吳東明 李怡 陳耀華 鄧曉 武春媛

摘 ?要 ?鐵離子的定量檢測是探索鐵元素地球化學過程的重要手段。環(huán)境介質(zhì)中廣泛存在的溶解性有機質(zhì)（DOM）與鐵離子存在絡(luò)合作用，這可能影響溶液中鐵離子的測定。為此，本文研究了DOM對原子吸收光譜法和鄰菲羅啉比色法測定溶液中鐵離子的影響，并初步探討其原因。結(jié)果表明：（1）原子吸收光譜法測定鐵離子的精密度與比色法相當，小于5%，但準確度更高，回收率達86.4%～97.8%;檢出限更低，可達0.012?mg/L。（2）DOM對比色法的影響顯著，使顯色時長增加11.5 h，相對標準偏差增加1.2%～22.2%，準確度下降28.3%～44.4%。隨著DOM濃度的增加，比色法的準確度下降趨勢符合指數(shù)函數(shù)模型，精密度下降趨勢符合先增大后減小的一元二次函數(shù)模型。而且，鐵離子濃度越低，受DOM影響越大。相反，DOM對原子吸收光譜法測定鐵離子的影響不大。（3）紅外光譜和熒光光譜結(jié)果表明：DOM對比色法的影響主要是通過氫鍵結(jié)合或π-π共軛作用與鐵離子/鄰菲羅啉發(fā)生絡(luò)合作用，減少了鐵離子與鄰菲羅啉的絡(luò)合而產(chǎn)生的。

關(guān)鍵詞 ?鐵離子;檢測;溶解性有機質(zhì);準確度;精密度

中圖分類號 ?S31 ?????文獻標識碼 ?A

Abstract ?Quantitative detection is a crucial technique for investigating the geochemical processes of ferric ion （Fe）. However， due to the ubiquity of dissolved organic matter （DOM） in environmental medium， the combination of Fe with DOM may affect the determination of Fe in solution. Therefore， the effect of DOM between atomic absorption spectrometry （AAS） and colorimetry for Fe determination was tested. Precision of AAS was as good as colorimetry， both of them were less than 5%. However， AAS was more accurate with a recovery rate of 86.4%97.8% and its detection limit was as low as 0.012 mg/L. DOM had a significant effect on colorimetry. The presence of DOM increased testing time and relative standard deviation of 11.5 h， 1.2%22.2%， respectively. Moreover， the accuracy was also decreased by 28.3%44.4%. As the concentration of DOM increasing， the accuracy was decreased in the tendency of exponential function， and the trend of the veracity fitted well with unary quadratic model. Moreover， the effect of DOM was greater with the decreasing concentration of iron. On the contrary， the presence of DOM had no significant influence on AAS. The results of EEMs and FTIR indicated that existed hydrogen bonding or π-π interaction occurred between DOM and Fe/phen that affected the interaction of Fe and colorimetry in a drive to influence the testing results.

Keywords ?ferric ion; determination; dissolved organic matter; veracity; accuracy

