu na każde
10 g powietrznie suchej gleby, przesianej przez sito o średnicy
oczek 1 mm.
T a b e l a 1 W ła sn o ści fiz y c z n e i chem iczne .gleb
p h y s ic a l and ch em ical s o i l p r o p e r tie s Gleba - S o i l
W łasn ości - P r o p e r tie s
I P ia se k lu źn y Loose sand I I Ił" Clay I I I T orf p r z ej - ściow y T r a n s it io n a l p e a t M iejscow ość - L o c a l it y W olin B rzeziny Reptowo
G łę b o k o ść .- Depth cm 55-110 120-130 30-45
Skład mechaniczny M echan ical com posi
t io n % > 1 0,00 0,00 1 - 0,5 0,08 's 0,5 - 0,25 1,65 6,00 0 , 25- 0,1 86,27 0,1 - 0 8,00 2,00 0,05-0,02 1,00 11,00 0,02 mm 3,00 81,00
S u b sta n cja o rgan iczn a
6op°c Organie m a tter % 0,75 -I^HjO P%ci -5,4 4,5 8,0 7,5 5,8 5,3 Fe20^ ogółem - t o t a l % 0,71 1,95 1,08 CaC03 % - 21,50 0,27 P o p ie ln o ś ć - A sh in ess % - - 15,80
W celu zbadania w pływ u substancji zawartych w wyciągach z gleb na I = f(À), W M i I ChL wykonano pomiary kontrolne bez w yciągów z gleb oraz pomiary w łaściw e — z wyciągam i. Do pomiarów kontrolnych
lowana do 50 ml. W pomiarach w łaściw ych stosowano również 2 ml
buforu KH2PO4, wskaźnik oraz 40 ml ekstraktu z gleby + woda desty
lowana do 50 ml. Brano 3 wskaźniki ChL stosowane do wyznaczania P K miareczkowań alkacymetrycznych: lum inol L, lucygeninę LC i piroga- lol PG. Stężenia układów św iecących w m /l w roztworze przed mia reczkowaniem b yły następujące:
3 • 10 "6L; 1,5 • 10 w2H20 2; 6 • 10"4K3 Fe(CN)6; 4 • 1,0_7LC; 1 , 1 - 1 0 ^ 2 0 2 ;
l - l O ^ P G ; 1,8 • 10wlH20 2; 9 • 1 0 -2K3Fe(CN)6.
Natężenie promieniowania I oraz pH roztworu mierzono równocześnie za pomocą aparatury, której schemat blokow y podano na rys. 1. Do kuw ety К wprowadzono roztwór kontrolny lub w łaściw y i w lew ano do niego ze stałą prędkością 0,ln NaOH lub 0,ln HC1 rejestrując za po mocą układu fotom etrycznego natężenie ChL I oraz za pomocą peha m etru pH. Bliższe szczegóły techniczne oraz sposób i warunki w ykony wania pomiarów zostały już opisane [5— 7]. Każdy pomiar powtarzany b ył 3 razy. L i PG są wskaźnikami nieodwracalnym i [2, 3] i dlatego mia reczkowanie w yciągów zasadowych z gleb wykonywano jedynie wobec lucygeniny LC. W tym przypadku jako W M przyjmowano wartość pH, przy której św iecenie wygasa.
Do u/trotermostotu To the thermosfote
Rys. 1. S ch em at a p a r a tu r y do re je s tr a c ji n atęż en ia ch em ilu m in e sce n cji i w y k ła d n ik ó w m ia n o w an ia m ia recz k o w ań
Z — s t a b ili z o w a n y z a s il a c z w y s o k ie g o n a p ię c ia , P — fo t o p o w ie la c z R C A 1P 28, К — k u w e ta lu b z le w k a , T — p ła s z c z w o d n y p o łą c z o n y z u ltr a t e r m o s ta te m , к — k a m e r a ś w i a t ło s z c z e l n a , E — e le k t r o d y : k a lo m e l o w a i s z k la n a , w — w z m a c n ia c z , R — r e j e s tr a to r fo t o p r ą d u , В — b iu -
r e t a , p H — p e h a m e t r „ R a d io m e t e r 22 p ”
S chem e of a p p a ra tu s fo r rec o rd in g th e in te n sity of ch em ilum inescence an d e x p o n en ts o f titra tio n
Z — s t a b ili s e d h ig h v o l t a g e s u p p l y u n it, F — p h o t o m u l t ip li e r R C A IP 28, K' — e m is s io n c e l l or v e s s e l, T — th e r m o s t a t c o a t in g w i t h w a te r , к — d a r k c a m e r a , E — k a lo m e l a n d g la s s e le c t r o d e s , W — a m p lif ie r , R — r e c o r d e r , В — b iu r e t t e , p H — p e h a m e t e r „ R a d io m e t e r 22 p ”
W pływ w yciągów z gleb na skład w idm ow y ChL (I = fW) określano obserwując w ciemni barwę świecenia roztworów kontrolnych — bez gleby i właściw ych, zawierających w yciągi z gleb.
