兩種分光光度法測(cè)定樣品中鐵含量的比較
——以化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)技能大賽為例*

陳德霞，李勇輝，黎 亞，張渝秀，王 姝

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院新材料與化工能源學(xué)院，四川 宜賓 64400)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是利用現(xiàn)代化學(xué)技術(shù)對(duì)各類天然或合成材料進(jìn)行物理常數(shù)與化學(xué)性質(zhì)測(cè)定、定性與定量分析、制備與合成的專門(mén)技術(shù)技能。依據(jù)《2021年全國(guó)職業(yè)院校技能大賽賽項(xiàng)規(guī)程 GZ-2021026 化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)》[1]，化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)由三個(gè)模塊組成，涉及物質(zhì)的定性分析、定量分析、制備和質(zhì)量控制。其中，B模塊：樣品中鐵含量的測(cè)定，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3049—2006[2]、GB/T 6150.16—2009[3]、YS/T 281.1—2011[4]，采用1,10-菲啰啉分光光度法或磺基水楊酸分光光度法測(cè)定試樣中的鐵含量，即基于特定pH條件下，不同價(jià)態(tài)的鐵離子可以與特定顯色劑(1,10-菲啰啉或磺基水楊酸)生成有色配合物，有色配合物在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)量的吸光度符合朗伯—比爾定律(Lambert-Beer)。

依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)規(guī)程、樣題、過(guò)程性考核評(píng)分表，參照相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，建立了兩種分光光度法測(cè)定樣品中鐵含量的方法。兩種檢測(cè)方法的一致性評(píng)價(jià)主要有配對(duì)t檢驗(yàn)、簡(jiǎn)單相關(guān)性分析、比對(duì)及偏倚評(píng)估和Bland-Altman法等方法[5-8]，但相對(duì)復(fù)雜，且有一定的局限性，因此，本文擬依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)結(jié)果性考核評(píng)分表，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性、精密度、準(zhǔn)確度、F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)對(duì)兩種方法進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 1,10-菲啰啉分光光度法測(cè)定鐵含量的原理

依據(jù)GB/T 3049—2006[2]、HJ/T 345—2007[9]，用鹽酸羥胺或抗壞血酸把試液中Fe3+還原成Fe2+，在pH值為2～9時(shí)，F(xiàn)e2+與1,10-菲啰啉生成穩(wěn)定的橙紅色絡(luò)合物，在分光光度計(jì)最大吸收波長(zhǎng)處(510 nm)測(cè)定其吸光度。

1.1.2 磺基水楊酸分光光度法測(cè)定鐵含量的原理

依據(jù)GB/T 6150.16—2009[3]、YS/T 281.1—2011[4]、GB∕T 6730.7—2016[10]，在pH值為8.5～11時(shí)，F(xiàn)e3+與磺基水楊酸生成穩(wěn)定的黃色絡(luò)合物，在分光光度計(jì)最大吸收波長(zhǎng)處(420 nm)測(cè)定其吸光度。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)樣品(GSB 04-1726-2004)標(biāo)準(zhǔn)值：1000 μg/mL(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)。

1.2.2 鐵使用溶液

移取樣品鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 μg/mL)4.00 mL 至 100 mL 容量瓶中，加水定容至刻度線，混勻，即是 40 μg/mL 的鐵使用溶液。

1.2.3 化學(xué)試劑

抗壞血酸、冰乙酸、三水乙酸鈉、1,10-菲啰啉、磺基水楊酸、鹽酸羥胺、氨水、氯化銨、硫酸鐵(III)銨十二水合物、硫酸、過(guò)氧化氫等化學(xué)試劑(均為分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司生產(chǎn))。

1.2.4 溶液

1)抗壞血酸溶液(100 g/L)；2)乙酸—乙酸鈉緩沖溶液(pH≈4.5，依據(jù)GB/T 603—2002配制)；3)1,10-菲啰啉溶液(1 g/L)；4)鹽酸溶液(180 g/L，依據(jù)GB/T 3049—2006配制)；5)氨水溶液(1+1)；6)過(guò)氧化氫(1+9)；7)磺基水楊酸溶液(250 g/L)；8)鹽酸羥胺溶液(50 g/L)；9)氨-氯化銨緩沖溶液甲(pH≈10，依據(jù)GB/T 603-2002配制)；10)硫酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)；11)鐵試樣溶液(800.0 μg/mL，參照GB/T 602—2002配制，稱取 6.9076 g 硫酸鐵銨，溶于水，加 10 mL 硫酸溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%)，移至 1000 mL 容量瓶中，用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻)。

