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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果浅析酸碱指示剂的发展方向摘要 介绍了酸碱指示剂的基础知识和选择依据,重点介绍了目前天然植物色素在酸碱指示剂和酸碱滴定中的应用。同时,由于新技术的快速发展,基于纳米技术和DNA结构转变的无污染环保指示剂更加值得关注。关键词 酸碱指示剂 天然植物色素 纳米技术 环保指示剂 酸碱滴定分析化学是化学专业的一门专业必修课,其中酸碱滴定法在定量分析实验中占了相当重要的地位,是化学分析中应用相当广泛的基本方法之一,其原理是用酸标准溶液或碱标准溶液滴定具有相反酸碱性的物质,根据
2、标准溶液的消耗量来计算被测物质含量。对于反应终点的确定一般用酸碱指示剂颜色的突变来指示1。一般选择酸碱指示剂要考虑以下3个因素:(1)酸碱指示剂的变色范围与化学计量点要吻合或接近。(2)酸碱指示剂的变色范围越窄越好,大多数指示剂的变色范围是单位,如酚酞的变色范围是,甲基橙的变色范围是。(3)酸碱指示剂在滴定等当点终点时颜色变化要明显,易观察判断。1 常用的酸碱指示剂目前实验室常用的酸碱指示剂及其变色范围如表1所示。表1 常用的酸碱指示剂及变色范围指示剂酸式色过渡色碱式色变色范围pKaPT(滴定指数)甲基橙(MO)红橙黄甲基红红橙黄酚酞(PP)无粉红红百里酚酞无淡蓝蓝在酸碱滴定中,有时需要将滴定
3、终点限制在很窄的pH范围内,这时可采用混合指示剂。混合指示剂有2类:一类是同时使用2种指示剂,利用彼此颜色之间的互补作用,使变色更加敏锐。例如,溴甲酚绿(pKa=)和甲基红(pKa=),前者的酸式为黄色,碱式为蓝色;后者的酸式为红色,碱式为黄色。混合后,酸性条件下显橙色,碱性条件下显绿色。而在pH时,溶液近乎无色。溴甲酚绿+甲基红pH蓝+黄绿pH=绿+橙近无色徐功华等在酸碱中和滴定中用甲基红-溴甲酚绿混合指示剂替代甲基橙指示剂,滴定终点溶液颜色是由绿色变化成酒红色,颜色反差强烈,肉眼识别更敏锐。在医学检验分析化学实验教学中运用这一改革,实验结果的相对平均偏差值小于3%的达%,比未改革前平均提高
4、个百分点2。李芳清等也得到了相似的结果3。另一类由指示剂与惰性染料组成,利用颜色的互补作用来提高变色的敏锐度。例如甲基橙与惰性染料靛蓝二磺酸钠所组成的指示剂: 甲基橙+靛蓝二磺酸钠pH4.黄+蓝绿pH 红+蓝紫新指示剂实验室常用的指示剂种类较少,有的变色也不敏锐,来源有限,且污染环境。近年来,越来越多的新指示剂被应用到酸碱滴定中。 人工合成的染料张成志等4利用维多利亚蓝在不同的pH下显示不同的颜色,测定出了不同pH下相应的最大吸收波长和最大吸收波长下的摩尔吸收系数,得到维多利亚蓝颜色由蓝色型体变为红色型体的酸碱解离常数pKa=。用维多利亚蓝作为酸碱指示剂进行酸碱滴定,与酚酞指示剂对照,无显著性
5、差异,滴定得到满意的结果。其他一些合成染料也被用来作为酸碱指示剂5,6,但此类染料需要人工合成,成本较高且污染环境。2.存在于自然界中的天然色素在自然界里,有许多植物色素在不同的酸碱性溶液中,都会发生颜色的变化,并且他们来源广泛,廉价易得,天然环保。这些植物色素可以用作甲基橙和酚酞等指示剂的代用品。韦友欢等7通过测定绿茶、苦丁茶茶汁在酸碱溶液中变色时的pH,以及利用它们在酸碱滴定中作为酸碱指示剂的测定结果与酚酞、甲基橙作为指示剂时的结果对比,得出茶汁可以作为酸碱指示剂的代用品。茶叶来源广,价格便宜,茶汁制备简单,用它作为酸碱指示剂的效果与酚酞、甲基橙基本上一致,故值得推广使用。刘志明等8以红苋
6、菜为原料提取苋菜红色素,测定苋菜红水溶液的变色pH范围为,与酚酞相近,且变色灵敏,可以替代酚酞用作酸碱滴定指示剂。用苋菜红和酚酞作为食品酸味剂和膨松剂分析指示剂的实验结果表明,苋菜红指示酸碱滴定终点变色明显,与酚酞相当。苋菜红指示剂具有安全性和实用价值。米广春9研究了紫甘蓝色素作为酸碱指示剂的应用。紫甘蓝色素是从紫甘蓝中提取的一种天然色素,性质比较稳定,能较长期保存,其颜色随pH改变而发生鲜明的变化,并能准确地指示酸碱滴定终点,因此可作为一种天然的酸碱指示剂。紫甘蓝试纸是一种变色范围较广的试纸。不仅可以指示物质的酸、碱性,而且可以比较酸碱性的强弱,较之石蕊试纸、酚酞试纸有一定的优势。尤其是对于
7、电解食盐水的实验,紫甘蓝色素作为指示剂,可以清楚的指示阳极区和阴极区液体酸碱性的变化。鲁蓉蓉等10和张新娥11也得到了相似的结果。方荣美12研究了天然色素萝卜红色素在不同pH溶液中的颜色变化。结果表明:萝卜红色素可作酸碱指示剂,既可以检验溶液的酸碱性,又可以用作酸碱滴定的终点指示剂,效果很好,值得推广。萝卜红色素作指示剂随处易得,特别是秋冬两季,经济实惠。而且它的稳定性好,不受溶液中各种共存金属离子的影响,而且对温度也显示出极好的稳定性。同时她还研究了虞美人色素在不同pH溶液中的颜色变化,并通过虞美人色素和其他指示剂进行酸碱滴定的比较,结果表明:虞美人色素能准确指示酸碱滴定的终点,其变色pH范
