兩種分光光度法測定樣品中鐵含量的比較
——以化學實驗技術技能大賽為例*

陳德霞，李勇輝，黎 亞，張渝秀，王 姝

(宜賓職業技術學院新材料與化工能源學院，四川 宜賓 64400)

化學實驗技術是利用現代化學技術對各類天然或合成材料進行物理常數與化學性質測定、定性與定量分析、制備與合成的專門技術技能。依據《2021年全國職業院校技能大賽賽項規程 GZ-2021026 化學實驗技術賽項》[1]，化學實驗技術賽項由三個模塊組成，涉及物質的定性分析、定量分析、制備和質量控制。其中，B模塊：樣品中鐵含量的測定，參考標準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定試樣中的鐵含量，即基于特定pH條件下，不同價態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處測量的吸光度符合朗伯—比爾定律(Lambert-Beer)。

依據化學實驗技術賽項規程、樣題、過程性考核評分表，參照相關檢測標準，建立了兩種分光光度法測定樣品中鐵含量的方法。兩種檢測方法的一致性評價主要有配對t檢驗、簡單相關性分析、比對及偏倚評估和Bland-Altman法等方法[5-8]，但相對復雜，且有一定的局限性，因此，本文擬依據化學實驗技術賽項結果性考核評分表，通過標準曲線的相關性、精密度、準確度、F檢驗、t檢驗對兩種方法進行一致性評價。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 1,10-菲啰啉分光光度法測定鐵含量的原理

依據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，Fe2+與1,10-菲啰啉生成穩定的橙紅色絡合物，在分光光度計最大吸收波長處(510 nm)測定其吸光度。

1.1.2 磺基水楊酸分光光度法測定鐵含量的原理

依據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，Fe3+與磺基水楊酸生成穩定的黃色絡合物，在分光光度計最大吸收波長處(420 nm)測定其吸光度。

1.2 實驗材料

1.2.1 鐵標準溶液

國家標準樣品(GSB 04-1726-2004)標準值：1000 μg/mL(國家有色金屬及電子材料分析測試中心)。

1.2.2 鐵使用溶液

移取樣品鐵標準溶液(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、過氧化氫等化學試劑(均為分析純，成都市科隆化學品有限公司生產)。

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GB/T 3049—2006配制)；5)氨水溶液(1+1)；6)過氧化氫(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GB/T 603-2002配制)；10)硫酸溶液(質量分數為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(質量分數為25%)，移至 1000 mL 容量瓶中，用去離子水(RO)稀釋至刻度，搖勻)。

1.3 儀器設備

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

1.4 繪制標準曲線

1.4.1 1,10-菲啰啉分光光度法標準曲線

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

2)溶液顯色：上述鐵標準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)將上述標準系列溶液調至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)繪制標準曲線：在最大吸收波長(約 510 nm)處，以不加鐵標準溶液的一份為參比，測定鐵標準系列溶液的吸光度。以質量濃度為橫坐標，以相應的吸光度為縱坐標繪制標準曲線，參數如表1所示。

表1 繪制標準曲線(1,10-菲啰啉分光光度法)

4)擬合方程

擬合方程：ρ=5.049527A-0.000234；相關系數：R=0.99999797。

1.4.2 磺基水楊酸標準曲線

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

2)溶液顯色：上述鐵標準系列溶液采用下述方式處理。如有必要，先加3滴過氧化氫(1+9)，用氨水溶液(1+1)將上述標準系列溶液調至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)繪制標準曲線：在最大吸收波長(約 420 nm)處，以不加鐵標準溶液的一份為參比，測定鐵標準系列溶液的吸光度。以質量濃度為橫坐標，以相應的吸光度為縱坐標繪制標準曲線，參數如表2所示。

表2 繪制標準曲線(磺基水楊酸分光光度法)