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.07.028

鐵是地球表面和地殼中較為豐富的金屬元素之一[1]。特別是溶解態(tài)鐵離子，生物/化學活性強，不僅參與鐵循環(huán)、碳/氮循環(huán)、污染物遷移轉(zhuǎn)化等地球化學過程，更參與動、植物的生命系統(tǒng)活動過程[2-6]。為了深入探索這些過程，準確定量溶液中的鐵離子十分必要。常用的鐵離子含量測定方法主要有兩類。一是原子光譜法，包括原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質(zhì)譜法等，此方法準確度高、檢出限低，但儀器昂貴[7-8];二是比色法，此方法儀器成本低、操作簡單、應(yīng)用廣泛，其中又以鄰菲羅啉比色法使用最為廣泛[1， 9-10]。鐵離子測定的準確性和精密度除了與所選方法有關(guān)，還與鐵離子所在的介質(zhì)組成密切相關(guān)。有研究表明，環(huán)境介質(zhì)的溫度、酸度、鹽度、離子成分均能影響鐵離子的測定[7， 9-10]。如Braunschweig等[9]發(fā)現(xiàn)：對于鄰菲羅啉比色法測定鐵離子，酸性介質(zhì)下的準確度更高;20?℃下的回收率是60?℃的4～6倍;基質(zhì)中的微量元素組分可使回收率下降5%～9%;維生素組分可使?jié)舛缺桓吖?0%，并認為干擾物的自我吸收和絡(luò)合作用、高溫的非生物氧化是導(dǎo)致準確度降低的原因，低pH環(huán)境的抑制氧化作用是保證準確測量的重要因素。Paipa等[10]研究表明酸性礦床廢水中的銅離子是導(dǎo)致鄰菲羅林比色法準確度低、精密度高的原因。溶解性有機質(zhì)（DOM）通常也與鐵離子共存于同一環(huán)境介質(zhì)中。理論上，DOM含有的羥基、羧基、酚羥基等多種活性基團能與鐵離子發(fā)生絡(luò)合結(jié)合[11-14]。然而關(guān)于DOM對鐵離子測定的影響未見報道，更不清楚其作用過程。

因此，本文以鄰菲羅啉比色法和原子吸收光譜測定溶液中的鐵離子為研究對象，研究DOM對兩種方法的影響，并以紅外光譜法、熒光光譜法探討DOM影響檢測的原因，擬為含DOM介質(zhì)下鐵離子檢測方法的開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

（1）鐵離子標準溶液配制。稱取0.4965?g FeSO4·7H2O溶于20 mL鹽酸（1+1）溶液中待溶解后加蒸餾水定容至1 L，即為100 mg/L鐵離子。

（2）DOM的制備。由木薯桿堆肥為原料提取而成，并以總有機碳/氮分析儀（multi N/C 3100，Analytikjena）測定含量，具體方法見文獻[15]。理化性質(zhì)、極性組分、元素比例等特征見表1.

（3）含DOM鐵離子溶液配制。將一定量DOM與鐵離子混合后，于25℃、200 r/min避光振蕩24 h，即為含DOM的鐵離子溶液。

1.2 ?方法

1.2.1 ?鐵離子測定方法 ?（1）比色法。吸取3 mL水樣溶液，加入10%乙酸鈉1 mL，再加入10%鹽酸羥胺0.2 mL，放置5min后加入0.1%鄰菲羅啉（Phen）1?mL，去離子水定容至10 mL，顯色15?h后，于分光光度計（UV-2600，Shimadzu）測定吸光值。波長設(shè)置為510 nm。

（2）原子吸收光譜法。將水樣以純水稀釋5倍后直接于原子吸收光譜儀（PinAAcle 900T，Perkin Elmer）測定。分析線為248.35 nm;狹縫寬度為0.2 nm，空氣-乙炔焰。

1.2.2 ?DOM對鐵離子測定的影響 ?（1）對檢測時長的影響。預(yù)實驗表明DOM對原子吸收光譜檢測時長的影響不大。此處主要考察DOM對比色法顯色時間的影響，觀察顯色劑添加后，吸光度隨時間的變化情況。DOM添加量為100 mg/L。

（2）對方法準確度和精密度的影響。為分別考察“不同濃度DOM對鐵離子檢測的影響”“DOM對不同濃度鐵離子檢測的影響”，共設(shè)置以下2組添加回收實驗（表2），每個處理5次重復(fù)。含DOM鐵離子溶液的配制參考1.1小節(jié)。

1.2.3 ?DOM影響鐵離子測定原因分析 ?為分析DOM影響鐵離子檢測的原因，分別將5 mg/L鐵離子、80 mg/L Phen與20 mg/L DOM混合，于25?℃、200 r/min避光振蕩24 h后，測定混合物的熒光光譜特征、紅外光譜特征。

