褪色光度法測(cè)定小白菜及綠茶中氟含量*

熊海濤

(陜西理工學(xué)院 化學(xué)學(xué)院，陜西漢中，723001)

氟是環(huán)境化學(xué)與生命科學(xué)研究中常見的元素，也是人體所必需的微量元素之一［1-2］。然而氟的攝入量是一把雙刃劍［3］，適量的氟有利于鈣和磷的利用及在骨骼中的沉積，促進(jìn)牙齒琺瑯質(zhì)對(duì)細(xì)菌酸性腐蝕的抵抗力，防止齲齒。另一方面，其也可抑制酶的活性，如抑制膽堿酯酶活性、提高神經(jīng)傳導(dǎo)效率、抑制糖酵解中的烯醇化酶等。但是氟攝入量過多或過少都會(huì)給人體健康帶來不利的影響，如果氟缺乏就會(huì)使酶活性降低，影響鈣磷代謝，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松［4］。相反，大量的氟進(jìn)入血液與鈣結(jié)合可使血鈣降低，使鈣磷比例失衡，也可使血磷偏高并致急、慢性中毒［5］。而人體攝取的氟主要來自食物和飲用水，如果長期食用氟含量較高的蔬菜或茶水，那將會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生巨大的危害。因此，建立一種簡單、快速且準(zhǔn)確檢測(cè)食物及飲品中氟含量的方法就顯得十分有必要。

目前，國內(nèi)外檢測(cè)氟離子含量的主要方法有離子選擇電極法(ISE)［6-8］、離子色譜法(IC)［9-10］、高效液相色譜法(HPLC)［11-12］、氣相色譜/質(zhì)譜法)［13］及熒光光度法［14-16］等。盡管上述各種方法均已被應(yīng)用于不同樣品中氟含量的準(zhǔn)確檢測(cè)，但是離子選擇電極法極不穩(wěn)定且受溫度、pH值等條件的影響較大，而后三者存在操作復(fù)雜、儀器昂貴、或樣品處理繁瑣、或需要特殊的識(shí)別探針等缺點(diǎn)，因而其應(yīng)用受到一定限制。近些年來，催化分光光度分析法由于操作簡單、分析速度快且成本較低而得到了廣泛使用與發(fā)展。如李志英［17-18］等基于游離的F-對(duì)H2O2或溴酸鉀氧化酸性鉻蘭K褪色反應(yīng)具有催化作用，建立了2種測(cè)定微量F-的新光度分析方法，并應(yīng)用于水中微量F-的測(cè)定。而劉紅梅［19］等則根據(jù)酸性緩沖溶液中，F(xiàn)e3+對(duì)H2O2氧化2，4-二氨基苯酚褪色具有催化作用，而F-與Fe3+形成的穩(wěn)定配離子［FeF6］3-可抑制褪色作用，基于此建立了一種測(cè)定微量氟的新方法。但是這些方法反應(yīng)條件苛刻且靈敏度不高。

本文依據(jù)在酸性介質(zhì)中，F(xiàn)-能競爭性結(jié)合三乙酰丙酮合鐵(簡稱乙酰丙酮鐵)中Fe3+后形成穩(wěn)定的無色絡(luò)合物［FeF6］3-而使原來的紅橙色絡(luò)合物褪色，且褪色程度與F-含量呈線性關(guān)系這一原理而提出了一種褪色光度法測(cè)定氟含量的新方法。該法靈敏度較高、操作簡便、分析成本低，并能被應(yīng)用于小白菜及綠茶中F-含量的準(zhǔn)確測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

EL104電子天平，梅特勒-托利多儀器有限公司;PHS-3C精密pH酸度計(jì)，上海雷磁儀器廠;SHA-C水浴鍋，金壇市科析儀器有限公司;紫外可見分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司;馬弗爐，天津天有利科技有限公司。

FeCl3·6H2O(AR，天津市福晨化工有限公司);乙酰丙酮(AR，天津市福晨化工有限公司);KF·2H2O(AR，天津市盛奧化學(xué)試劑有限公司);濃HCl;乙氨酸。

