光度滴定法在分析化學(xué)中的應(yīng)用

馬立利，丁奇，許雯，王勝楠，曹麗華，郎爽，邵鵬，賈麗

（1.北京市理化分析測試中心，北京市食品安全分析測試工程技術(shù)研究中心，北京 100089；2.南京海關(guān)工業(yè)產(chǎn)品檢測中心，南京 210011）

滴定分析法又稱容量分析法，是將一種已知準(zhǔn)確濃度的試劑（標(biāo)準(zhǔn)溶液）通過滴定管滴加到被測物質(zhì)的溶液中，或者是將被測物質(zhì)的溶液滴加到標(biāo)準(zhǔn)溶液中，直到所加的試劑與被測物質(zhì)按化學(xué)計量關(guān)系定量反應(yīng)完全為止，然后根據(jù)試劑溶液的濃度和用量等，計算被測物質(zhì)的含量或濃度［1］。

電位滴定法是滴定分析方法中的一種，它根據(jù)滴定過程中指示電極電位的變化來確定終點。滴定時，在化學(xué)計量點附近，由于被測物質(zhì)的濃度產(chǎn)生突變，使指示電極電位發(fā)生突躍，從而確定滴定終點［2］。用電位滴定法的電位變化取代經(jīng)典滴定法指示劑的顏色變化確定終點，其測量精度和準(zhǔn)確度均有提高，且拓展了應(yīng)用范圍，可以應(yīng)用于有色和渾濁溶液的分析。但是電位滴定法中只有原理為氧化還原反應(yīng)的方法易實習(xí)自動化［3］，且該方法消耗溶劑較多，若滴定液中含有有毒、有害物質(zhì)［4］，則很可能會危害人體健康。

光度滴定法是在滴定過程中用光度計記錄吸光度的變化（即顏色變化），從而求出滴定終點，適用于反應(yīng)完全程度差的體系，能測定底色較深的溶液，且能檢測較稀溶液中吸光度的微小變化，因而可滴定低含量的組分。光度滴定法可用于酸堿、氧化還原、沉淀和絡(luò)合滴定，且用于絡(luò)合滴定時，靈敏度比目視法高，測定結(jié)果更準(zhǔn)確。另外，該方法試劑的用量少［4］，容易實現(xiàn)自動滴定，從而在一定程度上較好的取代電位滴定法。

目前，還未有文獻(xiàn)系統(tǒng)研究光度滴定法在分析化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。筆者介紹了光度滴定法的基本原理和裝置，并對其在食品、藥品、化工等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行評述，以期為其在其它領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考，并為國內(nèi)以光度計為基礎(chǔ)的光度滴定裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 光度滴定法基本原理

光度滴定根據(jù)溶液顏色變化轉(zhuǎn)變?yōu)榈碾娦盘柣蛭舛却_定滴定終點，從而進(jìn)行定量分析。以電信號為定量依據(jù)時，采用光度電極或光度計通過溶液顏色變化獲得吸光度或透光率，該參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺鬟f給電位滴定儀，最終給出終點所對應(yīng)消耗滴定劑的體積，從而計算出樣品中目標(biāo)物的含量［5］。通過吸光度確定終點時，利用光度計測得滴定過程中待測液顏色引起的吸光度變化，做出光度法的滴定曲線，由曲線上的吸光度突變點得出滴定終點。滴定過程中，吸光度的變化遵循朗伯–比爾定律［6］。

2 裝置

以電信號為滴定終點判定依據(jù)時，通常采用配備有光度電極或光度計的電位滴定系統(tǒng)。通過吸光度確定滴定終點時，是將分光光度法引入到滴定分析中，設(shè)計光度滴定儀。

2.1 配備光度電極的電位滴定系統(tǒng)

光度電極是與電位滴定儀一起使用的光度探針，可以用于光學(xué)比色反應(yīng)的等當(dāng)量終點的檢測。每個光度電極的探針中有一個發(fā)射特定波長的LED燈，可以將此波長的光發(fā)射到樣品溶液中?；瘜W(xué)反應(yīng)過程中溶液顏色會發(fā)生變化，引起光吸收強(qiáng)度的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號輸出，以此確定滴定終點。

采用配備光度電極的電位滴定裝置檢測時，通常是將樣品處理后加入指示劑，確定光度電極最優(yōu)波長，在該波長下進(jìn)行滴定，識別終點［5，7–8］。有研究采用分光光度計掃描滴定終點前后溶液，比較其譜圖，確定測定波長，然后在該波長條件下進(jìn)行滴定實驗［8］。

