用图1所示实验平台; 经测试, 显色后的Zn²⁺吸收光谱的吸收峰出现在550~650 nm区间。 选用中心波长为620 nm滤光片进行吸光度测量; Zn²⁺重金属离子的标准溶液来自于国家标准物质中心, 浓度为1 000 μ g· mL^-1。 选用硼酸-氯化钾-氢氧化钠溶液作为缓冲剂, 邻2-(2-羟基-5-磺基苯偶氮)亚苄基肼基苯甲酸作为显色剂。

对溶液中锌离子浓度值的检测, 在实验室内可以提供纯锌离子溶液, 在实际待测溶液中不可能仅含锌离子。 如在海水中, 含有丰富的重金属离子。 在建立传感模型时, 需要先行探索液体中其他离子与显色剂的反应情况及其吸光度。 因此, 选用海水中常见的重金属离子溶液与邻2-(2-羟基-5-磺基苯偶氮)亚苄基肼基苯甲酸显色液反应, 观察测量反应情况。

经实际测量, 邻2-(2-羟基-5-磺基苯偶氮)亚苄基肼基苯甲酸显色液与Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Cd²⁺, Pb²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Hg²⁺和Al³⁺等单独作用时, 前四种离子Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺和Cd²⁺都有明显的显色反应, 而后几种离子Pb²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺和Hg²⁺等吸光极其微弱, 当单种离子浓度小于1 mg· L^-1时它的影响可忽略。 所以, 在选用邻2-(2-羟基-5-磺基苯偶氮)亚苄基肼基苯甲酸做显色液, 硼酸-氯化钾-氢氧化钠溶液做缓冲剂测量溶液中锌离子含量时, 只需要考虑溶液中Cu²⁺, Ni²⁺和Cd²⁺的干扰, 即可从总吸光度中得到锌离子的吸光度。

显色后的Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺和Cd²⁺吸光光谱曲线如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+溶液吸收光谱Fig.3 Absorption spectrum of coloring solution of Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+

由图3可知, 在620 nm锌离子特征波长处, Cu²⁺, Ni²⁺和Cd²⁺也有吸光度, 传感器最终得到的是四种离子的总吸光度, 因此需要探索锌离子吸光度和总吸光度的关系。

由于待测溶液的浓度值不同, 所得的结果也会不同, 因此将实验分为低浓度和高浓度两组进行。

低浓度实验时, 首先, 配置溶液。 浓度从0 μ g· L^-1开始, 依次增加10 μ g· L^-1, 直到浓度为100 μ g· L^-1的四种离子溶液; 然后向25 mL容量瓶中分别加入5 mL缓冲液, 2 mL显色液; 再按浓度从低到高分别加入刚配好的10 mL浓度的四种离子溶液, 依次取最大吸收波长626.00 nm对应的中心波长为620 nm的滤光片进行吸光度测量, 光程为1 cm。 四种重金属离子显色后的溶液在不同浓度时的吸光度, 如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 低浓度Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+吸光度Fig.4 Absorption spectrum of coloring solution of Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+ (Low Conc)

高浓度的实验中, 配置的溶液浓度从0 μ g· L^-1开始, 依次增加100 μ g· L^-1, 直到浓度为1 000 μ g· L^-1的四种离子溶液; 然后向25mL容量瓶中分别加入5 mL缓冲液, 2 mL显色液; 其他均与低浓度实验相同。 四种重金属离子显色后的溶液的吸光度如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 高浓度Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+ 吸光度Fig.5 Absorption spectrum of coloring solution of Zn2+, Cu2+, Ni2+, Cd2+ (High Conc)

由上述两组实验可知四种离子在不同浓度下显色后的吸光度, 可以看出在低浓度实验中, 无法有效检测出镉、 镍离子的吸光度随浓度的变化, 但是锌离子检测是十分理想的, 因此锌离子检测下限为10 μ g· L^-1, 分辨率< 10 μ g· L^-1, 准确度为92.619%。 所以本方法主要探索高浓度检测时锌离子吸光度与总吸光度的关系。 实验得到Zn²⁺浓度-吸光度各点对应值及拟合曲线如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 Zn2+浓度与吸光度间的关系特性Fig.6 The relationship between concentration of Zn2+ and absorbance