（1）熒光光譜表征。采用熒光光度計（LS-55，Perkin Elmer）對待測樣品進行掃描。激光光源為150 W氙弧燈，PMT電壓為700 V，激發(fā)波長（Ex）為200～650 nm，發(fā)射波長（Em）為250～750 nm，掃描速率為1500 nm/min，響應(yīng)時間設(shè)為“自動”。

（2）紅外光譜表征。將DOM樣品真空冷凍干燥后，稱取1～2 mg樣品粉末與光譜純KBr混合、磨細、壓片，于傅里葉紅外光譜儀（Frontier，Perkin Elmer）上進行掃描。掃描波數(shù)設(shè)置為400～ 4000 cm?1。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?比色法和原子吸收光譜法的比較

2.1.1 ?標準曲線與檢出限 ?由圖1可知，鐵離子濃度為1～5 mg/L時，鐵離子濃度與吸光度均符合比爾定律，呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。比色法、原子吸收光譜法的線性回歸方程分別為y=0.2049x- 0.0188（R2=0.9985）、y=0.0755x+0.0071（R2= 0.9994）。根據(jù)ICHQ2的原則，可計算得比色法的檢出限為0.090 mg/L;原子光譜法的最低檢出限為0.012 mg/L。整體上，原子吸收光譜法的線性更好，檢出限更低。

2.1.2 ?準確度與精密度 ?準確度與精密度是方法學考察的重要指標。準確度指的是測量值與真實值的接近程度，通常以回收率來表示;精密度是指同一個數(shù)值，多次獨立測量，各測量值的一致程度，通常以相對標準偏差表示。

（1）準確度：如表3，在考察的濃度區(qū)間內(nèi)，比色法的回收率在61.5%～90.4%之間，平均值為79.6%;原子吸收光譜法的回收率在86.4%～95.7%之間，平均值為93.2%。可知，原子吸收光譜法的準確度更高。此外，對于比色法，回收率隨鐵離子濃度降低而減小，當鐵離子濃度為1 mg/L時，回收率小于70%，已不能準確定量。

（2）精密度：由表3可知，比色法的相對標準偏差在0.444%～2.939%之間，原子吸收光譜的相對標準偏差在0.322%～3.929%之間，均小于5%，說明兩種方法的精密度較高。方法的精密度還與鐵離子的濃度有關(guān)。鐵離子濃度分別為5、2?mg/L時，比色法和原子吸收光譜法的相對標準偏差最低。

2.2 ?DOM對兩種方法測定鐵離子的影響

2.2.1 ?DOM對檢測時長的影響 ?本研究結(jié)果表明，當溶液中鐵離子與DOM共存時，DOM對原子吸收光譜法的測定時長影響不大，但顯著增加了比色法的測定時長。如圖2所示，無DOM的鐵離子測定，在0.5 h時即達到顯色穩(wěn)定，而含DOM鐵離子至少需12 h后才達到顯色穩(wěn)定。這使比色法的整體時長增加11.5 h。此外，顯色穩(wěn)定后，含DOM下的吸光度遠小于無DOM，這說明DOM也影響了比色法的準確性。

2.2.2 ?DOM對鐵離子檢測準確度、精密度的影響（1）DOM對不同濃度鐵離子檢測的影響。準確度：由圖3可知，當DOM與鐵離子共存時，可使比色法的回收率降低28.3%～44.4%，嚴重影響了比色法的準確性。其中對1、10 mg/L鐵離子的測定影響最大，對2 mg/L鐵離子影響最小。整體上，DOM對比色法準確性的降低作用呈現(xiàn)V型曲線;相反，對于原子吸收光譜法，DOM只使10 mg/L鐵離子的回收率減小3.4%，而一定程度上增加了1～5?mg/L鐵離子的回收率（1.1%～ 7.0%），這說明DOM對原子吸收光譜還存在著一定正的基質(zhì)效應(yīng)。