O M Ó W IENIE W YNIKÓW
W pływ substancji zawartych w obojętnych, kw aśnych i zasadowych wyciągach z badanych gleb na skład w idm ow y ChL wskaźników okazał się nieznaczny. Barwa świecenia L, LC i PG była odpowiednio jaskrawo- niebieska, niebiesko-zielona i biało-niebiesko-zielona zarówno w obec ności ekstraktów z gleb, jak i roztworów kontrolnych. Zmiana barwy odpowiadająca Al — 250 A w zakresie długości fal 5000— 5800 A powo
duje zmianę czułości oka ludzkiego o ok. 2 0%, a detektorów, takich
jak fotopowielacze, fotoogniwa lub fotokomórki, o ok. 10%. W P K m ia reczkowania I ChL zmienia się ok. 10 razy pod w pływ em 0,01 ml 0,ln NaOH lub HC1 (od jednej kropli — por. rys. 2). Podane liczby
j i H — —
B ys. 2. K rzyw e m ia recz k o w an ia alk alim etry czn eg o dla n ie k tó ry c h w skaźników ch em ilu m in escen cy jn y ch
C urves of a lk a lim e trie titra tio n fo r som e ch e m ilu m in escen t in d ic ato rs
wskazują, że ew entualne nieznaczne zm iany składu widm owego
J = f(^) ChL pod w pływ em ekstraktów z gleb nie mogą mieć decydu jącego w pływ u na przydatność wskaźników ChL do wyznaczania P K m iareczkowań alkacym etrycznych.
Na rysunku 2 podane są przykładowo typow e krzyw e I = /(pH), otrzym ane podczas miareczkowań alkalim etrycznych roztworów w od nych poszczególnych wskaźników zbuforowanych 1/15 m KH2P 0 4. W tabeli 2 zestawiono w ykładniki mianowania W M oraz względne
natę-I g
żenie świecenia — • 100, otrzymane z krzywych 1 = f(pH) w pomiarach
Io
kontrolnych (bez gleby) i w pomiarach w łaściw ych (z ekstraktam i glebo wym i). I0 oznacza I ChL bez wyciągu glebowego, Ig — w obecności w y ciągu z gleby.
T a b e l a 2
Wpływ wyciągów glebow ych na w ykład niki mianowania (Щ ) i w zględne n a tę ż e n ie ś w ie c e n ia * g /r « 100 wskaźników chem ilu m inescencyjnych o E f f e c t o f s o i l e x t r a c t s on the exponent o f t i t r a t i o n (WM) and the r e l a t i v e
in t e n s i t y o f lu m in escen ce Ig /^ • 100 o f chem ilum inescence in d ic a to r s
Gleba Wyciąg PG L LC S o i l E x tr a ct WM V T • 100 *0 WM Xg / l Ao -loo WM V Aot .100 - bez g le b y w ith o u t s o i l 6,0 100,0 8,5 100,0 • 9,1 100,0 I н2о 6,0 55,5 8,6 62,5 8,9 11,1 HCl 5,7 71,4 9,3 13,0 10,0 9,3 NaOH - - - - 10,0 0,4 I I н2о 5,6 60,0 8,5 81,3 9,2 88,8 HCl 5,7 71,0 6,1 46,2 9,7 23,2 NaOH - - - - 9,9 1 ,4 I I I н2о 5,8 82,2 8,2 1 4 0 ,6 8,9 15,5 HCl 5,9 81,0 6Д 25,3 9,0 9,5 NaOH - - - - 10,1 4,0
Jak wynika z danych tab. 2, m aksymalna zmiana W M pod w pływ em w yciągów z badanych gleb w ynosi (w jednostkach pH): dla PG — 0,4, dla L — 2,4 i dla LC — 1. WM tych wskaźników zawarte są w zakresie pH 5,6— 10,1, tzn. przypadają na przedział pH odpowiadający „skoko- w i” krzywej miareczkowania m ocnych kw asów m ocnym i zasadami lub odwrotnie, o stężeniu w iększym od 0,ln, Wynika stąd wniosek, że zmia ny WM spowodowane obojętnymi, kw aśnym i i zasadowymi wyciągam i z badanych gleb nie w pływ ają w sposób istotny na w yniki alkacym e- trycznych kwasów lub zasad o stężeniu ^ 0,ln.
