鄰二氮菲測定鐵含量實驗的擴充與改進

宋文璟，劉 暢

（大連理工大學化工學院，遼寧盤錦 124221）

0 引言

鄰二氮菲分光光度法測定鐵含量實驗是一項非常經典的儀器分析實驗，利用間接紫外-可見分光光度法（UV-Vis），有助于學生理解相關知識并掌握實驗技能，幾乎所有的實驗教材中都有此實驗［1-6］。該實驗原理為：在pH=2～9 的溶液中，鄰二氮菲與Fe2+按照3∶1的摩爾關系生成穩定的橙紅色絡合物，其最大吸收波長為510 nm，摩爾吸收系數ε=11 kL·（mol·cm）-1，通過使用紫外-可見分光光度計測定該橙紅色絡合物的吸光度值（A）來確定待測溶液中Fe2+的含量。這個實驗視情況可以安排4～8 個學時，若只定量待測Fe2+溶液需4 個學時，再進行實驗條件的優化則另外增加4 個學時。

然而該實驗只涉及UV-Vis 的使用，測試儀器單一，大部分時間消耗在溶液的配制上，達不到儀器分析實驗的教學目標和初衷，還抑制了學生的學習興趣。隨著社會的不斷進步和經濟的迅速發展，越來越多的研究單位和企業都配備了眾多的分析儀器，這就要求學生在本科學習階段盡量多的掌握各種分析儀器的基本理論和操作技能，具備畢業后進入工作崗位獨立開展儀器分析實驗的能力［7-9］。目前儀器分析實驗內容主要涵蓋電化學分析法、光譜分析法（以UV-Vis 和紅外光譜法IR為主）和色譜法，極少涉及原子吸收光譜法（AAS）實驗的教學和應用［10］。AAS 能夠分析元素周期表中絕大多數的金屬與非金屬元素，在醫藥、食品和環境領域均有廣泛的應用［11-13］，因此十分有必要在本科階段的儀器分析實驗中開展AAS 實驗的教學內容。我校是“211”和“985”工程建設重點高校，也是世界一流大學A 類建設高校。為了提高儀器分析實驗的教學質量，充分發揮分析儀器在培養學生核心競爭力中的作用，結合現有的基礎條件和儀器設備，深度挖掘經典實驗，在“鄰二氮菲測定鐵含量”的實驗中增設利用AAS對待測Fe2+溶液進行定量的教學內容，讓學生采用UV-Vis和AAS兩種分析方法對同一樣品進行對比試驗，更加深刻地掌握這兩種儀器的性能特點和優劣。在將該實驗內容擴充的同時，還更新了一些操作方法和數據分析技術，大大提高了該實驗的教學效果。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV8000 紫外-可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；AA6100 原子吸收分光光度計，天美（中國）科學儀器有限公司；ME104 電子天平，梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；1～10 mL單道可變量程移液器，賽默飛世爾科技（中國）有限公司；1～10 mL 可調定量加液器；智能數顯恒溫電加熱套，上海予星儀器設備有限公司。

100 μg/mL 標準Fe2+溶液：取0.702 g（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O固體溶解于500 mL 去離子水中，加入濃硫酸約2 mL，轉移至1 L 容量瓶中，用去離子水定容至刻度。

1 g/L鄰二氮菲溶液：精密稱取1，10-鄰二氮雜菲固體1 g至燒杯中，加入去離子水后在電加熱套上溫熱攪拌12～24 h，全部溶解后將溶液冷卻，用容量瓶定容至1 L。

10 g/L鹽酸羥胺溶液：精密稱取NH2OH·HCl固體10 g，加入去離子水溶解，用容量瓶定容至1 L，臨用時現配。

1 mol/L醋酸鈉溶液：稱取CH3COONa·3H2O 固體136.08 g，用去離子水定容至1 L，避光保存。

1 mol/L 硫酸溶液：由濃硫酸用去離子水稀釋而成。

以上所用試劑均為分析純。

待測樣品為含鐵復合維生素片（Multivitamins Plus Iron），購自TESCO，含鐵標示量為14 mg/片。

1.2 系列標準Fe2+溶液的制備

用移液槍分別精密量取100 μg/mL 標準Fe2+溶液1、2、3 和4 mL于100 mL容量瓶中，依次用可調加液器加入鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液各10 mL，用去離子水定容至刻度，搖勻。4 份標準Fe2+溶液的濃度值分別為1、2、3 和4 μg/mL。

