馬立利，丁奇，許雯，王勝楠，曹麗華，郎爽，邵鵬，賈麗

（1.北京市理化分析測(cè)試中心，北京市食品安全分析測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100089；2.南京海關(guān)工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)中心，南京 210011）

滴定分析法又稱容量分析法，是將一種已知準(zhǔn)確濃度的試劑（標(biāo)準(zhǔn)溶液）通過(guò)滴定管滴加到被測(cè)物質(zhì)的溶液中，或者是將被測(cè)物質(zhì)的溶液滴加到標(biāo)準(zhǔn)溶液中，直到所加的試劑與被測(cè)物質(zhì)按化學(xué)計(jì)量關(guān)系定量反應(yīng)完全為止，然后根據(jù)試劑溶液的濃度和用量等，計(jì)算被測(cè)物質(zhì)的含量或濃度［1］。

電位滴定法是滴定分析方法中的一種，它根據(jù)滴定過(guò)程中指示電極電位的變化來(lái)確定終點(diǎn)。滴定時(shí)，在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)附近，由于被測(cè)物質(zhì)的濃度產(chǎn)生突變，使指示電極電位發(fā)生突躍，從而確定滴定終點(diǎn)［2］。用電位滴定法的電位變化取代經(jīng)典滴定法指示劑的顏色變化確定終點(diǎn)，其測(cè)量精度和準(zhǔn)確度均有提高，且拓展了應(yīng)用范圍，可以應(yīng)用于有色和渾濁溶液的分析。但是電位滴定法中只有原理為氧化還原反應(yīng)的方法易實(shí)習(xí)自動(dòng)化［3］，且該方法消耗溶劑較多，若滴定液中含有有毒、有害物質(zhì)［4］，則很可能會(huì)危害人體健康。

光度滴定法是在滴定過(guò)程中用光度計(jì)記錄吸光度的變化（即顏色變化），從而求出滴定終點(diǎn)，適用于反應(yīng)完全程度差的體系，能測(cè)定底色較深的溶液，且能檢測(cè)較稀溶液中吸光度的微小變化，因而可滴定低含量的組分。光度滴定法可用于酸堿、氧化還原、沉淀和絡(luò)合滴定，且用于絡(luò)合滴定時(shí)，靈敏度比目視法高，測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確。另外，該方法試劑的用量少［4］，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴定，從而在一定程度上較好的取代電位滴定法。

目前，還未有文獻(xiàn)系統(tǒng)研究光度滴定法在分析化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用情況。筆者介紹了光度滴定法的基本原理和裝置，并對(duì)其在食品、藥品、化工等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況進(jìn)行評(píng)述，以期為其在其它領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考，并為國(guó)內(nèi)以光度計(jì)為基礎(chǔ)的光度滴定裝置的研制提供理論依據(jù)。

1 光度滴定法基本原理

光度滴定根據(jù)溶液顏色變化轉(zhuǎn)變?yōu)榈碾娦盘?hào)或吸光度確定滴定終點(diǎn)，從而進(jìn)行定量分析。以電信號(hào)為定量依據(jù)時(shí)，采用光度電極或光度計(jì)通過(guò)溶液顏色變化獲得吸光度或透光率，該參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并傳遞給電位滴定儀，最終給出終點(diǎn)所對(duì)應(yīng)消耗滴定劑的體積，從而計(jì)算出樣品中目標(biāo)物的含量［5］。通過(guò)吸光度確定終點(diǎn)時(shí)，利用光度計(jì)測(cè)得滴定過(guò)程中待測(cè)液顏色引起的吸光度變化，做出光度法的滴定曲線，由曲線上的吸光度突變點(diǎn)得出滴定終點(diǎn)。滴定過(guò)程中，吸光度的變化遵循朗伯–比爾定律［6］。

2 裝置

以電信號(hào)為滴定終點(diǎn)判定依據(jù)時(shí)，通常采用配備有光度電極或光度計(jì)的電位滴定系統(tǒng)。通過(guò)吸光度確定滴定終點(diǎn)時(shí)，是將分光光度法引入到滴定分析中，設(shè)計(jì)光度滴定儀。

2.1 配備光度電極的電位滴定系統(tǒng)

