BZ振蕩法測定維生素C的含量

于 敏，王傳嶺，張嘉嫻

(嘉應學院醫學院，廣東 梅州 514031)

維生素C，即抗壞血酸，具有還原性，能參與機體的氧化還原反應，清除自由基，提高機體免疫力，是人體機能得以正常運行的必需物質。水果和蔬菜中富含維生素C，是人體所需維生素C的重要來源，因此，需要對水果和蔬菜中的維生素C含量的測定進行研究[1-2]。目前常見的檢測維生素C的方法有分光光度法[3-4]、高效液相色譜法[5-6]、電化學法[7]、間接原子吸收法[8-9]等。

BZ振蕩反應是指在酸性介質中，在催化劑的作用下，具有活潑亞甲基的有機酸、酮、酯等化合物被溴酸鹽氧化的反應，催化劑一般是可變價金屬離子對。在反應過程中，體系中某些物質的濃度會隨反應時間呈現規則振蕩[10-11]。因BZ振蕩反應對外界的擾動敏感，因此可以利用振蕩反應對外界物質的含量進行分析測定[11-16]。一般BZ振蕩體系采用硫酸為反應介質，本實驗選擇用硫酸-磷酸混酸來提供酸性環境，來檢測維生素C的含量，發現檢測效果更好。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

BZ 振蕩反應實驗系統 BZOAS-ⅡS (南京南大萬和科技有限公司),232型甘汞電極,213 型鉑電極，超級恒溫水浴 CS-501 型(上海實驗儀器廠)，超純水機 MING-CHE (法國 Merck Millipore)硫酸、磷酸、丙二酸、溴酸鉀、硫酸鈰銨、維生素C等均為分析純，實驗用水為超純水。

1.2 實驗方法

打開BZ 振蕩反應實驗系統及電腦記錄軟件，以鉑電極和甘汞電極分別作為工作電極和參比電極，設定反應溫度為30℃，恒定磁力攪拌器轉速，向反應器中依次加入丙二酸、溴酸鉀、混酸，混合均勻后，加入硫酸鈰銨，同時利用電腦記錄振蕩曲線，當系統進入規則振蕩后，加入不同濃度的維生素C并記錄振蕩參數。

2 結果與討論

2.1 實驗條件優化

振蕩系統中的反應物的濃度會影響振蕩圖形，誘導期、周期和振幅均有改變，實驗表明，維生素C的含量的負對數與周期(T)變化值有良好的線性關系，而其他參數線性關系較差，因此，改變反應物的濃度，可以提高對干擾物的靈敏度，結果如圖1所示。

圖1 各實驗因素對振蕩周期T的影響Fig.1 The influence of experimental factors of malonic acid (a),the mixture of acids (b), potassium bromate (c),ammonium cerous sulfate (d),on the oscillation period T

B-Z振蕩反應體系以丙二酸為有機底物，只有當丙二酸的濃度高于0.4mol/L時，才能為引起B-Z振蕩提供足夠的能量。在丙二酸的濃度為0.9mol/L時振蕩周期最大，因此，確定丙二酸的濃度為0.9mol/L。

B-Z振蕩反應一般由硫酸提供酸性環境，采用磷酸代替部分硫酸后，由于磷酸會與Ce4+發生沉淀反應，因此會導致振蕩反應振幅減小，周期增加，當磷酸占比增加到一定程度后，振蕩反應無法發生。實驗發現，磷酸存在會增加維生素C對系統擾動的幅度，同時，為研究磷酸對體系的影響，所以選擇磷酸占硫酸磷酸的體積分數為60%。

溴酸鉀是BZ反應中的氧化劑，實驗發現，當KBrO3的濃度低于0.2mol/L時，產生的Br-濃度太低以致于不能產生振蕩行為。當溴酸鉀的濃度為0.5mol/L時，體系的振蕩周期最大，選定溴酸鉀濃度為0.5mol/L。

硫酸鈰銨中的Ce4+是整個反應中的催化劑，考察了Ce4+在0.002～0.008mol/L范圍內對化學振蕩圖形穩定性的影響，選擇0.008mol/L作為實驗濃度。

