ABTS显色分光光度法测定水中微量高锰酸钾

'第29卷第3期环境科学学报Vo.l29,No.32009年3月ActaScientiaeCircumstantiaeMar.,2009马军,杨晶晶,赵吉.2009.ABTS显色分光光度法测定水中微量高锰酸钾[J].环境科学学报,29(3):668-672MaJ,YangJJ,ZhaoJ.2009.SpectrophotometricdeterminationoftraceKMnO4inwaterwith2,2.-azino)bis(3-ethylbenzothiazoline)6-sulfonate)[J].ActaScientiaeCircumstantiae,29(3):668-672ABTS显色分光光度法测定水中微量高锰酸钾1,*12马军,杨晶晶,赵吉1.哈尔滨工业大学,城市水资源开发利用(北方)国家工程研究中心,城市水资源与水环境国家重点实验室,哈尔滨1500902.东北电力大学应用化学系,吉林132012收稿日期:2008-05-09录用日期:2009-01-12摘要:基于KMnO4与2,2.-联氮)双-(3-乙基苯并噻唑啉)6-磺酸)(ABTS)反应产生的绿色自由基在415nm处有最大吸收值,建立了一种利用分光光度计测定水中低浓度KMnO(0~4.66Lmo#lL-1)的方法.在pH=2.1、ABTS过量(28.4Lmo#lL-1)的条件下,KMnO与ABTS反应44的化学计量关系为1B5,产生的绿色自由基能够稳定存在,其在波长415nm处的摩尔吸收系数为E=(3.34?0.04)@104L#mol-#1cm-1.该方法对高锰酸钾的检测限(置信区间90%)为0.01Lmo#lL-1(1.6Lg#L-1,以KMnO计).4关键词:高锰酸钾;ABTS;水处理;分光光度法文章编号:0253-2468(2009)03-668-05中图分类号:X830.2文献标识码:ASpectrophotometricdeterminationoftraceKMnO4inwaterwith2,2.-azino)bis(3-ethylbenzothiazoline)6-sulfonate)1,*12MAJun,YANGJingjing,ZHAOJi1.NationalEngineeringResearchCenterofUrbanWaterResources,StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourcesandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin1500902.DepartmentofAppliedChemistry,NortheastDianliUniversity,Jilin132012Received9May2008;accepted12January2009Abstract:Anewmethodforthedeterminationofconcentrations(0~4.66Lmo#lL-1)ofpermanganateinwaterwasestablished.ThemethodisbasedonthereactionofpermanganatewithABTS,2,2.-azino)bis(3-ethylbenzothiazoline)6-sulfonate),whichformsagreenradicalcation(ABTS#+)thatcanbemeasuredspectrophotometricallyatawavelengthof415nm.ThereactionbetweenpermanganateandABTShasastoichiometryof1B5inexcessABTS(28.4Lmo#lL-1).Theabsorbanceat415nmhasagoodlinearrelationshipwithpermanganate(0~4.66Lmo#lL-1)inphosphatebufferedsolution(pH=2.1),withamolarabsorptivity,E=(3.34?0.04)@104L#mol-1#cm-1.Adetectionlimitofabout0.01Lmo#lL-1ofKMnO(1164Lg#L-1asKMnO)canbeachievedwitha5cmopticalpathwitha90%confidenceinterva.l4Keywords:potassiumpermanganate;ABTS;watertreatment;spectrophotometricmethodetal.,1996),对藻类代谢产物的嗅味也有良好的1引言(Introduction)去除作用(Dietrichetal.,1995).