鄰二氮菲測(cè)定鐵含量實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)充與改進(jìn)

宋文璟，劉 暢

（大連理工大學(xué)化工學(xué)院，遼寧盤(pán)錦 124221）

0 引言

鄰二氮菲分光光度法測(cè)定鐵含量實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)非常經(jīng)典的儀器分析實(shí)驗(yàn)，利用間接紫外-可見(jiàn)分光光度法（UV-Vis），有助于學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)并掌握實(shí)驗(yàn)技能，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)教材中都有此實(shí)驗(yàn)［1-6］。該實(shí)驗(yàn)原理為：在pH=2～9 的溶液中，鄰二氮菲與Fe2+按照3∶1的摩爾關(guān)系生成穩(wěn)定的橙紅色絡(luò)合物，其最大吸收波長(zhǎng)為510 nm，摩爾吸收系數(shù)ε=11 kL·（mol·cm）-1，通過(guò)使用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定該橙紅色絡(luò)合物的吸光度值（A）來(lái)確定待測(cè)溶液中Fe2+的含量。這個(gè)實(shí)驗(yàn)視情況可以安排4～8 個(gè)學(xué)時(shí)，若只定量待測(cè)Fe2+溶液需4 個(gè)學(xué)時(shí)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化則另外增加4 個(gè)學(xué)時(shí)。

然而該實(shí)驗(yàn)只涉及UV-Vis 的使用，測(cè)試儀器單一，大部分時(shí)間消耗在溶液的配制上，達(dá)不到儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和初衷，還抑制了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的研究單位和企業(yè)都配備了眾多的分析儀器，這就要求學(xué)生在本科學(xué)習(xí)階段盡量多的掌握各種分析儀器的基本理論和操作技能，具備畢業(yè)后進(jìn)入工作崗位獨(dú)立開(kāi)展儀器分析實(shí)驗(yàn)的能力［7-9］。目前儀器分析實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要涵蓋電化學(xué)分析法、光譜分析法（以UV-Vis 和紅外光譜法IR為主）和色譜法，極少涉及原子吸收光譜法（AAS）實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和應(yīng)用［10］。AAS 能夠分析元素周期表中絕大多數(shù)的金屬與非金屬元素，在醫(yī)藥、食品和環(huán)境領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用［11-13］，因此十分有必要在本科階段的儀器分析實(shí)驗(yàn)中開(kāi)展AAS 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。我校是“211”和“985”工程建設(shè)重點(diǎn)高校，也是世界一流大學(xué)A 類建設(shè)高校。為了提高儀器分析實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，充分發(fā)揮分析儀器在培養(yǎng)學(xué)生核心競(jìng)爭(zhēng)力中的作用，結(jié)合現(xiàn)有的基礎(chǔ)條件和儀器設(shè)備，深度挖掘經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，在“鄰二氮菲測(cè)定鐵含量”的實(shí)驗(yàn)中增設(shè)利用AAS對(duì)待測(cè)Fe2+溶液進(jìn)行定量的教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生采用UV-Vis和AAS兩種分析方法對(duì)同一樣品進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，更加深刻地掌握這兩種儀器的性能特點(diǎn)和優(yōu)劣。在將該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容擴(kuò)充的同時(shí)，還更新了一些操作方法和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，大大提高了該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

UV8000 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；AA6100 原子吸收分光光度計(jì)，天美（中國(guó)）科學(xué)儀器有限公司；ME104 電子天平，梅特勒-托利多國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司；1～10 mL單道可變量程移液器，賽默飛世爾科技（中國(guó)）有限公司；1～10 mL 可調(diào)定量加液器；智能數(shù)顯恒溫電加熱套，上海予星儀器設(shè)備有限公司。

100 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液：取0.702 g（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O固體溶解于500 mL 去離子水中，加入濃硫酸約2 mL，轉(zhuǎn)移至1 L 容量瓶中，用去離子水定容至刻度。

1 g/L鄰二氮菲溶液：精密稱取1，10-鄰二氮雜菲固體1 g至燒杯中，加入去離子水后在電加熱套上溫?zé)釘嚢?2～24 h，全部溶解后將溶液冷卻，用容量瓶定容至1 L。

10 g/L鹽酸羥胺溶液：精密稱取NH2OH·HCl固體10 g，加入去離子水溶解，用容量瓶定容至1 L，臨用時(shí)現(xiàn)配。

1 mol/L醋酸鈉溶液：稱取CH3COONa·3H2O 固體136.08 g，用去離子水定容至1 L，避光保存。

1 mol/L 硫酸溶液：由濃硫酸用去離子水稀釋而成。

以上所用試劑均為分析純。

待測(cè)樣品為含鐵復(fù)合維生素片（Multivitamins Plus Iron），購(gòu)自TESCO，含鐵標(biāo)示量為14 mg/片。

1.2 系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的制備

用移液槍分別精密量取100 μg/mL 標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液1、2、3 和4 mL于100 mL容量瓶中，依次用可調(diào)加液器加入鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液各10 mL，用去離子水定容至刻度，搖勻。4 份標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的濃度值分別為1、2、3 和4 μg/mL。

