• 中文核心期刊
  • 中国科技核心期刊
  • ISSN 1007-6336
  • CN 21-1168/X

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

流动注射-化学发光法测定海水中的痕量Fe(Ⅱ)

曲胜路 杨茹君 耿倩倩 刘媛 谢赫

引用本文:
Citation:

流动注射-化学发光法测定海水中的痕量Fe(Ⅱ)

    作者简介: 曲胜路(1993-), 女, 河北衡水人, 硕士, 主要研究方向为海水化学元素分析方法研究, E-mail:1175198588@qq.com;
    通讯作者: 杨茹君, 副教授, 博士, 主要从事海洋痕量元素生物地球化学研究, E-mail:yangrj@ouc.edu.cn
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC1402101);青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室开放基金项目(MGQNLM-KF201701)
  • 中图分类号: X132

Flow injectionluminol-based chemiluminescence method as optimized in Fe(Ⅱ) analysis of seawater

  • 摘要: 本文以MOPS[3-(N-吗啉)丙磺酸]为缓冲溶液抑制Fe(Ⅱ)的氧化,利用luminol化学发光法,研究了pH、MOPS加入量、luminol浓度、试剂流速、信号积分时间等参数在Fe(Ⅱ)测定中对测量灵敏度的影响。结果表明,MOPS的加入能显著增大发光信号。测定中国近海中痕量Fe(Ⅱ)的最佳实验条件为:缓冲液pH为7.2、MOPS添加浓度2 mmol/L、luminol浓度1 mmol/L、试剂流速3 mL/min、积分时间200 ms。本文以东海水为空白海水,测得方法检出限为116 pmol/L,测定线性范围为0.116~150 nmol/L。
  • 图 1  流动注射Fe(Ⅱ)分析系统

    Figure 1.  Schematic of the flow injection Fe(Ⅱ) analysis system

    图 2  luminol-Fe(Ⅱ)化学发光反应标准曲线[7]

    Figure 2.  The typical calibration curve of Fe(Ⅱ)-luminol reaction

    图 3  加Fe(Ⅱ)前后试剂、空白海水的发光灵敏度变化

    Figure 3.  The luminous sensitivity changes of reagents and blank seawater before and after adding iron

    图 4  pH(a)和MOPS加入量(b)对发光灵敏度的影响以及低浓度的MOPS下不同Fe(Ⅱ)标准系列的工作曲线

    Figure 4.  The influence of pH(a) and MOPs concentration(b) on the luminous sensitivity and calibration curves of different Fe(Ⅱ) standard series with low MOPs concentrations

    图 5  luminol浓度对发光灵敏度的影响

    Figure 5.  The influence of luminol concentrations to the luminous sensitivity

    图 6  0~150 nmol/L Fe(Ⅱ)浓度范围内发光反应工作曲线

    Figure 6.  The calibration curve of Fe(Ⅱ)-luminol reaction at the concentration range from 0 to 150nmol/L of Fe(Ⅱ)

    图 7  沙子口沿岸水中Fe(Ⅱ)含量-光照强度的24 h测定

    Figure 7.  The 24 h measurement of Fe(Ⅱ) concentration-illuminance in the Shazikou coastal water

    表 1  条件实验各试剂初始浓度和仪器参数初始值

    Table 1.  The initial values of reagents and instrument in the conditional optimization experiment

    下载: 导出CSV

    表 2  发光信号达到稳定后50s内各试剂及海水的信号平均值及空白占比

    Table 2.  The mean signals and blank proportion of reagents and blank seawater in the first 50 s after luminous intensity reaching to stable

    下载: 导出CSV

    表 3  不同参数值下加标实验结果(加Fe(Ⅱ)浓度为4.0000 nmol/L)及显著性差异检验(t检验)

    Table 3.  The results of standard addition experiment with different experimental parameters (Fe(Ⅱ)=4.0000 nmol/L) and significant difference test (t-test)

    下载: 导出CSV

    表 4  化学发光法测Fe(Ⅱ)的方法检出限(加Fe(Ⅱ)浓度为0.0200 nmol/L)及显著性差异检验(t检验)

    Table 4.  The detection limit and significance difference test(t-test) of Fe(Ⅱ) by chemiluminescence method

    下载: 导出CSV

    表 5  空白加标回收实验结果及显著性差异检验(t检验)

    Table 5.  The results of standard recovery experiment and significance difference test (t-test) for the chemiluminescence method

