分光光度法测定钒及其在

'分光光度法测定钒及其在工业、环境、生物、土壤样品中的应用摘要利用钒与DPCH的直接显色反应，建立了灵敏度高、选择性好的分光光度测定微量钒的新方法。在0.0001–0.001MH2SO4或pH为4.0～5.5微酸丙酮介质中，钒（Ⅴ）与DPCH反应生成一紫红色络合物，络合物的最大吸收波长位于540nm，表观摩尔吸光系数和灵敏度分别为4.23´104L×mol-1×㎝-1，10ng×㎝-2。线形范围为0.1~30µg/mL。配合物的组成比为V：DPCH=1：3。显色反应瞬间完成，在48小时内吸光度保持稳定。对于1µg/mL的钒，研究了超过50多种阳离子和阴离子和复合试剂的干扰。此方法成功应用于合金钢铁材料，环境污水，人血和尿等生物样，含V（Ⅴ）和V（Ⅳ）的溶液和复杂合配合。此方法具有较高的精确度和准确度。关键词：分光光度法；钒的测定；DPCH；合金；钢铁；环境；生物样品；土壤样-17- 1.引言钒中毒是一种工业危害，环境学家已经断言钒作为一种潜在危险化学物质能对植物、农作物和整个农业体系造成严重破坏。高含量的钒据说存在于化石燃料，例如原油，燃料，油品，煤和褐炭。这些燃料释放的钒进入空气中，然后沉淀于土壤中。有许多钒中毒的事例，如紧张压抑，咳嗽，呕吐，腹泻，贫血和肺癌等，这些症状有时是致命的。最近，钒被定为城市环境污染的指标元素，尤其是空气污染。实验研究和免疫学证据表明钒在预防心脏病方面发挥有益的作用。Shamberger指出环境中钒含量多的国家人们心脏病死亡率较低。环境样品中的钒测定方法有中子活化法，电感耦合等离子体原子发射光谱法，原子吸收光谱法和分光光度法。前两个方法在常规分析中成本和仪器造价均高。原子吸收光谱法灵敏度低，易受样品基础条件的影响，溶剂萃取法的灵敏度高但操作性差。因此在微量级精确测定方面使用简便灵活的方法是极为重要的。本研究的目的就是建立一种简便直接的测量微量钒的分光光度法。据报道，DPCH曾作为分光光度法显色剂与铬反应，以前被用于分光光度法测钒，但此法需溶剂萃取比较耗时，一些干扰还会导致灵敏度低。吡啶和氯仿作为萃取有毒环境污染物的溶剂，已-17- 被环保组织列为致癌物质。文献报道了它在灵敏度高、特定的无萃取分光光度法测微量钒中的应用。此方法在灵敏度、选择性、测定范围、简易性、速度、酸度范围、稳定性、准确度、精密度和操作等方面比现有方法有明显的优势。在弱酸介质中钒与DPCH生成一紫红色配合物，在水溶液中直接测定波长。利用合适的掩蔽剂，反应的选择性会更好，空白试剂不显示吸光度。2.实验部分2.1.仪器日本岛津160型双光束紫外可见分光光度计，3010型双显示电极pH计，5000型电脑控制石墨炉原子吸收分光光度计。2.2.试剂所有化学药品均为分析纯试剂或最高纯度试剂。实验中使用二次去离子水和高压液相丙酮。2.2.1.4.12×10-4MDPCH溶液将一定量的DPCH溶解于定量丙酮中，稀释到所需浓度备用。2.2.2.钒标准溶液取0.2269mg偏钒酸胺，用二次去离子水溶解，再加硝酸（1+1）1～2mL酸化，稀释备用，五价钒贮存液浓度为1mg/mL，取100mL备用。2.2.3.钒（Ⅳ）储备液-17- 取390.7mg硫酸钒纯试剂用二次去离子水溶解，取100mL备用。钒标准溶液由以上溶液稀释配成。2.2.4.其它溶液大量无机离子和络合试剂溶液由它们的分析纯试剂或别的等级水溶性盐配制而成，若有不溶物，可采用特殊溶解方法。所有玻璃器皿用（1+1）硝酸浸泡至少一天，在使用前用去离子水冲洗。储备液和环境样保存在含1mL浓硝酸的塑料瓶中。3.实验步骤取0.1～1mL（1～300μg）弱酸钒溶液于10mL容量瓶中，依次加入0.1～1.0mL（最佳为0.5mL）0.001MH2SO4，使pH值为4.0～5.5,然后加入1mL4.12×10-4DPCH溶液，静置1min，加入5mL丙酮，用去离子水稀释至刻度，摇匀。