1.3 儀器設(shè)備

1)電子天平(FA2004A，上海精天電子儀器有限公司)；2)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-1800PC-DS2，上海美普達(dá)儀器有限公司)。

1.4 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.1 1,10-菲啰啉分光光度法標(biāo)準(zhǔn)曲線

1)配制鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：用 10.00 mL 分度吸量管準(zhǔn)確移取不同體積的鐵使用溶液(標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制專用)至一組 100 mL 容量瓶中(不少于 7 個(gè))，配制不同濃度的鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液；

2)溶液顯色：上述鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液采用下述方式處理，如有必要，先用鹽酸溶液(180 g/L)將上述標(biāo)準(zhǔn)系列溶液調(diào)至pH=2；加入 2 mL 抗壞血酸溶液(100 g/L)，搖勻；然后加 20 mL 乙酸—乙酸鈉緩沖溶液(pH≈4.5)和 10 mL 1,10-菲啰啉溶液(1 g/L)；用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻；放置不少于 15 min。

3)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：在最大吸收波長(zhǎng)(約 510 nm)處，以不加鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的一份為參比，測(cè)定鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的吸光度。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，參數(shù)如表1所示。

表1 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(1,10-菲啰啉分光光度法)

4)擬合方程

擬合方程：ρ=5.049527A-0.000234；相關(guān)系數(shù)：R=0.99999797。

1.4.2 磺基水楊酸標(biāo)準(zhǔn)曲線

1)配制鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：用 10.00 mL 分度吸量管準(zhǔn)確移取不同體積的鐵使用溶液(標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制專用)至一組 50 mL 容量瓶中(不少于 7 個(gè))，配制不同濃度的鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液；

2)溶液顯色：上述鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液采用下述方式處理。如有必要，先加3滴過(guò)氧化氫(1+9)，用氨水溶液(1+1)將上述標(biāo)準(zhǔn)系列溶液調(diào)至pH=9～10；加入 5 mL 磺基水楊酸溶液(250 g/L)、2 mL 鹽酸羥胺溶液(50 g/L)，然后加入 10 mL 氨—氯化銨緩沖溶液甲(pH≈10)；用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻；放置不少于 10 min。

3)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：在最大吸收波長(zhǎng)(約 420 nm)處，以不加鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液的一份為參比，測(cè)定鐵標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的吸光度。以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，參數(shù)如表2所示。

表2 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(磺基水楊酸分光光度法)

4)擬合方程

擬合方程：ρ=10.031404A-0.011126；相關(guān)系數(shù)：R=0.99999743。

最后進(jìn)入學(xué)生獨(dú)立讀寫(xiě)階段（Independent Construction），用補(bǔ)充材料Text C讓學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行學(xué)習(xí)，至此學(xué)生在教師的一步步引導(dǎo)下，以學(xué)生為主導(dǎo)，最后能獨(dú)立地閱讀和寫(xiě)作。在KWL+理論和教與學(xué)循環(huán)理論的指導(dǎo)下，真正把閱讀和寫(xiě)作有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了輸入和輸出的轉(zhuǎn)化，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了閱讀和寫(xiě)作能力。

1.5 試樣中鐵含量的測(cè)定

1.5.1 測(cè)定方法

1)確定未知鐵試樣溶液的稀釋倍數(shù)，分別采用兩種分光光度法測(cè)定樣品中鐵含量，按照繪制工作曲線時(shí)的溶液顯色和測(cè)定方法，在最大吸收波長(zhǎng)處進(jìn)行吸光度測(cè)定。平行測(cè)定 3 次。

1,10-菲啰啉分光光度法：準(zhǔn)確移取 5.00 mL 未知鐵試樣溶液于 100 mL 容量瓶中，配制成約 40 μg/mL 鐵待測(cè)溶液(稀釋20倍)；準(zhǔn)確移取 5.00 mL 鐵待測(cè)溶液于 100 mL 容量瓶中(第二次稀釋20倍，共稀釋400倍)，加入 2 mL 抗壞血酸溶液(100 g/L)，搖勻；然后加 20 mL 乙酸—乙酸鈉緩沖溶液(pH≈4.5)和 10 mL 1,10-菲啰啉溶液(1 g/L)；用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻；放置不少于 15 min。在最大吸收波長(zhǎng)處進(jìn)行吸光度測(cè)定。平行測(cè)定6次。