同时,KMnO4用作作为一种环境友好的氧化剂,KMnO4被广泛地氧化剂和助凝剂能够降低THMs前体物浓度(Ma应用于水处理过程的氧化、混凝、杀菌当中(Moyersetal.,1996).etal.,1985).研究结果表明,KMnO4不仅可以通过尽管KMnO4在水处理中的应用潜力很大,但只氧化氯代烯烃(如PCE,TCE,DCEs)脱氯修复地下有少数方法能够测定水中的KMnO4浓度.高浓度的水体(Huangetal.,2001),而且可以有效地抑制地KMnO4可以通过草酸钠滴定法来确定,但耗时长.在表水中藻类的繁殖(Liangetal.,2008).实验证明,波长525nm处直接读取吸光度值这一方法被广泛KMnO4还能够有效地去除蓝藻产生的藻毒素(Ma地用于测定水中KMnO4浓度,它虽然简便,但其摩基金项目:教育部科技创新重大项目培育基金资助项目(No.705013)SupportedbytheMinistryofEducationofChina(No.705013)作者简介:马军(1962)),男,教授(博士),E-mai:lmajun_hit@163.com;*通讯作者(责任作者)Biography:MAJun(1962)),male,professor(Ph.D.),E-mai:lmajun_hit@163.com;*Correspondingauthor 3期马军等:ABTS显色分光光度法测定水中微量高锰酸钾669-1-1尔吸收系数较低(2300L#g#cm),最低检测限高131465gNaH2PO4和7.8mLH3PO4(85%)溶于1L-1(采用5cm比色皿测定,0.36Lmol#L)超纯水制得.3.2gKMnO4溶于1L蒸馏水中并煮沸(Richards,1930).国内有报道关于利用KMnO4与偶2h以充分去除还原性物质,得到KMnO4储备液;工氮胂的褪色反应测定其浓度的方法(万昆等,作液使用时进行稀释,在525nm波长下吸光度标定-12005),其检测限可以达到0.18Lmol#L,但必须KMnO4浓度.自由氯溶液采用次氯酸钠配制在硫酸介质中反应.(10%),其浓度用碘量法确定.本文试图基于KMnO4与ABTS(2,2.-联氮)双-利用UV-752型分光光度计(山东高密产)测定(3-乙基苯并噻唑啉)6-磺酸))的反应建立一种操ABTS法吸光度(采用1或5cm石英比色皿).用校作简便、高灵敏度、低检测限的测定水中KMnO4的准过的PB-10pH计(德国赛多利斯)控制pH.方法.ABTS是一种过氧化氢酶的底物,ABTS/2.2以天然水体为本底的测定#+ABTS的氧化还原电位为0.68V,容易发生电子转采用2种不同来源的天然水体评价ABTS法在#+移,生成稳定的绿色自由基ABTS,如图1所示天然水中测定KMnO4浓度的可行性,两种水经过孔(Scottetal.,1993).食品工业中利用氧化产生的径为0.45Lm的醋酸纤维膜过滤后在4e条件下#+ABTS的褪色反应测定果蔬中酚类化合物的抗氧冷藏.化能力(Nenadisetal.,2004;朱玉昌等,2005).而2.3实验过程ABTS已经被用于过氧羧酸(Pinkernelletal.,ABTS法测定KMnO4的步骤如下:将5mL磷酸1997)、氯和溴的种属(Pinkernelletal.,2000)以及-1缓冲液(pH=2.1,0.2mo#lL)和0.3mLABTS溶高铁的测定(Leeetal.,2005a),并且ABTS法测定液(2.37mmo#lL-1)加入到25mL比色管中,然后高铁已经被成功用于高铁氧化酚类物质的动力学加入KMnO4溶液振荡、定容至25mL.ABTS绿色自研究(Leeetal.,2005b).由基产生后用适当的石英比色皿(1或5cm)在415nm波长进行测定(反应迅速,充分混合后立即生成稳定的绿色自由基,可以马上测定),并进行空白校正.KMnO4浓度可以通过比尔-郎伯定律从415nm波长下的吸光度计算得出:415[KMnO4]=$AlVfinal/(ElVsample)(1)415其中,$Al为415nm波长处经过校准的样品吸光度;l为比色皿光程,cm;E为摩尔吸收系数,((31344-1-1?0.04)@10L#mol#cm);Vfinal为定容后的体积,mL;Vsample为加入KMnO4的体积,mL.ABTS和KMnO4反应标准曲线绘制:向一系列含有缓冲液和ABTS的25mL比色管中加入不同量图1ABTS以及其电子氧化产物ABTS#+的KMnO4,在415nm波长处测定吸光度.KMnO4浓Fig.1ABTSanditsone-electronoxidationproduct,ABTS#+-1度(0~4.66Lmo#lL)通过在525nm波长处测定-1其吸光度而得到,浓度低于0.36Lmol#L时不能2实验材料与方法(Materialsandmethods)准确测定,通过工作液吸光度及其稀释倍数确定.