以试剂空白作参比，在531nm处测其吸光度。未知样的钒含量可由标准曲线得出。-17- 图1硫用量与吸光度曲线4.结果与讨论4.1.影响吸光度的因素4.1.1.吸收光谱分光光度计绘制了在0.001M硫酸介质中的钒（Ⅴ）-DPCH体系的吸收光谱。钒（Ⅴ）-DPCH吸收光谱是一对称曲线，最大吸收波长位于531nm，表观摩尔吸光系数为4.23×104L×mol-1×cm-1-17- 。DPCH不显示吸光度。所有实例在531nm以对应试剂空白进行测定。现有方法的反应机理早期被报道过。图2试剂用量对显色体系的影响曲线4.1.2.溶剂的影响考查了不同的溶剂（苯、氯仿、四氯化碳、硝基苯、异丁醇、甲基异丁酮、乙醇、丙醇和1，4-二氧环己烷），发现丙酮对于体系是最好的溶剂。在有机相中除了正丁醇，无测定吸光度。在502%丙酮介质中，有最大吸光度。因此，测定过程中，使用50%丙酮溶液。4.1.3.酸度的考查-17- 图3钒工作曲线A为1-10微克的钒B为10-30微克的钒考查了不同的酸（硝酸、硫酸、盐酸和磷酸），体系中硫酸是最好的酸。室温下，10mL溶液中，0.001M硫酸用量在0.1～1.0mL之间吸光度最大。在此酸度范围外，吸光度下降。以下实验都加入0.5mL0.001M硫酸。4.1.4时间影响-17- 此反应迅速完成，定容后配合物吸光度最大，在48h内吸光度保持恒定。4.1.5.试剂浓度的影响按实验方法，在一定量金属离子里加入不同摩尔量的DPCH测其吸光度。结果表明，在1μg/mL钒络合物里，试剂摩尔比1：20和1：100产生恒定吸光度。更大量的试剂未被考查。4.1.6.工作曲线为了方便测定，把钒的浓度0.1～30μg/mL，分成三段，考查其浓度的影响，在531nm波长下，钒浓度在0.1～30μg/mL范围内其吸光度成线性的。摩尔吸光系数和灵敏度分别为4.23×104L×mol-1×cm-1和10ng×cm-2。4.1.7.共存离子的影响对于1μg/mL钒的测定，考查了50多种离子和复合试剂的影响，以相对误差在5%以内,下列共存离子允许量为：1000倍量硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐、高氯化物、溴化物、氯化物、碘化物、硫氰化物、Na、Mg、Ba、K、Mn2+、Zn、NH4+、Ca、Cd；100倍量酒石酸盐、氟化物、Co3+、Ni2+或Hg2+；10倍量EDTA、草酸盐、柠檬酸盐、Cr3+、叠氮化铅、过硫酸盐、磷酸盐、W6+、As3+、Cs、Mn7+、Cr6+、Fe2+、Fe3+、CN-或U6+、EDTA可消除10倍量Ag、Al、Cu2+或Mo6+。硫氰酸胺或氟化胺可掩蔽50倍量Fe2+、Fe3+或Cu2+-17- 。在干扰实验中，如果出现沉淀物，可通过离心法除去。4.1.8.配合物的组成用摩尔比法和等摩尔连续变化法测的配合物的组成为：V：DPCH=1：3。4.1.9.精密度和准确度钒浓度在1～300μg/10mL范围内，相对标准偏差为1.5～0.0%，说明此方法具有较好的精密度和重复性，检出限和灵敏度分别为20ng/mL、10ng/cm2。通过回收实验来确定实验方法的可靠性。在样品中加已知量的标准钒，测其回收率见表3中的SD。此方法也用于分析含钒和不同离子的合成混合物。分光光度法分析生物样品的结果与原子吸收光谱法所测结果一样。此方法具有良好的精密度和准确度。4.2.应用4.2.1.合成样中钒的测定现有方法可测定含义已知浓度钒和不同离子的合成样，使用酒石酸钠作掩蔽剂。结果见表1。4.2.2.