分光光度法对水中微量铁检测及后续探究分析

分光光度法对水中微量铁检测及后续探究分析

刘慧洁

惠州市综合高级中学 高二年级 广东省惠州市 516000

摘要：水是生命之源，水质评价在人们日常生活中占有重要地位。本文介绍了有关水质评价的相关标准，利用分光光度法绘制标准曲线，测定自来水样品中铁离子的浓度。并且根据实验操作提出了相关的后续优化探究实验，总结实验过程中的误差。

关键词：分光光度法；铁离子的检验；优化实验方案；相关标准。

0引言

水是生命之源，在生产用水（需净化处理），冷却用水，生活用水和消防用水等方面上有重要用途。与此同时，用于生活方面的自来水中与人体健康密切相关，水中的部分金属元素，广泛存在于水和土壤中，它们更是在生物代谢中扮演着重要角色。人类在生活和生产活动中都离不开水，生活饮用水水质的优劣与我们的健康密切相关。以铁元素为例，人体中铁超标会加大心脑血管疾病的发病率，易得骨质疏松、肝硬化，肤色也会变暗，对心、肝、和胰产生损害，容易产生铁中毒或患癌症。由此可见，自来水中的铁元素无疑是人类的“双刃剑”。

由此观之，水质直接关系到人类健康，并在一起程度上标志着一个国家的文明程度和技术发展水平，因此各国都根据各自的情况，努力提高饮用水的水质并制定了相应的水质标准。但是饮用水标准是一定发展阶段的产物，并与生产力和水质分析手段的发展相适应。现行三大饮用水水质标准的特点WHO《饮用水水质准则》、EC《饮用水水质指令》、USEPA《美国饮用水水质标准》是目前国际上公认的先进、安全的水质标准，也是各国制定标准的基础或参照，而这三部标准由于建立和使用地区的经济发展、环境条件、科技力量等的差异而各具特点。而我国2012年7月1日出台的《生活饮用水卫生标准》对自来水中不同检测项目作出了严格标准化的要求。其中，对铁的检测标准是0.3mg/L。

本文介绍了相关水质检测方法，并通过分光光度法检测自来水中微量铁，提出相应的优化方案，总结实验过程中的误差。

1相关检测方法及分光光度法原理

现有的水质评价手段有化学滴定法、光谱法、质谱法和电化学法四个大类^[1]，其中有螯合滴定法，电感耦合，直接电位法，电位滴定法，伏安法，极谱法和比色法等。

1.1金纳米棒比色检测

自来水检测中一种常见的方法是金纳米棒比色检测^[2]。

金纳米棒（GNRs）因其可调节的各向异性的光特性和较宽的光谱范围（从可见光区到近红外区）在生物化学传感领域有巨大的发展前景^[2]。

向 GNRs 溶胶中引入过氧化氢这种氧化试剂的时候，GNRs的端面会被氧化，且GNRs的长径比和 LPAB 波长随着 H₂O₂氧化时间的延长逐渐变小。根据文献可知通过向 H₂O₂ 中加入过渡金属离子产生羟基自由基能够提高其氧化能力，而亚铁离子对水氧化能力的提高在众多过渡金属离子中最为显著，因为亚铁离子与水可以形成具有强氧化性的芬顿试剂^[4，5]。GNRs溶胶颜色随着氧化过程的进行发生规律 性变化，出现了一个较宽的色域包括酒红色、棕色、 绿色、蓝色、紫色、粉红色，不同氧化程度的 GNRs溶胶呈现出不同的颜色^[6]。Fe²⁺与 H₂O₂ 组成芬顿试剂，比其它离子（Na⁺, K⁺ , Li⁺ , Hg²⁺, Mg²⁺, Ni⁺ , Sn²⁺, Co²⁺, Cd²⁺, Cr³⁺, Zn²⁺, Ba²⁺, Cu²⁺，Fe³⁺）与水的组合的氧化性要强很多，在相同的实验条件下，Fe²⁺ 与 H₂O₂的组合具有更强的氧化性，使得 GNRs 溶胶率先到达色域中的下一个特征颜色。因此，通过观察样品颜色即可实现对 Fe²⁺的选择性检测和比色检测。