光度電極是與電位滴定儀一起使用的光度探針，可以用于光學(xué)比色反應(yīng)的等當(dāng)量終點(diǎn)的檢測(cè)。每個(gè)光度電極的探針中有一個(gè)發(fā)射特定波長(zhǎng)的LED燈，可以將此波長(zhǎng)的光發(fā)射到樣品溶液中?；瘜W(xué)反應(yīng)過(guò)程中溶液顏色會(huì)發(fā)生變化，引起光吸收強(qiáng)度的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，以此確定滴定終點(diǎn)。

采用配備光度電極的電位滴定裝置檢測(cè)時(shí)，通常是將樣品處理后加入指示劑，確定光度電極最優(yōu)波長(zhǎng)，在該波長(zhǎng)下進(jìn)行滴定，識(shí)別終點(diǎn)［5，7–8］。有研究采用分光光度計(jì)掃描滴定終點(diǎn)前后溶液，比較其譜圖，確定測(cè)定波長(zhǎng)，然后在該波長(zhǎng)條件下進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn)［8］。

2.2 光度滴定儀系統(tǒng)

Muller使用經(jīng)典的光電池光度計(jì)進(jìn)行了首次的光度滴定，通過(guò)光電探測(cè)器持續(xù)監(jiān)測(cè)滴定過(guò)程中的光吸收變化，克服了指示劑滴定法肉眼判斷終點(diǎn)誤差較大的問(wèn)題［9］。隨后，第一臺(tái)分光光度計(jì)問(wèn)世，光度滴定應(yīng)用越來(lái)越廣泛［10］。汪敬武等［11］將分光光度計(jì)改裝為光度滴定儀，再聯(lián)用單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成全自動(dòng)光度滴定儀，把反應(yīng)所需的試劑溶液輸送管道化，測(cè)定時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)關(guān)時(shí)間控制流量。Reis團(tuán)隊(duì)［12］研發(fā)了一款低成本滴定裝置（圖1），通過(guò)判斷指示劑顏色的變化利用三通電磁閥控制滴定溶液，實(shí)現(xiàn)了光度滴定的自動(dòng)化。

圖1 Reis團(tuán)隊(duì)研發(fā)的自動(dòng)光度滴定儀示意圖

此外，還有學(xué)者自制可用于滴定操作的比色皿，加入樣品和指示劑，放入分光光度計(jì)中，在毛細(xì)滴管攪拌下，用溶劑滴定，根據(jù)吸光值或透光率的突變判定終點(diǎn)［13］。劉亞榮等［14］將分光光度法引入滴定分析中，利用鎢燈光源提供入射光，經(jīng)單色器分解后變?yōu)閱紊猓詈笥晒饫w傳輸給錐形檢測(cè)滴定瓶。檢測(cè)滴定瓶中的待測(cè)溶液與從滴定管滴入的標(biāo)準(zhǔn)溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，顏色發(fā)生變化。檢測(cè)器檢測(cè)該變化，將透過(guò)錐形檢測(cè)滴定瓶的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，即吸光度，于顯示器中顯示，從而完成了滴定終點(diǎn)的監(jiān)測(cè)過(guò)程。該滴定終點(diǎn)判斷儀使滴定終點(diǎn)判定更加準(zhǔn)確，且不易受外界環(huán)境影響。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微量滴定受到越來(lái)越多的關(guān)注。微量光度滴定法結(jié)合了分光光度法靈敏度高及滴定分析準(zhǔn)確性好的優(yōu)點(diǎn)，以微量進(jìn)樣器在待測(cè)溶液中滴加溶劑，記錄滴定過(guò)程中目標(biāo)參數(shù)的吸光度變化，確定滴定溶劑與目標(biāo)參數(shù)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，從而進(jìn)行定量分析［15］。微量滴定具有試劑用量少，成本低，污染小的特點(diǎn)［16］。