鐵(Ⅲ)儲(chǔ)備液:5.0×10-3mol/L;乙酰丙酮儲(chǔ)備液:0.1 mol/L:乙酰丙酮標(biāo)準(zhǔn)液:2.0×10-2mol/L;氟標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:1.0×10-2mol/L的KF·H2O儲(chǔ)備液，儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中，使用時(shí)逐級(jí)稀釋成所需濃度標(biāo)準(zhǔn)工作液。

小白菜，購自當(dāng)?shù)丶覙烦?綠茶，取自市售陜西西鄉(xiāng)袋裝綠茶。

所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水，所有玻璃儀器使用前先用硝酸浸泡，再用蒸餾水進(jìn)行清洗。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取2支10 mL具塞刻度試管，分別依次加人一定量的Fe3+與乙酰丙酮標(biāo)準(zhǔn)溶液，1支加入已知濃度的F-系列標(biāo)準(zhǔn)液，另1支不加，然后用pH=2.0的氨基乙酸-鹽酸緩沖液稀釋至刻度，搖勻，常溫(25℃)反應(yīng)5 min。以蒸餾水作參比，用1 cm的比色皿于470 nm處測(cè)量含F(xiàn)-體系吸光度A和不含F(xiàn)-體系吸光度A0，并計(jì)算ΔA=A0－A值。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3+與乙酰丙酮吸收光譜研究

按1.2試驗(yàn)方法測(cè)定在400～600 nm之間的吸收光譜(如圖1所示)。結(jié)果表明，含F(xiàn)-體系和不含F(xiàn)-體系在470 nm處均有最大吸收，但加入少量F-的體系與未加F-體系相比，吸光度明顯降低。這可能是由于在酸性溶液中，三價(jià)鐵離子與乙酰丙酮可生成紅橙色乙酰丙酮鐵，加入氟離子后，三價(jià)鐵離子與氟離子結(jié)合生成穩(wěn)定無色絡(luò)合物［FeF6］3-，使體系褪色。所以，本文選用470 nm作為測(cè)定波長。

圖1 吸收光譜Fig.1 Absorption spectra

2.2 條件優(yōu)化

2.2.1 pH值的影響

考察了 pH 值為 1.0、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、5.0的緩沖液對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。從圖2上可以看出，相同條件下酸度過強(qiáng)時(shí)，F(xiàn)-對(duì)乙酰丙酮鐵的褪色程度較低，但是酸度過弱則會(huì)使乙酰丙酮的溶解度降低，從而影響Fe3+與乙酰丙酮絡(luò)合反應(yīng)程度，同樣使得褪色現(xiàn)象不明顯，而僅在pH=2.0的NH2CH2COOHHCl緩沖液中F-對(duì)有色配合物的褪色程度(△A)最大且穩(wěn)定。因此，選擇pH=2.0的NH2CH2COOHHCl緩沖液作為反應(yīng)介質(zhì)。

圖2 pH對(duì)相對(duì)吸光度的影響Fig.2 Effect of pH value on the relative absorption intensity

2.2.2 Fe3+用量的選擇

取7支10 mL的具塞比色管，在上述選擇的介質(zhì)及最佳酸度下，改變體系中Fe3+溶液的濃度為2.0×10-4、4.0 ×10-4、6.0 × 10-4、8.0 × 10-4、1.0 × 10-3、1.2×10-3、1.4 ×10-3mol/L，以對(duì)應(yīng)的試劑空白為背景，確定測(cè)定體系的ΔA。圖3表明，體系褪色程度隨Fe3+溶液的增大先增大后減小，當(dāng)Fe3+濃度取6.0×10-4mol/L時(shí)，褪色程度ΔA最大。因此，在接下來的研究中選用Fe3+溶液濃度6.0×10-4mol/L。

圖3 鐵(Ⅲ)濃度對(duì)褪色程度的影響Fig.3 Effect of iron(Ⅲ)concentration on fading degree

2.2.3 乙酰丙酮用量

作為顯色劑——乙酰丙酮濃度是影響褪色程度的重要因素之一。在此，考察了8.0×10-4～5.6×10-3mol/L乙酰丙酮對(duì)測(cè)定氟離子的影響，以不含氟離子的體系為對(duì)照組，測(cè)定溶液的ΔA(如圖4)。結(jié)果發(fā)現(xiàn):當(dāng)乙酰丙酮溶液濃度為3.2×10-3mol/L時(shí)，ΔA最大且穩(wěn)定。因此，本研究選用乙酰丙酮溶液濃度3.2×10-3mol/L。