    下载: 导出CSV

    表 6  青岛沿岸及其他一些海区内Fe(Ⅱ)的含量及分析方法对比

    Table 6.  Comparison of content and analysis method for Fe(Ⅱ) in Qingdao coastal water and other sea areas

    下载: 导出CSV
  • [1] GEIDER R J, LA ROCHE J.The role of iron in phytoplankton photosynthesis, and the potential for iron-limitation of primary productivity in the sea[J].Photosynthesis Research, 1994, 39(3):275-301. doi: 10.1007/BF00014588
    [2] IWAI H, FUKUSHIMA M, YAMAMOTO M.Determination of labile Fe(Ⅱ) species complexed with seawater extractable organic matter under seawater conditions based on the kinetics of ligand-exchange reactions with ferrozine[J].Analytical Sciences, 2013, 29(7):723-728. doi: 10.2116/analsci.29.723
    [3] STATHAM P J, JACOBSON Y, VAN DEN BERG C M G.The measurement of organically complexed Fe in natural waters using competitive ligand reverse titration[J].Analytica Chimica Acta, 2012, 743:111-116. doi: 10.1016/j.aca.2012.07.014
    [4] MILLERO F J, SOTOLONGO S, IZAGUIRRE M.The oxidation kinetics of Fe(Ⅱ) in seawater[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 1987, 51(4):793-801. doi: 10.1016/0016-7037(87)90093-7
    [5] BLAIN S, TRÉGUER P.Ironn(Ⅱ) and iron(Ⅲ) determination in sea water at the nanomolar level with selective on-line preconcentration and spectrophotometric determination[J].Analytica Chimica Acta, 1995, 308(1/2/3):425-432.
    [6] GLEDHILL M, VAN DEN BERG C M G.Measurement of the redox speciation of iron in seawater by catalytic cathodic stripping voltammetry[J].Marine Chemistry, 1995, 50(1/2/3/4):51-61.
    [7] KONDO Y, MOFFETT J W.Dissolved Fe(Ⅱ) in the Arabian Sea oxygen minimum zone and western tropical Indian Ocean during the inter-monsoon period[J].Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 2013, 73:73-83. doi: 10.1016/j.dsr.2012.11.014
    [8] O'SULLIVAN D W, HANSON JR A K, KESTER D R.Stopped flow luminol chemiluminescence determination of Fe(Ⅱ) and reducible iron in seawater at subnanomolar levels[J].Marine Chemistry, 1995, 49(1):65-77. doi: 10.1016/0304-4203(94)00046-G
    [9] BOWIE A R, ACHTERBERG E P, SEDWICK P N, et al.Real-time monitoring of picomolar concentrations of Iron(Ⅱ) in marine waters using automated flow injection-chemiluminescence instrumentation[J].Environmental Science & Technology, 2002, 36(21):4600-4607.
    [10] ROSE A L, WAITE T D.Kinetic model for Fe(Ⅱ) oxidation in seawater in the absence and presence of natural organic matter[J].Environmental Science & Technology, 2002, 36(3):433-444.
    [11] ROSE A L, WAITE T D.Chemiluminescence of luminol in the presence of Iron(Ⅱ) and oxygen:oxidation mechanism and implications for its analytical use[J].Analytical Chemistry, 2001, 73(24):5909-5920. doi: 10.1021/ac015547q
    [12] HANSARD S P, LANDING W M.Determination of iron(Ⅱ) in acidified seawater samples by luminol chemiluminescence[J].Limnology and Oceanography:Methods, 2009, 7(3):222-234. doi: 10.4319/lom.2009.7.222
    [13] SU H, YANG R J, PIŽETA I, et al.Distribution and speciation of dissolved iron in Jiaozhou Bay (Yellow Sea, China)[J].Frontiers in Marine Science, 2016, 3:99.
    [14] ELROD V A, JOHNSON K S, COALE K H.Determination of subnanomolar levels of iron(Ⅱ) and total dissolved iron in seawater by flow injection and analysis with chemiluminescence detection[J].Analytical Chemistry, 1991, 63(9):893-898. doi: 10.1021/ac00009a011
    [15] MOFFETT J W, GOEPFERT T J, NAQVI S W A.Reduced iron associated with secondary nitrite maxima in the Arabian Sea[J].Deep Sea Research Part Ⅰ:Oceanographic Research Papers, 2007, 54(8):1341-1349. doi: 10.1016/j.dsr.2007.04.004
    [16] PRICE N M, HARRISON G I, HERING J G, et al.Preparation and chemistry of the artificial algal culture medium Aquil[J].Biological Oceanography, 1989, 6(5/6):443-461.
    [17] WAITE T D, SZYMCZAK R, ESPEY Q I, et al.Diel variations in iron speciation in northern Australian shelf waters[J].Marine Chemistry, 1995, 50(1/2/3/4):79-91.
    [18] 黄旭光, 李顺兴, 陈乙平, 等.东山湾海水中Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)相互转化围隔实验研究[J].海洋科学, 2012, 36(2):103-109.
    [19] SHAKED Y.Iron redox dynamics in the surface waters of the Gulf of Aqaba, Red Sea[J].Geochimica et Cosmochimica Acta, 2008, 72(6):1540-1554. doi: 10.1016/j.gca.2008.01.005
  • [1] 刘洪艳覃海华王珊 . 海洋沉积物中一株铁还原细菌ZQ21异化还原Fe(Ⅲ)性质分析. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 508-512, 520. doi: 10.12111/j.mes20190404
    [2] 杨莉玲王琳杨芳杨留柱 . 口外岸线变化对茅尾海潮流动力及水体交换的影响. 海洋环境科学, 2019, 38(4): 582-588. doi: 10.12111/j.mes20190415
  • 加载中
图(7)表(6)
计量
  • 文章访问数:  89
  • HTML全文浏览量:  77
  • PDF下载量:  2
出版历程
  • 收稿日期:  2017-12-18
  • 录用日期:  2018-02-26
  • 刊出日期:  2019-10-20

