張皓爽， 姬泓巍， 宰敬喆， 韓婷婷

(中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

研究簡報

過氧化氫-茜素紅s體系催化動力學(xué)分光光度法測量痕量鈷(II)

張皓爽， 姬泓巍*， 宰敬喆， 韓婷婷

(中國海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

本文利用催化動力學(xué)原理，建立了新的測定痕量鈷(II)的分析方法。研究體系為：鈷(II)-茜素紅s-過氧化氫-碳酸鈉。所得的最佳反應(yīng)條件為：pH = 11.00，反應(yīng)時間t= 7.50 min，反應(yīng)溫度θ= 35.0 ℃，ρ(C14H7O7SNa·H2O)=6.400 × 10-2g·L-1，Φ(H2O2) = 7.200 × 10-2%。在該反應(yīng)條件下，此分析方法的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.85%～2.96%，檢出限為4.21×10-2ng/mL。在淡水體系中相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.93%～2.79%之間，而加標(biāo)回收率在98.7%～101.3%之間。相較于其他測量方法，本文所建立的分析方法具有操作簡單，分析溫度低，準(zhǔn)確度高，檢出限低，分析時間短等優(yōu)點。

鈷(II)的測定；催化動力學(xué)分光光度法；茜素紅s；過氧化氫

鈷是人體所必需的微量元素，但如果鈷的濃度低于或高于人體所需的正常值，則會對人體的健康產(chǎn)生不利影響[1-2]。由于在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，如不銹鋼、電子的制造，放射性同位素治療等，鈷元素在土壤及水體中的含量逐漸增加[3-4]。因此探究痕量鈷的測定方法對環(huán)境化學(xué)、水化學(xué)中重金屬鈷污染的檢測有著重要的意義。

測定鈷(II)的方法有很多，譬如溶出伏安法[5-6]，高效液相色譜法[7-8]，電感耦合等離子體質(zhì)譜法[9-10]，原子吸收法[11-12]，化學(xué)發(fā)光法[13]等。以上方法具有儀器昂貴、分析成本高、分析過程復(fù)雜、樣品易損耗、實驗條件要求苛刻等不足，因此在應(yīng)用上有一定的局限性。

在測定痕量金屬的諸方法中，催化動力學(xué)分光光度法因具有選擇性好，準(zhǔn)確度高，檢出限低，儀器簡單等優(yōu)點而得到了廣泛的應(yīng)用。高杰[14]研究了鈷(II)與三乙醇胺協(xié)同催化H2O2氧化鄰苯氨基苯甲酸的反應(yīng)，建立了測定鈷(II)的催化動力學(xué)方法；趙麗杰等[15]利用Co(II)對過氧化氫氧化中性紅的反應(yīng)有較強的負(fù)催化作用來測定鈷(II)的含量；王曉菊等[16]提出了在增敏劑溴代十六烷基吡啶和活化劑氨基乙酸的存在下，鈷對高碘酸鉀氧化酸性鉻蘭K的反應(yīng)具有催化作用；王洪福等[17]發(fā)現(xiàn)檸檬酸對雙氧水氧化羅丹明B的褪色反應(yīng)具有阻抑作用，加入鈷(II)離子后，阻抑作用明顯加強，從而提出測定痕量鈷(II)的新方法；孫桃等[18]利用痕量鈷(II)對過氧化氫氧化5′-硝基水楊基熒光酮褪色反應(yīng)的催化作用，提出了測定鈷(II)的催化動力學(xué)方法； Abouhiat等[19]采用多注射流動自動化系統(tǒng)研究了鈷(II)對過氧化氫氧化羥基苯甲酸褪色反應(yīng)的催化作用，提出了鈷(II)-羥基苯甲酸-過氧化氫體系的催化動力學(xué)分光光度法； Chaparro等[20]同樣應(yīng)用多注射流動自動化系統(tǒng)對痕量鈷(II)的測定方法進(jìn)行了探究。迄今，雖然這些方法可以用于測定痕量鈷(II)的含量，但仍存在一些缺點，如分析溫度大多處于高溫條件，操作時需采取一定措施使反應(yīng)驟停，易產(chǎn)生分析誤差等。因此，本文對痕量鈷(II)在H2O2氧化茜素紅s的褪色反應(yīng)中的催化作用進(jìn)行了研究，確定了反應(yīng)體系及最佳反應(yīng)條件，建立了在室溫下能夠快速準(zhǔn)確測定鈷(II)的分析方法。