精密度：DOM均增加了兩種方法的相對標準偏差（圖3），其中對比色法增加數(shù)值更大，說明DOM對比色法精密度的影響更大。此外，DOM對低濃度鐵離子（1 mg/L）測定的精密度影響最大，可分別使比色法和原子吸收光譜法相關(guān)標準偏差增加22.2%、8.6%。

（2）不同濃度DOM對鐵離子檢測的影響。 ?準確度：由圖4可知，當DOM與鐵離子共存時，隨著DOM濃度的增加，比色法的回收率呈現(xiàn)出現(xiàn)先急劇下降后平緩的指數(shù)函數(shù)趨勢（y= 78.639e?0.006x，R2=0.8748）。當DOM濃度小于10?mg/L時，比色法的回收率即小于70%。DOM濃度為100 mg/L時，回收率只有46.0%，嚴重影響了比色法的準確度。相反，原子吸收光譜法的回收率受DOM影響不顯著。

精密度：如圖4，比色法的相對標準偏差隨DOM濃度增加呈現(xiàn)出先增加后減少的一元二次函數(shù)趨勢（y=0.0028x2+0.3327x+0.1438，R2=0.8550）。當DOM濃度為50 mg/L時，比色法的標準偏差最大（11.5%），精密度最低。原子吸收光譜法的精密度受DOM影響不顯著，相對標準偏差均小于5%。

2.3 ?DOM影響鐵離子測定的原因分析

綜上可知，DOM極大地影響了比色法的準確度和精密度。因比色法測定鐵離子過程已扣除了DOM的背景吸光度，根據(jù)比色法的原理[16]，我們猜測DOM可能影響了其絡(luò)合過程而影響了方法的準確度和精密度。為此，我們測定了DOM與鐵離子/Phen絡(luò)合物的紅外吸收光譜和熒光光譜特征。

2.3.1 ?三維熒光光譜特征 ?如圖5，Phen在Ex/Em=（285～363） nm/（331～427）nm處有一個強而尖銳的特征熒光峰;DOM在Ex/Em=（335～620） nm/（362～692） nm有一個類腐殖酸熒光峰[17];當DOM與Phen共存時，可顯著觀察到Phen的熒光峰強度降低73.4%，這表明Phen與DOM中的類腐殖酸物質(zhì)發(fā)生了強有力絡(luò)合作用[18]。當鐵離子

2.3.2 ?紅外光譜特征 ?由圖6可知，本研究所選的堆肥DOM在3390、1654、1380、1070、642 cm?1含有顯著的吸收峰，說明該DOM是一種既含苯環(huán)、酚羥基等芳香基團，也含有甲基、氨基、羧基、羥基等親水基團的有機質(zhì)[11-14， 20]。分析DOM-Fe絡(luò)合物的紅外光譜信息：DOM絡(luò)合鐵離子后，3400～3100 cm?1和642 cm?1處的強度下降，并發(fā)生一定的紅移，說明鐵離子與DOM的羥基、氨基發(fā)生了氫鍵結(jié)合[15， 20];DOM絡(luò)合Phen后，3400～3100、1070、642 cm?1的強度發(fā)生了明顯下降，說明Phen與DOM的羥基、羧基、氨基存在著氫鍵結(jié)合;這與DOM的極性組分特征一致（表1），HOA組分在DOM中的含量最高，達49.61%，是一種與金屬離子或苯類物質(zhì)結(jié)合作用均較強的物質(zhì)[15， 21]。1654 cm?1處的吸收峰也發(fā)生了明顯的下降，說明Phen與DOM存在苯環(huán)之間的π-π共軛作用[22-23]，這與表1中DOM的芳香性參數(shù)（碳/氫）一致，所用的堆肥DOM是一種芳香性較高的有機質(zhì)[21]。

