王嬌嬌，林 吉，王 帝，岳 瑋

（徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221018）

一種檢測水中微量鈷的新方法

王嬌嬌，林 吉，王 帝，岳 瑋

（徐州工程學院化學化工學院，江蘇 徐州 221018）

在醋酸-醋酸鈉的緩沖溶液中，鈷離子（Co2+）對過氧化氫氧化二甲酚橙（XO）這一反應具有阻抑作用。根據(jù)此原理，本實驗設計了一種新的檢測水中微量鈷的方法——二甲酚橙催化動力學光度法，系統(tǒng)研究了溶液的酸度、二甲酚橙XO的用量、過氧化氫的用量、時間、溫度、表面活性劑及共存離子的干擾等多種因素對實驗結果的影響。結果表明，在最優(yōu)條件下，鈷離子（Co2+）濃度在0～2μg·L-1范圍內，吸收工作曲線回歸為：A =0.2653x-0.0073，相關系數(shù)R2=0.9983，鈷離子（Co2+）與二甲酚橙（XO）形成的配合物質量濃度與其吸光度呈良好的線性關系，符合朗伯-比爾定律。該方法的表觀摩爾吸光系數(shù)ε=1.563×104L·mol-1·cm-1，檢出限為0.022μg·L-1。

催化動力學光度法；二甲酚橙；分光光度法；微量鈷

鈷屬于重金屬，也是一種人體必需的微量元素，主要以維生素 B12及 B12輔酶形式發(fā)揮其生物作用及生理功能，對機體造血功能有重要的促進作用，一般成年人體內含鈷量為 1.1～1.5mg。鈷的缺乏易導致貧血癥、老年癡呆癥、性功能障礙等疾病的發(fā)生，而鈷含量過多會導致紅血球過多而中毒。因此，環(huán)境樣品中的鈷含量與人體健康有著密切關系，對鈷含量測定方法的研究具有重要的意義[1-2]。

近年來，對于微量鈷的測定方法主要有分光光度 法[3-4]、示 波 極 譜 法[5]、化 學 發(fā) 光 法[6]、原 子 吸 收法[7-8]、電 感 耦合等 離 子體 發(fā) 射光 譜 法[9]等。其中分光光度法測定鈷離子的研究較多，但傳統(tǒng)的分光光度法反應時間長、靈敏度低。

本實驗采用催化動力學光度法來測量水中微量的鈷離子。催化動力學光度法[10]是分光光度法的一種，它是以被測離子為催化劑，催化氧化劑對有色物質的氧化反應，根據(jù)一定時間內有色物質被氧化褪色的程度來計算被測離子的含量，其基本依據(jù)是有色物質褪色的程度與被測離子的濃度成正比。該方法的優(yōu)點在于靈敏度高、準確度高、選擇性好，且分析成本低、操作簡單、快速。目前對于利用過氧化氫催化氧化二甲酚橙這一催化動力學光度法檢測水中微量鈷的方法比較少見。過氧化氫具有強氧化性，可以氧化二甲酚橙，而鈷對過氧化氫氧化二甲酚橙具有阻抑作用，且鈷的含量越大阻抑作用越大，溶液的吸光度越大。根據(jù)這一原理，建立了一種檢測水中微量鈷的新方法——二甲酚橙催化動力學光度法。本實驗通過系統(tǒng)研究反應過程中溶液的酸度、顯色劑 XO的用量、催化劑過氧化氫的用量、時間以及溫度的影響，建立了二甲酚橙催化動力學光度法檢測水中微量鈷的最優(yōu)實驗條件，并用于生活及生產(chǎn)實踐。

1 實驗試劑與儀器設備

1.1 實驗試劑

二甲酚橙，冰乙酸，無水乙酸鈉，30%過氧化氫，1mg·mL-1鈷 Co 標準溶液（均為 AR）。實驗用水為自制蒸餾水。

1.2 儀器設備

723C 型可見分光光度計，EL204 型電子天平，PHS-25 型數(shù)顯 pH 計，DF-101S 集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，T6新世紀紫外分光光度計。