圖4 乙酰丙酮濃度對(duì)相對(duì)吸光度的影響Fig.4 Effect of acetylacetone concentration on the relative absorption intensity

2.2.4 反應(yīng)時(shí)間

在以上選定的條件下，改變體系反應(yīng)時(shí)間為1、2、3、4、5、6、7、8 min，計(jì)算 ΔA。從圖 5 可以發(fā)現(xiàn)，褪色程度隨反應(yīng)時(shí)間的增加而變大，而在反應(yīng)時(shí)間在5 min后ΔA基本不變。故選取反應(yīng)時(shí)間為5 min為宜。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)相對(duì)吸光度的影響Fig.5 Effect of reaction time on the relative absorption intensity

2.2.5 反應(yīng)溫度

考察了25～80℃間反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)體系的褪色程度。圖6表明，隨著溫度升高，褪色程度ΔA在不斷減小，室溫25℃時(shí)最大，所以選擇25℃為反應(yīng)溫度。

2.3 線性范圍、回歸方程及其檢出限

圖6 反應(yīng)溫度對(duì)相對(duì)吸光度的影響Fig.6 Effect of reaction temperature on the relative absorption intensity

在最佳條件下，取F-系列標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定△A并繪制吸收?qǐng)D譜及工作曲線(如圖7和圖8所示)，F(xiàn)-濃度在4.0×10-6～1.0×10-4mol/L內(nèi)與體系褪色程度(相對(duì)吸光度△A)呈良好的線性相關(guān)，其線性回歸方程為△A=0.005 44CF+5.575 1×10-7，相關(guān)系數(shù)為r=0.998 1。取濃度為1.0×10-5mol/L F-體系連續(xù)測(cè)定11次，得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.5%。按IUPAC建議，計(jì)算得方法的檢出限為1.7×10-6mol/L。

圖7 不同氟離子含量的吸收光譜Fig.7 Absorption spectra of different F-concentration

圖8 校準(zhǔn)曲線Fig.8 Calibration curves

2.4 共存離子影響

考察了一些常見離子對(duì)測(cè)定F-的干擾，取1.0×10-5mol/L F-溶液進(jìn)行測(cè)定，按相對(duì)誤差≤ ±5%，2 000倍的 K+、Na+;1 000倍的Cl-，500倍的Br-、SO42-;80倍的NO3-、NO2-;50倍的 Ca2+、Mg2+、Mn2+、Zn2+、Co2+、Ba2+;20 倍的;同倍的 Cu2+、Fe3+、Al3+干擾測(cè)定。樣品中的大部分金屬離子可在酸性溶液的中通過陽離子交換樹脂分離除去，或在強(qiáng)堿性溶液中使其生成沉淀并過濾來達(dá)到掩蔽目的。

2.5 樣品分析

將小白菜清洗干凈并在60℃烘干，用研缽研成粉末后準(zhǔn)確稱取3.002 5 g放入瓷坩堝中，加入5.0 mol/L NaOH溶液4 mL，用玻璃棒攪勻，然后在105℃的烘箱中充分干燥，再在電熱板上加熱，使樣品慢慢炭化。接著在580℃的馬弗爐中灰化4 h，取出稍冷。加5 mL去離子水，微熱使熔塊溶解，冷卻后調(diào)節(jié)溶液pH值至11以使絕大數(shù)金屬離子沉淀下來并濾去沉積，收集濾液在攪拌下緩緩加入濃HCl，調(diào)整pH值到2，稀釋并定容至25 mL容量瓶，搖勻。最后，準(zhǔn)確移取2.5 mL處理液于10 mL具塞比色管中，按1.2實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，得小白菜中氟離子含量并對(duì)小白菜的樣品加標(biāo)回收;用相同的方法處理茶葉樣品;結(jié)果如表2所示。

表2 樣品中F-的測(cè)定結(jié)果(n=5)Table 2 Determination results of fluorine in samples

3 結(jié)論

本文基于pH=2.0氨基乙酸-鹽酸緩沖溶液中，F(xiàn)-與乙酰丙酮競爭性結(jié)合Fe3+形成無色［FeF6］3-絡(luò)合物致使乙酰丙酮合鐵褪色這個(gè)現(xiàn)象而建立了一種褪色光度法檢測(cè)F-含量的新方法。該方法所用儀器簡單、操作方便且靈敏度較高，不僅適用少量蔬菜與茶葉中氟含量的快速檢測(cè)，而且在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品分析、冶金分析等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

［1］ ZHOU Ying，ZHANG Feng-jun，et al.Fluorescence and colorimetric chemosensors for fluoride-ion detection［J］.Chemical Reviews，2014，114(10):5 511-5 571.