流動(dòng)注射分析技術(shù)的出現(xiàn)使得批量滴定成為可能［17］，有人將被滴定溶液與滴定溶劑、指示劑混合，作為載液輸入到光檢測(cè)器中，溶液分散后反應(yīng)最終形成兩個(gè)等電點(diǎn)，利用半峰高和被滴定溶液濃度對(duì)數(shù)的線性關(guān)系進(jìn)行定量分析［18］。類似研究都需要事先進(jìn)一系列標(biāo)準(zhǔn)滴定液以獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線，操作比較復(fù)雜。Reis團(tuán)隊(duì)［19］采用多元流動(dòng)分析系統(tǒng)，設(shè)定滴定溶劑和被滴定溶液的流量，通過(guò)指示劑顏色變化確定光度滴定的終點(diǎn)。該裝置由一個(gè)單線輸送通道、三個(gè)電磁閥組裝而成，用于控制樣品、滴定溶液和載液。載液流量恒定，樣品和滴定溶劑體積隨著時(shí)間變化，軟件依據(jù)光度計(jì)儲(chǔ)存的先前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)識(shí)別終點(diǎn)。該步驟不需要標(biāo)準(zhǔn)曲線，且無(wú)需人工操作，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)滴定［20–21］。隨后該團(tuán)隊(duì)不斷對(duì)該裝置進(jìn)行改進(jìn)，將其應(yīng)用到食品、藥品、材料等分析領(lǐng)域［22–28］。光度滴定的流量分析模塊示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 Reis團(tuán)隊(duì)研發(fā)的光度滴定的流量分析模塊示意圖

3 應(yīng)用

目前，光度滴定法已應(yīng)用于食品、藥品、化工、材料、環(huán)境、能源等多個(gè)領(lǐng)域，近十年的應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 光度滴定法在各領(lǐng)域中的應(yīng)用

3.1 食品

光度滴定法在食品分析領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在食品樣品中目標(biāo)參數(shù)的測(cè)定或食品添加劑花旗松素對(duì)自由基的清除作用。

Reis團(tuán)隊(duì)以多元流動(dòng)分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，調(diào)整流路系統(tǒng)、光度計(jì)和前處理方法，實(shí)現(xiàn)多種食品樣品的檢測(cè)。Garcia等［22］以發(fā)光二極管為基礎(chǔ)，自制光度計(jì)，通過(guò)多重切換的流動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光度滴定法測(cè)定紅酒中的總酸，克服了酚酞作為指示劑時(shí)，由于紅酒在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有較大吸收而使得光度滴定無(wú)法準(zhǔn)確判定終點(diǎn)的難題。Crispino等［23］采用小型化多元流動(dòng)裝置測(cè)定橄欖油的酸度，滴定過(guò)程采用氫氧化鉀的正丙醇溶液，首次實(shí)現(xiàn)非水環(huán)境下的光度滴定，該方法通過(guò)模仿手動(dòng)操作過(guò)程，切換裝置流路，避免了用校正曲線的方式得到酸的濃度。Dias等［24］采用多元流動(dòng)分析系統(tǒng)，利用光度法測(cè)定罐裝食品中的錫，該系統(tǒng)由一套三通電磁閥控制溶劑，含有多個(gè)注射器的單元推進(jìn)流體，PIC微控制器控制分析過(guò)程，并處理數(shù)據(jù)。光度滴定采用自制的光度計(jì)，由一個(gè)LED、一個(gè)光電二極管和自制流動(dòng)池組成。該方法具有高采樣量、低溶劑消耗、廢物產(chǎn)生量低等優(yōu)點(diǎn)，環(huán)境友好，滿足綠色化學(xué)的宗旨。Silva等［25］利用帶有長(zhǎng)程流通池的自制LED光度計(jì)，開(kāi)發(fā)了一種無(wú)試劑光度法，測(cè)定蒸餾乙醇飲料中的乙醇，從而評(píng)價(jià)紋影效應(yīng)。該方法同樣采用多元流動(dòng)分析系統(tǒng)，用微型電磁泵推進(jìn)流體，流速控制和數(shù)據(jù)采集通過(guò)串行接口由微控制器執(zhí)行。Lima等［26］利用一個(gè)流量分析裝置實(shí)現(xiàn)光度滴定的全自動(dòng)化，該裝置包括一個(gè)自制注射泵和系列電磁閥，在多元流動(dòng)分析系統(tǒng)基礎(chǔ)上組裝用于溶液處理。樣品中酸的濃度不用校正曲線定量，可以實(shí)現(xiàn)真正的滴定。