2 實驗部分

2.1 溶液配制

10μg·mL-1鈷離子標準儲備液：用移液管移取2.5mL 的 1mg·mL-1的 鈷 離 子 溶 液 于 250mL 的 容量瓶中，定容、搖勻、備用。

0.25mg·mL-1二甲酚橙溶液：準確稱量 0.1248g的二甲酚橙，用蒸餾水溶解于 50mL 燒杯中，溶解后轉移至 500mL 容量瓶中，定容、搖勻、備用。

pH=5.5 的 HAc-NaAc 緩 沖 液：準 確 稱 取29.9950g 無水乙酸鈉于 100mL 燒杯中，加熱溶解，用量筒量取 11.0mL 冰乙酸，混合冷卻后定容至250mL備用，并用PHS-25型數(shù)顯pH計測量其酸度。

30% 過氧化氫溶液：直接使用。

2.2 實驗方法

催化體系：準確移取 1.0mL 的 Co2+標準儲備液于 25mL 容量瓶中，依次加入 pH=5.5 的緩沖液 4.0mL、5.0mL 二甲酚橙溶液、1mL 30% 過氧化氫溶液，以水稀釋至刻度，搖勻。在一定溫度的恒溫熱水浴中放置 5min，取出用流水立即冷卻至室溫后用 1 cm 比色皿，以試劑空白作參比，在一定波長下測定溶液吸光度 A，實驗要求現(xiàn)配現(xiàn)測，冷卻至室溫立即測量。

非催化體系：準確移取 1.0 mL 的 Co2+標準儲備液于 25mL 容量瓶中，依次加入 pH=5.5 的緩沖液4.0mL、5.0mL 二甲酚橙溶液，以水 稀釋至刻度，搖勻。在一定溫度的恒溫熱水浴中放置 5min，取出用流水立即冷卻至室溫后用 1 cm 比色皿，以試劑空白作參比，在一定波長下測定溶液吸光度 A，實驗要求現(xiàn)配現(xiàn)測，冷卻至室溫立即測量。

3 結果與討論

3.1 絡合物的吸收光譜

在設定的實驗方案下，用 T6新世紀紫外分光光度計，在不同的波長下測定催化體系和非催化體系的吸光度，得到一定范圍內的吸光光譜。結果表明，催化體系和非催化體系的最大吸收波長均在 578nm左右，故體系選擇的實驗測定波長為 578nm。

3.2 緩沖溶液用量的影響

按選定的實驗條件，先考察不同的溶液 pH 值對實驗的影響，實驗結果見圖 1。結果表明，在 pH 5.0～6.0 內，催化反應體系靈敏度最高，吸光度最大且基本不變，故實驗選用 pH=5.5 的 HAc-NaAc 緩沖液作為實驗反應介質。改變緩沖溶液的用量進行實驗，實驗結果見圖 2。從圖 2 可以看出，隨著緩沖溶液用量的增加，吸光度 A 先增大后減小，當緩沖溶液體積達到 4mL 時，吸光度 A 最大，故實驗選擇緩沖溶液的用量為 4mL。

圖1 pH 值對吸光度的影響Fig.1 Influence of pH on A

圖2 緩沖溶液用量對吸光度的影響Fig.2 Influence of dosage of buffer solution on A

3.3 二甲酚橙用量的選擇

按實驗方法改變二甲酚橙溶液用量，發(fā)現(xiàn)其用量在 3.00～6.00mL 時，吸光度最大且穩(wěn)定，催化反應體系靈敏度最高，實驗結果見圖3。從圖3可以看出，隨著二甲酚橙用量不斷增加，吸光度A先增大后減小，當緩沖溶液體積達到 5mL 時，吸光度 A 最大，故實驗選擇緩沖溶液的用量為 5mL。

圖3 二甲酚橙用量對吸光度的影響Fig.3 Influence of dosage of XO solution on A

3.4 H2O2用量的選擇

按實驗方法考察 30%的 H2O2用量對反應體系的吸光度 A 的影響，發(fā)現(xiàn)其用量在 0.50～1.50mL 時，A 最大，此時催化反應體系靈敏度最高，實驗結果見圖4。從圖4可以看出，隨著過氧化氫用量不斷增加，吸光度 A 先增大后減小，當 H2O2體積達到 1mL 時，吸光度 A 最大，故實驗選擇 H2O2的用量為 1mL。