1 催化動力學(xué)光度法原理

催化動力學(xué)光度法是利用化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率與金屬催化劑濃度之間的關(guān)系來進(jìn)行定量分析的方法，具有檢出限低、選擇性高、準(zhǔn)確度高、儀器簡單等優(yōu)點。

設(shè)某一催化反應(yīng)體系的反應(yīng)方程式如下：

其中：A為顯色劑；B為氧化劑；M為催化劑。因此，顯色劑A的反應(yīng)速率方程式：

(1)

若固定酸度，且反應(yīng)體系中A、B濃度大大過量時，物質(zhì)A、B在反應(yīng)中的濃度變化可忽略，則可視為常數(shù)。

在催化動力學(xué)實驗中，可選用與顯色劑濃度有線性關(guān)系的物理量來進(jìn)行測量。因此，可通過測定顯色劑的吸光度來監(jiān)測實驗進(jìn)程。根據(jù)Lambert-Beer定律可知，吸光度A與濃度c之間呈線性關(guān)系，即：

(2)

其中：A0為無催化劑時反應(yīng)t時刻的吸光度值；At為有催化劑時反應(yīng)t時刻的吸光度值。

通過固定時間法，即在反應(yīng)進(jìn)行到某一確定時間時讀出反應(yīng)體系的吸光度值，催化劑濃度與吸光度差值呈線性關(guān)系。

(3)

由公式(3)可以看出，應(yīng)用固定時間法，ΔA與體系中催化劑濃度之間具有線性關(guān)系，利用非催化體系和催化體系之間的吸光度差值，繪制出待測金屬的工作曲線，通過測定未知樣品的吸光度值，即可得到未知樣品中待測金屬的濃度。

2 實驗部分

2.1 實驗方法

于兩支25 mL比色管中分別加入一定量的茜素紅s溶液(1.000 g·L-1)和碳酸鈉溶液(1.000 mol·L-1)，固定體系的pH，其中一支加入一定量的Co(II) 標(biāo)準(zhǔn)溶液，另一支不加Co(II)，再分別向兩支比色管中加入3% 的過氧化氫溶液，用蒸餾水定容至刻度，搖勻并開始計時。用1 cm比色皿，以蒸餾水為參比，用紫外-可見分光光度儀(HP8453美國惠普公司)在波長334 nm處測定在特定時間下催化和非催化反應(yīng)體系的吸光度A和A0，計算吸光度的差值ΔA=A0-A。在此過程中反應(yīng)體系均處于35°C的環(huán)境中。

2.2 實驗設(shè)計

配制不同的反應(yīng)體系，按2.1中的實驗方法進(jìn)行操作，繪制出吸收曲線，確定實驗所需的測量波長。為初步確定分析方法的主要因素及其對應(yīng)的水平，首先進(jìn)行正交實驗。選取茜素紅s質(zhì)量濃度、過氧化氫體積分?jǐn)?shù)、介質(zhì)的pH、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間作為5個影響因素，每個因素選取4個水平，建立5因素4水平正交表L16(45)，如表1所示。根據(jù)正交實驗所得到的影響因素及相應(yīng)的水平，進(jìn)行單因素實驗，得到最佳的實驗反應(yīng)條件。

表1 5因素4水平L16(45)正交表

3 結(jié)果與討論

3.1 吸收光譜

不同反應(yīng)體系的吸收光譜如圖1所示。3種條件下的吸收曲線形狀相同，各自的最大吸收波長均為λ=334 nm。這說明：反應(yīng)介質(zhì)對茜素紅s的最大吸收波長無明顯影響；過氧化氫能夠氧化茜素紅s，使溶液褪色；痕量Co(II)可加快過氧化氫氧化茜素紅s的褪色反應(yīng)，導(dǎo)致吸光度降低。因此本實驗選定的測量波長為λ=334 nm。