流动注射-化学发光法测定海水中的痕量Fe(Ⅱ)

    作者简介:曲胜路(1993-), 女, 河北衡水人, 硕士, 主要研究方向为海水化学元素分析方法研究, E-mail:1175198588@qq.com
    通讯作者: 杨茹君, 副教授, 博士, 主要从事海洋痕量元素生物地球化学研究, E-mail:yangrj@ouc.edu.cn
  • 1. 中国海洋大学 化学化工学院, 山东 青岛 266100
  • 2. 青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266071
基金项目: 国家重点研发计划(2016YFC1402101);青岛海洋科学与技术国家实验室海洋地质过程与环境功能实验室开放基金项目(MGQNLM-KF201701)

摘要: 本文以MOPS[3-(N-吗啉)丙磺酸]为缓冲溶液抑制Fe(Ⅱ)的氧化,利用luminol化学发光法,研究了pH、MOPS加入量、luminol浓度、试剂流速、信号积分时间等参数在Fe(Ⅱ)测定中对测量灵敏度的影响。结果表明,MOPS的加入能显著增大发光信号。测定中国近海中痕量Fe(Ⅱ)的最佳实验条件为:缓冲液pH为7.2、MOPS添加浓度2 mmol/L、luminol浓度1 mmol/L、试剂流速3 mL/min、积分时间200 ms。本文以东海水为空白海水,测得方法检出限为116 pmol/L,测定线性范围为0.116~150 nmol/L。

English Abstract

  • Fe(Ⅱ)是溶解态铁的重要组成部分,参与海洋多种生物酶的合成[1],进而影响海洋初级生产力及全球C、N等物质循环。海水中Fe(Ⅱ)比Fe(Ⅲ)溶解度更高,且与有机配体的络合常数在105~108之间,更有利于生物吸收[2-3]。然而Fe(Ⅱ)在海水中的氧化半衰期仅为2~3 min[4],氧化产生的Fe3+进一步水解形成沉淀而被去除,使其含量极低且分析困难。因此,分析海水中Fe(Ⅱ)的关键在于如何减少氧化及降低方法的检出限,提高测量灵敏度并实现现场测量。

