模塊化紫外可見光譜儀的搭建及在分光光度法測定鋁實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

馬品一，高德江，宋大千

(吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130012)

利用物質(zhì)分子對光的選擇性吸收進(jìn)行定量測定的方法稱為分光光度法，是最為常用的一種光譜分析方法[1]。與其他儀器相比較，可用于分光光度法的紫外可見光譜儀結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、操作簡便，是目前分析實(shí)驗(yàn)室中使用最為普遍的分析儀器之一，在大學(xué)化學(xué)分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和儀器分析基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中都有涉及[2-4]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于商品化儀器具有穩(wěn)定性好、自動(dòng)化程度高、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，絕大部分用于教學(xué)的儀器都是商品化的儀器。然而這種封閉在“黑盒子”里的設(shè)備，不允許學(xué)生拆開查看，降低了學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的參與性[5-6]。如果能讓學(xué)生自行搭建分析儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來說，更加有助于學(xué)生掌握儀器的結(jié)構(gòu)及工作原理，提升學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維[7-9]。為此，本工作圍繞著我們多年來堅(jiān)持的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”一體化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革思路[10]，將科研成果光譜儀等部件模塊化，應(yīng)用于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)出一套便于學(xué)生自行搭建的模塊化紫外可見光譜儀，并設(shè)計(jì)了一種用于食品中鋁含量測定的配套實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

1 模塊化紫外可見光譜儀的搭建

圖1 模塊化紫外可見光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖

本工作所搭建的模塊化紫外可見光譜儀由氘燈/鎢燈光源、樣品池、光譜儀、控制和顯示系統(tǒng)等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 氘燈/鎢燈光源模塊

主要為檢測提供輻射源，能夠發(fā)射連續(xù)具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定的輻射，氘燈有效的輻射波長在200～350 nm，鎢燈在320～2500 nm。通過穩(wěn)壓模塊提高光源的穩(wěn)定性和使用壽命。根據(jù)幾何光學(xué)成像原理，點(diǎn)光和平行光可以相互轉(zhuǎn)換，將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為近似點(diǎn)光源。采用透鏡組對燈絲進(jìn)行幾何成像，在像平面上設(shè)置一孔徑光闌，利用光闌的小孔從燈絲的實(shí)像上取出一點(diǎn)作為點(diǎn)光源，如圖2所示。

圖2 氘燈/鎢燈光源光路圖

1.2 樣品池模塊

主要用于盛裝被測試樣，透過相關(guān)輻射線。樣品池的可調(diào)范圍為1～5 cm，光程可變。遵循平行光垂直照射的原則，樣品池的光路結(jié)構(gòu)由準(zhǔn)直凸透鏡和聚光凸透鏡兩片透鏡來完成光束轉(zhuǎn)換工作。孔徑光闌位于準(zhǔn)直凸透鏡的左焦點(diǎn)上，準(zhǔn)直凸透鏡將孔徑光闌發(fā)出的點(diǎn)光轉(zhuǎn)換為與主光軸平行的平行光束以后垂直照射到比色皿和樣品溶液上；光纖入射端位于聚光透鏡的右焦點(diǎn)上，聚光透鏡將比色皿和樣品溶液的出射平行光聚焦成一點(diǎn)進(jìn)入光纖中，如圖3所示。

圖3 樣品池模塊和光路圖

1.3 光譜儀模塊

主要用于光譜信號的檢測。由入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、平面光柵、聚焦(成像)鏡和線陣CCD器件組成。由于狹縫在準(zhǔn)直球面鏡的焦平面上，當(dāng)入射光從狹縫處以點(diǎn)光源的形式照射到準(zhǔn)直球面鏡上時(shí)，準(zhǔn)直球面鏡將入射光變成平行光反射到閃耀光柵上。閃耀光柵將上述不同顏色同一方向的平行光變成不同顏色、不同方向的多束平行光照射到聚焦球面鏡上，聚焦球面鏡最后將不同方向的平行光匯聚到CCD傳感器上不同的感光位置處，即不同波長的光經(jīng)單色儀分光后落到CCD的不同像素點(diǎn)上。通過該儀器可對目標(biāo)物光譜信息進(jìn)行捕獲，獲得目標(biāo)物的定性和定量分析數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 光譜儀模塊和內(nèi)部結(jié)構(gòu)光路模擬圖

2 應(yīng)用模塊化紫外可見光譜儀測定食品中鋁含量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