另取一只100 mL容量瓶，不加標準Fe2+溶液，只用可調加液器加入體積均為10 mL的鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液，用去離子水定容至刻度，搖勻，作為試劑空白溶液。

1.3 待測溶液的制備

由于此部分需要較長時間，要求學生在實驗中優先于“1.2”項進行。

取含鐵復合維生素片1 片，精密稱定其質量（g）并記錄，用研缽研磨成粉狀后置于400 mL 大燒杯中，加入200 mL 0.1 mol/L硫酸溶液（讓學生使用量筒自行稀釋1 mol/L 硫酸溶液得到）。然后將大燒杯放在電加熱套上微熱使Fe2+完全溶解（溶解的這段時間學生可進行“1.2”項的操作），冷卻后將溶液轉移至1 L容量瓶中，用去離子水淋洗大燒杯3～4 次，并將淋洗液全部收集到容量瓶中，用去離子水定容容量瓶至刻度，搖勻。此時，容量瓶底殘留有未溶解的藥片包衣，屬正常現象，不會影響測量結果的準確度。最后，用移液槍精密移取上清液10 mL至100 mL容量瓶中，用可調加液器依次加入鹽酸羥胺溶液、醋酸鈉溶液和鄰二氮菲溶液各10 mL，用去離子水定容至刻度，搖勻，作為待測溶液。

1.4 UV-Vis法實驗條件

以試劑空白為參比溶液，采用1 cm 比色皿在350～800 nm波長范圍內掃描系列Fe2+標準溶液和待測溶液的光譜圖，記錄最大波長（λmax）處的A值。

1.5 AAS法實驗條件

采用鐵空心陰極燈和空氣-乙炔火焰原子化器。狹縫寬度為0.2 nm，燈電流為5.0 mA，空氣流量為6.8 L/min，乙炔流量為1.7 L/min，燃燒器高度為6 mm。在248.3 nm波長處測定并記錄系列標準Fe2+溶液和待測溶液的A值。

1.6 鐵含量的測定方法

UV-Vis法和AAS 法均采用標準曲線法測定待測樣品中Fe2+的含量。以系列標準Fe2+溶液的濃度值（μg/mL）為橫坐標，所對應的A值為縱坐標，用Origin軟件繪制標準曲線并使之通過原點，建立擬合方程式。將待測溶液的A值代入擬合方程式，計算容量瓶中待測溶液Fe2+的濃度（μg/mL）。再結合稀釋倍數和稱樣質量計算得到復合維生素片中的鐵含量（mg/g）。

2 結果與討論

2.1 采用UV-Vis法測定鐵含量

系列標準Fe2+溶液所測得的A 值見表1，A 值全部在0～1 范圍內。用Origin 2019 軟件作出A 值與Fe2+濃度的關系圖如圖1 所示。圖中表明，溶液的A值隨溶液中Fe2+濃度的增加而增大，呈線性相關趨勢。采用線性擬合的方式處理實驗數據，圖1 的內插表格為數據擬合參數和誤差分析結果。擬合方程式為y=0.201x+0.010 8，校正決定系數為0.999 47。

表1 UV-Vis法測定系列標準Fe2+溶液的吸光度（A）值

圖1 UV-Vis法測得吸光度（A）與Fe2+濃度線性關系圖

取1 片復合維生素片，精密稱定其質量m=0.359 0 g，按照“1.3”項下操作制備待測溶液，測得其A1=0.292，代入擬合方程式得容量瓶待測溶液Fe2+的濃度為1.40 μg/mL，通過下式計算該復合維生素片的含鐵量為39.0 mg/g，代入取樣量得該片復合維生素片中鐵質量是14.0 mg/片。經與標示量（14 mg/片）比較，建立的UV-Vis 方法能夠準確測定出復合維生素片中的鐵含量。此外，系列標準Fe2+溶液和待測溶液的λmax均為510 nm，通過擬合方程式的斜率計算得鄰二氮菲-Fe2+絡合物的εmax=11.2 kL/（mol·cm），與經驗值完全一致。

