在线氧化分光光度法测定铁的价态

　　　　　　 作者：李潇 禇宁 马睿 范世华

【关键词】 在线氧化分光光度法 铁 价态

　1 引 言

　　铁的价态影响着铁在生态系统中的迁移性、生物可利用性以及毒性。本研究基于Fe3+与钛铁试剂在酸性条件下生成蓝紫色络合物的反应原理，建立了顺序注射在线氧化测定铁的价态的光度分析方法。

　　2 实验部分

　　2.1 仪器与试剂 KLOEHN顺序注射进样系统， T6新世纪紫外可见分光光度计。1000 mg/L Fe2+和Fe3+标准储备液;0.1 mol/L钛铁试剂储备液;2%(V/V)h3O2。以上试剂均为分析纯，实验用水为二次去离子水。

　　2.2 实验方法 按自编程序控制注射泵吸入4.5 mL载流，再通过多位阀依次吸入试样和钛铁试剂于储存管中，然后改变泵的运行方向，将吸入的试样和试剂推入反应管路中至载流剩余2.5 mL时，注射泵改变方向，再通过多位阀依次吸入h3O2、试样和钛铁试剂，反向推入流通池，检测器在667 nm处依次检测Fe3+和总铁的吸光度。

　　3 结果与讨论

　　3.1 试剂浓度 钛铁试剂浓度为0.0025 mol/L， 当HCl浓度为0.005 mol/L时，吸光度最大。实验发现，h3O2浓度低，Fe2+氧化不完全，吸收信号偏低，当其浓度≥ 2%时，吸光度值最大且基本不变。实验确定h3O2浓度为2 %。

　　3.2 试剂和试样体积 随着钛铁试剂体积的增大，吸光度值增加，当钛铁试剂体积增至100 μL时，吸光度值最大且基本保持不变，实验确定其体积为100 μL。当h3O2体积达到100 μL时，吸光度值最大;试样进样体积为200 μL可获得最大的吸收信号。实验选择h3O2体积为100 μL，试样体积为200 μL。

　　3.3 中间载流体积 在Fe3+被注入反应管路的同时，Fe2+的氧化过程也在同时进行，导致Fe3+和Fe2+的吸收信号发生重叠，无法分辨。本实验通过先吸入较大体积的载流，使其中部分载流作为中间载流用于驱动Fe3+连同反应试剂至反应管路，而余下的载流则用于驱动总铁的和试剂的反应，即可达到Fe3+和Fe2+信号的基线分离。中间载流体积在1.0～3.5 mL内改变， 对Fe3+吸光度几乎没有影响，但对总铁的吸光度影响较大。中间载流体积增加，总铁吸光度降低。但中间载流体积太小，因不能将参与Fe3+反应的试剂完全排出，致使Fe3+吸收峰尾部与总铁吸收信号部分重叠;而中间载流体积过大，则又会使用于驱动第二个反应的载流体积不足，难以得到完整的总铁峰形信号;实验结果表明，中间载流体积为2 mL时即可使Fe3+和总铁的吸收峰实现基线分离。

　　3.4 反应流速和管路长度 流速影响h3O2和Fe2+的氧化反应完成的程度。流速过快，试剂接触时间有限，Fe2+尚未被完全氧化即从流通池流过，致使吸光度偏低;而较小的流速，可以保证Fe2+被完全在线氧化。在10 μL/s的流速下，相同浓度的Fe2+和Fe3+的吸光度值在误差允许范围内相等，表明在此流速下Fe2+可被完全氧化。因此， 流速选择为10 μL/s。反应管道长度过短，化学反应进行程度不够而使吸光度值偏低;而反应管道过长，由于物理分散也导致吸光度值降低。实验确定最佳反应管长度应为70 cm。

　　3.5 方法的分析性能 在选定的实验条件下，Fe2+和Fe3+的浓度在0.1～25 mg/L范围内均与其吸光度值呈良好的线性关系。F检验结果表明，两条标准曲线的方差、斜率与截距均无显著性差异。因此两条标准曲线可拟合为一条标准曲线：A=0.0112c(mg/L)+0.0054。本方法的检出限(S/N=3)为0.08 mg/L， 相对标准偏差(RSD， n=11)为1.1%～1.7%。