    目前国际上测量海水中痕量Fe(Ⅱ)的方法主要包括分光光度法、阴极溶出伏安法,流动注射化学发光法等。其中,分光光度法与流动注射-固相萃取预富集技术相结合可降低方法的检出限至0.1 nmol/L,但预富集步骤易引入杂质,且需消除Cu(Ⅰ)离子的干扰[5]。阴极溶出伏安法常用于测定海水中的总溶解态铁(DFe)含量,在海水样品中加入Fe(Ⅱ)掩蔽剂(如2,2-联吡啶)后可测得溶解态Fe(Ⅲ)含量,根据DFe与Fe(Ⅲ)的浓度差值可计算得到Fe(Ⅱ)的浓度值,因此该方法为Fe(Ⅱ)的间接测量法,且受有机质的干扰较大[6]。化学发光法(chemiluminescence, CL)是目前国际上分析大洋水中痕量Fe(Ⅱ)的常用方法[7]。O’Sullivan等人[8]分别采用luminol化学发光法与分光光度法测量Narragansett Bay (NBSW)海水中Fe(Ⅱ)的浓度,结果表明两种方法测得Fe(Ⅱ)的浓度一致(~29 nmol/L),而采用lumiol化学发光法测量北大西洋标准海水(North Atlantic Surface Seawater,NASS-1)中DFe的浓度值(3.09 nmol/L)也与标准值(3.44 nmol/L)一致,因此该方法的准确度较高。在大洋水测定中,luminol化学发光法测Fe(Ⅱ)的检出限可低至8 pmol/L[9],且仪器携带方便,常与流动注射技术结合以实现海水的快速现场测量。

    luminol(3-氨基苯二甲酰肼)是常用的化学发光试剂。luminol化学发光法测定海水中总溶解态的Fe(Ⅱ),包括无机态和有机态两类,且反应受pH、氧化剂、温度、有机质等因素影响较大[10-11]。在海水现场分析中,适当降低海水的pH能有效减缓Fe(Ⅱ)的氧化[12]。与大洋相比,近岸海域受人类活动、浮游生物等因素的影响大,有机质含量高、种类多,结构复杂,且陆地、河流、降雨等均会对溶解态铁的形态造成影响[13]。而中国近海由于经济的发展,排污量增加,导致近年来赤潮频繁,生态结构发生改变,且部分海域出现海水酸化、低氧、有机污染物及生物毒素(如软骨藻酸、石房蛤毒素)含量激增的现象。这些环境因素的变化均会引起海水中溶解态Fe(Ⅱ)含量的变化并影响Fe(Ⅱ)与有机质的配合。因此,原有的大洋中测量Fe(Ⅱ)的方法在我国近海复杂的环境中是否能够满足测量要求还未可知。本文的研究目的在于,对现有的大洋测量方法进行优化,系统研究海水pH的变化对测量的影响、以及luminol浓度、样品流速、信号积分时间等参数的改变对测量灵敏度的影响,使其可以达到在线测量我国近岸水中溶解态Fe(Ⅱ)的要求。

    • Fe(Ⅱ)分析系统由蠕动泵(Ismatec,瑞士)、暗盒式化学发光仪(waterville analytical,WA)、“WA”软件信号接收仪(计算机)和样品管组成。样品管将试剂及样品瓶、蠕动泵、暗盒发光仪、废液缸连接起来(图 1)。WA发光仪密闭不透光,内部由样品混合池(A)和正对混合池的光电倍增管(photomultiplier tube, PMT)(B)组成。测定时,海水样品和luminol试剂按1: 1的体积比分别流入混合池后反应发光,由正上方PMT检测光信号并发射蓝牙信号,随后被计算机接收并记录。样品流速、积分时间、数据点频率等参数通过蠕动泵开关及“WA”软件进行设置。

      图  1  流动注射Fe(Ⅱ)分析系统

      Figure 1.  Schematic of the flow injection Fe(Ⅱ) analysis system

    • 本实验中所使用药品、试剂及树脂均来自Sigma公司,药品及试剂纯度为痕量金属级。

      Fe(Ⅱ)储备液(3 mmol/L):根据Elrod等[14]的研究,当pH≤2时,水体中的Fe(Ⅲ)会向Fe(Ⅱ)转化,因此参考文献步骤[7, 15],称取一定质量的(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O固体于0.2 mol/L的HCl中溶解,得到3 mmol/L的Fe(Ⅱ)储备液,使pH在2以下,以维持Fe(Ⅱ)储备液的稳定[8],4℃下避光保存且每月更换。

