利用光譜分析技術(shù)檢測(cè)氫離子濃度

肖 婷,丁文卿,廖育城,陳虹宇,張簫揚(yáng),肖昊瑾,廖浩翔

(浙江大學(xué) a.物理學(xué)院;b.竺可楨學(xué)院,浙江 杭州 310027)

透明液體的組分測(cè)定及濃度檢測(cè)在各行業(yè)均有廣泛應(yīng)用[1-2]. 在工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境污染等研究中,精確測(cè)量溶液的酸度具有十分重要的意義[3-5]. 液體的酸度為溶液中H+濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值,以pH表示. 傳統(tǒng)測(cè)量pH值的方法包括電極法[6-7]和試紙法[8],其測(cè)量精度為0.01～0.1 pH. 相較于電極法和試紙法,光學(xué)式pH傳感器具有無(wú)需參考電極、不受電磁干擾、易制作、微型化、可應(yīng)用于高溫高壓或腐蝕性等極端環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[9]. 近年來(lái)光學(xué)式pH傳感器快速發(fā)展,可結(jié)合一種或多種pH指示劑和光譜技術(shù)對(duì)液體pH值進(jìn)行定量測(cè)量,精度為0.08～0.1 pH[10-11]. 該方法需要對(duì)pH指示劑在特征光譜上體現(xiàn)的信息進(jìn)行提取并獲得與溶液pH值的定標(biāo)關(guān)系,比如使用CIELab均勻彩色空間色度值參量與pH值建立定標(biāo)關(guān)系曲線,并分析最大吸光波長(zhǎng)及某一波長(zhǎng)處吸光度隨pH值的變化規(guī)律[11]. 本文提出基于光譜分析的測(cè)定液體H+濃度的方法,分別采用2種指示劑與溶液反應(yīng)顯色,并通過(guò)測(cè)量不同pH值的顯色溶液的吸收光譜進(jìn)行定量分析,得到吸收光譜上不同吸收峰峰值之比與顯色物質(zhì)濃度的定量關(guān)系,從而標(biāo)定吸收光譜與溶液中H+濃度的關(guān)系,該標(biāo)度關(guān)系與理論計(jì)算結(jié)果基本一致. 該方法基于光譜測(cè)量與分析,為溶液H+濃度測(cè)量提供了操作簡(jiǎn)單且測(cè)量精確的實(shí)驗(yàn)方案.

1 顯色法測(cè)H+濃度的原理

1.1 朗伯-比爾定律

當(dāng)光通過(guò)溶液時(shí),溶質(zhì)吸收光能,光的強(qiáng)度減弱. 吸光度是衡量光被吸收程度的物理量,指光線通過(guò)溶液或某一物質(zhì)前的入射光強(qiáng)度I0與該光線通過(guò)溶液或物質(zhì)后的透射光強(qiáng)度I1比值的對(duì)數(shù),即A=lg (I0/I1)=lg (1/T)[12],其中T為透射率.根據(jù)比爾定律,吸光度與吸光物質(zhì)的濃度c成正比,即A=εbc,其中ε為摩爾吸光系數(shù),b為吸收層厚度.在固定吸光系數(shù)和光程的情況下,A與c成正比,即A=kc,k為吸光系數(shù).在多組分體系中,如果各組分的吸光物質(zhì)不發(fā)生相互作用,那么吸光度等于各組分吸光度之和,這一規(guī)律稱為吸光度的加和性[13].

1.2 酸堿指示劑變色原理

假設(shè)指示劑酸形呈1色,在波長(zhǎng)λ1處有最大吸收;指示劑堿形呈2色,在波長(zhǎng)λ2處有最大吸收.根據(jù)朗伯-比爾定律,A1=k1[HIn],A2=k2[In-],取比值并取對(duì)數(shù)后得到[15],

(1)

1.3 吸收譜上多組分吸光度的測(cè)定

分子能量包含原子中電子狀態(tài)所決定的能量、分子轉(zhuǎn)動(dòng)和分子內(nèi)原子的振動(dòng)所決定的能量.同一振動(dòng)能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的光譜實(shí)際上由很多轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生的譜線組成.當(dāng)發(fā)生電子能級(jí)躍遷時(shí),必然也會(huì)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷.因此,分子的吸收光譜線會(huì)形成連續(xù)的譜帶,具有一定寬度.