Związki zawarte w obojętnych, kw aśnych i zasadowych wyciągach
z gleb powodują gaszenie ChL stosowanych wskaźników. Przeciętnie
h)-Najsilniejsze działanie gaszące wykazują w yciągi NaOH na św iecenie LC (20% h) oraz w yciągi HC1 na św iecenia L (45,6% I0). Z badanych gleb ił (II) tłum i w najm niejszym stopniu ChL wskaźników (53,1% I0), torf średnio (36,1% J0), a piasek w największym stopniu (15,6% I0).
Działanie gaszące w yciągów z gleb można wyjaśnić na podstawie wiadom ości o m echanizmie procesu ChL, podanych na wstępie, oraz własności chemicznych wskaźników. Tak na przykład w obecności jonów m etali ciężkich, oksydaz lub koloidowych związków nieorganicznych
zwiększa się szybkość utleniania PG oraz rozkładu H20 2, co można ująć
schem atycznie [8]:
Powoduje to szybsze nagromadzenie produktów utleniania PG, niezbęd nych do przebiegu reakcji świecącej, wskutek czego wykładnik m iano wania WM przesuwa się w kierunku niższych wartości pH. Równocześnie
zmniejsza się stężenie jednego z substratów — H202 w w yniku reakcji
rozkładu konkurujących z reakcją świecącą, co z kolei prowadzi do zmniejszenia stężenia cząsteczek wzbudzonych P*, a tym samym gasze nie ChL. W przypadku LC, która w porównaniu z PG lub L jest odpor na na utlenianie, główną rolę w procesach ChL odgrywa zm niejszenie
stężenia H202 w w yniku ubocznych reakcji rozkładu oraz — w w ycią
gach z gleb torfowych — inhibitowanie rozkładu H20 2. Reakcje te powo
dują również zwiększenie W M LC.
W niniejszej pracy ze względu na wysoką czułość aparatury foto-
metrycznej, stosowano bardzo małe stężenie wskaźników, rzędu
10-7— 10 m/l. Zwiększając stężenie o 1— 3 rzędy w ielkości można uzy
skać, nawet przy obserwowanym procencie gaszenia, łatwo dostrzegalne lub dające się zarejestrować św iecenie. Nadto zaleca się dodawanie roz
tworu wskaźnika i H202 przed samym miareczkowaniem.
W yniki opisanych doświadczeń wskazują na m ożliwość zastosowania wskaźników chem ilum inescencyjnych w oznaczeniach alkacym etrycz- nych w yciągów z gleb. Opracowanie sposobów poszczególnych oznaczeń będzie tem atem następnych prac.
Autor poczuwa się do m iłego obowiązku podziękowania Pracownikom K atedry Gleboznawstwa WSR w Szczecinie, a w szczególności P. Prof.
PG
Dr. J. Piszczkowi, Doc. Dr. Z. Chudeckiemu oraz Dr. H. Greinertowi za cenne rady i dyskusje oraz za pomoc okazaną podczas wykonyw ania pracy.
LITER A TU R A
[1] B a b k o A. K. , Ł u k o w s k a j a H. M.: Issle d o w a n ije ch e m ilu m in escen tn o j k atalitic z e sk o j r e a k c ji w sistiem ie lu m in o l Cu — H 20 2. U k r. Chim . Z., 27,1961, s. 519—524, 28, 1962, s. 968—972.
[2] E r d e y L.: T itra tio n e m m it C h em ilu m in eszen zin d ik ato ren . Chem . A nal., 3, 1958, s. 269—280.