      Fe(Ⅱ)使用液(1 μmol/L):由pH=2的Milli-Q水稀释上述Fe(Ⅱ)储备液得到,于使用前新配制。

      MOPS使用液(0.1 mol/L):MOPS是一种酸性有机缓冲试剂,有效缓冲范围为pH 6.5~7.9,在此pH范围内可以在5 min内避免Fe(Ⅱ)的氧化[7]。与HCl相比,MOPS自身性质稳定,不与海水中活性物质及有机质反应,适用于海水中Fe(Ⅱ)的研究。将MOPS固体溶解于纯水中,用1 mol/L的NaOH调节至所需pH,得到0.1 mol/L的MOPS溶液,然后用Chelex-100树脂除去其中的金属杂质进行纯化。Chelex-100树脂的清洗参照Price[16]的文献步骤。

      luminol储备液(4 mmol/L):称取一定质量的luminol固体溶解于由浓盐酸、氨水原液和纯水混合得到的HCl-NH4OH缓冲体系中,即得到luminol储备液[7]

      luminol使用液(1 mmol/L):将luminol储备液与Milli-Q水按照1: 3的体积比混合,用浓氨水和浓HCl调节pH至10.3~10.5之间,于50℃下静置9~12 h,即得到1 mmol/L的luminol使用液,保存于棕色高密度聚乙烯瓶中备用。

      空白海水:使用酸洗的特氟龙涂层GOFLO瓶采样器采集东海海水(29.21511°N, 125.40556°E),洁净工作台中过滤(0.2 μm)并冷冻保存,该条件下能够维持海水中有机质的稳定。使用前恢复至常温并在黑暗条件下放置10 h以上[7],以保证海水中可能存在的Fe(Ⅱ)被全部氧化为Fe(Ⅲ)且不存在其他Fe(Ⅱ)来源,作为条件实验中Fe(Ⅱ)的空白海水备用。

    • luminol与Fe(Ⅱ)反应产生化学光的机制为:Fe(Ⅱ)被海水中O2或H2O2氧化产生OH·自由基,这些自由基将luminol(LH-)初步氧化为luminol自由基(L·-),随后进一步氧化为过氧化物中间体(L·-HHP),最后这些中间体在碱性条件下发生解离发出化学光(式1~5)[11],产生化学光的强度与Fe(Ⅱ)浓度之间存在一元二次函数关系(图 2,引自Kondo(2013)[7]),因此常采用标准曲线法计算海水中Fe(Ⅱ)的浓度。

      图  2  luminol-Fe(Ⅱ)化学发光反应标准曲线[7]

      Figure 2.  The typical calibration curve of Fe(Ⅱ)-luminol reaction

      具体步骤如下:现场过滤并测定未知水样的发光信号I0(记为y′),然后将同时采集并过滤的海水黑暗下放置10 h以上(保证海水中的Fe(Ⅱ)全部氧化),作为空白海水加入一系列的Fe(Ⅱ)标准溶液,分别测定发光信号I(记为y),即得到该样品的发光信号I(y)-Fe(Ⅱ)浓度(x)工作曲线(图 2),y′代入曲线方程所得到的x′值即为该样品中Fe(Ⅱ)的浓度。每个海水样品对应一条由该样品空白海水绘制的工作曲线,算得样品中Fe(Ⅱ)浓度。需要注意的是,作标准曲线时Fe(Ⅱ)浓度需根据y′值的大小做相应调整,使y′出现在标准曲线的中间部位。

    • 本文采用控制单一变量法研究MOPS加入量、缓冲液pH、luminol浓度、流速、信号积分时间等因素对发光信号的影响。在10 mL空白海水中加入一定量MOPS,混合均匀后加入Fe(Ⅱ)即得到已知标准Fe(Ⅱ)浓度的海水,依次改变MOPS加入量、缓冲液pH、luminol浓度、流速、信号积分时间等参数,研究各参数对发光信号的影响,重复测定,保证光信号的变化趋势稳定。初始参数值如表 1所示[7, 15]。条件实验中发光信号Ⅰ-Fe(Ⅱ)工作曲线的绘制按照1.3步骤进行,根据其一元二次函数的拟合性选择合适的条件参数。

      表 1  条件实验各试剂初始浓度和仪器参数初始值

      Table 1.  The initial values of reagents and instrument in the conditional optimization experiment

    • 实验所用纯水为18.2 MΩ Milli-Q水。采样器、样品瓶(低密度聚乙烯瓶,Nalgene)及过滤器等器皿均严格按照痕量金属清洗要求进行酸洗[13]。酸洗步骤如下:首先使用10%的洗洁精浸泡24 h以上,用蒸馏水冲洗至无泡沫;然后用10%HCl(优级纯,国药)浸泡24 h以上,用Milli-Q水冲洗5遍;之后用重新配制的10%HCl(优级纯,国药)再次浸泡24 h以上,用Milli-Q水冲洗6遍,装满Milli-Q水,加HCl(石英亚沸蒸馏)酸化至pH~2,双层密实袋封装,备用。