磺基水楊酸分光光度法：準(zhǔn)確移取 5.00 mL 未知鐵試樣溶液于 100 mL 容量瓶中，配制成約 40 μg/mL 鐵待測(cè)溶液(稀釋20倍)；準(zhǔn)確移取 5.00 mL 鐵待測(cè)溶液于 50 mL 容量瓶中(第二次稀釋10倍，共稀釋200倍)，加入 5 mL 磺基水楊酸溶液(250 g/L)、2 mL 鹽酸羥胺溶液(50 g/L)，然后加入 10 mL 氨-氯化銨緩沖溶液甲(pH≈10)；用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻；放置不少于 10 min。在最大吸收波長(zhǎng)處進(jìn)行吸光度測(cè)定。平行測(cè)定 6 次。

2)由測(cè)得吸光度從標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算待測(cè)溶液中鐵的濃度，根據(jù)未知鐵試樣溶液的稀釋倍數(shù)，求出未知鐵試樣溶液中鐵含量。

1.5.2 計(jì)算公式

以質(zhì)量濃度ρ(Fe)計(jì)，數(shù)值以mg/L表示。取6次測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果，結(jié)果保留4位有效數(shù)字。

ρ(Fe)=ρx×n

式中：ρ(Fe)為試樣中鐵的質(zhì)量濃度，μg/mL；ρx為從標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算的待測(cè)溶液中鐵質(zhì)量濃度，μg/mL；n為試樣溶液的稀釋倍數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性

兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性如表3所示。

表3 兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性

依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)結(jié)果性考核評(píng)分表，兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性均滿足考核要求(相關(guān)系數(shù)R≥0.999995)，檢測(cè)方法可行。

2.2 檢測(cè)結(jié)果分析

分別采用兩種方法測(cè)定未知鐵試樣溶液中的鐵含量，平行測(cè)定6次，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種方法的檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)結(jié)果性考核評(píng)分表，兩種方法的精密度、準(zhǔn)確度均滿足考核要求(未知液吸光度值的極差=0.001；|相對(duì)誤差|≤0.5%)，檢測(cè)結(jié)果有效。

2.3 一致性評(píng)價(jià)

對(duì)上述檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示：

表5 兩種方法檢測(cè)結(jié)果的F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)結(jié)果

若采用顯著性水平α=0.05的F雙側(cè)檢驗(yàn)，查F分布表得F0.975(5,5)=0.140，F(xiàn)0.025(5,5)=7.15，因此，F(xiàn)0.975(5,5)

若采用顯著性水平α=0.05的t單側(cè)檢驗(yàn)，查t分布表得t0.025(12)=2.179，因此|t|

2.4 差異性分析

1)對(duì)比兩種方法的實(shí)驗(yàn)原理發(fā)現(xiàn)，1,10-菲啰啉分光光度法需要用鹽酸羥胺或抗壞血酸等還原劑把試液中Fe3+還原成Fe2+，再進(jìn)行顯色反應(yīng)；而磺基水楊酸分光光度法直接測(cè)定Fe3+，從反應(yīng)的角度，磺基水楊酸分光光度法不受還原劑及氧化還原反應(yīng)進(jìn)程的影響。

2)對(duì)比兩種方法的擬合方程發(fā)現(xiàn)，與1,10-菲啰啉分光光度法相比，溶液中鐵含量相同時(shí)，磺基水楊酸分光光度法的吸光度值A(chǔ)偏小，即吸光系數(shù)偏小，這與反應(yīng)生成的絡(luò)合物及其最大吸收波長(zhǎng)等因素有關(guān)。

3 結(jié)論

1)依據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)規(guī)程、樣題、過(guò)程性考核評(píng)分表，參照相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，建立了兩種分光光度法測(cè)定樣品中鐵含量的方法，兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R≥0.999995，滿足檢測(cè)要求，檢測(cè)方法可行。

2)兩種方法測(cè)定待測(cè)液吸光度值的極差=0.001，|相對(duì)誤差|≤0.5%，精密度與準(zhǔn)確度均達(dá)到化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)賽項(xiàng)結(jié)果性考核要求，檢測(cè)結(jié)果有效。

3)經(jīng)F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)，兩種方法的方差與平均值無(wú)顯著性差異，檢測(cè)結(jié)果是一致的。

4)與1,10-菲啰啉分光光度法相比，溶液中鐵含量相同時(shí)，磺基水楊酸分光光度法的吸光度值A(chǔ)偏小，即吸光系數(shù)偏小，這與反應(yīng)生成的絡(luò)合物及其最大吸收波長(zhǎng)等因素有關(guān)。