(1.溶液組成：6.400×10-2g·L-1茜素紅s溶液(pH=11.00)；2.溶液組成：6.400×10-2g·L-1茜素紅s溶液+7.20×10-2% H2O2溶液(pH=11.00)；3.溶液組成：6.400×10-2g·L-1茜素紅s溶液+7.20×10-2% H2O2溶液 +0.2000 μg·L-1Co2+(pH=11.00)。Solution composition：1.ρ(C14H7O7SNa·H2O)=6.400×10-2g·L-1(pH=11.00)；2.ρ(C14H7O7SNa·H2O)=6.400×10-2g·L-1+Φ(H2O2)=7.20×10-2%(pH=11.00)；3.ρ(C14H7O7SNa·H2O) = 6.400×10-2g·L-1+Φ(H2O2)=7.20×10-2%+ρ(Co2+)=0.2000 μg·L-1(pH=11.00).)

圖1 吸收光譜
Fig.1 Absorption spectra of alizarin red s

據(jù)研究表明，過氧化氫的分解受到pH的限制，在pH=12.0時分解速率達(dá)到最高值，同時H2O2的分解受到茜素紅或其他相似分子的抑制，而痕量鈷可以阻止這種抑制，加速H2O2分解[21]。蒽醌自由基具有芳環(huán)離域π鍵，因此茜素紅s易與·OOH發(fā)生親核反應(yīng)，最后被氧化成為鄰苯二甲酸衍生物[22]。這為該體系測量痕量Co(II)提供了理論依據(jù)。

3.2 正交試驗

正交試驗分析結(jié)果如表2所示。

通過極差R可以看出，所選5個因素的影響順序依次為：pH > 反應(yīng)時間t>反應(yīng)溫度θ> 茜素紅s質(zhì)量濃度 > 過氧化氫體積分?jǐn)?shù)。根據(jù)表2中的結(jié)果，可以初步確定此分析方法的影響因素及水平，如表3。

3.3 單因素實驗

3.3.1 pH值的影響 在正交實驗確定的反應(yīng)條件下，探究pH在10.10～11.65范圍內(nèi)對ΔA的影響，3次實驗取平均值，實驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，pH在10.10～11.00范圍內(nèi)，隨著體系pH的增大，吸光度的差值ΔA逐漸增大，在pH = 11.00時，ΔA值達(dá)到最大；當(dāng)pH值大于11.00時，ΔA逐漸減小，因此，選擇反應(yīng)體系的最佳pH為pH = 11.00。

表2 正交實驗結(jié)果Table 2 The results of the orthogonal experiment

續(xù)表2

序號No．ABCDE茜素紅s質(zhì)量濃度Massconcentrationofalizarinredsρ(C14H7O7SNa·H2O)/g·L-1H2O2體積分?jǐn)?shù)VolumefractionofH2O2Φ(H2O2)/%酸堿度pH溫度Temperatureθ/℃時間Timet/minΔA146．400×10-27．200×10-210．5025．08．000．082156．400×10-21．080×10-110．0055．02．000．040166．400×10-21．440×10-19．5045．04．000．022K10．2361．0770．1770．2340．175K20．4250．2540．1640．9300．624K30．7820．6470．8360．3430．878K40．6810．1460．9470．6170．447k1=K1/40．05900．26930．04430．05850．0438k2=K2/40．10630．06350．04100．23250．1560k3=K3/40．19550．16180．20900．08580．2195k4=K4/40．17030．03650．23680．15430．1118R0．13650．12530．19580．17400．1758

表3 初步確定的影響因素和水平Table 3 Initially identified the influencing factors and levels

圖2 pH對ΔA的影響Fig.2 The effect of pH on ΔA

3.3.2 反應(yīng)時間t的影響 在pH為11.00及正交實驗確定的其他反應(yīng)條件下，探究反應(yīng)時間t在1.50～9.50 min范圍內(nèi)對ΔA的影響，3次實驗取平均值，實驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，t在1.50～7.50 min范圍內(nèi)，ΔA隨著反應(yīng)時間的增加而迅速增大。當(dāng)t>7.50 min時，ΔA基本不變。因此，選擇反應(yīng)體系的最佳反應(yīng)時間為t= 7.50 min 。