鉻天青S(CAS)是一種較為常用的顯色劑，Al3+和CAS在弱酸性溶液中可以生成紅色的二元絡(luò)合物Al3+-CAS；在表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)存在下，可以生成三元絡(luò)合物Al3+-CAS-CTAB；在表面活性劑溴代十六烷基吡啶(CPB)和聚乙二醇辛基苯醚(Triton X-100)存在下，可以生成四元絡(luò)合物Al3+-CAS-CPB- Triton X-100。由于絡(luò)合物組成的差異，其最大吸收波長和摩爾吸收系數(shù)不同，對測定的靈敏度和選擇性也帶來了影響。本工作通過繪制三種不同絡(luò)合物的吸收曲線，比較其摩爾吸收系數(shù)的差異，并進(jìn)行微量鋁的測定。

2.2 鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

準(zhǔn)確稱取硫酸鋁鉀0.1758 g于小燒餅中，加入2 mL 1∶1 HCl和少量水溶解后，移入100 mL容量瓶中，以水稀釋至刻度，搖勻。此溶液為0.1 g/L 鋁標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。取2.00 mL稀釋至100 mL容量瓶中，獲得2 μg/mL的Al3+標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3 食品樣品前處理

稱取油條、粉條等樣品3 g(精確至0.001g)，置于錐形瓶中，加入10 mL硝酸，0.5 mL硫酸，在可調(diào)式控溫電熱板上加熱，100℃加熱1 h，升至150℃加熱1 h，再升至180℃加熱2 h，然后升至200℃，若變棕黑色，再補(bǔ)加硝酸消化，直至管口冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色。取出冷卻，用水轉(zhuǎn)移定容至50 mL容量瓶中，混勻備用。同時(shí)做試劑空白試驗(yàn)。

2.4 最大吸收波長的確定和摩爾吸收系數(shù)的計(jì)算

2.4.1 鋁的二元絡(luò)合物

在2只50 mL容量瓶中分別加入0.0、2.0 mL的2 μg/mL的Al3+標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1滴 1 g/L 對硝基苯酚溶液，以1∶1氨水調(diào)節(jié)溶液變成黃色，再用2.5%硝酸條件至黃色恰好消失?；靹蚝蠹尤? mL 0.5 g/L CAS溶液，補(bǔ)加1滴1∶1氨水，加入5 mL pH值=5.5的乙二胺-鹽酸緩沖溶液，以水稀釋至刻度，搖勻。用1 cm比色皿，以試劑空白為參比，在500～700 nm波長范圍內(nèi)測定其吸收光譜，確定最大吸收波長，并計(jì)算摩爾吸收系數(shù)。

2.4.2 鋁的三元絡(luò)合物

在2只50 mL容量瓶中分別加入0.0、2.0 mL的2 μg/mL的Al3+標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1滴 1 g/L 對硝基苯酚溶液，以1∶1氨水調(diào)節(jié)溶液變成黃色，再用2.5%硝酸條件至黃色恰好消失。混勻后加入1 mL 0.5 g/L CAS溶液，5 mL 0.5 g/L CTAB溶液，補(bǔ)加1滴1∶1氨水，加入5 mL pH值=6.3的乙二胺-鹽酸緩沖溶液，以水稀釋至刻度，搖勻。用1 cm比色皿，以試劑空白為參比，在500～700 nm波長范圍內(nèi)測定其吸收光譜，確定最大吸收波長，并計(jì)算摩爾吸收系數(shù)。

2.4.3 鋁的四元絡(luò)合物

在2只50 mL容量瓶中分別加入0.0、2.0 mL的 2 μg/mL的Al3+標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1滴 1 g/L 對硝基苯酚溶液，以1∶1氨水調(diào)節(jié)溶液變成黃色，再用2.5%硝酸條件至黃色恰好消失，再多加1 mL，加入1 mL 10 g/L 抗壞血酸溶液?；靹蚝蠹尤? mL 0.5 g/L CAS溶液，6 mL 3 g/L CPB溶液，2 mL 3% TritonX-100溶液，5 mL pH值=6.7的乙二胺-鹽酸緩沖溶液，以水稀釋至刻度，搖勻。用1 cm比色皿，以試劑空白為參比，在500～700 nm波長范圍內(nèi)測定其吸收光譜，確定最大吸收波長，并計(jì)算摩爾吸收系數(shù)。

2.5 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別吸取2 μg/mL的Al3+標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、1.0、2.0、3.0、4.0和5.0 mL至于50 mL容量瓶中，參照2.4.3鋁的四元絡(luò)合物的顯色操作，配置成標(biāo)準(zhǔn)溶液，在選定的最大吸收波長下，測量其吸光度，并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.6 樣品中鋁含量的測定

移取5 mL待測樣品溶液至于50 mL容量瓶中，參照2.4.3鋁的四元絡(luò)合物的顯色操作，在選定的最大吸收波長下，測量其吸光度，并利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中Al的質(zhì)量濃度(mg/kg，國家允許限量100 mg/kg)。