可以看出，金纳米棒比色检测在检测亚铁离子上具有检验准确度高，易于比对分析等特点。

1.2邻二氮菲分光光度法原理

在pH为2-9的溶液中，邻二氮菲与Fe²⁺反应生成稳定的橙红色络合物：

图1 邻二氮菲与Fe2+反应的示意图

若铁为正三价状态时，可用盐酸羟胺还原：

2Fe³⁺+2NH₂OH=2Fe²⁺+2H⁺+N₂↑+2H₂O

我们根据分光光度法——朗伯-比尔定律^[7]利用紫外可见分光光度计测定铁标准工作液，计算吸光度后绘制标准曲线，再测定水样的吸光度即可得出溶液中相应离子的浓度。

图2 分光光度法——朗伯-比尔定律的示意图

其中，透光度T= ( I/I₀）×100%

吸光度A=- lgT = abc

a 吸光系数

b 吸收池厚度

c 溶液浓度

2实验部分

2.1仪器与试剂

实验仪器：紫外可见分光光度计，50ml比色管，分析天平，200ml容量瓶，1L容量瓶，烧杯，玻璃棒，对应浓度移液管。

实验试剂: 硫酸铁铵(NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O)、邻二氮菲(邻菲啰啉)、盐酸羟胺(NHOH·HCI)、无水醋酸钠(NaAc)、盐酸溶液(6 mol/L)。

2.2实验步骤

溶液配制：

铁标准储备液（100 ug/mL）：准确称取0.863 g NH₄Fe(SO₄)₂·12H₂O,置于烧杯中，用20 mL盐酸溶液和纯水溶解后，定量转移至1L容量瓶中，用纯水稀释至刻度，摇匀。

邻二氮菲溶液（1.5 g/L）：准确称取0.3g邻二氮菲置于200 mL容量瓶中，用纯水定容至刻度，摇匀。

盐酸羟胺（NH₂OH·HCl）水溶液（100 g/L）：准确称取10 g盐酸羟胺置于烧杯中，用适量纯水溶解后，定量转移至100 mL容量瓶，用纯水稀释至刻度，摇匀。

NaAc溶液（1 mol/L）：准确称量16.4 g无水醋酸钠置于烧杯，加纯水溶解，转移到200 mL容量瓶中，定容到刻度，摇匀。

2.3标准曲线的绘制

配制铁标准工作液：用移液管吸取10mL铁标准储备液于100 mL容量瓶中，加入2mL盐酸溶液（6 mol/L），最后用纯水稀释至刻度，摇匀。此时溶液的质量浓度为10 ug/mL。

在6个50 mL的比色管中，分别加入 0、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL上述铁标准工作液，各加入1 mL盐酸羟胺溶液（100 g/L），摇匀。再加入5 mL 醋酸钠溶液（1 mol/L）和2 mL邻二氮菲溶液（1.5 g/L），用纯水稀释至刻度，摇匀。放置10 min后，用试剂空白为参比，在510 nm波长下，测定各溶液的吸光度，绘制标准曲线（c-A 曲线）。如下表 1 ，图3。

表1 510nm波长下标准样品浓度所对应的吸光度

图3 浓度-吸光度标准曲线

3实验结果与讨论

3.1水样中含铁量测定

吸取5 mL水样3份，分别置于50 mL比色管中，各加入1mL盐酸羟胺溶液（100 g/L），摇匀。再加入5 mL醋酸钠溶液（1 mol/L）和 2 mL邻二氮菲溶液（1.5 g/L），用纯水稀释至刻度，摇匀。放置10 min后，用试剂空白为参比，在510 nm波长下，测定三份试样溶液的吸光度。

表2 自来水水样所对应吸光度

将计算出的吸光度平均值y=0.001代入曲线y=0.1985x-0.0046，计算得水样中铁离子浓度为0.028mg/L，远小于国标中铁的检测标准，总而说明该水样中铁离子浓度为合格标准。