3.5 反應溫度的影響

按 2.2 配制好溶液后，控制恒溫水浴鍋的溫度分別為 30℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，將待測溶液恒溫 10min，取出，流水冷卻至室溫后立即測吸光度 A。結果表明，溫度升高，顯色反應速度加快，在 45～55℃時 A 最大且穩(wěn)定，結果見圖 5。從圖 5可以看出，隨著溫度的升高，吸光度 A 先增大后趨于穩(wěn)定，當溫度為 50℃時，吸光度 A 最大，故實驗選擇的反應溫度為 50℃。

圖4 H2O2用量對吸光度的影響Fig.4 Influence of dosage of H2O2solution on A

圖5 反應溫度對吸光度的影響Fig.5 Influence of reaction temperature on A

3.6 反應時間的影響

按 2.2 配制好溶液后，控制恒溫水浴鍋的溫度為 50℃，選擇不同的間隔時間測吸光度 A，直至吸光度趨于穩(wěn)定或有減小趨勢，結果見圖 6。結果表明，隨體系反應時間改變，催化反應的靈敏度也不同，隨著反應時間的變化，吸光度 A 先增大后趨于穩(wěn)定，后有減小趨勢，在 3～15min 時 A 最大且穩(wěn)定，因此選擇反應時間為 10min。

圖6 反應時間對吸光度的影響Fig.6 Influence of reaction time on A

3.7 表面活性劑的影響

由于實驗是在水溶液中進行的，故只能選用水溶性的表面活性劑。一般情況下，表面活性劑的加入有明顯的增溶增敏作用，但在本實驗中，吐溫-80、十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基磺酸鈉等對鈷離子的測量無增敏效果，氟化鈉對本實驗雖有一定的增敏作用，但氟化鈉有毒且腐蝕性強，不利于實驗的操作，違背綠色化學原理，所以本實驗不選用表面活性劑。

3.8 工作曲線及檢出限

按試驗方法在最佳試驗條件下測定不同濃度的鈷標準溶液的催化反應的吸光度，分別取 Co2+標準儲備液 1mL、2mL、3mL、4mL、5mL、6mL、7mL 于 25mL容量瓶中，按 2.2 操作，測量溶液的吸光度，結果見表1，工作曲線見圖 7。

表1 不同質量濃度鈷離子的吸光度

圖7為鈷離子標準工作曲線，對工作曲線回歸得：A=0.2653x-0.0073，相關系數(shù) R2=0.9983，式中的 x 單位為μ g·mL-1。從表1、圖7可以看出，濃度在 0～2μg·mL-1時，符合朗伯 - 比爾定律，按工作曲線計算得表觀摩 爾 吸 光 系 數(shù)ε=1.563×104L·mol-1·cm-1。 為了減少實驗誤差，以試劑空白作為參比液，同時做 20 組空白試驗，按空白溶液測定結果標準偏差的3倍除以標準曲線斜率的方法計算檢出限：DL=0.00198×3/0.2653=0.022μg·L-1，標 準 偏 差 的計算見表2。

圖7 工作曲線Fig.7 Calibration curves

表2 標準偏差的計算Tab.2 The calculation of standard deviation

3.9 干擾離子的測定

在實驗方案下，對鈷離子的測定在相對標準偏差 ±5%范圍內，允許共存的離子為：大量的 K+、SO42-、N03-、Na+、PO43-、Ca2+；較 多 的 Mg2+、A13+、Cd2+、I-、Br-、Mn2+；少量的 Zn2+、Fe3+不干擾測定。必要的話，可用硫氰酸銨、硫脲和抗壞血酸掩蔽Zn2+、Cu2+、Fe3+等離子。

