紫外-可見分光光度法測定含銅廢水中的銅離子

章子恒，胡然，馬藝瑾，孫興蓉，馬思維，朱忍，曹秋娥，周川華

云南大學化學科學與工程學院，化學化工國家級實驗教學示范中心(云南大學)，昆明 650091

在本科基礎化學教學實驗中，分析化學實驗占有重要地位。其內容常包含分析化學基礎實驗與兼具應用性和綜合性的創新實驗[1]。目前，傳統分析化學實驗教學模式存在諸如學生學習被動、興趣不強、缺乏創新意識等問題[2]。為緊跟學校教學改革的步伐，進行創新實驗教學的初步探索，本文設計了一個儀器分析創新教學實驗。該實驗結合原有教學實驗快速、準確的優點，并將新方法引入儀器分析實驗教學中。這使其在呈現創新性的同時，也在一定程度上將相對新穎的科研成果與本科教學聯系起來，令學生在學習及操作的過程中感受到科研的魅力，從而激發學生的學習熱情與興趣，進而充分提高學生的動手能力，培養具有科學思維方法和創新能力的人才[3]。

本實驗基于芬頓反應(Fenton reaction)，顯色底物為3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺(TMB，3,3’,5,5’-Tetramethylbenzidine)，采用紫外-可見分光光度法測定廢水中銅離子的含量。

芬頓反應為無機人名反應之一，現今多用于污水處理、酶促反應、有機合成等諸多方面[4]。鐵、銅、鋁、鉻等變價金屬離子可作為芬頓反應的催化劑。其中，屬鐵基芬頓反應最為常見、應用最廣；而銅基芬頓反應的反應速率更快，所適用的體系pH范圍相對更寬[5]。基于該反應，可建立用于檢測芬頓反應體系中各物質的分析方法，如：比色法[6]；熒光光度法[7]；化學發光法[8]；分光光度法[9]等。

TMB常被用作酶促反應的顯色底物[10]，在臨床生化檢驗等方面應用廣泛。該物質安全綠色，適合本科實驗使用。

金屬銅是冶金工業、電鍍工業的重要原料，該類行業常排放大量含銅廢水[11]。廢水中銅離子檢測方法多樣，如各類光譜法、色譜法等[12]；電化學傳感器[13]、熒光探針[14]等較為先進的手段亦可用于檢測銅離子。本實驗采用紫外-可見分光光度法檢測銅離子，該方法是儀器分析教學的重要內容之一，且相對簡單、易理解，適于本科教學。

根據芬頓反應氧化TMB，產生紫外-可見吸收的原理，本團隊設計優化此實驗，使之簡單快捷，便于操作。該實驗靈敏度較高、重現性好，滿足本科教學實驗基本要求。

本實驗將催化反應引入本科教學實驗，且無需使用價格昂貴、容易變性失活的生物酶，適用于本科教學。芬頓反應在實驗設計上靈活多變，可以設計為檢測不同物質(如過氧化氫、銅離子、鐵離子等其他變價金屬離子)的分析檢測方法。不僅利于加深學生對于紫外-可見分光光度法的理解；還可作為設計實驗，鍛煉學生分析問題、解決問題的能力。本文將以銅離子檢測為例，建立一種基于芬頓反應，采用紫外-可見分光光度法檢測銅離子的本科教學實驗。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 銅基芬頓反應

Zhi Shan等[15]發現，氯離子可顯著加速銅基芬頓反應，放大催化信號。在氯離子的加速作用下，銅離子催化過氧化氫，產生羥基自由基。

體系中羥基自由基將顯色底物TMB氧化為藍色的TMB+，后者在pH < 1的條件下，轉變為穩定的TMB2+，如圖1所示。TMB2+呈黃色，于452 nm附近有最大吸收。

圖1 TMB氧化機理示意圖[16]