      滤膜(0.2 μm,Millipore,爱尔兰)酸洗步骤:将滤膜浸泡在pH=2的HCl(石英亚沸蒸馏)溶液中24 h以上,用Milli-Q水冲洗至中性并浸泡保存,密封备用。本实验中,试剂的配制和样品的过滤操作均在Laminar洁净工作台中进行。

      青岛沙子口近岸水采样步骤:用针筒式过滤器抽取表层海水并立即过滤至盛有MOPS的30 mL样品瓶中,混匀后立即测定发光值。同时采集相同时间、站位的海水样品(2017年3月21日~22日,120.553°E,36.120°N),黑暗放置10 h以上作为空白海水备用(见1.3部分)。采样同时测定光照强度(光合有效辐射计GLZ-C,浙江),观察光照对Fe(Ⅱ)的影响。

    • 为研究各试剂、空白海水的发光信号对测定灵敏度的影响,分别:(a)测定未添加Fe(Ⅱ)时的空白信号值,即各试剂及空白海水的发光信号;(b)测定添加Fe(Ⅱ)后的信号值,在上述各试剂和空白海水中分别添加4 nmol/L Fe(Ⅱ)后,其信号值如何变化,并计算与(a)步骤所得信号的比值,结果如图 3表 2所示。

      图  3  加Fe(Ⅱ)前后试剂、空白海水的发光灵敏度变化

      Figure 3.  The luminous sensitivity changes of reagents and blank seawater before and after adding iron

      表 2  发光信号达到稳定后50s内各试剂及海水的信号平均值及空白占比

      Table 2.  The mean signals and blank proportion of reagents and blank seawater in the first 50 s after luminous intensity reaching to stable

      图 3可看出,各试剂与空白海水均产生一定的发光信号(曲线1~6),但明显低于加入4 nmol/L Fe(Ⅱ)后海水的发光信号(曲线7)。计算各试剂、空白海水产生发光信号分别占含有4 nmol/L Fe(Ⅱ)的海水的发光信号的比值(表 2),可得出MOPS、luminol和海水产生的总空白信号占样品发光信号的2.9%,这对于实际海水中Fe(Ⅱ)含量测量的影响几乎可以忽略。曲线(3)和(4)表明Chelex-100树脂能够有效除去MOPS试剂中的发光干扰物质,降低MOPS的空白发光信号。

    • MOPS的pH对发光灵敏度影响较大。缓冲液pH在6.4~6.8之间,光信号较强,随着pH增加至6.9~7.4,光信号迅速降低(图 4(a),缓冲液与海水混合后pH范围为6.6~7.3)。实际测定时根据海水发光灵敏度选择合适pH即可,本文选择缓冲pH为7.2。

      图  4  pH(a)和MOPS加入量(b)对发光灵敏度的影响以及低浓度的MOPS下不同Fe(Ⅱ)标准系列的工作曲线

      Figure 4.  The influence of pH(a) and MOPs concentration(b) on the luminous sensitivity and calibration curves of different Fe(Ⅱ) standard series with low MOPs concentrations

      图 4(b)可看出,加MOPS后,Fe(Ⅱ)与luminol产生的发光信号增大,这是由于MOPS能够有效降低海水的pH,进而减缓Fe(Ⅱ)的氧化,使得发光信号升高。而在MOPS添加浓度为0.2~2.5 mmol/L的范围内,发光信号随趋于稳定;对于浓度为2、4、8 nmol/L Fe(Ⅱ)的海水,MOPS的添加浓度在2 mmol/L时发光信号均达到稳定,因此选择MOPS添加浓度为2 mmol/L。

    • 图 5(a)曲线(1)可以看出,尽管Fe(Ⅱ)的浓度逐渐增大,但是由于没有添加luminol试剂,海水发光信号很低,而当luminol浓度增加至0.2 mmol/L时,发光信号显著升高(图 5(a)曲线(2),这表明Fe(Ⅱ)与luminol发生化学发光反应。由图 5b可看出,在0.3~1.0 mmol/L的luminol浓度范围内,光信号基本维持稳定,表明luminol浓度变化对发光信号影响较小。检验luminol浓度(0.0、0.2、0.5、1.0 mmol/L)对海水中Fe(Ⅱ)测定的影响(图 5a),发现不同luminol浓度下Fe(Ⅱ)标准系列的发光曲线相关性均良好(R2>0.99),故本文选择luminol浓度为1.0 mmol/L。