由图6可知, Zn²⁺浓度与吸光度间是线性关系。 其线性拟合方程为

y1=4.31321×10-4x1(2)

式(2)中, x₁为溶液中Zn²⁺的浓度, 单位为μ g· L^-1; y₁代表Zn²⁺显色后的溶液在620 nm中心波长的吸光度。 由图3可知, 四种离子在四个特征波长处均存在较好的吸光度, 因此通过检测溶液分别在四个特征波长下的吸光度, 即可反向推演锌离子的吸光度。 本课题组在前期的工作中已经完成了通过检测四波长下混合溶液的总吸光度而得到锌离子浓度的推演, 参见文献[9], 所以结合式(2), 即可得到锌离子在620 nm波长处吸光度与溶液总吸光度的关系, 其方程为

y2=6.3693x2+11.9959x3-24.8122x4+12.0951x5+0.1878(3)

式(3)中, y₂为锌离子的吸光度, x₂, x₃, x₄, x₅分别代表混合溶液在 575, 605, 620和650 nm处的吸光度。

取Zn²⁺重金属离子溶液10 mL, 与显色剂、 缓冲剂, 按10∶ 2∶ 5的比例混匀后静置待测。 将配制好的待测溶液放入比色皿中, 依次改变Zn²⁺溶液的盐度; 按图1所示平台, 让检测光照射比色皿溶液, 将通过溶液的透射光送入光谱仪, 再利用计算机软件分析透射光谱的变化, 也就可以分析出不同条件对吸光度的影响。

本实验主要基于分光光度法原理, 溶液中的锌离子与标准锌显色剂邻2-(2-羟基-5-磺基苯偶氮)亚苄基肼基苯甲酸发生显色反应, 即络合反应, 生成络合物。 络合物一般指配位化合物, 由中心原子(或离子)和围绕它的称为配位体的分子或离子(或完全或部分配位键)结合形成, 是分子或者离子与金属离子结合的一类很稳定的、 具有一定化学结构的化合物。

与弱电解质的电离平衡很相似, 配位本体在溶液中的离解平衡也有平衡常数。 显色反应主要是锌离子与锌显色剂发生络合反应形成络离子, 进而形成絮状络合物。 但是配合物也存在稳定性, 这种稳定性主要体现在两方面: 一是热稳定性, 二是在溶液中配合物的组分(中心原子和配位体)是否容易被电离出。 在溶液中, 极少量的中心原子(离子)和配位体可以从配位本体微弱地离解出, 由此可知虽然络离子一般比较稳定, 但在水溶液中却也存在着电离平衡, 也就是说当溶液的盐度发生变化时, 既有可能发生络离子的形成也有可能发生络离子的分解, 从而影响络合反应的程度, 最终影响锌离子的测量值。

3.2.1 不同盐度基底溶液对吸光度的影响

经对河北省海洋与水产科学研究院的渤海近岸部分站位的海水盐度进行测量, 盐度数据如表1所示, 平均值为3.0左右。 为了分析不同盐度对吸光度可能形成的影响, 实验选用Zn²⁺显色溶液的浓度为500 μ g· L^-1, 使用1 cm光程比色池, 进行了不同盐度溶液对吸光度的影响实验。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 盐度值 Table 1 Salinity data 桶号 站位 温度 盐度 A311 311表层 18.12 3.016 B329 308底层 17.73 2.995 B339 316表层 17.95 3.009 A315 312底层 17.96 3.096 A318 305底层 17.33 2.977 B334 302表层 16.87 2.955 A309 316底层 17.89 3.014 B309 305表层 17.46 2.979 A333 302底层 16.78 2.956 B346 308表层 17.86 2.996 A339 314底层 17.46 2.974 A301 311底层 17.98 3.017