2.2 光度滴定儀系統(tǒng)

Muller使用經(jīng)典的光電池光度計進(jìn)行了首次的光度滴定，通過光電探測器持續(xù)監(jiān)測滴定過程中的光吸收變化，克服了指示劑滴定法肉眼判斷終點誤差較大的問題［9］。隨后，第一臺分光光度計問世，光度滴定應(yīng)用越來越廣泛［10］。汪敬武等［11］將分光光度計改裝為光度滴定儀，再聯(lián)用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成全自動光度滴定儀，把反應(yīng)所需的試劑溶液輸送管道化，測定時通過調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)時間控制流量。Reis團(tuán)隊［12］研發(fā)了一款低成本滴定裝置（圖1），通過判斷指示劑顏色的變化利用三通電磁閥控制滴定溶液，實現(xiàn)了光度滴定的自動化。

圖1 Reis團(tuán)隊研發(fā)的自動光度滴定儀示意圖

此外，還有學(xué)者自制可用于滴定操作的比色皿，加入樣品和指示劑，放入分光光度計中，在毛細(xì)滴管攪拌下，用溶劑滴定，根據(jù)吸光值或透光率的突變判定終點［13］。劉亞榮等［14］將分光光度法引入滴定分析中，利用鎢燈光源提供入射光，經(jīng)單色器分解后變?yōu)閱紊?，最后由光纖傳輸給錐形檢測滴定瓶。檢測滴定瓶中的待測溶液與從滴定管滴入的標(biāo)準(zhǔn)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顏色發(fā)生變化。檢測器檢測該變化，將透過錐形檢測滴定瓶的光信號變成可測的電信號，即吸光度，于顯示器中顯示，從而完成了滴定終點的監(jiān)測過程。該滴定終點判斷儀使滴定終點判定更加準(zhǔn)確，且不易受外界環(huán)境影響。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微量滴定受到越來越多的關(guān)注。微量光度滴定法結(jié)合了分光光度法靈敏度高及滴定分析準(zhǔn)確性好的優(yōu)點，以微量進(jìn)樣器在待測溶液中滴加溶劑，記錄滴定過程中目標(biāo)參數(shù)的吸光度變化，確定滴定溶劑與目標(biāo)參數(shù)的化學(xué)計量關(guān)系，從而進(jìn)行定量分析［15］。微量滴定具有試劑用量少，成本低，污染小的特點［16］。

流動注射分析技術(shù)的出現(xiàn)使得批量滴定成為可能［17］，有人將被滴定溶液與滴定溶劑、指示劑混合，作為載液輸入到光檢測器中，溶液分散后反應(yīng)最終形成兩個等電點，利用半峰高和被滴定溶液濃度對數(shù)的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析［18］。類似研究都需要事先進(jìn)一系列標(biāo)準(zhǔn)滴定液以獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，操作比較復(fù)雜。Reis團(tuán)隊［19］采用多元流動分析系統(tǒng)，設(shè)定滴定溶劑和被滴定溶液的流量，通過指示劑顏色變化確定光度滴定的終點。該裝置由一個單線輸送通道、三個電磁閥組裝而成，用于控制樣品、滴定溶液和載液。載液流量恒定，樣品和滴定溶劑體積隨著時間變化，軟件依據(jù)光度計儲存的先前的實驗數(shù)據(jù)識別終點。該步驟不需要標(biāo)準(zhǔn)曲線，且無需人工操作，可以實現(xiàn)全自動滴定［20–21］。隨后該團(tuán)隊不斷對該裝置進(jìn)行改進(jìn)，將其應(yīng)用到食品、藥品、材料等分析領(lǐng)域［22–28］。光度滴定的流量分析模塊示意圖見圖2。

圖2 Reis團(tuán)隊研發(fā)的光度滴定的流量分析模塊示意圖

3 應(yīng)用

目前，光度滴定法已應(yīng)用于食品、藥品、化工、材料、環(huán)境、能源等多個領(lǐng)域，近十年的應(yīng)用情況統(tǒng)計如表1所示。

表1 光度滴定法在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 食品

光度滴定法在食品分析領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在食品樣品中目標(biāo)參數(shù)的測定或食品添加劑花旗松素對自由基的清除作用。