      图  5  luminol浓度对发光灵敏度的影响

      Figure 5.  The influence of luminol concentrations to the luminous sensitivity

      另外为了验证方法的准确性,我们使用不同浓度的luminol溶液测定同一标准样品,测定结果如表 3所示。4个结果之间相对标准偏差为1.00%,利用t检验法得到的t值为1.19,这表明所得到的4个结果之间不存在显著性差异。

      表 3  不同参数值下加标实验结果(加Fe(Ⅱ)浓度为4.0000 nmol/L)及显著性差异检验(t检验)

      Table 3.  The results of standard addition experiment with different experimental parameters (Fe(Ⅱ)=4.0000 nmol/L) and significant difference test (t-test)

      luminol与Fe(Ⅱ)的发光反应在pH>10的条件下进行,pH太高会导致海水与luminol混合时产生Mg(OH)2沉淀,影响实验测定[15]。本文在碱性HCl-NH4缓冲体系中配制luminol溶液,与样品混合后pH在10.0~10.5之间,保证实验顺利进行。但需注意,条件优化实验中应使用同一瓶luminol试剂,以免不同luminol试剂间存在较大的差异。

    • 试剂流速影响样品、试剂从进样到混合池的时间间隔,流速太小会增大Fe(Ⅱ)的氧化损失。综合考虑混合池体积、Fe(Ⅱ)氧化损失、试剂成本等因素,我们设置蠕动试剂流速范围在1~8 mL/min之间,测定含相同Fe(Ⅱ)浓度的海水中发光信号随流速的变化情况,并利用曲线方程计算Fe(Ⅱ)浓度数值,比较其精密度。结果表明发光灵敏度随流速的增大而增加,二者呈现一元二次函数关系。检验流速(1、3、5、7、8 mL/min)对发光信号I-Fe(Ⅱ)浓度工作曲线拟合度的影响,结果表明工作曲线的相关系数(R2)均在0.999以上。而在不同流速下测定同一样品均能得到同样的测定结果,其结果使用t检验在95%的置信区间内不存在显著性差异,因此不影响Fe(Ⅱ)含量的测定(表 3)。本文实际海水测定中选择试剂流速为3 mL/min。

    • 维持其他参数为初始值,改变积分时间,研究积分时间对发光灵敏度的影响。结果表明发光信号随积分时间的增加而增大,在10~500 ms的积分时间内,发光信号(y)与积分时间(x)呈一元函数关系。测定积分时间对发光信号I-Fe(Ⅱ)浓度工作曲线的影响,结果发现不同积分时间(50、150、300 ms)下,曲线的相关系数R2均高于0.99,且测得不同流速下加Fe(Ⅱ)标为4.0000 nmol/L的海水的浓度之间不存在显著性差异(表 3),因此本文维持积分时间为初始值200 ms。

    • 选择上述测试条件,即MOPS(pH=7.2)添加浓度2 mmol/L、luminol浓度1 mmol/L、流速3 mL/min、积分时间200 ms的条件下,测定低Fe(Ⅱ)(于空白海水中添加0.0200 nmol/L的Fe(Ⅱ)标准)海水中实际溶解态Fe(Ⅱ)的含量,求得平均浓度x=0.027 nmol/L(n=7),标准偏差s=0.0387,进行t检验发现在95%的置信区间内不存在显著性差异,因此在低浓度下,东海海水Fe(Ⅱ)的检出限D=0.116 nmol/L(3s)(表 4)。

      表 4  化学发光法测Fe(Ⅱ)的方法检出限(加Fe(Ⅱ)浓度为0.0200 nmol/L)及显著性差异检验(t检验)

      Table 4.  The detection limit and significance difference test(t-test) of Fe(Ⅱ) by chemiluminescence method