4)擬合方程

擬合方程：ρ=10.031404A-0.011126；相關系數：R=0.99999743。

最后進入學生獨立讀寫階段（Independent Construction），用補充材料Text C讓學生獨立進行學習，至此學生在教師的一步步引導下，以學生為主導，最后能獨立地閱讀和寫作。在KWL+理論和教與學循環理論的指導下，真正把閱讀和寫作有機地結合起來，實現了輸入和輸出的轉化，提高了學生的學習興趣，增強了閱讀和寫作能力。

1.5 試樣中鐵含量的測定

1.5.1 測定方法

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

1,10-菲啰啉分光光度法：準確移取 5.00 mL 未知鐵試樣溶液于 100 mL 容量瓶中，配制成約 40 μg/mL 鐵待測溶液(稀釋20倍)；準確移取 5.00 mL 鐵待測溶液于 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。在最大吸收波長處進行吸光度測定。平行測定6次。

磺基水楊酸分光光度法：準確移取 5.00 mL 未知鐵試樣溶液于 100 mL 容量瓶中，配制成約 40 μg/mL 鐵待測溶液(稀釋20倍)；準確移取 5.00 mL 鐵待測溶液于 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。在最大吸收波長處進行吸光度測定。平行測定 6 次。

2)由測得吸光度從標準曲線計算待測溶液中鐵的濃度，根據未知鐵試樣溶液的稀釋倍數，求出未知鐵試樣溶液中鐵含量。

1.5.2 計算公式

以質量濃度ρ(Fe)計，數值以mg/L表示。取6次測定結果的算術平均值作為最終結果，結果保留4位有效數字。

ρ(Fe)=ρx×n

式中：ρ(Fe)為試樣中鐵的質量濃度，μg/mL；ρx為從標準曲線計算的待測溶液中鐵質量濃度，μg/mL；n為試樣溶液的稀釋倍數。

2 結果與分析

2.1 標準曲線的相關性

兩種方法的標準曲線相關性如表3所示。

表3 兩種方法的標準曲線相關性

依據化學實驗技術賽項結果性考核評分表，兩種方法的標準曲線相關性均滿足考核要求(相關系數R≥0.999995)，檢測方法可行。

2.2 檢測結果分析

分別采用兩種方法測定未知鐵試樣溶液中的鐵含量，平行測定6次，結果如表4所示。

表4 兩種方法的檢測結果

依據化學實驗技術賽項結果性考核評分表，兩種方法的精密度、準確度均滿足考核要求(未知液吸光度值的極差=0.001；|相對誤差|≤0.5%)，檢測結果有效。

2.3 一致性評價

對上述檢測結果進行F檢驗、t檢驗，結果如表5所示：

表5 兩種方法檢測結果的F檢驗、t檢驗結果

若采用顯著性水平α=0.05的F雙側檢驗，查F分布表得F0.975(5,5)=0.140，F0.025(5,5)=7.15，因此，F0.975(5,5)

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

2.4 差異性分析

1)對比兩種方法的實驗原理發現，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+，再進行顯色反應；而磺基水楊酸分光光度法直接測定Fe3+，從反應的角度，磺基水楊酸分光光度法不受還原劑及氧化還原反應進程的影響。

2)對比兩種方法的擬合方程發現，與1,10-菲啰啉分光光度法相比，溶液中鐵含量相同時，磺基水楊酸分光光度法的吸光度值A偏小，即吸光系數偏小，這與反應生成的絡合物及其最大吸收波長等因素有關。

3 結論

1)依據化學實驗技術賽項規程、樣題、過程性考核評分表，參照相關檢測標準，建立了兩種分光光度法測定樣品中鐵含量的方法，兩種方法的標準曲線相關系數R≥0.999995，滿足檢測要求，檢測方法可行。

2)兩種方法測定待測液吸光度值的極差=0.001，|相對誤差|≤0.5%，精密度與準確度均達到化學實驗技術賽項結果性考核要求，檢測結果有效。

3)經F檢驗、t檢驗，兩種方法的方差與平均值無顯著性差異，檢測結果是一致的。

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