Reis團(tuán)隊以多元流動分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，調(diào)整流路系統(tǒng)、光度計和前處理方法，實現(xiàn)多種食品樣品的檢測。Garcia等［22］以發(fā)光二極管為基礎(chǔ)，自制光度計，通過多重切換的流動系統(tǒng)，實現(xiàn)光度滴定法測定紅酒中的總酸，克服了酚酞作為指示劑時，由于紅酒在可見光范圍內(nèi)有較大吸收而使得光度滴定無法準(zhǔn)確判定終點的難題。Crispino等［23］采用小型化多元流動裝置測定橄欖油的酸度，滴定過程采用氫氧化鉀的正丙醇溶液，首次實現(xiàn)非水環(huán)境下的光度滴定，該方法通過模仿手動操作過程，切換裝置流路，避免了用校正曲線的方式得到酸的濃度。Dias等［24］采用多元流動分析系統(tǒng)，利用光度法測定罐裝食品中的錫，該系統(tǒng)由一套三通電磁閥控制溶劑，含有多個注射器的單元推進(jìn)流體，PIC微控制器控制分析過程，并處理數(shù)據(jù)。光度滴定采用自制的光度計，由一個LED、一個光電二極管和自制流動池組成。該方法具有高采樣量、低溶劑消耗、廢物產(chǎn)生量低等優(yōu)點，環(huán)境友好，滿足綠色化學(xué)的宗旨。Silva等［25］利用帶有長程流通池的自制LED光度計，開發(fā)了一種無試劑光度法，測定蒸餾乙醇飲料中的乙醇，從而評價紋影效應(yīng)。該方法同樣采用多元流動分析系統(tǒng)，用微型電磁泵推進(jìn)流體，流速控制和數(shù)據(jù)采集通過串行接口由微控制器執(zhí)行。Lima等［26］利用一個流量分析裝置實現(xiàn)光度滴定的全自動化，該裝置包括一個自制注射泵和系列電磁閥，在多元流動分析系統(tǒng)基礎(chǔ)上組裝用于溶液處理。樣品中酸的濃度不用校正曲線定量，可以實現(xiàn)真正的滴定。

李維香等［35］采用一種新型的全自動脂肪酸值測定儀，利用光度滴定的原理，檢測稻谷、玉米和小麥粉等糧食樣品。以無水乙醇提取目標(biāo)物，百里酚藍(lán)指示液為指示劑，用氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定。通過光學(xué)傳感器檢測記錄透過被測溶液的光能量變化，得到被測溶液的顏色變化，再通過微處理系統(tǒng)，識別和控制滴定過程。與電位滴定法和手工滴定法相比，該方法自動化程度高，且一次可同時完成8個樣品的檢測，大大節(jié)約人工成本，提高工作效率。

盧怡雯等［29］采用微量光度滴定法研究了花旗松素對DPPH自由基的清除作用，通過滴定曲線計算花旗松素與自由基被清除量的化學(xué)計量比，以評價花旗松素的抗氧化能力。傳統(tǒng)方法以EC50%評價抗氧化物質(zhì)清除DPPH自由基的活性時，EC50%隨DPPH初始量的不同而變化，可比性較差。該法所用的清除計量比R，在DPPH初始量高于1.27×10–7mol時，所得R值幾乎相同，克服了EC50%的不足。該方法具有試劑用量少、操作簡單、成本低等優(yōu)點，具有較好的應(yīng)用前景。

3.2 藥品

與食品領(lǐng)域相似，光度滴定法常被應(yīng)用于藥物成分含量分析和對DPPH自由基的清除作用的測定。

Lima等［27］利用光散射效應(yīng)和多元流動分析系統(tǒng)測定藥物中的洛沙坦，多元流動分析系統(tǒng)用微型電磁泵推進(jìn)流體，自制光度計，配備長光程流通池，可以達(dá)到高通量分析和低廢液產(chǎn)出的目的，能夠滿足綠色化學(xué)指南的要求，具有環(huán)境友好的特點。

方梅等［30］建立了測定鹽酸地爾硫?含量的目視滴定法，并設(shè)計出擴(kuò)展為光度滴定法的概要，為目視滴定法變換為光度滴定法提供范例。

劉萍等［15］結(jié)合分光光度法靈敏度高及滴定分析準(zhǔn)確性好的優(yōu)點，用微量進(jìn)樣器向DPPH溶液中滴加活性成分，記錄滴定過程中DPPH的吸光度變化，確定活性成分與DPPH反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系，以此評價活性成分清除DPPH的能力。該方法樣品使用量少，具有準(zhǔn)確性好、簡單、易于普及、成本低等特點，為抗氧化活性的微量化檢測提出了一種新的思路。