圖3 反應(yīng)時間t對ΔA的影響

3.3.3 反應(yīng)溫度θ的影響 在pH =11.00、反應(yīng)時間t= 7.50 min及正交實驗確定的其他反應(yīng)條件下，探究反應(yīng)溫度θ在25.0～50.0 ℃范圍內(nèi)對ΔA的影響，3次實驗取平均值，實驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，θ在25.0～35.0 ℃范圍內(nèi)，ΔA隨著溫度的增加而增大，其在θ= 35.0 ℃時達(dá)到最大值；而當(dāng)θ>35.0 ℃時，ΔA隨著溫度的增加而減小。因此，選擇反應(yīng)體系的最佳反應(yīng)溫度為θ= 35.0 ℃。

圖4 反應(yīng)溫度θ對ΔA的影響

3.3.4 顯色劑濃度的影響 在pH =11.00、反應(yīng)時間t= 7.50 min、溫度θ= 35.0 ℃及Φ(H2O2) = 3.600×10-2%的反應(yīng)條件下，研究茜素紅s質(zhì)量濃度在4.800× 10-2～8.000× 10-2g·L-1范圍內(nèi)對ΔA的影響，3次實驗取平均值，實驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 茜素紅s質(zhì)量濃度對ΔA的影響Fig.5 The effect of mass concentration of alizarin red s on ΔA

由圖5可以看出，在ρ(C14H7O7SNa·H2O)=4.800×10-2～6.400×10-2g·L-1范圍內(nèi)，ΔA隨著茜素紅s溶液的濃度的增加而增大，其在ρ(C14H7O7SNa·H2O)=6.400×10-2g·L-1時出現(xiàn)峰值；而當(dāng)ρ(C14H7O7SNa·H2O)>6.400×10-2g·L-1時，ΔA隨著茜素紅s溶液濃度的增加而減小。因此，選擇反應(yīng)體系的最佳茜素紅s溶液濃度為ρ(C14H7O7SNa·H2O)=6.400×10-2g·L-1。

3.3.5 氧化劑含量的影響 在pH =11.00、反應(yīng)時間t=7.50 min、溫度θ=35.0 ℃及ρ(C14H7O7SNa·H2O) = 6.400× 10-2g·L-1的反應(yīng)條件下，研究過氧化氫體積分?jǐn)?shù)在2.400× 10-2%～1.200× 10-1%范圍內(nèi)對ΔA的影響，3次實驗取平均值，實驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，在Φ(H2O2)=2.400×10-2%～7.200×10-2%范圍內(nèi)，ΔA隨著過氧化氫體積分?jǐn)?shù)的增加而增大，其在Φ(H2O2) = 7.200× 10-2%時出現(xiàn)峰值；而當(dāng)Φ(H2O2)>7.200× 10-2%時，ΔA隨著過氧化氫體積分?jǐn)?shù)的增加而減小。因此，選擇反應(yīng)體系的最佳過氧化氫體積分?jǐn)?shù)為Φ(H2O2) = 7.200× 10-2%。

圖6 過氧化氫體積分?jǐn)?shù)對ΔA的影響Fig.6 The effect of volume fraction of H2O2 on ΔA

3.3.6 最佳反應(yīng)條件 通過單因素實驗，可得到此分析方法的最佳反應(yīng)條件，如表4所示。

表4 最佳反應(yīng)條件Table 4 The optimal reaction conditions

3.4 工作曲線的繪制

在最佳反應(yīng)條件下，改變所加入Co2+的濃度，測溶液吸光度的變化，繪制工作曲線，如圖7所示。

圖7 ρ(Co2+)與ΔA的線性關(guān)系

結(jié)果表明，在ρ(Co2+) = 0～0.600 0 ng/mL范圍內(nèi)，ρ(Co2+)與ΔA之間具有良好的線性關(guān)系。其工作曲線的回歸方程為：