合金钢、铁中钒的测定准确称取0.1g含0.52-2.09%钒的钢或铁样于50mL锥形瓶中，加20%10mL硫酸溶解，再加5mL硝酸，加热至轻沸，待碳化物完全溶解，加（1+1）硫酸2mL，加热至冒白烟，冷却至-17- 表1合成样品中钒的测定样品编号样品组成/μg·mL-1钒（V）/μg·mL-1加入量结果回归系数±标准偏差（%）AV（V）0.501.000.500.99100±0.099±0.5BZn（25）+Cd（25）+Ca（25）0.501.000.491.0198±0.5101±0.7CMn2+（25）+NO3-（25）0.501.000.521.02104±1.0102±0.8DCr（25）+NH4+（25）0.501.000.051.02100±0.0102±0.6ECo2+（25）+K（25）0.501.000.541.06108±1.5106±1.3室温。加适量去离子水微热溶解盐类，冷却，滴加氨水中和。过滤，滤液转入50mL容量瓶中，残液用少量（1+99）硫酸润洗转移，再用水润洗，稀释至刻度。取适量溶液于10mL-17- 容量瓶中，按实验方法，使用硫氰化物或氟化物作掩蔽剂，测定结果见表2。表2合金钢铁分析数据标准参考材料（组成）钒含量（%）结果标准偏差Cr,Mo,VandTc1.991.98±0.05Cr,V,W,Co,Mn,C,Si,S1.571.58±0.07C,Si,S,P,Mn,Mo,V,Ni,Cr,Co,2.092.10±0.06Cu,Sn,Zn,Pb,Ni,Fe,Al,Mn,V0.520.58±0.084.2.3.环境水样中钒的测定在已过滤的环境水样中加入1mL硫酸和5mL硝酸，在通风橱中加热至近干，后加10mL去离子水微热溶解盐类，冷却，滴加氨水中和。滤液转入20mL容量瓶中，水稀至刻度。吸取1mL预浓缩水样于1mL容量瓶中，按实验方法，使用硫氰化物或氟化物作掩蔽剂，测定结果见表3。大多数分光光度法测定自然界中和海水中钒需要预浓缩。在日本自然界中和海水中钒的浓度为每毫克几纳克。在美国酒水中钒平均浓度为每毫升6纳克。-17- 表3环境污水中钒的测定结果样品钒加入量/μg·L-1结果回归系数与标准偏差相对标准偏差自来水01001501．6101．05502．0±0．199．9±0．2100±0．10．310．350．42井水01001508．0107．0509．099±0．3100．2±0．40．190．39雨水01001501．4102．0501．5100．5±0．1100±0．00．140．00上层河水010015011．2112．0511．0100．7±0．3100±0．00．180．00下层河水010015014．4115．0513．0100．4±0．299．7±0．40．300．37上层海水01001505．0104．0505．099±0．01100±0．00．080．00-17- 下层海水01001506．0106．0507．0100±0．0100．2±0．050．000．08上层湖水010015018．5119．0520．0100．4±0．4100．3±0．50．290．34下层湖水010015020．0119．05021．099±0．3100．2±0．20．410．32矿山污水010015035．0136．0536．0100．7±0．5102．0±0．60．450．35钢铁矿污水010015075．0176．0580．0100．6±0．3100．9±0．50．080．15炼厂污水0100150145．0250．0640．099．2±0．5102．0±0．60．490．55-17- 4.2.4.生物样中钒的测定取20～50mL人血或30～50mL尿液于微型100mL凯氏烧瓶中，加入一个玻璃珠和5mL一定浓度硝酸，放于蒸煮瓶中微微加热，当活泼反应结束时，冷却转移溶液。