李維香等［35］采用一種新型的全自動(dòng)脂肪酸值測(cè)定儀，利用光度滴定的原理，檢測(cè)稻谷、玉米和小麥粉等糧食樣品。以無(wú)水乙醇提取目標(biāo)物，百里酚藍(lán)指示液為指示劑，用氫氧化鉀標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定。通過(guò)光學(xué)傳感器檢測(cè)記錄透過(guò)被測(cè)溶液的光能量變化，得到被測(cè)溶液的顏色變化，再通過(guò)微處理系統(tǒng)，識(shí)別和控制滴定過(guò)程。與電位滴定法和手工滴定法相比，該方法自動(dòng)化程度高，且一次可同時(shí)完成8個(gè)樣品的檢測(cè)，大大節(jié)約人工成本，提高工作效率。

盧怡雯等［29］采用微量光度滴定法研究了花旗松素對(duì)DPPH自由基的清除作用，通過(guò)滴定曲線計(jì)算花旗松素與自由基被清除量的化學(xué)計(jì)量比，以評(píng)價(jià)花旗松素的抗氧化能力。傳統(tǒng)方法以EC50%評(píng)價(jià)抗氧化物質(zhì)清除DPPH自由基的活性時(shí)，EC50%隨DPPH初始量的不同而變化，可比性較差。該法所用的清除計(jì)量比R，在DPPH初始量高于1.27×10–7mol時(shí)，所得R值幾乎相同，克服了EC50%的不足。該方法具有試劑用量少、操作簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

3.2 藥品

與食品領(lǐng)域相似，光度滴定法常被應(yīng)用于藥物成分含量分析和對(duì)DPPH自由基的清除作用的測(cè)定。

Lima等［27］利用光散射效應(yīng)和多元流動(dòng)分析系統(tǒng)測(cè)定藥物中的洛沙坦，多元流動(dòng)分析系統(tǒng)用微型電磁泵推進(jìn)流體，自制光度計(jì)，配備長(zhǎng)光程流通池，可以達(dá)到高通量分析和低廢液產(chǎn)出的目的，能夠滿足綠色化學(xué)指南的要求，具有環(huán)境友好的特點(diǎn)。

方梅等［30］建立了測(cè)定鹽酸地爾硫?含量的目視滴定法，并設(shè)計(jì)出擴(kuò)展為光度滴定法的概要，為目視滴定法變換為光度滴定法提供范例。

劉萍等［15］結(jié)合分光光度法靈敏度高及滴定分析準(zhǔn)確性好的優(yōu)點(diǎn)，用微量進(jìn)樣器向DPPH溶液中滴加活性成分，記錄滴定過(guò)程中DPPH的吸光度變化，確定活性成分與DPPH反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，以此評(píng)價(jià)活性成分清除DPPH的能力。該方法樣品使用量少，具有準(zhǔn)確性好、簡(jiǎn)單、易于普及、成本低等特點(diǎn)，為抗氧化活性的微量化檢測(cè)提出了一種新的思路。

3.3 化工

在化工領(lǐng)域，光度滴定法是采用配備光度電極的電位滴定系統(tǒng)，測(cè)定礦石中鐵、銅、鉛等金屬含量［4，7–8，16，31–33，36］。

彭速標(biāo)等［36］建立了微波輔助消解–微型自動(dòng)光度滴定法測(cè)量銅的方法，用自編的程序?qū)⑽舛冗M(jìn)行體積校正后，確定滴定終點(diǎn)。而黎香榮等［31］認(rèn)為上述方法操作復(fù)雜，無(wú)法自動(dòng)計(jì)算終點(diǎn)，為此提出以E（電壓）–V（體積）為滴定曲線進(jìn)行定量，測(cè)定時(shí)無(wú)需進(jìn)行體積校正，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算滴定終點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化操作步驟。且該文指出在滴定前加入氟化鉀溶液可消除銅精礦樣品中鐵對(duì)測(cè)定的干擾，按照實(shí)驗(yàn)方法對(duì)銅精礦標(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)際樣品測(cè)定，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)準(zhǔn)方法基本一致。