ΔA= 0.754 3ρ(Co2+) + 0.009 3，R2= 0.997 9。

3.5 分析方法的準(zhǔn)確度及精密度

按2.1部分的實驗方法及所選定的最佳分析條件，分別測定ρ(Co2+) = 0.2000 ng/mL和ρ(Co2+) =0.4000 ng/mL的Co2+標(biāo)準(zhǔn)溶液的ΔA。根據(jù)所得到的回歸方程求得ρ(Co2+)的測量平均值，檢驗此分析方法的準(zhǔn)確度和精密度，6次實驗結(jié)果如表5所示。由表5可看出，測量結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在1.85%～2.96%之間。

3.6 分析方法的檢出限

按2.1實驗方法，進(jìn)行11次空白實驗，所得平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差列于表6。根據(jù)檢出限= 3S/K，得到該分析方法的檢出限為4.21×10-2ng/mL。

表5 分析方法的準(zhǔn)確度及精密度Table 5 The experimental results of accuracy and precision

表6 空白試劑的吸光度值Table 6 The absorbance values of blank reagent

3.7 淡水體系中的準(zhǔn)確度及精密度

通過對青島市海泊河和山東利津段黃河水樣進(jìn)行加標(biāo)回收實驗，得到該方法在淡水體系中的準(zhǔn)確度及精密度，每組進(jìn)行3次平行實驗，結(jié)果如表7所示。由表7可以看出：測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.93%～2.79%之間，而加標(biāo)回收率在98.7%～101.3%之間。實驗結(jié)果表明本方法在淡水體系中可以測量痕量鈷(II)，且具有較高的準(zhǔn)確度和精密度。

4 本法與其他同類方法的比較

本文所建立的分析方法與其他同類分析方法相比，具有檢出限低，分析溫度低(常溫)，所需時間短等優(yōu)點。

表7 準(zhǔn)確度和精密度實驗結(jié)果Table 7 The experimental results of accuracy and precision

表8 本法與其他同類方法的比較

5 結(jié)語

本文研究了應(yīng)用過氧化氫氧化茜素紅s的褪色反應(yīng)直接測定痕量鈷(II)的催化動力學(xué)分析方法。該分析方法的檢出限為4.21×10-2ng/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.85%～2.96%，在室溫條件下即可進(jìn)行。應(yīng)用在淡水體系加標(biāo)回收率在98.7%～101.3%。與文獻(xiàn)中同類分析方法相比，本文所建立的分析方法具有分析溫度低，檢出限低、準(zhǔn)確度高、分析時間短等優(yōu)點。

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Abstract： Based on catalytic kinetic theory, a new spectrophotometric method to analyze cobalt (II) is established. The new reaction system is put forward for the determination of trace cobalt (II) using alizarin red s as indicator and hydrogen peroxide as oxidant. The optimal reaction conditions are as follows: pH=11.00, reaction timet= 7.50 min, reaction temperatureθ= 35.0℃,ρ(C14H7O7SNa·H2O) = 6.400 ×10-2g·L-1,Φ(H2O2) = 7.200 ×10-2%. Under the optimal reaction conditions, the relative standard deviation of the proposed method is in the range of 1.85%～2.96%, and the detection limit is 4.21 ×10-2ng·mL-1. The new method can be successfully applied to the measurement of cobalt (II) in the Yellow River from Lijin district and Haibo river. Compared with other measurement methods, the proposed method has low detection limit, simple operation, and can be used at low temperature.

Key words: determination of cobalt (II); catalytic kinetic spectrophotometry;alizarin red s; hydrogen peroxide

責(zé)任編輯 徐 環(huán)

Catalytic Kinetic Determination of Trace Cobalt (II) Based on Oxidation of Alizarin Red s by Hydrogen Peroxide

ZHANG Hao-Shuang, JI Hong-Wei, ZAI Jing-Zhe, HAN Ting-Ting

(The Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology, Ministry of Education, College of Chemical Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100,China)

P734.4

A

1672-5174(2017)11-061-09

10.16441/j.cnki.hdxb.20160255

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2016-07-13;

2016-12-18 作者簡介：張皓爽 (1992-)，女，碩士生。E-mail: hshuangz@163.com

* 通訊作者：E-mail: hwji@ouc.edu.cn