      为了测定线性范围,在海水中逐步加大Fe(Ⅱ)标准液的浓度,查看工作曲线中发光值是否与Fe(Ⅱ)浓度仍然符合一元二次方程的关系。结果表明在0~150 nmol/L的Fe(Ⅱ)浓度范围内,发光信号Ⅰ与Fe(Ⅱ)浓度之间仍保持较好的一元二次函数关系(R2=0.998)(图 6)。因此该方法检测Fe(Ⅱ)的浓度范围为0.116~150 nmol/L。而根据Su[13]的研究,青岛近岸水中总溶解态铁的最大浓度为107 nmol/L,因此该方法能够满足青岛近岸水中Fe(Ⅱ)含量的测定要求。

      图  6  0~150 nmol/L Fe(Ⅱ)浓度范围内发光反应工作曲线

      Figure 6.  The calibration curve of Fe(Ⅱ)-luminol reaction at the concentration range from 0 to 150nmol/L of Fe(Ⅱ)

      为验证该方法的准确度(表 5),在空白海水中加入4.0000 nmol/L的Fe(Ⅱ),测定发光值,采用标准曲线法进行7次测定,测定结果为4.0543 nmol/L,回收率为96%~107%,测定的精密度RSD=3.58%,t检验结果表明结果之间不存在显著性差异。

      表 5  空白加标回收实验结果及显著性差异检验(t检验)

      Table 5.  The results of standard recovery experiment and significance difference test (t-test) for the chemiluminescence method

      以上研究表明,该方法可以用于中国近岸海水样品中Fe(Ⅱ)含量的测定。最佳条件为:MOPS(pH=7.2)添加浓度2 mmol/L、luminol浓度1 mmol/L、流速3 mL/min、积分时间200 ms。

    • 利用上述条件测定青岛近岸沙子口海域某站点(120.553°E,36.120°N)中溶解态Fe(Ⅱ)的浓度,结果表明青岛沿岸水中Fe(Ⅱ)的含量范围为0.035~0.898 nmol/L,且随光照强度呈规律性变化(图 7),这与一些近岸水的研究结果相似(表 6)。此外,在近岸水的测定中,该分析系统稳定,所有样品中Fe(Ⅱ)浓度系列均与发光强度呈良好的相关性,表明该方法受人为有机污染物及海水酸化等复杂因素的影响较小,适用于中国近海中Fe(Ⅱ)含量的测定。

      图  7  沙子口沿岸水中Fe(Ⅱ)含量-光照强度的24 h测定

      Figure 7.  The 24 h measurement of Fe(Ⅱ) concentration-illuminance in the Shazikou coastal water

      表 6  青岛沿岸及其他一些海区内Fe(Ⅱ)的含量及分析方法对比

      Table 6.  Comparison of content and analysis method for Fe(Ⅱ) in Qingdao coastal water and other sea areas

    • (1) 条件探究实验表明MOPS加入量、缓冲pH、luminol浓度、试剂流速、积分时间等因素对Fe(Ⅱ)的测定影响较小,但会显著改变发光灵敏度的大小。本文最佳实验条件为:缓冲pH为7.2、MOPS加入量为2 mmol/L,流速为3 mL/min、信号积分时间为200 ms、luminol浓度为1 mmol/L。该方法测得东海海水的检出限为116 pmol/L,线性范围为0.116~150 nmol/L。重复7次测定Fe(Ⅱ)浓度为4.0000 nmol/L的海水的平均浓度为4.0543 nmol/L,回收率为96%~107%,测定的精密度RSD为3.58%(n=7),t检验结果表明平均值与标准值之间无显著性差异(P=0.95)。

      (2) 本文在现有方法基础之上,采用有机缓冲试剂MOPS代替无机HCl加入到海水样品中以延缓Fe(Ⅱ)的氧化,并测得中国近海中Fe(Ⅱ)的含量分布。主要改进如下:(a)首次对有机缓冲试剂MOPS的用量及缓冲pH进行详细探讨,研究其对不同Fe(Ⅱ)浓度的海水的测定影响;(b)优化各实验条件,包括MOPS的用量及缓冲pH、luminol浓度、试剂流速、积分时间等,以满足中国近海海水中Fe(Ⅱ)的分析要求。

      (3) 本文将该系统应用到中国近海青岛沿岸Fe(Ⅱ)的实际测定中,验证了该方法在中国近海研究中的可行性,且丰富了中国近海Fe(Ⅱ)的数据,为进一步研究中国近海溶解态铁的形态及生物化学过程奠定了基础。

参考文献 (19)

目录

    /

    返回文章