加硫酸再加1mL70%高氯酸，继续加热冒白烟，再加硝酸持续加热至少30分钟，冷却，过滤，滴加氨水中和，转移到10mL容量瓶中，水稀至刻度。吸取适量预浓缩的溶液于10mL容量瓶中，按实验方法，使用硫氰化物或氟化物作掩蔽剂。分光光度法分析生物样的结果和原子吸收光谱法所测结果一样。结果见表4。表4血液和尿样中钒的测定数据序号样品钒μg·L-1样品来源原子吸收光谱建议方法1血液9．010．0±1．5心脏病尿液2．52．8±1．2男人2血液370．0381．0±1．0肺癌尿液75．085．0±1．5男人3血液10．012．0±1．4正常人尿液3．03．2＋1．3成年人-17- 肺癌患者的高发生率可能是由于含有伴随着砷和锌的高量钒。据报道，一些发达国家的癌症患者也出现含高量钒的现象。心脏病患者低发率可能是由于环境中的钒量低。人类心脏病发生率与环境中钒浓度成反比关系。4.2.5.土壤样品中钒的测定准确称量100g干燥均匀的土样于100mL凯氏烧瓶中。在氧化剂存在下，样品被溶解。把烧瓶中的物质用滤纸过滤到25mL容量瓶中，用氨水中和，水稀至刻度。移取1-2mL适量溶液于100mL容量瓶中，加入适量0.001M硫酸，再加1-2mL0.01%硫氰化物或氟化物掩蔽，按以上步骤进行测定，同时从工作曲线上求出标准值。结果见表5。表5土壤表面样品中的钒测定结果序号钒含量μg·L-1S10．0295S20．0401S30．0215S40．0265S50．0198S60．0310S70．0295-17- S80．0229S90．0225S100．05704.2.6.混合物中四价钒和五价钒的测定取适量钒混合液于25mL锥形瓶中。滴加几滴0.001M硫酸，加1-3mL1%高锰酸钾氧化四价钒。加5mL水后加热10-15分钟，轻摇，冷却至室温。滴加3-4滴叠氮化钠微热，而后加2-3mL水，放置5分钟。反应后的混合液转移到10mL容量瓶中，依次加入1mL4.12×10-4MDPCH，0.5mL0.001M硫酸，水稀至刻度。1分钟后以试剂空白为参比于531nm处测量吸光度。通过工作曲线计算出钒含量。表6混合物中钒四价和钒五价物种的测定结果序号V(V):V(IV)取量g·L-1结果误差V(V)V(IV)V(V)V(IV)V(V)V(IV)11：11．001．000．990．980.010.0221：11．001．001．001．000.000.0031：11．001．000．990．980.010.0211：51．005．000．994．980.010.0221：51．005．000．984．980.020.02-17- 31：51．005．000．994．990.010.0111：101．0010．000．98`10.990.020.0121：101．0010．000．9910.980.010.0231：101．0010．000．9810.980.020.02取等量钒混合液于25mL烧瓶中，加入1mL0.01%酒石酸掩蔽四价钒，滴加氨水中和。转入10ml容量瓶中，加入0.5mL0.001M硫酸，再加入1mL4.12×10-4MDPCH,水稀至刻度。1分钟后以试剂空白为参比于531nm处测吸光度。由工作曲线计算出钒含量，以μg/L或μg/mL为单位。可计算出五价钒的含量。总钒量减去此值得出四价钒量。结果是高重复性的。如此重复性好的结果也出现在不同价态钒中。一系列测定结果见表6。5.结论使用DPCH测定钒的方法不仅具有较高的灵敏度，而且有较好的选择性和简便性。因此该方法将被成功应用于环境、生物、土壤样品中微量钒的测定。无需萃取和使用有机溶剂，避免了有毒污染物。-17-'