(2)

將式(2)代入式(1),即可得出混合溶液吸光度與溶液酸度之間的關(guān)系.

2 實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用透射反射法測(cè)量溶液吸收光譜. 透射反射光譜測(cè)量示意圖如圖1所示. 光譜測(cè)量系統(tǒng)包括通用光譜儀(Oceanview USB2000+,UV-VIS-ES) 、HL-2000鹵鎢燈光源、光纖、樣品支架、樣品容器、數(shù)據(jù)讀取軟件等. 使用鹵鎢燈發(fā)出的連續(xù)譜光源(光譜覆蓋范圍360～2 000 nm),配合反射探頭(探頭采用6繞1光纖束設(shè)計(jì),周圍6根光纖連接到光源,中心光纖連接到光譜儀). 令光源發(fā)出的光射入樣品溶液中,經(jīng)過(guò)平面鏡反射,再由反射探頭中心光纖接收傳輸至光譜儀采集光譜. 該型號(hào)光譜儀與光電傳感器為一體,連接計(jì)算機(jī)后可以在基于Java的配套光譜軟件平臺(tái)OceanView1.6.5上顯示光源透過(guò)液體后出射光的強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線.

圖1 透射反射光譜測(cè)量示意圖

在此過(guò)程中,光纖經(jīng)過(guò)樣品透射時(shí)會(huì)產(chǎn)生吸收,以及平面鏡反射時(shí)會(huì)造成損耗,本文采用清水作為對(duì)照組,準(zhǔn)確測(cè)量經(jīng)溶液樣品吸收及平面鏡反射后的反射光強(qiáng)度的峰值,建立與液體氫離子濃度的函數(shù)關(guān)系. 為獲得溶液酸度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行定標(biāo),使用pH計(jì)(PHS25型)配合復(fù)合電極(E201C型)測(cè)定樣品pH值,儀器測(cè)量pH范圍0.00～14.00,精度為0.05.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用分光光度法進(jìn)行定量分析. 首先,配置一系列pH值梯度的參考樣品溶液,取樣后分別滴入甲基紅指示劑或溴甲酚紫指示劑,測(cè)量得到吸光度與H+濃度的定標(biāo)曲線;然后,再測(cè)得待測(cè)溶液的吸光度數(shù)據(jù),利用定標(biāo)曲線推知待測(cè)溶液中H+的濃度. 具體實(shí)驗(yàn)方法如下:

1)將H+濃度為1.002 mol/L的H2SO4溶液加水配置得到pH=2的標(biāo)配溶液,用pH計(jì)標(biāo)定. 隨后根據(jù)指示劑的變色區(qū)間,按比例配置一系列pH值梯度的參考樣品溶液,并用pH計(jì)標(biāo)定. 對(duì)于pH=2～4的樣品,甲基紅指示劑可以認(rèn)為全為酸形;pH=6～14時(shí),可以認(rèn)為全為堿形. 本文采用pH=4的H2SO4溶液作為酸形對(duì)照組,pH=8的NaOH溶液作為堿形對(duì)照組.

2)使用移液管分別量取8.00 mL參考樣品溶液置于相同規(guī)格的透明培養(yǎng)皿中. 在培養(yǎng)皿下放置1塊平面鏡,并分別加入2滴指示劑,將培養(yǎng)皿放置在光學(xué)暗室內(nèi)如圖1所示光路中,利用光譜儀測(cè)量溶液的透射反射光譜曲線.

3)將8.00 mL清水置于培養(yǎng)皿中,采集透射反射光譜作為參考光譜. 關(guān)閉光源,在暗室中采集暗光譜. 然后對(duì)參考樣品溶液分別進(jìn)行光譜測(cè)量,同一pH值的參考樣品溶液重復(fù)測(cè)量6次,并記錄保存光譜數(shù)據(jù). 處理得到的吸光度代入式(2),與參考樣品溶液中H+濃度建立線性關(guān)系,擬合得到吸光度-H+濃度定標(biāo)曲線.

4)用移液管量取8.00 mL待測(cè)溶液,置于前述相同規(guī)格的透明培養(yǎng)皿中,并在培養(yǎng)皿中滴入2滴指示劑,再用上述類似方法采集反射透射光譜,同種樣品溶液重復(fù)采集6次數(shù)據(jù).