　　3.6 共存物质的影响 考察了5 mg/L Fe2+Fe3+溶液中常见共存组分的干扰。在±5% 测定误差范围内，160倍的K+， Ca2+; 100倍的Mn2+; 80倍的NH+3， Ni2+; 60倍的Na+， Cu2+; 50倍的Ba2+， Cd2+; 35倍的Mg2+， Cr3+， Co2+; 25倍的Al3+， Zn2+; 160倍的SCN-; 80倍的Br-; 15倍的I-; 90倍的葡萄糖; 80倍的甘氨酸; 70倍的L(+)谷氨酸; 50倍的尿素均不干扰测定。F-能与铁络合、Ti3+能与钛铁试剂络合而产生干扰，但在实际样品中，因其含量低，干扰可忽略不计;抗坏血酸产生的负干扰，可增加氧化剂h3O2浓度加以消除。

　　3.7 实际样品测定 土壤样品和两种补铁药品富马酸亚铁悬浮液和维铁缓释片的回收率为93%～103%，土样测定结果与原子吸收法测定结果一致(全文详见http://www.analchem.cn/fujian/091238.pdf)。第38卷2010年5月 分析化学 (FENXI HUAXUE) NEWSChinese Journal of Analytical Chemistry 第5期ⅠNEWS开展放射性核素，尤其是铀的化学研究，对国防、能源， 环境、生物、医学等学科的相关研究均有重要意义。核素在环境中的形态与核燃料的生产、迁移和处置密切相关，为了解铀在环境中的迁移、变化及危害行为，监控核燃料的生产过程和核废物处置的情况，建立快速、实时测定核素形态(包括同位素)的方法至关重要。

　　从理论上讲，通过质谱、光谱以及量化计算等可以获得溶液中铀的形态信息，但是这些方法均不能通过实验直接得到，而是要对实验结果进行理论计算或推导，因而有时会得到不准确结论。另一方面，由于无机样品中通常含有较高的盐份，一般需要经过较复杂的样品预处理后才能进行下一步分析测定。以最常用的电感耦合等离子体质谱法(ICPMS)为例，测定铀的形态通常需要经过化学形态处理以及溶剂提取、离子交换或协同沉淀等复杂的样品预处理过程，而在这些化学处理过程中，分析物的形态也可能发生改变。因此，迫切需要建立一种高灵敏度、高特异性的新方法，实现对环境中的铀及其形态进行实时在线的快速检测。

　　电喷雾萃取电离质谱(EESIMS)是一种新型快速质谱技术，广泛用于液体样品的直接、实时和在线分析。目前已经在复杂基质中有机化合物的实时在线和快速分析方面得到了广泛的应用，并取得了丰硕的成果。然而EESIMS等快速质谱技术用于复杂基质中无机化合物分析的报道却很少。实际上，痕量无机物的分析，尤其是物种形成过程中无机物的形态分析也非常重要。最近，东华理工大学生物与材料科学学院罗明标等开创性地将EESI 串联质谱用于天然水样中放射性无机物铀形态的快速检测，使EESIMS的应用范围得到了进一步扩展。由于该方法在放射性核素分析技术领域具有重要意义，相关研究成果已于近期被国际著名杂志Anal. Chem. 2010， 82(1)： 282～289发表。图1 EESIMS装置示意图

　　在EESI源中，初始样品中的中性分析物与电喷雾试剂交叉碰撞，在质谱仪入口前的三维空间内同时发生在线液液微萃取和离子化，离子化后的分析物离子再进入质谱进行分析(如图1所示)。EESI源的这种独特的结构使它能够耐受复杂基质样品，同时，由于中性样品不需经过高电压或带电微粒的直接轰击，也减少了被分析物发生氧化还原反应从而发生形态变化的可能性。在罗明标等的研究中，加入一定量的醋酸溶液于取自某铀矿下游的井、湖及河流的水样中，在未经复杂预处理的情况下，从一级质谱中可以观察到一系列的醋酸铀酰离子，它们以[UO2(Ac)2]nAc-(n=1～5)形式的存在，其中UO2(Ac)-3(m/z 447)的丰度最高。通过多级串联质谱和235U同位素标记法能对醋酸铀酰离子的结构进行确认。该方法对每个样品的分析只需10 s，检出限能达pg/L，具有快速、灵敏等特点，可对铀的形态直接进行快速分析。

　　由于能发生核裂变反应的235U在EESI串联质谱中也能产生相同的碎片离子，所以该方法也能用来检测铀的同位素比。通过快速检测235U/238U的比值，并与天然同位素比值(235U 仅占0.725%)比较，可作为判定是否人为浓缩235U的铁证。EESI-MS能检测出富集量只有0.8%的235U，为IAEA的核查和国家安全及公共安全保障方面展示了良好的应用前景。EESIMS在复杂基质中无机化合物的痕量分析方面还有更大的潜力，应用范围将不断扩大，有望成为痕量核素的实时、在线监测的有效方法。