陽離子膠束介質中次磷酸鈉還原偶氮胂I褪色催化動力學光度法測定痕量硒(IV)

周之榮,王群,章淑媛

（1.廣東藥學院公共衛生學院，廣東 廣州 510240；2.東華理工大學校醫院，江西 撫州 344000）

硒是必需微量營養元素，硒的缺乏和過剩都與人的生命休戚相關。適量的硒具有抗癌和改善心肌等功能；人體缺硒易引起克山病、大骨節病、白肌病等；而過高的硒含量將引起食欲減退、肝臟受損、毛發改變等病癥。硒在植物（十字花科）的生長周期中起著重要作用，半干旱地區的植物可以吸收富集在土壤中的有機硒化合物有可能對當地的牲畜造成危害。從含硒土壤滲出和通過工業廢水的排放進入自然水體的硒將帶來嚴重的環境污染和生物毒性[1]。

隨著科學技術的發展和人類生活水平的提高，人們越來越重視微量元素硒與人類生活的關系，硒的分析方法近年來也有了較大的發展。測定硒的分析方法很多，大部分是分光光度法[2]。但存在費時、處理過程復雜、使用有毒試劑和測定體系不太穩定等不足。氫化物發生原子吸收光譜法[3]和氫化物發生原子熒光光譜法[4]也是測定痕量硒的靈敏方法，但存在共存離子干擾。溶出伏安法[5]、中子活化法[6]、毛細管電泳[7]、氣相色譜法[8]、高效液相色譜法[9]、X 射線熒光光譜法[10]、化學發光淬滅分析法[11]、催化極譜法[12]以及可以在線檢測的電感偶合等離子體原子發射光譜法[13]、電感耦合等離子體質譜法[14]、亦可以用于測定痕量硒。其中一些方法具有較好的靈敏度，但需要昂貴的試劑和儀器；有的還需要預先富集才能測定。因此有必要建立靈敏而準確地定量測定痕量硒的新方法。

催化動力學方法具有儀器價廉、靈敏度高、操作簡便、分析成本低、便于推廣等特點，倍受國內外學者關注，在痕量硒的測定中已有很多報道[15-21]。由于動力學反應的特殊性以及報道方法的靈敏度或選擇性等方面的限制，建立新的測定體系仍具有一定的實際意義。

1 材料與方法

1.1 儀器與主要試劑

U-3010型分光光度計：日本日立公司；721-W型分光光度計：上海分析儀器廠；501型超級恒溫器：上海實驗儀器總廠。

硒（IV）標準溶液：1.0 g/L標準儲備液（1.0 mol/L HCl介質），用時逐級稀釋至0.01 mg/L的工作液；次磷酸鈉溶液0.05 mol/L，使用當天配制并裝入棕色瓶中；偶氮胂 I（AsA I）溶液：0.02 mol/L；H2SO4溶液：0.5 mol/L，0.1 mol/L。

氯化十六烷基吡啶（CPC）、Triton X－100、乳化劑OP、十二烷基磺酸鈉（SDS）、溴化十六烷基三甲基銨（CTMAB）溶液：1.2×10－2mol/L。

所用試劑均為分析純,試驗用水為二次石英亞沸水。

1.2 方法

取兩支刻度一致的50 mL具塞比色管,向其中一支加入0.02μg硒（IV）標準溶液，另一支不加（非催化反應），水稀釋至10 mL。分別加入1滴1 g/L的2,4-二硝基苯酚溶液，用7.0 mol/L NH3·H2O調至黃色,再以0.1mol/L H2SO4調至黃色剛消失。加入0.50mol/L H2SO4溶液1.0 mL，1.2×10-2mol/L CPC 溶液 1.0 mL，0.05 mol/L次磷酸鈉溶液1.0 mL，0.02 mol/L AsA I溶液1.0 mL。用水稀釋至25 mL，搖勻。半啟玻塞，置于90℃水浴中加熱9 min（秒表計時）。迅速取出流水中冷卻5 min后，以水為參比，用1 cm比色皿，在波長500 nm處測量吸光度A0（空白）和A（試液），計算ΔA（＝A0－A）。

2 結果與討論

2.1 吸收曲線

配制圖1所示的不同組分溶液，按試驗方法操作，在U-3010型分光光度計上掃描并繪制吸收曲線。結果表明：在酸性介質中存在膠束介質時，次磷酸鈉能還原AsA I褪色，但褪色速率較慢。而痕量硒(IV)加入能明顯的催化次磷酸鈉還原AsA I的褪色反應，且催化褪色程度與所加入的硒（IV）量在一定范圍內成正比。所有曲線在500 nm處均有最大吸收值，故試驗選擇測定波長為500 nm。