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

為了測(cè)量吸收峰值,將相同實(shí)驗(yàn)條件下獲得的6組反射透射光譜取平均,以降低儀器產(chǎn)生的噪聲誤差. 具體處理方法為:

1)利用Oceanview軟件采集參考樣品溶液的反射透射光譜作為待測(cè)源光譜,扣除暗光譜后,記為S;

2)在相同實(shí)驗(yàn)條件下,利用Oceanview軟件采集清水的反射透射光譜作為參考光譜,扣除暗光譜后,記為R;

3)用S/R作為反射值,重復(fù)測(cè)量6次,在對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)下將反射值取平均(后文簡(jiǎn)稱反射值),得到溶液的吸收譜.

當(dāng)吸收譜數(shù)值接近100,表示吸收量接近0;當(dāng)吸收譜上數(shù)值接近0,表示吸收量大. 由于儀器的原因和環(huán)境的影響,實(shí)驗(yàn)時(shí)不同樣品溶液的基礎(chǔ)反射值可能會(huì)有所不同,因此在不同樣品溶液的吸收譜上要定出其基礎(chǔ)反射值,從而進(jìn)一步計(jì)算某波長(zhǎng)下的吸光度.

圖2虛線為酸形對(duì)照組(C1,紅色)和堿形對(duì)照組(C2,藍(lán)色)的吸收譜. 在吸收譜上選取一段連續(xù)譜作為基線,合理估計(jì)入射光強(qiáng)度I0和某波長(zhǎng)處透射光強(qiáng)I1,即可計(jì)算出該波長(zhǎng)處的吸光度A值. 選取合理基線的標(biāo)準(zhǔn)是:基線的波長(zhǎng)范圍盡量大且接近吸收峰,酸形和堿形在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收接近0,且該波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射值變化較小. 根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)選取波長(zhǎng)范圍為615～655 nm,計(jì)算該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的平均反射值,作為基線值. 吸收譜上存在酸形和堿形的吸收峰,分別選取反射值最小點(diǎn)的波長(zhǎng),并向短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)擴(kuò)展4～8個(gè)點(diǎn),作為最大吸收值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍,將該范圍內(nèi)反射值的平均值作為最大波長(zhǎng)處的反射值.

圖2 甲基紅指示劑滴入?yún)⒖紭悠啡芤簝?nèi)的反射譜

4 結(jié)果分析

表1 甲基紅指示劑與pH值

圖3 甲基紅指示劑關(guān)系

表2 溴甲酚紫指示劑與pH值

圖4 溴甲酚紫指示劑關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)中可能存在如下因素對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差. 例如指示劑的純度,如未經(jīng)提純的指示劑可能會(huì)造成pH偏差達(dá)到0.01[16];培養(yǎng)皿和反射鏡不潔凈;反射鏡平整度和光潔度不高,等等. 在同樣實(shí)驗(yàn)條件下,采用清水作為對(duì)照組樣品,能夠減少這些因素的影響. 另外,配置梯度pH參考樣品溶液時(shí)濃度也存在誤差.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于朗伯-比爾定律,運(yùn)用多組分光學(xué)光譜分析方法,利用Oceanview USB2000+型號(hào)通用光譜儀,設(shè)計(jì)了測(cè)量弱堿性-弱酸性溶液pH值的實(shí)驗(yàn)方法. 探究了甲基紅指示劑酸形和堿形2種形態(tài)吸光度與溶液pH值的關(guān)系,當(dāng)pH為5.10～6.20,發(fā)現(xiàn)隨著pH值增大,最大吸收波長(zhǎng)沒(méi)有顯著變化. 在吸收譜上分別確定酸形和堿形最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度,從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)甲基紅2種形態(tài)的吸光度比值的對(duì)數(shù)值與溶液pH值成線性關(guān)系,并基于此擬合得到定標(biāo)曲線. 利用該定標(biāo)曲線,結(jié)合測(cè)得未知溶液滴入指示劑后2種形態(tài)的吸光度比值得到的pH值與pH計(jì)測(cè)定的pH值一致. 使用同樣的方法,還測(cè)定并擬合給出了溴甲酚紫的定標(biāo)曲線. 該方法不僅適用于甲基紅指示劑,也適用于其他指示劑. 本實(shí)驗(yàn)探究對(duì)象是稀溶液,pH值范圍較小. 對(duì)于濃度較高的溶液,可通過(guò)定量加水稀釋的方法將其轉(zhuǎn)化為稀溶液.