3 ?討論

3.1 ?DOM影響比色法測定鐵離子原因分析

比色法測定鐵離子的原理是Fe與Phen生成橙紅色絡(luò)合物，通過對絡(luò)合物的比色而間接獲得Fe的含量[16]。本研究發(fā)現(xiàn)DOM的腐殖酸類物質(zhì)能通過氫鍵結(jié)合與鐵離子發(fā)生絡(luò)合作用。這與前人的研究結(jié)果一致：DOM中的腐殖酸類物質(zhì)通常含有大量的羧基、羥基、酚羥基等活性官能團[12-14]，F(xiàn)e、Hg、Cu等順磁金屬能與DOM的這官能團發(fā)生絡(luò)合生成多齒螯合物而使DOM熒光性發(fā)生淬滅[2， 3， 11， 19]。Fujii等[2]認為DOM的芳香性越大、含氧酸性官能團越多，與金屬離子的結(jié)合能力越強;形成的多齒配體中若含有O/N配體，配合物越穩(wěn)定。鄔鈺等[4]也發(fā)現(xiàn)DOM中的多種酚酸物質(zhì)能與Fe發(fā)生強有力的絡(luò)合。含苯環(huán)的芳香類物質(zhì)也能與DOM發(fā)生結(jié)合。研究表明，多環(huán)芳烴能與DOM發(fā)生NH-π和π-π結(jié)合[18， 22-23]。這與本研究結(jié)果相似。Phen是一種螯合能力很強的雙齒雜環(huán)化合物配體，DOM中的羥基、羧基、氨基、苯環(huán)等與Phen發(fā)生氫鍵、π-π共軛結(jié)合。因此，在比色過程中，F(xiàn)e、DOM、Phen三者將發(fā)生競爭絡(luò)合而減少Phen與Fe之間的絡(luò)合，最終影響測定。本研究結(jié)果中“DOM濃度越高或鐵離子濃度越低，檢測受影響越大”的現(xiàn)象也從側(cè)面證明了這一點，即DOM物質(zhì)的量足夠時，可提供的絡(luò)合位點更多，與Phen或Fe的絡(luò)合程度則越大[24]。此外，DOM中的Cu2+、Mn2+、Zn2+也可能是影響比色法測定的重要因素，后者可在Phen/Fe的絡(luò)合過程中形成空間位阻[9-10]。

為此，在對DOM介質(zhì)下的鐵離子進行比色法測定時，應(yīng)對樣品進行去除DOM前處理，或挑選一種對鐵離子選擇性較高的顯色劑。

3.2 ?DOM影響原子吸收光譜法測定鐵離子的原因分析

與比色法不一樣，原子吸收光譜法是基于待測元素基態(tài)原子蒸汽對其特征輻射譜線的吸收程度而定量的一種儀器分析方法[25]。本研究中，DOM對原子吸收光譜法的影響不大，可能是因為不同元素的原子結(jié)構(gòu)和外層電子排布不同，對輻射譜線的吸收具有選擇性[26]，溶液中的DOM組分對其影響有限。DOM對它具有一定的基質(zhì)效應(yīng)，一方面可能是DOM中也含有鐵元素，使測定結(jié)果偏大;另一方面是DOM與鐵離子生成了更穩(wěn)定的絡(luò)合物，降低了鐵的原子化效果，使測定結(jié)果偏低[10]。

4 ?結(jié)論

（1）對于溶液中鐵離子的測定，原子吸收光譜法與比色法的精密度相當，但準確度更高（回收率：86.4%～97.8%），檢出限更低（0.012 mg/L）。

（2）DOM對原子吸收光譜法測定鐵離子的影響不明顯，而顯著降低了比色法的準確度、精密度、檢測時長。隨著DOM濃度的增加，比色法的準確度降低，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)趨勢;對精密度的降低，呈現(xiàn)出先增大后減小的一元二次函數(shù)趨勢。此外鐵離子濃度越低，受DOM的影響更大。

（3）在DOM存在的溶液介質(zhì)中，DOM影響比色法的機制主要是通過氫鍵結(jié)合或π-π共軛作用與鐵離子、Phen發(fā)生絡(luò)合作用，減少了鐵離子與Phen的絡(luò)合程度而導(dǎo)致的。

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