#+ABTS在415nm波长处的摩尔吸收系数通过2.1实验材料及仪器碘离子催化ABTS和氯的反应确定.研究表明,1mol超纯水来自Mill-iQ系统.除特别说明外,所有#+Cl2与2molABTS反应产生2molABTS试剂均为分析纯.将0.13gABTS铵盐溶于100mL-1(Pinkernelletal.,2000).超纯水中形成2.37mmo#lL浓度的ABTS储备液,天然水体中KMnO4浓度的测定:向1L天然水在4e条件下储存,当储备液吸光度值较高时(波里加入50mLpH=2.1的磷酸缓冲液和过量的50长415nm,在5cm比色皿中吸光度为0.02),需重-1mLABTS溶液搅拌4h.然后将KMnO4按比例投加新配置.pH=2.1磷酸缓冲液(0.2mol#L)由到25mL充满上述溶液的比色管中. 670环境科学学报29卷3实验结果(Results)#+3.1ABTS的吸收光谱图2显示了ABTS与不同剂量KMnO4反应后的#+吸收光谱.ABTS自由基有4个最大吸收峰(415nm,650nm,732nm,820nm),这与其他研究者的结果一致(Scottetal.,1993;Pinkernelletal.,1997;#+Leeetal.,2005a).由于ABTS在415nm波长处的吸光度最大,因此,本文采用415nm处的吸光度值.吸收曲线的形状和最大吸收波长Kmax不随KMnO4剂量变化而改变.图3ABTS法测定KMnO4的标准曲线图2不同浓度的KMnO4与ABTS反应后的吸收光谱Fig.3StandardcurvesfortheABTSmethodFig.2AbsorptionspectraoftheABTSreagentafterreactionwithdifferentconcentrationsofKMnO4水中杂质对ABTS法的影响,采用2种不同天然水体来进行评价.2种天然水体分别是来自于北京某3.2灵敏度和精确度净水厂进水(地表水和地下水的混合)和松花江原3.2.1纯水中ABTS法测定KMnO4的标准曲线水,其基本水质指标如表1所示.#+图3表明,ABTS的吸光度随着KMnO4浓度增加而表1两种天然水体的水质参数增大.KMnO4在2个浓度范围内(0~0.46Table1Waterqualityindexoftwonaturalwaters-1-1Lmo#lL,0~4.66Lmol#L)的所有标准曲线都DOC/碱度/(mg#L-1,2水样-1pH值为线性(R>0.99,n=24条),并且其斜率几乎相同(mg#L)以CaCO3计)(偏差小于2%).因为ABTS在415nm波长处有自北京某净水6.581758.19-1厂进水吸收(U0.004cm),标准曲线在空白校正后经过松花江原水6.77827.88原点.每摩尔浓度KMnO4在415nm处引起的吸光4-1-1度变化为(16.60?0.03)@10L#mol#cm,其灵在2种不同来源的天然水(某净水厂进水和松敏度高,且置信区间为90%的检测限为0.01花江原水)中,用ABTS法测定KMnO4的标准曲线与-1-1Lmo#lLKMnO4(1.6Lg#L,以KMnO4计).与偶在超纯水中的标准曲线进行对比,如图4a和图4b氮胂测定KMnO4浓度的方法相比,不仅灵敏度高出所示.由图可知,尽管在天然水中水样的空白值较7倍多,检测限也低了一个数量级(万昆等,2005).高,但其斜率与超纯水中的数值相同.这一结果表3.2.2以天然水体为本底KMnO4浓度的测定与明,天然水体对ABTS法测定KMnO4基本没有影响,纯水相比,天然水体中含有天然有机物以及各种无但由于水中存在的一些氧化性物质与ABTS反应,机离子,而其中的一些物质还具有一定的氧化还原导致空白值较高.从图4还可以看出,松花江原水的能力,可能会干扰ABTS法的测定.因此,为了考察空白吸光度明显比北京某净水厂进水高,这意味着 3期马军等:ABTS显色分光光度法测定水中微量高锰酸钾671松花江原水中含有的氧化性物质比北京某净水厂5可以看出,当pH在2~4之间变化时化学计量关进水更多一些.系为ABTSBKMnO4=5B1;这是由于在pH不大于42+的条件下,KMnO4转移5个电子变成Mn,如反应(2)所示.但是,当pH处于4~7之间时化学计量关系略小于4;这是因为此时不仅会发生反应(2),还会发生KMnO4转移3个电子变成MnO2的反应(反应(3))(Dammetal.,2002),正是因为反应(2)和(3)都会发生,才导致其化学计量数略小于4.另外,由于生成的新生态的MnO2具有很强的吸附能力#+(张立珠等,2006),它会吸附ABTS导致吸光度随着时间的延长不断降低,从而不利于KMnO4浓度的准确测定.