2.2 反應介質的選擇及用量影響

試驗了稀 H2SO4、HAc、HNO3、HCl、H3PO4及NaAc-HAc緩沖溶液介質對反應體系的影響。結果表明，在稀 HNO3、HAc、HCl、H3PO4及 NaAc-HAc 緩沖溶液介質中，催化反應和非催化反應無明顯區別，在稀硫酸介質中硒（IV）具有明顯的催化作用，故本文選用稀硫酸為反應介質。反應體系中0.50 mol/L H2SO4溶液的加入量在0.8 mL～1.2 mL時，ΔA值最大且穩定。試驗選用0.50 mol/L的H2SO4溶液1.0 mL，此時體系酸度為0.02 mol/L 的 H2SO4。

2.3 表面活性劑的種類和用量的影響

為選擇適當的膠束介質加速反應，必須考慮反應物種的類型和電荷，因為膠束的加速影響必須存在反應和膠束表面之間的靜電及親水相互反應。試驗了同樣濃度(均超過各自的臨界膠束濃度（c.m.c.））的陽離子表面活性劑（CPC，CTMAB）、陰離子表面活性劑（SDS）、非離子表面活性劑（Triton X-100，乳化劑 OP）對催化反應的影響，結果見表1。

表1 表面活性劑對加速Se（IV）-AsA I-NaH2PO2反應體系的影響Table 1 Surfatants tested as potential micellar catalysts for the enhanced rate of Se（IV）-AsA I-NaH2PO2reaction system

Se（IV）和H2PO2-帶負電荷，AsA I在測定的pH時可能帶負電荷或不帶電荷，這樣可以推測陽離子表面活性劑可以加快Se（IV）AsA I NaH2PO2反應體系的速度是可行的。事實上陽離子表面活性劑CPC、CTMAB能夠增加體系的靈敏度，而CPC的效果更好，故選擇CPC進行進一步試驗。

2.4 試劑用量的影響

2.4.1 次磷酸鈉用量的影響

當0.05 mol/L NaH2PO2用量在0.8 mL～1.2 mL時，ΔA值最大且相對變化較小，此時的靈敏度較高。故試驗選用1.0 mL。

2.4.2 AsA I用量的影響

AsA I用量在0.5 mL～1.0 mL時，ΔA隨AsA I用量的增加而增大，但同時非催化反應體系的吸光度亦明顯增大，并在AsA I用量為1.0 mL時達到最大；超過1.0 mL后，ΔA值反而減少。故試驗選用0.02 mol/LAsAI溶液1.0 mL。

2.4.3 CPC濃度及用量的影響

試驗了CPC濃度在2.4×10-4mol/L～1.2×10-3mol/L（用量0.5 mL～2.5 mL）時對反應速率的影響。結果表明，ΔA隨CPC濃度的增加而增大，但同時非催化反應體系的吸光度亦明顯增大，并在CPC濃度為4.8×10-4mol/L時達到最大；超過1.0 mL后，ΔA值反而減少，可能是超過一定濃度后表面活性劑的聚集和溶液中AsA I摩爾吸光度的改變。故試驗選用CPC濃度為4.8×10-4mol/L（用量 1.0 mL）。

2.5 反應溫度對反應速率的影響

在室溫下，反應幾乎不發生，故可以用流水冷卻來終止反應；在40℃～60℃時，ΔA隨著溫度的升高而緩慢增加，但催化反應亦不明顯；超過60℃以上時，隨著溫度的升高ΔA明顯增加。在70℃～90℃時，催化反應明顯加快，ΔA明顯增加，并在90℃時達到最大。超過90℃時，非催化反應也明顯加快，ΔA值反而降低。為便于操作和獲得較高靈敏度，本試驗在90℃水浴中加熱。

2.6 加熱時間的影響

試驗結果表明:在3 min～8 min內ΔA隨反應時間的加長而增大，且呈線性關系，其線性方程為：ΔA=0.0649 t-0.1081（r＝0.9992）。反應的速率常數 k0＝1.2×10-3/s。本文選用加熱反應時間為8 min，取出用流水冷卻5 min終止反應后，體系吸光度至少2 h保持不變。

2.7 校準曲線

試驗結果表明，Se（IV）量在 0～1.0μg/L 范圍內服從比爾定律。其線性回歸方程：ΔA=4.268 ρSe(IV)（μg/25 mL）-1.298×10-3。式中 ρSe(IV)為 25 mL 體積中 Se（IV）的微克數，相關系數為0.9992。按試驗方法，對0.02、0.01μg/25 mL Se（IV）的試液進行 11 次測定，相對標準偏差分別為1.9%和2.1%；對空白進行11次測定，標準偏差為1.90×10-3。由空白溶液的3倍標準偏差除以工作曲線的斜率求出檢出限為0.053μg/L。