2.2 采用AAS法測定鐵含量

采用AAS法測定“2.1”項下的系列標準Fe2+溶液和待測溶液，系列標準Fe2+溶液的A 值如表2 所示，待測溶液A2=0.029。圖2 所示用Origin 2019 軟件繪制的A值與Fe2+濃度的關系，溶液的A值同樣隨著溶液中Fe2+濃度的增加而增大，呈線性相關趨勢。擬合方程式為y=a2x +b2=0.021 4x -0.000 6，校正決定系數為0.999 65。計算得到該片復合維生素片中含鐵量為38.5 mg/g，相當于13.8 mg/片。結果表明，所建立的AAS法同樣能夠準確測定出復合維生素片中的鐵含量。

表2 AAS法測定系列標準Fe2+溶液的吸光度（A）值

圖2 AAS法測得吸光度（A）與Fe2+濃度線性關系圖

3 改進內容與討論

3.1 豐富實驗教學內容

原實驗設計只采用UV-Vis一種定量方法，改進后擴充了AAS法定量。由于AAS法與UV-Vis法使用的是同一份系列標準Fe2+溶液和待測溶液，相比于單獨開設一個AAS法實驗省略了溶液配制的過程，如此設計“性價比”很高。此外，待測樣品通常是教師配制好的模擬樣品，學生直接取用。待測樣品采用商品化含鐵復合維生素片，學生通過簡單的前處理操作即可測定，共存的其他成分不干擾測定，使學生對完整的樣品分析過程有更為切身的體會。通過對比學生的檢測結果和樣品標示量，還能夠檢驗學生實驗操作的準確性。將樣品前處理引入實驗教學中，有助于提升學生綜合運用所學樣品前處理技術解決實際應用問題的能力［14-16］。雖然相對原實驗設計增加了兩個環節，但通過調整實驗方案，如“1.3 項”制備待測溶液的同時進行“1.2 項”配制系列標準Fe2+溶液，將課堂數據處理和完成實驗報告改為課下，可在不增加學時的情況下豐富實驗教學內容。

3.2 采用Origin軟件處理數據

數據處理是儀器分析實驗教學中的重點之一。原實驗中采用Excel軟件繪制標準曲線、擬合方程式，相比于Excel，Origin 能夠直接顯示擬合結果和誤差分析，更加具有指導意義。實驗指導教師則依據工作曲線的校正決定系數、相對偏差、數據精度等信息更合理地評定學生的實驗數據。

3.3 引進最新實驗儀器

原實驗設計要求使用吸量管移取標準Fe2+溶液，考慮到現代科研和實際工作中，吸量管已經被移液槍所取代［17］，改進的實驗中增加了移液槍的使用內容，操作快速、準確。此外，原實驗中鹽酸羥胺、鄰二氮菲和醋酸鈉3種試劑的加入量不同，分別為2、3 和5 mL，學生容易出錯，改進的實驗將鹽酸羥胺、鄰二氮菲和醋酸鈉的加入體積均改為10 mL，并相應修改它們的濃度，同時采用可調加液器取代量筒。通過引進新的小型實驗儀器，極大地提升了學生配制溶液的效率，學生可將時間和注意力集中于大型儀器的操作和使用。

3.4 增加實驗趣味性

相比于模擬樣品，讓學生分析真實的與生活貼近的復合維生素片，且研磨、溶解、定容、定量測定等的每一個環節都有可能影響最終結果的準確性，更能夠激發學生實驗的興趣和求知欲。

4 結語

對鄰二氮菲測定鐵含量這個經典實驗內容進行深度挖掘，分別采用UV-Vis 法和AAS 法兩種方法測定同一片復合維生素片劑中的含鐵質量（mg/g），內容包括標準溶液的配制、標準曲線的建立、樣品溶液的制備、樣品溶液的測量和Origin 數據處理等一套完整的分析過程。實驗可安排4 學時，每次指導16 名學生，每個學生自成1 組，獨立完成所有的實驗內容。實驗室為學生提供16 臺紫外-可見分光光度計和2 臺原子吸收光譜儀，學生在課堂上只需獲取原始數據，課后處理、計算和撰寫實驗報告。為了防止學生課后竄改數據，要求學生在實驗中將原始數據書寫到二聯復寫紙上，離開實驗室前提交復寫聯。通過1 年多的實踐，改進后的實驗取得了良好的教學效果。