1.1.2 紫外-可見光度分析及定量原理

當平行單色光通過均勻、非散射的稀溶液時，溶液的吸光度與其濃度間的關系滿足Lambert-Beer定律[17]。其中，κ為摩爾吸收系數，b為吸收池厚度。

在相同波長下，溶液中吸光物質一定時，吸光度A與溶液濃度c成正比。

配制系列銅離子標準溶液，將其與待測樣品在相同底物條件下進行芬頓反應；反應完成后，測定各體系紫外-可見吸收光譜，記錄最大吸收波長所對應的吸光度值；繪制標準曲線，將待測樣品吸光度值代入工作曲線方程中，完成定量分析。

1.2 實驗儀器與試劑

1.2.1 實驗試劑

超純水，無水乙醇(分析純，天津化學試劑廠)，硫酸銅儲備液(以分析純五水合硫酸銅配制，天津光復)，氯化鉀(分析純，天津光復)，3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺(分析純，Adamas)，過氧化氫(30%，西隴化工)，硫酸(98%，西隴化工)，0.1 mol?L?1pH = 4.5 HAc-NaAc緩沖液(以分析純冰乙酸及乙酸鈉配制，天津化學試劑廠)。

1.2.2 實驗儀器

UV-2600紫外-可見分光光度計(島津，日本)，SYG-2數顯恒溫水浴鍋(朗越，中國)，JP-010T超聲波清洗機(潔盟，中國)。

1.3 實驗步驟

1.3.1 反應試劑配制

1) 2.5、5.0、25.0 μmol?L?1CuSO4?5H2O儲備液(由實驗老師預先配制)。

2) 0.15 mol?L?1KCl (aq)

準確稱取1.1200 g KCl，在干燥的燒杯中加水溶解，轉移至容量瓶，并用超純水定容至100.00 mL，得0.15 mol?L?1KCl (aq)。

3) 2.5 mmol?L?1TMB

準確稱取0.6000 g TMB于干燥燒杯中，加入適量無水乙醇，超聲溶解，轉移至100 mL容量瓶中，以無水乙醇定容，得25 mmol?L?1TMB。再移取10.00 mL 25 mmol?L?1TMB至100 mL容量瓶，以無水乙醇定容，最后得100.00 mL 2.5 mmol?L?1TMB溶液。

4) 1.0 mol?L?1H2O2

準確取10.00 mL 30% H2O2于容量瓶中，定容至100.00 mL，得1.0 mol?L?1H2O2(aq)。

5) 5.5 mol?L?1H2SO4

準確取30.00 mL 98% H2SO4于已加入了適量水的燒杯中，攪拌，冷至室溫，轉移至100 mL容量瓶，定容，最后得5.5 mol?L?1H2SO4(aq)。

6) 模擬含銅廢水樣品(由實驗老師預先配制，含銅6.0 μmol?L?1)。

7) 0.1 mol?L?1pH = 4.5 HAc-NaAc緩沖液(由實驗老師預先配制)。

1.3.2 過氧化氫濃度對反應的影響

1) 取10個50 mL比色管，編號為空白、1–9。向各比色管中加入15.00 mL 5.0 μmol?L?1Cu(II)、5.00 mL 0.15 mol?L?1KCl (aq)、5.00 mL 2.5 mmol?L?1TMB溶液，充分振蕩搖勻。

2) 向1–9號中加入0.25、0.50、0.75、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00、6.00 mL 1.0 mol?L?1H2O2(aq)，向空白組中加入5.00 mL超純水，后快速以緩沖溶液定容至50.00 mL，充分搖勻。

3) 將各比色管置于40 °C下水浴加熱30 min，每組獨立計時。

4) 反應完成后立即取出各比色管，加入5.00 mL 5.5 mol?L?1H2SO4(aq)，終止反應，搖勻。

5) 測定各組紫外-可見吸收光譜，判斷過氧化氫濃度對體系吸光度的影響情況。

1.3.3 反應動態過程測定

1) 取兩個50 mL比色管，編號為1、2。向各比色管中加入15.00 mL 25 μmol?L?1Cu(II)、5.00 mL 0.15 mol?L?1KCl (aq)、5.00 mL 2.5 mmol?L?1TMB溶液，充分振蕩搖勻。