2.8 共存離子的影響

對于測定25 mL溶液中的0.02μg Se(IV)，相對誤差≤±5%時，共存離子的允許量（μg）為結果見表2。當共存離子超過允許量后，按文獻[15]利用巰基葡聚糖膠進行分離。

表2 共存離子的影響Table 2 Interference study for the determination of Se（IV）at the optimum reagent concentration

2.9 動力學參數的測定

2.9.1 反應級數的測定

催化動力學測定Ti（IV）的化學反應總方程式可以表示如下:

AsA I+硫酸+次磷酸鈉+Se（IV）→反應產物

該反應的速率方程式可表示為：

式中：R為反應速率,[mol/（L·min）]；C為反應物濃度,（mol/L）；α,β,γ,δ為反應級數。用單因數變換固定時間法測定各反應物的反應級數，結果如下：

由直線方程的斜率可知:α=1.0213≈1,β=0.9878≈1,γ=1.042≈1,δ=0.087≈0，故本催化反應對 Se（IV）、AsA I和次磷酸鈉而言為一級反應，對硫酸而言為零級反應。由此可見，在稀硫酸介質中，以Se（IV）為催化劑，次磷酸鈉還原AsA I褪色反應的速率方程式可表示為：

在試驗條件下，c硫酸，c次磷酸鈉，cAsAI垌ρSe(IV)，且基本保持不變，速率方程可以簡化為：

將上式積分得：-cAsAI=k2ρSe(IV)t

代入 A=εbcAsAI中，得 A=-εbk2ρSe(IV)t，則：ΔA=A0-A=εbk2ρSe(IV)t

采用固定時間法測定吸光度，動力學方程為:ΔA=k3ρSe(IV)

即ΔA與催化劑Se（IV）在一定濃度范圍內成正比，這就是本催化反應測定痕量Se（IV）的定量依據。

2.9.2 表觀活化能的測定

固定反應物濃度和加熱時間，在80℃～90℃時，測定催化反應的吸光度A和非催化反應吸光度A0，計算 ΔA=A0-A，作-lgΔA～（1/T）×103曲線。結果表明，-lgΔA與（1/T）×103存在著線性關系，用最小二乘法處理，其線性回歸方程為：-lgΔA=2.386×（1/T）×103-5.824（r=0.9972），根據Arrhenius公式計算表觀活化能為：Ea=2.386×2.303×8.314=45.69 kJ/mol。

3 樣品分析

稱取1.0000 g樣品于聚四氟乙烯坩堝中，加入3.0 mL濃硝酸和1.0 mL 30%過氧化氫，再放入高壓溶解罐中，旋緊罐蓋，放入微波爐中。分別在100℃、150℃下溶解1 h和3 h。冷卻至室溫后，取出聚四氟乙烯坩堝，將消化后的樣品轉移到燒杯中。再加熱至近干，除去過量的硝酸和過氧化氫，用適量的4.5 mol/L HCl浸取Se（IV）。加入NaOAc調節離子強度，使其濃度為0.1 mol/L，再用HCl調節酸度為4.5 mol/L HCl后，以5 mL/min的流速通過SDG吸附柱，只有Ag+和Se（IV）被吸附。再用3.0 mL HCl和2.0過氧化氫洗脫柱上的Se（IV）[15]，加熱除去過量的過氧化氫后，轉移到100 mL容量瓶中，用水定容。取適量溶液按試驗方法測定，并與ICP-AES法對照，結果相符。測定結果見表3。

表3 樣品中Se（IV）的測定結果和回收率Table 3 Analysis results of Se（IV）and recoveries in samples

4 結論

本文研究在0.02 mol/LH2SO4介質中，痕量硒（IV）對次磷酸鈉還原偶氮胂I（AsA I）的褪色反應有明顯的催化作用，將陽離子表面活性劑氯化十六烷基吡啶（CPC）用于增加 Se（IV）-AsA I-NaH2PO2反應體系的靈敏度和穩定性。研究了適宜的動力學反應條件，結合巰基葡聚糖凝膠分離富集，建立了測定痕量硒（IV）的催化動力學光度法，已用于測定食品和人發樣品中的痕量硒（IV）。方法檢出限為0.053μg/L,線性范圍為 0.0～1.0μg/L。

[1]Standard methods for the examination of water and wastewater[M].19th ed.Washington,D C:American Public Health Association Press,1995:3-85

[2]Shlyapunova E V,Sergeeva V P,Sergeev G M.Highly sensitive redox-photometric determination of selenite and iodide ions in mineral waters[J].Journal of Analytical Chemistry,2008,63(3):219-222