另取一只100 mL容量瓶，不加標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液，只用可調(diào)加液器加入體積均為10 mL的鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液，用去離子水定容至刻度，搖勻，作為試劑空白溶液。

1.3 待測(cè)溶液的制備

由于此部分需要較長(zhǎng)時(shí)間，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中優(yōu)先于“1.2”項(xiàng)進(jìn)行。

取含鐵復(fù)合維生素片1 片，精密稱定其質(zhì)量（g）并記錄，用研缽研磨成粉狀后置于400 mL 大燒杯中，加入200 mL 0.1 mol/L硫酸溶液（讓學(xué)生使用量筒自行稀釋1 mol/L 硫酸溶液得到）。然后將大燒杯放在電加熱套上微熱使Fe2+完全溶解（溶解的這段時(shí)間學(xué)生可進(jìn)行“1.2”項(xiàng)的操作），冷卻后將溶液轉(zhuǎn)移至1 L容量瓶中，用去離子水淋洗大燒杯3～4 次，并將淋洗液全部收集到容量瓶中，用去離子水定容容量瓶至刻度，搖勻。此時(shí)，容量瓶底殘留有未溶解的藥片包衣，屬正?，F(xiàn)象，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。最后，用移液槍精密移取上清液10 mL至100 mL容量瓶中，用可調(diào)加液器依次加入鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液各10 mL，用去離子水定容至刻度，搖勻，作為待測(cè)溶液。

1.4 UV-Vis法實(shí)驗(yàn)條件

以試劑空白為參比溶液，采用1 cm 比色皿在350～800 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描系列Fe2+標(biāo)準(zhǔn)溶液和待測(cè)溶液的光譜圖，記錄最大波長(zhǎng)（λmax）處的A值。

1.5 AAS法實(shí)驗(yàn)條件

采用鐵空心陰極燈和空氣-乙炔火焰原子化器。狹縫寬度為0.2 nm，燈電流為5.0 mA，空氣流量為6.8 L/min，乙炔流量為1.7 L/min，燃燒器高度為6 mm。在248.3 nm波長(zhǎng)處測(cè)定并記錄系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液和待測(cè)溶液的A值。

1.6 鐵含量的測(cè)定方法

UV-Vis法和AAS 法均采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定待測(cè)樣品中Fe2+的含量。以系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的濃度值（μg/mL）為橫坐標(biāo)，所對(duì)應(yīng)的A值為縱坐標(biāo)，用Origin軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線并使之通過(guò)原點(diǎn)，建立擬合方程式。將待測(cè)溶液的A值代入擬合方程式，計(jì)算容量瓶中待測(cè)溶液Fe2+的濃度（μg/mL）。再結(jié)合稀釋倍數(shù)和稱樣質(zhì)量計(jì)算得到復(fù)合維生素片中的鐵含量（mg/g）。

2 結(jié)果與討論

2.1 采用UV-Vis法測(cè)定鐵含量

系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液所測(cè)得的A 值見(jiàn)表1，A 值全部在0～1 范圍內(nèi)。用Origin 2019 軟件作出A 值與Fe2+濃度的關(guān)系圖如圖1 所示。圖中表明，溶液的A值隨溶液中Fe2+濃度的增加而增大，呈線性相關(guān)趨勢(shì)。采用線性擬合的方式處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖1 的內(nèi)插表格為數(shù)據(jù)擬合參數(shù)和誤差分析結(jié)果。擬合方程式為y=0.201x+0.010 8，校正決定系數(shù)為0.999 47。

表1 UV-Vis法測(cè)定系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的吸光度（A）值

圖1 UV-Vis法測(cè)得吸光度（A）與Fe2+濃度線性關(guān)系圖

取1 片復(fù)合維生素片，精密稱定其質(zhì)量m=0.359 0 g，按照“1.3”項(xiàng)下操作制備待測(cè)溶液，測(cè)得其A1=0.292，代入擬合方程式得容量瓶待測(cè)溶液Fe2+的濃度為1.40 μg/mL，通過(guò)下式計(jì)算該復(fù)合維生素片的含鐵量為39.0 mg/g，代入取樣量得該片復(fù)合維生素片中鐵質(zhì)量是14.0 mg/片。經(jīng)與標(biāo)示量（14 mg/片）比較，建立的UV-Vis 方法能夠準(zhǔn)確測(cè)定出復(fù)合維生素片中的鐵含量。此外，系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液和待測(cè)溶液的λmax均為510 nm，通過(guò)擬合方程式的斜率計(jì)算得鄰二氮菲-Fe2+絡(luò)合物的εmax=11.2 kL/（mol·cm），與經(jīng)驗(yàn)值完全一致。