2) 向1號比色管中加入5.00 mL 1.0 mol?L?1H2O2(aq)，以緩沖溶液定容至50.00 mL，充分搖勻，并在室溫下反應10 min后，測定紫外-可見吸收光譜，確定TMB+的最大吸收波長。

3) 向2號比色管中加入5.00 mL 1.0 mol?L?1H2O2(aq)，以緩沖溶液定容至50.00 mL，充分搖勻后，取1 mL該混合溶液加入比色皿中，測定混合溶液中TMB+最大吸收波長下的吸光度隨時間變化曲線。

1.3.4 測定實驗步驟

1) 取9個50 mL比色管，編號為空白、1–8，作為反應容器。其中，1–5號為標準系列(標準1–5)；6、7、8號為三組平行樣品(樣品1–3)。

2) 向空白組中加入5.00 mL超純水，1–5號分別加入5.00、10.00、15.00、20.00、25.00 mL，2.5 μmol?L?1Cu(II)。

3) 向6–8組中各加入5.00 mL樣品溶液。

4) 向各組中分別加入5.00 mL 0.15 mol?L?1KCl (aq)。

5) 向各組中分別加入5.00 mL 2.5 mmol?L?1TMB溶液，充分振蕩搖勻。

6) 向各組中分別加入5.00 mL 1.0 mol?L?1H2O2(aq)，后快速以緩沖溶液定容至50.00 mL。

7) 上一步加入過氧化氫后，立即開始計時(每組獨立計時，如表1所示)，并逐組放入恒溫水浴鍋中，在40 °C下水浴加熱30 min。

表1 實驗計時方法

8) 各組反應完成后立即取出，迅速加入5.00 mL 5.5 mol?L?1H2SO4(aq)，以終止反應，充分搖勻。

9) 測定各組紫外-可見吸收光譜，繪制工作曲線，計算樣品中銅離子含量。

1.3.5 計時方法實例

2 實驗結果討論

2.1 過氧化氫濃度的影響

銅基芬頓反應主要與反應溫度、反應時間、過氧化氫濃度、TMB濃度以及Cu(II)的濃度等因素有關。本實驗以過氧化氫為例，對實驗影響因素進行優化。固定其他反應條件，測定不同濃度過氧化氫對芬頓反應的影響。實驗結果如圖2(a)所示，過氧化氫濃度在0.00至0.02 mol?L?1范圍內時，吸光度隨濃度增加而增加；當過氧化氫濃度超過0.02 mol?L?1后，體系吸光度基本保持穩定。

2.2 反應動力學曲線測定

TMB+的最大吸收波長為654 nm，在此波長下測定反應動力學曲線。實驗結果如圖2(b)所示，隨著銅基芬頓反應的進行，體系中生成的TMB+逐漸增加，檢測液654 nm處的吸光度逐漸增大。隨時間的推移，動力學曲線的斜率緩慢降低，可能是由于隨著催化反應的進行，底物H2O2的濃度降低，產物TMB+濃度增加，加速了逆反應的進行，因此催化反應速率有所下降。

圖2 過氧化氫濃度對體系吸光度的影響(a)及芬頓反應動力學曲線(b)

2.3 吸收曲線繪制(400–500 nm)

掃描1.3.4節中各組檢測液的紫外-可見吸收光譜，實驗結果如圖3所示，檢測液在452 nm處有最大吸收，且隨檢測液中銅離子含量增加，體系吸光度逐漸增大。

圖3 采用芬頓反應體系檢測不同銅離子標準溶液(a)及待測樣品(b)的紫外-可見吸收光譜圖

2.4 工作曲線繪制

由紫外-可見吸收光譜可知，體系最大吸收波長為452 nm。如表2所示，記錄體系中銅離子終濃度(以體系為50.00 mL時計算)以及對應的檢測液在452 nm處的吸光度值(A452nm)。并以A452nm作為縱坐標，銅離子濃度作為橫坐標作圖，繪制工作曲線(圖4)。