4 樣品測定分析及回收率測定

4.1 濃縮水樣

取 2.0L 河水于燒杯中，加熱濃縮至 100mL，靜置，抽濾，除去水中固體雜質。

4.2 催化體系樣品分析

取 5 個 25mL 的容量瓶，分別貼上標簽 A1、A2、A3、A4、A5，準確移取濃縮水樣 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，然后依次加入已配好的 5.00mL 二甲酚橙溶 液、4.00mL 醋 酸 - 醋 酸 鈉 溶 液、1.00mL 的 30%過氧化氫，定容，搖勻，在 50℃恒溫水浴鍋中放置10min 后，取出立即用流水冷卻。并配置參比溶液，在 25mL 的容量瓶中加入 5.00mL 二甲酚橙溶液、4.00mL 醋酸 - 醋酸鈉溶液、1.00mL 的 30% 過氧化氫，用 1cm 的比色皿進行測定，結果見表 3。

表3 催化體系樣品分析Tab.3 sample analysis through catalytic system

4.3 非催化體系樣品分析

取 5 個 25mL 的容量瓶，分別貼上標簽 B1、B2、B3、B4、B5，準確移取濃縮水樣 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，然后依次加入已配好的 5.00mL 二甲酚橙溶液、4.00mL 醋酸 - 醋酸鈉溶液，定容，搖勻，在 50℃恒溫水浴鍋中放置 10min 后，取出立即用流水冷卻。并配置參比溶液，在 25mL 的容量瓶中加入 5.00mL二甲酚橙溶液、4.00mL 醋酸 - 醋酸鈉溶液，用 1cm的比色皿進行測定，結果見表 4。從表 3、表 4 結果可知，催化體系測定水中微量鈷離子的結果更精確。

表4 非催化體系樣品分析Tab.4 sample analysis through non catalytic system

4.4 加標回收實驗

取 5 個 25mL 的容量瓶，分別貼上標簽 C1、C2、C3、C4、C5，準確移取濃縮水樣 1.00、2.00、3.00、4.00、5.00mL，同樣依次加入已配好的 5.00mL 二甲酚橙溶液、4.00mL 醋酸 - 醋酸鈉溶液、1.00mL 的 30% 過氧化氫，再加 1.00mL 鈷離子標準溶液，定容，搖勻，在50℃恒溫水浴鍋中放置 10min 后，取出立即用流水冷卻。參比溶液為樣品分析的參比溶液，以A系列為試樣測定值，以C系列為加標試樣測定值計算加標回收率，結果見表 5。

表5 加標回收實驗Tab5 recovery experiment carried out by adding standard solution

5 結論

對比催化體系和非催化體系的樣品分析結果可知，催化體系的檢出限更低，靈敏度更高，準確率也更高。由加標回收實驗可知，河水中的鈷離子回收利用率可達到 95% 以上。以上方法可以更有效、更準確地檢測自然界水源、生活用水以及工業(yè)廢水等的鈷離子含量，為人類生存、植物生長提供健康的水環(huán)境。此外，也可以對水中所含的微量鈷進行加標回收，對鈷離子進行有效的利用。

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A New Detection Method for Trace Cobalt in Water

WANG Jiaojiao, LIN Ji, WANG Di, YUE Wei
(School of Chemistry and Chemical Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China)

In acetic acid-sodium acetate buffer solution, Co2+on the oxidation of hydrogen peroxide xylenol orange (XO) had inhibitory effe ct. According to this reaction, a new method for the detection of trace cobalt in water--xylenol orange catalytic dynamics research method, was established. The influence factors, included solution acidity, amount of xylenol orange, amount of hydrogen peroxide, reaction time, reaction temperature, surfactant, and the interference of coexisting ions, were systematically studied. The experimental results showed that under the best conditions, in the Co2+concertration range of 0～2μg/L, the absorb curve was: A=0 .2653x-0.0073, the correlation coeff i cient was 0.9983. The mass concentration of complexes which formed by cobalt ions and xylenol orange, had a good linear relationship with its absorbance in a certain concentration range, and was consistent with Lambert-Beer law. The apparent molar absorptivity was:ε=1.563*104L/mol/cm, and the detection limit was 0.022μg/L.

catalytic kinetic; xylenol orange; spec trophotometric method; trace of cobalt

O 657.3

：A

：1671-9905(2017)06-0041-05

徐州工程學院省級實驗示范中心專項經(jīng)費項目

岳瑋（1975-），女，江蘇徐州人，高級實驗師，主要研究方向為產(chǎn)品檢驗分析。E-mail:hgzym2012@163.com

2017-03-13