[3] К r o h J.: C h em ilu m in escen cja w fazie ciekłej. Ł ódzkie Tow. N aukow a, Łódź 1960.
[4] M i c h a l s k i E., T u r o w s k a M.: W y k o rzy stan ie chem ilu m in escen cji p o chodnych d w u a k ry d y n y do celów an ality czn y ch . C hem ia A nal., 5, 1960, s. 625— 630; 5, 1960, s. 631—636.
[5] S ł a w i ń s k i D., S ł a w i ń s k i J.: A n ality czn e zasto so w an ie ch e m ilu m i nescencji w fazie ciekłej. Chem . A nal., 11, 1966, s. 13—26.
[6] S ł a w i ń s k a D., S ł a w i ń s k i J.: Z astosow anie ch em ilu m in escen cji p iro - galolu w alk ac y m etrii. Z eszyty N aukow e W SR Szczecin, n r 10, 1963, s. 163— 175. [7] S ł a w i ń s k a D., S ł a w i ń s k i J.: W yko rzy stan ie ch em ilu m in escen cji k w asu galusow ego i p iro g alo lu do celów an ality czn y ch . I. O znaczanie k w asu g alu so wego i pirogalolu. Chem. A nal., 10, 1965, s. 77—84.
[8] S ł a w i ń s k i J.: B a d an ia w dziedzinie ch em ilu m in escen cji p irogalolu. W iad. Chem., 19, z. 2, 1965, s. 146—149. Я. СЛАВИНЬСКИ ПРИМ ЕНЕНИЕ ХИМИЛЮ М ИНЕСЦЕНЦИИ В Ж И ДКО Й ФАЗЕ Д Л Я АНАЛИЗА ПОЧВ ЧАСТЬ 1 ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ ВЫ ТЯЖ ЕК НА ХИМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ АЛЬКАЦИМ ЕТРИЧЕСКИХ ИНДИКАТОРОВ Кафедра Общей Химии Высшей Сельскохозяйственной Школы г. Щецина Р е з юме В труде представленя попытка применения химилюминесцентных индикаторов для обозначения концевого пункта (РК ) титрования алькациметрических мутных и окра шенных вытяжек из почв. Водные вытяжки, 0,1н НС1 и 0,1 н N aO H из песка, ила и переходного торфа титровали с тремья химилюминесцентными индикаторами: пирагаллолом, люминолом и люцигенином. Исследовали влияние отдельных вытяжек на изменение цвета свечения, показатели титра и относительную интенсивность
люминесценции. Установили, что концевой пункт (Р К ) алькациметрического титро вания вытяжек из исследованных почв может быт обозначен с помощью химилюмине- сцентных индикаторов, примененных в концентрациях 10 —5 — 10 —3 моля на литр.
J. S Ł A W IŃ S K I
A P P L IC A T IO N OF CH EM ILUM IN ESC ENC E IN THE L IQ U ID P H A SE TO SO IL A N A LY SIS
P A R T I
E FF E C T OF SO IL EX TR A CTS ON CHEM ILUM IN ESCENCE OF A L K A L IM E TR IC IND ICATORS
D e p a r t m e n t o f G e n e r a l C h e m is tr y , C o lle g e o f A g r ic u ltu r e . S z c z e c in
S u m m a r y
An a tte m p t w as m ade to apply ch em ilum inescence in d ic a to rs to d e te rm in a tio n of th e end p o in t (EP) of ac id -b a se titra tio n of tu rb id and colored siol e x tra c ts . 0,ln HC1 0,ln N aO H and w a te r e x tra c ts fro m sand, clay and tra n s itio n a l p e a t w ere titra te d w ith ОДп HC1 or N aO H in th e p rese n ce of th re e ch em ilum inescence in dicato rs, n am ely p y rag a llo l, lu m in o l and lucigenin. T he effect of th e p a r tic u la r soil e x tra c ts on changes in color of lum inescence, th e tite r ex p o n e n ts and th e r e la tiv e lum inescence in te n sity w ere observed. I t w as found th a t th e EP of a lk a - lim e tric titra tio n of th e te ste d soil e x tra c ts can be d eterm in e d by m eans of th e ch em ilum inescence in d ic a to rs used in c o n c en tra tio n s of th e o rd er 10~5 to 10~2