圖4 銅離子檢測工作曲線

表2 標準溶液中銅離子濃度-吸光度數據表

工作曲線方程為y= 0.3636x+ 0.2575，相關指數R2= 0.9987，線性關系良好，實驗穩定性較好。

2.5 樣品濃度測定

記錄452 nm下，樣品體系吸光度值(表3)，代入工作曲線方程，得出體系為50.00 mL時，樣品中銅離子濃度，并據此計算稀釋前原始樣品中銅離子濃度(表4)。

表3 平行樣品濃度計算

表4 樣品原始濃度計算及誤差分析

結果表明，模擬廢水樣品中銅離子平均原始濃度為5.86 μmol?L?1，與預設值相近，相對誤差為2.33%，測定結果較準確。三次檢測的相對標準偏差為1.50%，滿足儀器分析實驗基本要求。

2.6 討論

本實驗誤差主要來自以下方面：一是溶液配制誤差，二是溶液移取誤差，三是反應時長誤差，四是儀器系統誤差。實際操作本實驗時，實驗者需準確配制溶液及移取試劑，還需盡可能按照實驗方法準確計時，以確保各組反應時長一致。

2.7 注意事項

1) 反應需盡量準確計時，以盡可能保證各組反應時長一致，減小誤差；

2) 需注意TMB、H2O2的低溫避光保存，最好現配現用；

3) 因鹽酸溶液中，氯離子含量較高，本實驗不宜換用鹽酸來終止反應。

3 實驗條件討論

3.1 氯離子加速銅基芬頓反應

銅基芬頓反應體系中，氯離子的存在可以顯著加速銅基芬頓反應[15]。我們比較了不同濃度氯離子對銅基芬頓反應的放大效果，實驗結果如圖5(a)所示，在1.5 μmol?L?1銅離子的存在下，隨著氯離子濃度的增加，檢測液452 nm處的吸光度逐漸增大(紅色柱狀圖)；當體系中不含銅離子時，TMB2+452 nm處的吸光度較小(黑色柱狀圖)，證明氯離子的存在可以加速銅基芬頓反應。

3.2 方法的選擇性

為了考查方法的選擇性，采用該方法對相同濃度的其他幾種常見的金屬離子進行檢測，所得到的實驗結果如圖5(b)所示，這些干擾物所得到的檢測信號較小，只有Cu(II)的存在才能夠使檢測液在452 nm處產生較大的信號。雖然Fe(II)等變價金屬也能夠催化芬頓反應，但是由于銅基芬頓反應的反應速率更快，且氯離子的存在進一步加速了銅基芬頓反應，所以該方法具有較好的選擇性。

圖5 不同濃度氯離子對反應的影響(a)及幾種常見金屬離子對反應的影響(b)

4 特點及特色聲明

向本科生介紹了該種快速、簡單、可操作性強的銅離子檢測方法，使其認識、理解并實際操作芬頓反應，同時幫助學生學習掌握紫外-可見分光光度法。

1) 本實驗安全，可重復性強，操作方便，適用于本科教學；

2) 實驗穩定性好，重現性較強；

3) 反應試劑毒性較小，相對安全；

4) 經改進后，可設計成用于Fe2+、Cl?、H2O2等物質測定的檢測實驗。

5 結語

本實驗簡單快捷，重現性較好，對銅離子的檢測相對準確。向本科生介紹芬頓反應-TMB顯色體系，并實際應用其完成定量分析，拓寬實驗者知識面。此外，本實驗采用紫外-可見分光光度法進行測定，有利于幫助學生鞏固課程知識，掌握儀器結構與操作[18]，一定程度上有助于教學改革的落實[19]。本實驗還可以拓展設計成用于檢測芬頓反應體系中其他物質(如：過氧化氫、鐵離子等)的本科教學實驗。