8、围为,颜色由紫红色变为棕色,效果很好,值得推广13。此外,王寿红14从心里美萝卜、紫甘蓝、紫草、苏木、玫瑰茄、矮牵牛花中提取色素制成酸碱指示剂,测定了植物色素在不同pH范围内的显色情况,并将自制植物酸碱指示剂用于常见酸、碱、盐溶液的显色指示,取得了满意效果,并在此基础上指出了自制植物指示剂应注意的问题。邹勇等15根据植物花瓣色素在不同pH时的显色情况,从植物中提取色素制备酸碱指示剂,用于盐类水解情况的显色指示,取得了满意的效果。八月菊,一串红,鸡冠花,芍药花,美人蕉,牵牛花,三角梅,月季花,矮牵牛花,牵牛花,海棠花等的实验效果较好。罗先平等16经过多次对植物的花、茎、叶或果实的测试,发现颜色深
9、的植物其花、茎、叶、根或果实大多数都可以遇酸或碱呈现它独特的颜色,特别是紫色的、红色的花、茎、叶、根或果实(有的是它的表皮,如茎和根的表皮)的汁液遇酸或碱后,显色最为明显,酸碱之间的色差也最为显著。所以利用植物色素取代酸碱指示剂是可行的,如:月季花汁、杜鹃花汁等都是较理想的酸碱指示剂。它的制取简单方便,更重要的是对环境无污染,且有利于开展探究性学习。2.“纳米”指示剂由于纳米技术的发展,基于纳米金和阳离子聚噻吩衍生物颜色变化的酸碱指示剂也已报道17,18。由富含胞嘧啶序列形成的“i-motif”结构在人类基因组中十分常见。在人类端粒DNA、骨髓基因、眼癌基因和人胰腺癌相关基因c-ki-ras的
10、调节区中都含有富胞嘧啶的DNA序列19。“i-motif”结构是富含胞嘧啶的寡脱氧核苷酸,在弱酸性条件下形成一种稳定的四面体结构。而在中性偏碱性环境中,胞嘧啶去质子化,不能形成“i-motif”结构,因此以自由卷曲的单链构象存在。纳米金是一种优秀的光学探针。它具有高消光系数,颜色具有强烈的尺寸依赖性。1nm纳米金溶液呈红色,柠檬酸钠还原法制得的纳米金表面均匀分布柠檬酸根负离子,通过静电排斥使金颗粒保持均匀分散的稳定状态。盐离子的加入会破坏金表面电荷斥力,进而聚集,溶液变为蓝色。纳米金对DNA单双链具有高效分辨能力20。纳米金吸附单链后更加稳定,加入一定量盐离子不会引起聚集;而吸附双链会破坏纳米
11、金颗粒之间电荷斥力,加入等量的盐就会变蓝。Wang等17基于此性质报道了基于纳米金的pH诱导DNA结构变化的比色传感器。富含胞嘧啶的寡脱氧核苷酸,在弱酸性条件下形成稳定的四面体“i-motif”结构。加入纳米金中,由于探针表面负离子堆积程度高,对金表面的负电荷有屏蔽作用,导致金颗粒间排斥力减弱,体系加入一定盐后容易发生聚集,溶液颜色由原来红色转变为蓝色;而在中性偏碱性环境中,寡脱氧核苷酸不能形成“i-motif”结构,因此以自由卷曲的单链构象存在,可以静电吸附于金表面,使纳米金更为稳定,加盐后,溶液仍为红色。通过观察纳米金颜色的差异,可以发展为新型的酸碱指示剂。最近,基于阳离子聚噻吩衍生物具有
12、构象效应,可用于区分单、双链DNA以及其他特殊结构的DNA的性质,Wang等发展了一种新型的酸碱指示剂18。在pH为的弱酸性环境中,富含胞嘧啶的寡脱氧核苷酸形成“i-motif”结构,加入阳离子聚噻吩衍生物后,其共轭骨架会通过静电作用缠绕在“i-motif”结构上,从而使其共轭骨架呈低共轭、非共面的状态,颜色呈现黄色;而在pH为的中性偏碱性环境中,胞嘧啶去质子化,不能形成“i-motif”结构,因此以自由卷曲单链构象存在,当其与正电荷的阳离子聚噻吩衍生物静电吸附时,形成中性的寡核苷酸/阳离子聚噻吩衍生物复合物,彼此之间的排斥力消失,容易发生聚集,呈现高度共轭和共平面的状态,颜色变为红色。通过观
13、察颜色变化可以知道溶液的酸碱性。此类指示剂具有样品用量少、简捷、可逆且对环境无污染的特点。总结和展望总之,酸碱指示剂的可选范围越来越广,取材方便、天然环保、变色敏锐的酸碱指示剂备受青睐。同时,由于纳米技术的发展,一些新型的酸碱指示剂也应运而生。将自然界中的天然色素应用到科学实践中是未来指示剂发展的方向。同时,由于新技术的快速发展,基于纳米技术和DNA结构转变的无污染环保指示剂更加值得关注。参 考 文 献1 武汉大学.分析化学.第4版,北京:高等教育出版社,XX:6262 徐功华,魏得良,王国平.郴州医专学报,XX,3(1):4543 李芳清.东华理工学院学报,XX,29(1):88914 张成
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