2.2 維生素C對BZ振蕩反應的影響

待化學振蕩體系穩定后，在振蕩電勢到達最低點時，用微量注射器分別加入不同濃度的維生素C溶液，得到擾動圖譜。如下圖所示為加入1mL 0.25mg/mL維生素C所產生的的擾動圖譜，其中圖2為以硫酸為酸性介質下的振蕩圖譜，圖3為以硫酸-磷酸混酸為酸性介質下的振蕩圖譜，可以發現,采用磷酸取代硫酸會降低維生素C對于振幅的擾動,振幅變化從29mv降低到10mv，但能夠增加對于周期的擾動，周期變化值從接近0s增加到4s左右，本實驗選擇磷酸條件下考察振蕩周期受維生素C濃度的影響。

圖2 硫酸條件下維生素C對振蕩體系的影響Fig.2 effect of vitamin C on the oscillating system under sulfuric acid conditions

圖3 硫酸-磷酸混酸條件下維生素C對BZ振蕩體系的影響Fig.3 effect of vitamin C on the oscillating system under mixed acid conditions

2.3 標準曲線的建立

在上述選定條件下，考察不同濃度維生素C對于BZ振蕩反應的影響。配置一系列不同濃度的維生素C溶液，待振蕩系統穩定后加入維生素C溶液，記錄振蕩曲線。對振蕩曲線進行分析，發現，當維生素C的濃度在0.03125mg/mL～0.25mg/mL范圍內時，維生素C濃度的負對數(-logC)與其體系振蕩周期的改變量△T存在一定的線性關系，其線性回歸方程為△T=2.3313logC +7.6579,線性相關系數R=0.9450，標準曲線見圖4，為驗證實驗的準確性和重現性，在同一條件下進行10次平行試驗，計算標準偏差為2%，方法具有可行性。

圖4 △T與維生素C濃度的負對數的線性關系Fig.4 linear relationship between △T and the negative logarithm of vitamin C concentration

2.4 可能的反應機理

B-Z振蕩反應反應機理復雜，比較經典的機理是Field,Koros和Noyes的FKN模型[10，17]，該模型包括20個基元反應，且Br-和HBrO2是其中兩個關鍵組分。該反應的總反應為：

其反應機理中主要反應有：

BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O

(2)

BrCH(COOH)2+4Ce4++HOBr+H2O→2Br-+3CO2↑+4Ce3++6H+

(3)

根據FKN機理，磷酸取代硫酸可能對振蕩反應體系造成如下影響：

其次，由于硫酸的酸性強于磷酸，以磷酸取代硫酸會導致溶液中氫離子濃度降低，根據FKN機理，反應中許多反應均為酸催化機理，因此磷酸的加入會增加pH值，降低反應速率，增加反應周期。

其三，磷酸含量的增加會增加溶液的離子強度，增強溶液的鹽效應，有利于各反應速率的提高，降低反應周期，以上三個作用導致的結果是反應周期先增加后減小。

最后，磷酸根具有較強的配位能力，在一定濃度下與Ce(IV)會發生沉淀反應，能夠降低溶液中Ce(IV)的活度，進一步的降低電對的電極電勢，振幅減小。

向振蕩體系中加入維生素C后，反應周期延長，振幅增加，并且磷酸存在下周期變化明顯而振幅變化減弱，原因可能是：

首先，維生素C是一種常見的還原劑，它的烯二醇結構能夠與反應體系中的溴發生氧化還原反應，生成溴離子，使得A組反應時間延長，反應周期增加，該組反應需要氫離子參與，磷酸存在時，氫離子濃度較低，反應更慢，因此變化更加明顯。

其次，維生素C含有多羥基結構，具有一定的配位能力，可以與金屬離子產生不同程度的配位作用，導致Ce4+/Ce3+電極電勢改變，電位降低，導致振幅增加，當磷酸存在時，由于磷酸根本身即具有很好的配位能力，因此可以和維生素C產生競爭反應，從而導致維生素C對振蕩體系振幅的影響減弱。

3 結論

本文研究了以磷酸-硫酸混酸替代硫酸提供酸性環境下BZ振蕩反應的基本規律，并使用該體系測定維生素C的含量；研究發現維生素C濃度C的負對數與振蕩周期改變值△T在0.03125～0.25mg/mL范圍內具有良好的線性關系，△T =2.3313logC +7.6579,線性相關系數R=0.9450；維生素C和磷酸均在人體中廣泛存在且發揮了重要的生理功能，本文研究發現，磷酸存在條件下，維生素C會對BZ振蕩反應產生特殊影響，這一實驗事實能夠加深對維生素C在人體內作用機理的理解，具有一定的指導意義。