因此,ABTS法测定KMnO4浓度的最佳pH值范围为2~4.2+#+KMnO4+5ABTSyMn+5ABTS(2)#+KMnO4+3ABTSyMnO2+3ABTS(3)图4两种天然水体中ABTS法测定KMnO4Fig.4StandardcurvesfortheABTSmethodtodetermineKMnO4indifferentrawwaters#+3.3ABTS产生的化学计量关系图5pH对KMnO4-ABTS反应化学计量关系的影响#+ABTS法的化学计量关系($[ABTS]/Fig.5StoichiometricfactorforKMnO4-ABTSreactionasafunctionof415$[KMnO4])可以由该方法的灵敏度($A/pH4-1#+$[KMnO4]=16.6@10cm)除以ABTS在415#+415#+3.4ABTS的稳定性nm波长处的摩尔吸收系数($A/$[ABTS]=#+在超纯水中pH=2.1条件下KMnO4(0.52EABTS#+,415nm)获得.而ABTS在415nm波长处的摩-1#+Lmo#lL)产生的ABTS很稳定,在10h时间内吸尔吸收系数可以通过氯和ABTS反应产生已知浓度#+光度的衰褪小于5%,这与报道中在pH=4.3条件的ABTS计算得出(Pinkernelletal.,2000).在本#+下高铁产生的ABTS的稳定性一致(Leeetal.,文中经过计算得到EABTS#+,415nm=(3.34?0.04)@#+4-1-12005a).本实验进一步检测ABTS在两种天然水10L#mol#cm,这与报道的在pH为0,波长为中的稳定性,结果如图6所示(以松花江水和北京417nm条件下测得的摩尔吸收系数(3.47?0.04)4-1-1某净水厂进水为本底时KMnO4投量分别为3.0@10L#mol#cm的结果相似(Scottetal.,-1-1Lmo#lL和0.48Lmo#lL).结果显示,pH=2.11993).#+条件下ABTS在波长415nm处吸光度2h后在松由于KMnO4在不同的pH条件下被还原后生成花江原水和北京某净水厂进水中分别降低0.46%的产物不同,转移的电子数目也不同,从而会影响#+和3.4%.尽管ABTS在天然水体中不如在超纯水ABTS和KMnO4的化学计量数,故需要在pH=2~7中稳定,但仍有充足的时间进行准确测定.的条件下进行试验,以确定ABTS法适用范围.从图 672环境科学学报29卷LeeY,YoonJY,vonGuntenU.2005a.Spectrophotometricdeterminationofferrate(Fe(VI))inwaterbyABTS[J].WaterRes,39:1946)1953LeeY,YoonJY,vonGuntenU.2005b.Kineticsoftheoxidationofphenolsandphenolicendocrinedisruptorsduringwatertreatmentwithferrate(Fe(VI))[J].EnvrionSciTechno,l39:8978)8984LiangH,YangYL,GongWJ,etal.2008.Effectofpretreatmentbypermanganate/chlorineonalgaefoulingcontrolforultrafiltration(UF)membranesystem[J].Desalination,222(5):74)80MaJ,GrahamN.1996.Controllingtheformationofchloroformbypermanganatepreoxidation-destructionofprecursor[J].WaterSRT-Aqua,45(6):308)309MoyersBetty,WuJyS.1985.Removaloforganicprecursorsbypermanganateoxidationandalumcoagulation[J].WaterRes,19图6在超纯水和天然水体中ABTS#+的稳定性(3):209)314Fig.6StabilityofABTS#+generatedfromKMnOpresentin4NenadisN,WangLF,TsimidouM,etal.2004.EstimationofnaturalwatersanddistilledwaterscavengingactivityofphenoliccompoundsusingtheABTS#+assay[J].AgricFoodChem,52:4669)46734结论(Conclusions)PinkernellU,LkeHJ,KarstU.1997.Selectivephotometricdeterminationofperoxy-carboxylicacidsinthepresenceof基于KMnO4与ABTS反应在415nm处产生稳hydrogenperoxide[J].Analyst,122:567)571定的绿色自由基,建立了一种新的测定水中KMnOPinkernellU,NowackB,GallardH,etal.2000.Methodsforthe4photometricdeterminationofreactivebromineandchlorinespecies的方法,其特点如下:¹检测浓度低,在0.01~4.66-1withABTS[J].WaterRes,34(18):4343)4350Lmo#lL之间有良好的线性关系;灵敏度高,每摩RichardsMB.1930.Colorimetricdeterminationofmanganesein尔KMnO4在415nm处产生的吸光度变化为(16.60biologicalmaterial[J].Analyst,55:5544-1-1?0.03)@10L#mol#cm.º该方法操作简单,耗RodrguezEM,AceroJL,SpoofL,etal.2008.OxidationofMC-LR时少,并且在pH<4时不受KMnO4浓度及水体的影andRRwithchlorineandpotassiumpermanganate:Toxicityofthereactionproducts[J].WaterRes,43:1744)1752响,容易在实验室内执行.»ABTS可以稳定存在,ScottSL,ChenWJ,EspensonBA,etal.1993.Spectroscopic#+至少能够储存1个月.其产生的ABTS在超纯水parameters,electrodepotentials,acidionizationconstants,and和天然水中都能稳定存在,给检测者留以充足的时electronexchangeratesofthe2,2.-azino-bis(3-间进行测定.ethylbenzothiazoline-6-sulfonate)radicalsandions[J].JPhysChem,97(25):6710)6714责任作者简介:马军(1962)),教育部/长江学者奖励计划0万昆,陆茜.2005.高灵敏分光光度法测定微量锰(VII)[J].江汉大学学报,31(1):32)33特聘教授,哈尔滨工业大学博士生导师.WanK,LuQ.2005.Studyonhighsensitivespectrophotometric参考文献(References):determinationofmicromanganese(VII)[J].JournalofJianghanUniversity(NaturalScience),33(1)32)33(inChinese)DammJH,HardacreC,KalinRM,etal.2002.Kineticsofthe张立珠,马军,陈忠林,等.2006.水溶液中新生态MnO2对苯酚的oxidationofmethy-ltert-butylether(MTBE)bypotassium吸附作用[J].化工学报,57(12):2959)2963permanganate[J].WaterRes,36:3638)3646ZhangLZ,MaJ,ChenZL,etal.2006.AdsorptionofphenolbyMnO2DietrichAM,HoehnRC,DufresneLC,etal.1995.Oxidationofformedinsitu[J].JournalofChemicalIndustryandEngineeringodorousandnonodorousalgalmetabolitesbypermanganate,(China),57(12):2959)2963(inChinese)chlorine,andchlorinedioxide[J].WaterSciTechno,l31(11):朱玉昌,焦必宁.2005.ABTS法体外测定果蔬类总抗氧化能力的研223)228究进展[J].食品与发酵工业,31(8):77)80HuangKC,HoagGE,ChhedaP,etal.2001.OxidationofchlorinatedZhuYC,JiaoBN.2005.ResearchprogressonABTSassayinethenesbypotassiumpermanganate:akineticsstudy[J].JdeterminationofTAAinfruitsandvegetablesinvitro[J].FoodHazardMater,B87:155)169andFermentationIndustries,31(8):77)80(inChinese)'