3.3 化工

在化工領(lǐng)域，光度滴定法是采用配備光度電極的電位滴定系統(tǒng)，測定礦石中鐵、銅、鉛等金屬含量［4，7–8，16，31–33，36］。

彭速標(biāo)等［36］建立了微波輔助消解–微型自動光度滴定法測量銅的方法，用自編的程序?qū)⑽舛冗M(jìn)行體積校正后，確定滴定終點。而黎香榮等［31］認(rèn)為上述方法操作復(fù)雜，無法自動計算終點，為此提出以E（電壓）–V（體積）為滴定曲線進(jìn)行定量，測定時無需進(jìn)行體積校正，可以實現(xiàn)自動計算滴定終點，從而簡化操作步驟。且該文指出在滴定前加入氟化鉀溶液可消除銅精礦樣品中鐵對測定的干擾，按照實驗方法對銅精礦標(biāo)準(zhǔn)樣品和實際樣品測定，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)準(zhǔn)方法基本一致。

劉錦等［33］測定濕法練鋅流程中鈷渣浸出液中Zn2+和Co2+的合量，以EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液為滴定劑，二甲酚橙為指示劑，光度電極光源574 nm波長為探測波長，滴定完成時二甲酚橙–Zn2+紫色絡(luò)合物完全分解變?yōu)辄S色，溶液顏色的變化由光度電極轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而得到EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定體積與電壓信號變化的曲線，進(jìn)而計算出Zn2+和Co2+的含量。

3.4 其它領(lǐng)域

除食品、藥品和化工領(lǐng)域外，光度滴定法還可以應(yīng)用于材料、環(huán)境和能源領(lǐng)域中，測定樣品中的目標(biāo)參數(shù)。

周麗華等［5］使用光度計識別溶液顏色變化，將透光率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，傳遞給電位滴定儀，輸出滴定曲線，自動判定終點，從而計算出聚酯片中端羧基的含量。優(yōu)化溶液攪拌速度可以避免因旋起氣泡多而對電極電位穩(wěn)定性帶來的影響；靜態(tài)滴定模式下測定溶劑空白，重復(fù)性好，精密度高，動態(tài)模式下進(jìn)行樣品測試，分析時間短，工作效率高。

郭少為等［6］針對重鉻酸鹽法（GB／T 11914–1989）測定化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）時存在指示劑判斷滴定終點有視覺誤差的問題，提出了光度滴定法測定COD的建議。通過測量滴定終點溶液在不同的波長下對應(yīng)的吸光度，繪制出波長與吸光度的曲線，從而確定最佳吸收波長為510 nm。在510 nm處以硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，以其消耗量為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制光度滴定曲線，將吸光度突變點作為滴定終點，最終計算環(huán)境水樣中的COD。該方法從光學(xué)角度解決了視覺帶來的誤差，提高了方法的準(zhǔn)確度和精密度，并實現(xiàn)了儀器的自動化。

Lima等［28］采用了二進(jìn)制搜索算法和多元流動分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了自動光度滴定測定乙醇燃料的酸度。其溶液控制設(shè)備包括自制注射泵和一套電磁閥，多元流動分析系統(tǒng)由電磁閥組裝而成，作為單獨的交換裝置，便于在不降低準(zhǔn)確度的前提下控制小體積的溶劑，從而實現(xiàn)全自動光度滴定。該方法同樣不需要校正曲線定量，廢液體積是傳統(tǒng)方法的十分之一，滿足綠色化學(xué)關(guān)于減廢的要求。

4 結(jié)語

光度滴定法是以待測組分、滴定劑、反應(yīng)產(chǎn)物在滴定過程中吸光度的變化確定滴定終點的分析方法。光度滴定法能在底色較深的溶液和無色溶液中進(jìn)行滴定，易檢測微弱吸光度變化，可準(zhǔn)確確定滴定終點。

我國的光度滴定法多是用配備有光度電極的電位滴定系統(tǒng)操作，需要事先用光度計確定最優(yōu)波長，然后用電位滴定系統(tǒng)進(jìn)行滴定分析，其本質(zhì)是電位滴定。國外多是采用多元轉(zhuǎn)換的流路系統(tǒng)、光度計自動光度滴定系統(tǒng)，不需要用校正曲線定量，更加方便快捷。因此，在大力推進(jìn)光度滴定技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時，我國還需要開發(fā)一些通過吸光度確定滴定終點的光度滴定系統(tǒng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑輸送準(zhǔn)確、滴定終點易于判斷、檢測速度快、全自動的目的。