劉錦等［33］測(cè)定濕法練鋅流程中鈷渣浸出液中Zn2+和Co2+的合量，以EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液為滴定劑，二甲酚橙為指示劑，光度電極光源574 nm波長(zhǎng)為探測(cè)波長(zhǎng)，滴定完成時(shí)二甲酚橙–Zn2+紫色絡(luò)合物完全分解變?yōu)辄S色，溶液顏色的變化由光度電極轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而得到EDTA標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定體積與電壓信號(hào)變化的曲線，進(jìn)而計(jì)算出Zn2+和Co2+的含量。

3.4 其它領(lǐng)域

除食品、藥品和化工領(lǐng)域外，光度滴定法還可以應(yīng)用于材料、環(huán)境和能源領(lǐng)域中，測(cè)定樣品中的目標(biāo)參數(shù)。

周麗華等［5］使用光度計(jì)識(shí)別溶液顏色變化，將透光率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳遞給電位滴定儀，輸出滴定曲線，自動(dòng)判定終點(diǎn)，從而計(jì)算出聚酯片中端羧基的含量。優(yōu)化溶液攪拌速度可以避免因旋起氣泡多而對(duì)電極電位穩(wěn)定性帶來(lái)的影響；靜態(tài)滴定模式下測(cè)定溶劑空白，重復(fù)性好，精密度高，動(dòng)態(tài)模式下進(jìn)行樣品測(cè)試，分析時(shí)間短，工作效率高。

郭少為等［6］針對(duì)重鉻酸鹽法（GB／T 11914–1989）測(cè)定化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）時(shí)存在指示劑判斷滴定終點(diǎn)有視覺(jué)誤差的問(wèn)題，提出了光度滴定法測(cè)定COD的建議。通過(guò)測(cè)量滴定終點(diǎn)溶液在不同的波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的吸光度，繪制出波長(zhǎng)與吸光度的曲線，從而確定最佳吸收波長(zhǎng)為510 nm。在510 nm處以硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，以其消耗量為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)，繪制光度滴定曲線，將吸光度突變點(diǎn)作為滴定終點(diǎn)，最終計(jì)算環(huán)境水樣中的COD。該方法從光學(xué)角度解決了視覺(jué)帶來(lái)的誤差，提高了方法的準(zhǔn)確度和精密度，并實(shí)現(xiàn)了儀器的自動(dòng)化。

Lima等［28］采用了二進(jìn)制搜索算法和多元流動(dòng)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)光度滴定測(cè)定乙醇燃料的酸度。其溶液控制設(shè)備包括自制注射泵和一套電磁閥，多元流動(dòng)分析系統(tǒng)由電磁閥組裝而成，作為單獨(dú)的交換裝置，便于在不降低準(zhǔn)確度的前提下控制小體積的溶劑，從而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)光度滴定。該方法同樣不需要校正曲線定量，廢液體積是傳統(tǒng)方法的十分之一，滿足綠色化學(xué)關(guān)于減廢的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

光度滴定法是以待測(cè)組分、滴定劑、反應(yīng)產(chǎn)物在滴定過(guò)程中吸光度的變化確定滴定終點(diǎn)的分析方法。光度滴定法能在底色較深的溶液和無(wú)色溶液中進(jìn)行滴定，易檢測(cè)微弱吸光度變化，可準(zhǔn)確確定滴定終點(diǎn)。

我國(guó)的光度滴定法多是用配備有光度電極的電位滴定系統(tǒng)操作，需要事先用光度計(jì)確定最優(yōu)波長(zhǎng)，然后用電位滴定系統(tǒng)進(jìn)行滴定分析，其本質(zhì)是電位滴定。國(guó)外多是采用多元轉(zhuǎn)換的流路系統(tǒng)、光度計(jì)自動(dòng)光度滴定系統(tǒng)，不需要用校正曲線定量，更加方便快捷。因此，在大力推進(jìn)光度滴定技術(shù)廣泛應(yīng)用的同時(shí)，我國(guó)還需要開(kāi)發(fā)一些通過(guò)吸光度確定滴定終點(diǎn)的光度滴定系統(tǒng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)溶劑輸送準(zhǔn)確、滴定終點(diǎn)易于判斷、檢測(cè)速度快、全自動(dòng)的目的。