3.2优化探究方案

为尽量减小实验误差，达到最佳检测水平，笔者提出三个有关实验操作和测定的优化实验方案。

3.2.1还原剂(盐酸羟胺)浓度的选择

在6个50 mL的比色管中，分别加入 0、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL盐酸羟胺溶液（100 g/L），各加入1 mL铁标准工作液，摇匀。再加入5 mL 醋酸钠溶液（1 mol/L）和2 mL邻二氮菲溶液（1.5 g/L），用纯水稀释至刻度，摇匀。放置10 min后，用试剂空白为参比，在510 nm波长下，测定各溶液的吸光度 。将吸光度代入标准曲线计算铁离子浓度，与实际结果相对比。

3.2.2显色剂(邻二氮菲)浓度的选择

在6个50 mL的比色管中，各加入1 mL盐酸羟胺溶液（100 g/L），分别加入 0、2 mL、4 mL、6 mL、8 mL、10 mL邻二氮菲（1.5 g/L），各加入1 mL铁标准工作液，摇匀。再加入5 mL 醋酸钠溶液（1 mol/L），用纯水稀释至刻度，摇匀。放置10 min后，用试剂空白为参比，在510 nm波长下，测定各溶液的吸光度。将吸光度代入标准曲线计算铁离子浓度，与实际结果相对比。

3.2.3显色时间的选择

在5个50 mL的比色管中，分别加入1ml上述铁标准工作液，各加入1 mL盐酸羟胺溶液（100 g/L），摇匀。再加入5 mL 醋酸钠溶液（1 mol/L）和2 mL邻二氮菲溶液（1.5 g/L），用纯水稀释至刻度，摇匀。各放置0min，5min，10 min，15min，20min后，用试剂空白为参比，在510 nm波长下，测定各溶液的吸光度。将吸光度代入标准曲线计算铁离子浓度，与实际结果相对比。

3.3误差总结

实验过程中误差难以避免，这里总结以下两个方面的误差。

3.3.1仪器误差

实验过程中仪器读数的误差，如紫外可见分光光度计读数是否稳定，称量药品时分析天平读数是否稳定。

3.2.2人为误差

实验中加入盐酸羟胺溶液、邻二氮菲溶液的顺序。若顺序颠倒，则溶液中的部分三价铁离子可能无法完全转化为亚铁离子，导致测定结果所计算的铁离子浓度减小；在读数时对200mL容量瓶、1Ｌ容量瓶及50mL比色管定容时观察凹液面最低处时的俯视，仰视；称量药品时的操作误差，如选用的称装仪器；相关浓度移液管内壁残留水珠等。

4总结

本文总结了水的重要作用，介绍了相应国际标准、国家标准和几种相关的水质检测方法，根据分光光度法—朗伯-比尔定律，利用紫外分光光度计绘制铁离子的标准曲线，并测定水样中的铁离子浓度。提出相应的实验优化探究方案，总结实验过程中的误差。相信在科技不断发展的过程中，科研人员会不断改进研究方法，提高科研能力水平，为水质评价提供更好的方案，为人们的日常生活用水保驾护航。

参考文献

[1]郝雅萍，石佳颖.水中重金属元素的检测方法研究进展[J].化工时刊，2021，35：19.

[2]黄帅，刘显杰，游立.金纳米棒比色检测亚铁离子[J].船电技术应用研究，2019，39：43-44.

[3]郑淑静.金纳米棒的光学特性及生物检测应用研究[D]. 吉林: 东北师范大学, 2012

[4]Scheers N, Andlid T, Alminger M, et al. Determination of Fe2+ and Fe3+ in aqueous solutions containing food chelators by differential pulse anodic stripping

voltammetry[J]. electroanalysis. 2010, 22(10): 1090-10 96.

[5]Díaz T G, Guiberteau A, Soto M D L, et al. Spectrophotometric and adsorptive stripping square wave voltammetric determination of iron in olive oils, as complex with 5, 5-dimethylcyclohexane-1,2,3-trione 1,2-dioxime 3-thiosemicarbazone (DCDT)[J]. J Agric Food Chem. 2003, 51(13): 3743-3747.

[6]Liu J M, Wang X X, Jiao L, etal. Ultra-sensitive non-aggregation colorimetric sensor for detection of iron based on the signal amplification effect of Fe3+

catalyzing H2O2 oxidize gold nanorods[J]. Talanta. 2013, 116(1): 199-204.

[7]中国大百科全书总委员会《环境科学》委员会. 中国大百科全书, 环境科学[M]. 中国大百科全书出版社, 2002.