［2］ 王雙，朱祥宏.高氟區(qū)兒童智力水平調(diào)查分析［J］.中國地方病防治雜志，2012，27(1):67-68.

［3］ LI Long，JI Yu-zhuo，TANG Xin-jing.Quaternary ammonium promoted ultra selective and sensitive fluorescence detection of fluoride ion in water and living cells［J］.Analytical Chemistry，2014，86(20):10 006-10 009.

［4］ 石生勛，石一均，成永強(qiáng)，等.硝酸消化直接測(cè)定蔬菜中微量氟的離子選擇性電極法［J］.河北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，31(1):48-51.

［5］ 劉波，魏建榮，葉必雄，等.北京市農(nóng)村地區(qū)生活飲用水水氟含量分析［J］.環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志，2013，3(4):309-312.

［6］ 盛曉風(fēng)，郭瑩瑩，尚德榮，等.離子選擇電極法測(cè)定高氟樣品中氟的方法改進(jìn)［J］.食品工業(yè)科技，2013，34(9):285-289.

［7］ 蔣明，王重華，田森林，等.氟離子選擇電極測(cè)定黃磷尾氣中氣態(tài)氟含量［J］.分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，30(2):244-246.

［8］ 曹宗澤，向秋芬，馮琳，等.氟離子選擇電極直接電位法測(cè)定四氟硼酸鹽中游離的氟離子［J］.理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè)，2013，49(7):810-812.

［9］ HAO Fu-ping，Haddad Paul，Ruther Thomas.IC determination of halide impurities in lonic liquis［J］.Journal of Chromatography，2008，67(5/6):495-498.

［10］ 張紅漫，陳敬文.二氧化鈦光催化氧化-離子色譜法測(cè)定液晶材料中的氟含量［J］.分析化學(xué)，2010，38(11):1 639-1 642.

［11］ 陳紅梅，朱春華，楊文杰.5-Br-PADAP衍生反相高效液相色譜法測(cè)定有機(jī)物中的氟含量［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30(5):50-53.

［12］ XU X R，LI H B，GU J D，et al.Determination of fluoride in water by reversed-Phase high-performance liquid chromatography using F)-La3+-alizarin complexone ternary complex［J］.Journal of Chromatography，2004，59(11/12):745-747.

［13］ Enea Pagliano，Juris Meija，Jianfu Ding，et al.Novel ethyl-derivatization approach for the determination of fluoride by headspace gas chromatography/mass spectrometry［J］.Analytical Chemistry，2013，85(2):877-881.

［14］ 鄭佳佳，李春梅，劉忠德，等.羧基化碳點(diǎn)-鋁(Ⅲ)復(fù)合熒光探針定量檢測(cè)氟離子［J］.科學(xué)通報(bào)，2011，56(35):2 952-2 958.

［15］ SUI Bing-lin，Bosung Kim，ZHANG Yuan-wei，et al.Highly selective fluorescence turn-on sensor for fluoride detection［J］.Applied Materials ＆ Interfaces，2013，5(8):2 920-2 923.

［16］ HU Jin-ming，ZHANG Guo-ying，GENG Yan-hou，et al.Micellar nanopart icles of coil rod coil triblock copolymers for highly sensitive and ratiometric fluorescent detection of fluoride ions［J］.Macromolecules，2011，44(20):8 207-8 214.

［17］ 李志英，孫一飛.催化光度法測(cè)定水中的氟［J］.分析科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27(6):802-804.

［18］ 李志英，張曉陽.酸性鉻蘭K催化光度法測(cè)定水中的氟含量［J］.化學(xué)研究與應(yīng)用，2013，25(1):62-64.

［19］ 劉紅梅，侯文龍，魯勖琳.阻抑動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)定桑葉中的微量氟［J］.食品科技，2006，31(7):219-221.