表1 盐度值 Table 1 Salinity data

Zn²⁺溶液在不同盐度下的吸光度曲线如图7所示。 (图中不同M数值代表溶液的盐度值)

图7

Fig.7

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	图7 Zn2+溶液在不同盐度下的吸光度曲线Fig.7 The absorbance curves of Zn2+ color solutions with differenu concentration of 500 μ g· L-1

从图7中可以看出, 不同盐度对吸光度有一定影响。 从曲线M-2.81~M-3.28可看出, 当海水盐度为3.0左右, 上下波动小于0.1时, 溶液的吸光度曲线相差很小。 当盐度大于0.3时, 溶液的吸光度变化相对比较大。 一般情况下, 一个区域内海水盐度不会出现大的变化, 所以海水吸光度受盐度影响也较小。

3.2.2 不同盐度基底溶液对吸光度线性度的影响

为测定水质盐度发生变化时, 重金属浓度对吸光度的线性关系是否仍然成立, 开展了实验研究, 实验仍选用Zn²⁺溶液作为研究对象, 使用1 cm比色池, 依次对浓度为0, 100, 300和500 μ g· L^-1的溶液, 进行了不同盐度对吸光度分析实验, 吸光光谱曲线如图8所示。

图8

Fig.8

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	图8 不同盐度下的Zn2+吸光光谱Fig.8 Different salinity, the same group of Zn2+ concentration of the color solution of the absorption spectrum

由图8可以看出, 对四种浓度的Zn²⁺溶液盐度变化时的斜率分别为0 μ g· L^-1: 0.124, 100 μ g· L^-1: 0.123, 300 μ g· L^-1: 0.123, 500 μ g· L^-1: 0.122, 线性关系基本保持一致。

3.2.3 校正模型的建立

按2.2步骤配制好待测锌离子溶液, 依次改变溶液的盐度, 可以得到待测锌离子溶液在其最佳波长620 nm处的吸光度, 得到吸光度与盐度之间的关系曲线如图9所示。

图9

Fig.9

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	图9 吸光度与盐度之间的关系曲线Fig.9 Absorbance and salinity curve

由图6可知Zn²⁺浓度与吸光度间是线性关系, 并且得到了Zn²⁺浓度与吸光度间的拟合方程, 即式(2), 通过式(2), 可以利用已知的溶液中离子的吸光度, 计算得到溶液中离子的浓度, 从而可以得到盐度与测量所得离子浓度关系曲线, 关系曲线如图10所示。

图10

Fig.10

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	图10 离子浓度与盐度的关系曲线Fig.10 Measure the concentration versus salinity curve

实验采用的均为浓度500 μ g· L^-1的Zn²⁺显色溶液, 因此溶液中离子的真实浓度为500 μ g· L^-1, 从而可以得到测量值与真实值的误差值, 这也就是需要人为进行补偿的补偿值。 最后可以得到盐度与人为进行补偿的补偿值之间的关系曲线, 关系曲线如图11所示。

图11

Fig.11

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	图11 盐度与补偿值之间的关系Fig.11 Compensation value and salinity curve

由图11我们可以得到需要进行浓度补偿的值与盐度之间的关系曲线, 通过软件进行多项式拟合, 从而得到拟合方程如下。

y=66.54385+189.7621x-60.22507x2+5.33136x3(4)

式(4)中, y为需要进行的补偿浓度值, 单位是μ g· L^-1, x为溶液盐度值。 利用所得的补偿模型, 来检验补偿效果, 效果如图12所示。

图12

Fig.12

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	图12 补偿前后测量值与真实值比较Fig.12 Compensation effect

从图12可以看, 在补偿之前, 测量值与真实值相差甚远, 进行补偿之后, 测量值与真实值十分接近, 可以看出补偿效果相当不错, 可以提高测量精度。