2.2 采用AAS法測(cè)定鐵含量

采用AAS法測(cè)定“2.1”項(xiàng)下的系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液和待測(cè)溶液，系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的A 值如表2 所示，待測(cè)溶液A2=0.029。圖2 所示用Origin 2019 軟件繪制的A值與Fe2+濃度的關(guān)系，溶液的A值同樣隨著溶液中Fe2+濃度的增加而增大，呈線性相關(guān)趨勢(shì)。擬合方程式為y=a2x +b2=0.021 4x -0.000 6，校正決定系數(shù)為0.999 65。計(jì)算得到該片復(fù)合維生素片中含鐵量為38.5 mg/g，相當(dāng)于13.8 mg/片。結(jié)果表明，所建立的AAS法同樣能夠準(zhǔn)確測(cè)定出復(fù)合維生素片中的鐵含量。

表2 AAS法測(cè)定系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液的吸光度（A）值

圖2 AAS法測(cè)得吸光度（A）與Fe2+濃度線性關(guān)系圖

3 改進(jìn)內(nèi)容與討論

3.1 豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)只采用UV-Vis一種定量方法，改進(jìn)后擴(kuò)充了AAS法定量。由于AAS法與UV-Vis法使用的是同一份系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液和待測(cè)溶液，相比于單獨(dú)開(kāi)設(shè)一個(gè)AAS法實(shí)驗(yàn)省略了溶液配制的過(guò)程，如此設(shè)計(jì)“性價(jià)比”很高。此外，待測(cè)樣品通常是教師配制好的模擬樣品，學(xué)生直接取用。待測(cè)樣品采用商品化含鐵復(fù)合維生素片，學(xué)生通過(guò)簡(jiǎn)單的前處理操作即可測(cè)定，共存的其他成分不干擾測(cè)定，使學(xué)生對(duì)完整的樣品分析過(guò)程有更為切身的體會(huì)。通過(guò)對(duì)比學(xué)生的檢測(cè)結(jié)果和樣品標(biāo)示量，還能夠檢驗(yàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性。將樣品前處理引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有助于提升學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)樣品前處理技術(shù)解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力［14-16］。雖然相對(duì)原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)增加了兩個(gè)環(huán)節(jié)，但通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方案，如“1.3 項(xiàng)”制備待測(cè)溶液的同時(shí)進(jìn)行“1.2 項(xiàng)”配制系列標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液，將課堂數(shù)據(jù)處理和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告改為課下，可在不增加學(xué)時(shí)的情況下豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

3.2 采用Origin軟件處理數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)處理是儀器分析實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重點(diǎn)之一。原實(shí)驗(yàn)中采用Excel軟件繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線、擬合方程式，相比于Excel，Origin 能夠直接顯示擬合結(jié)果和誤差分析，更加具有指導(dǎo)意義。實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師則依據(jù)工作曲線的校正決定系數(shù)、相對(duì)偏差、數(shù)據(jù)精度等信息更合理地評(píng)定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 引進(jìn)最新實(shí)驗(yàn)儀器

原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求使用吸量管移取標(biāo)準(zhǔn)Fe2+溶液，考慮到現(xiàn)代科研和實(shí)際工作中，吸量管已經(jīng)被移液槍所取代［17］，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)中增加了移液槍的使用內(nèi)容，操作快速、準(zhǔn)確。此外，原實(shí)驗(yàn)中鹽酸羥胺、鄰二氮菲和醋酸鈉3種試劑的加入量不同，分別為2、3 和5 mL，學(xué)生容易出錯(cuò)，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)將鹽酸羥胺、鄰二氮菲和醋酸鈉的加入體積均改為10 mL，并相應(yīng)修改它們的濃度，同時(shí)采用可調(diào)加液器取代量筒。通過(guò)引進(jìn)新的小型實(shí)驗(yàn)儀器，極大地提升了學(xué)生配制溶液的效率，學(xué)生可將時(shí)間和注意力集中于大型儀器的操作和使用。

3.4 增加實(shí)驗(yàn)趣味性

相比于模擬樣品，讓學(xué)生分析真實(shí)的與生活貼近的復(fù)合維生素片，且研磨、溶解、定容、定量測(cè)定等的每一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性，更能夠激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和求知欲。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)鄰二氮菲測(cè)定鐵含量這個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深度挖掘，分別采用UV-Vis 法和AAS 法兩種方法測(cè)定同一片復(fù)合維生素片劑中的含鐵質(zhì)量（mg/g），內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制、標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立、樣品溶液的制備、樣品溶液的測(cè)量和Origin 數(shù)據(jù)處理等一套完整的分析過(guò)程。實(shí)驗(yàn)可安排4 學(xué)時(shí)，每次指導(dǎo)16 名學(xué)生，每個(gè)學(xué)生自成1 組，獨(dú)立完成所有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供16 臺(tái)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)和2 臺(tái)原子吸收光譜儀，學(xué)生在課堂上只需獲取原始數(shù)據(jù)，課后處理、計(jì)算和撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告。為了防止學(xué)生課后竄改數(shù)據(jù)，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中將原始數(shù)據(jù)書(shū)寫(xiě)到二聯(lián)復(fù)寫(xiě)紙上，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室前提交復(fù)寫(xiě)聯(lián)。通過(guò)1 年多的實(shí)踐，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)取得了良好的教學(xué)效果。