[3]Maleki N,Safavi A,Doroodmand M M.Determination of selenium in water and soil by hydride generation atomic absorption spectrometry using solid reagents[J].Talanta,2005,66(4):858-862

[4]Fan H F,Wen H J,Hu R Z,et al.Determination of total selenium in geological samples by HG-AFS after concentration with thiol cotton fiber[J].Chinese Journal of Geochemistry,2008,27(1):90-96

[5]Stozhko N Y,Morosanova E I,Kolyadina L I,et al.Ceramic composite electrode for the determination of selenium （IV） by stripping voltammetry[J].Journal of Analytical Chemistry,2006,61(2):158-165

[6]Chajduk E,Polkowska-Motrenko H,Dybczyński R S.A definitive RNAA method for determination of selenium in biological samples:uncertainty evaluation and assessment of degree of accuracy[J].Accreditation and Quality Assurance:Journal for Quality,Comparability and Reliability in Chemical Measurement,2008,13(8):443-451

[7]Dzierzgowska M,Pyrzy ska K,Pobozy E.Capillary electrophoretic determination of inorganic selenium species [J].Journalof Chromatography A,2003,984(2):291-295

[8]Gómez-Ariza J L,Pozas J A,Giráldez I,et al.Comparison of three derivatization reagents for the analysis of Se （IV） based on piazselenol formation and gas chromatography-mass spectrometry[J],Talanta,1999,49(2):285-292

[9]Mazej D,Falnoga I,Veber M,et al.Determination of selenium species in plant leaves by HPLC-UV-HG-AFS[J].Talanta,2006,68(3):558-568

[10]Gomes A C F,Menegario A A,Pellegrinotti D C,et al.A hydride generation flow system for determination of arsenic and selenium by total reflection X-ray fluorescence spectrometry[J].Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,2004,59(9):1481-1484

[11]易鋼,顏玉蓉,鐘梁.靜態化學發光淬滅分析法測定血清硒[J].重慶醫科大學學報（Chinese Journal of Chongqing Medical University）,2006,31(3):119-120,128

[12]孫莉,李方實.催化極譜法測定生物樣品中的微量硒[J].南京工業大學學報：自然科學版，(Chinese Journal of Nanjing University of Technology(Natural Science Edition)),2006,28(3):82-85

[13]Masson P,Orignac D,Prunet T.Optimization of selenium determination in plant samples by hydride generation and axial view inductively coupled plasma atomic emission spectrometry[J].Analytica Chimica Acta,2005,545(1):79-84

[14]Kobayashi K,Katsuya Y,Abdulah R,et al.Rapid and direct determination of selenium,copper,and zinc in blood plasma by flow injection-inductively coupled plasma-mass spectrometry[J].Biological Trace Element Research,2007,115(1):87-93

[15]Zhou Z R,Wang Q,Zhang S Y,et al.Catalytic kinetic spectrophotometric determination of trace selenium (IV)in microemulsion after separation and enrichment by SDG[J].Chinese Journal of Food Science,2008,29(6):292-297

[16]Gudzenko L V,Pantaler R P,Blank A B.Catalytic spectrophotometric determination of nanogram amounts of selenium(IV)[J].Journal of Analytical Chemistry,2004,59(10):935-938

[17]Gong Z J,Zhang X S,Chen G H,et al.Flow injection kinetic spectrophotometric determination of trace amounts of Se(IV)in seawater[J].Talanta,2005,66(4):1012-1017

[18]Parham H,Jafarpoor J.Kinetic-spectrophotometric determination of trace amounts of selenium (IV)based on its catalytic effect on the reduction of brilliant green by sulphide ion[J].Indian Journal of Chemistry Section a-Inorganic Bio-Inorganic Physical Theoretical&Analytical Chemistry,2001,40(12):1362-1364

[19]Gurkan R,Akcay M.Kinetic spectrophotometric determination of trace amounts of selenium based on the catalytic reduction of maxilon blue-SG by sulfide[J].Microchemical Journal,2003,75(1):39-49

[20]Ensafi A A,Lemraski M S.Highly sensitive spectrophotometric reaction rate method for the determination of selenium based on the catalytic reduction of sulfonazo by sulfide[J].Analytical Letters,2004,37(12):2469-2483

[21]Khajehsharifi H,Mousavi M F,Ghasemi J,et al.Kinetic spectrophotometric method for determination of selenium and tellurium using partial least squares calibration[J].Analytica Chimica Acta,2004,512(2):369-373

[22]Rubio S,Pérez-Bendito D.Surfactant to dye binding degree based approach for the selective determination of L-glutamate in foodstuffs[J].Anal.Chem.Acta.,1989,224(2):85-89