气体扩散耦合顺序注射分光光度法测定葡萄酒中的二氧化硫

刘 晶 王美艳 范世华

(东北大学 理学院 分析科学研究中心，沈阳 110004)

0 前言

亚硫酸盐通常指二氧化硫及能够产生二氧化硫的无机性亚硫酸盐，在食品加工中广泛用作漂白剂、防腐剂和抗氧化剂；二氧化硫是葡萄酒酿造过程中不可缺少的添加剂，其主要功能是防腐杀菌、澄清、抗氧化和增酸、增色、改善果酒风味等[1]，但过量使用亚硫酸盐类食品添加剂会破坏食品的营养素。人类若食用过量的亚硫酸盐会产生头痛、恶心、晕眩、气喘、荨麻疹等过敏反应[2]。目前亚硫酸盐的安全性问题已引起越来越多的关注。

SO32-定量测定方法有高效液相色谱法[3]、气相色谱法[4]、离子色谱法[5]、荧光光谱分析法[6]、化学发光法[7]、分光光度分析法[8]等。在我国测定二氧化硫常用的方法是盐酸副玫瑰苯胺-甲醛比色法。但盐酸副玫瑰苯胺-甲醛比色法手工操作繁琐、空白背景大、重现性差，所使用的试剂四氯汞钾和甲醛等毒性较强，易对环境造成新的污染；同时该方法对盐酸的加入量要求十分苛刻，因此在应用上受到一定限制。而顺序注射法与分光光度分析法联用技术在无机离子及有机物测定方面得到了很好的应用[9-10]。本文基于孔雀绿与二氧化硫的褪色反应，将顺序注射进样气体扩散分离与光度分析法联用，快速、准确地测定了葡萄酒中SO2的含量。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

SIS-4100四道顺序注射系统(北京吉天仪器公司)：由注射泵、8位选择阀和5 mL针筒组成，注射器和多位阀的操作由计算机控制；722光栅分光光度计(上海第三分析仪器厂)；气体扩散膜(自行加工)；PCL-711B数据采集卡(Advantech CO.，台湾)。

无水亚硫酸钠(CP)、乙二胺四乙酸二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、盐酸(36%～38%)，购自沈阳市试剂厂；孔雀石绿(BS)购自国药集团化学试剂有限公司；无水碳酸钠和碳酸氢钠购自上海虹光化工厂。上述试剂除另有说明，皆为分析纯，水为二次去离子水。

EDTA钠盐溶液(0.001 mol/L)、磷酸盐标准缓冲溶液(0.025 mol/L)、孔雀绿储备溶液(4×10-3mol/L)、二氧化硫标准储备溶液(1 000 mg/L)。

孔雀绿工作溶液：准确移取10 mL磷酸盐标准缓冲溶液(0.125 mol/L)于50 mL容量瓶中，加入适量水稀释后，再加入一定体积的孔雀绿标准储备溶液，稀释后定容至刻度，摇匀，配制成适当浓度的孔雀绿工作溶液。

1.2 实验方法

按照图1所示的实验流路，SI系统通过八位选择阀的一个阀位通道对整个流路用水进行冲洗后，将含有孔雀绿指示剂的溶液吸入储存管并反向推至气体扩散膜的接收液流通道；然后冲洗储存管路后再依次将试样、试剂顺序地吸入储存管，并反向将其推入给予液流通道进行化学反应，产生的气态二氧化硫经PTFE膜扩散进入给予液流通道，最后将给予液流中的指示剂溶液推入流通池，在波长615 nm处实时记录吸光度信号。测定试剂空白的吸光度A0和显色反应后溶液的吸光度A，并计算吸光度差值A0-A。全部操作过程在计算机控制下按一定程序完成。

图1 气体扩散-顺序注射分光光度法测定流路图Figure 1 Schematic diagram of SIA system with gas diffusion for spectrophotometric determination.C—载流；VSP—两位阀；SP—注射泵；MPV—八位选择阀；D—检测器；W—废液；HC—储存管(i.d. 0.8 mm，管长200 cm)；RC—反应管(i.d. 0.8 mm，管长30 cm)；R1—HCl溶液；R2—孔雀绿溶液；S—试样溶液

2 结果与讨论

2.1 吸收波长的选择

反应产物的吸收光谱见图2。在350～750 nm的范围内，显色产物在615 nm处的吸光度最大，实验选定615 nm 为检测波长。

图2 吸收光谱曲线Figure 2 Absorption spectra.

2.2 检测流速的选择

实验采用气体扩散分离装置在顺序注射进样条件下将待测组分与基体分离，因此需要优化试样与盐酸混合反应后流经给予液流通道的速度即给予液流速V1和吸收了扩散SO2的孔雀绿指示剂溶液进入检测器的速度即接收液流速V2。

给予液流速V1对吸光度差值的影响如图3。给予液流通道是试样与试剂反应生成SO2的通道，流速V1越小，试剂与试样在管路中的留存时间及反应时间就越长，所生成的SO2越多，通过气体扩散分离器后转化为SO32-的量越大，与指示剂进行加成反应的程度也就越大，指示剂褪色也就越明显。在实验中兼顾灵敏度及取样频率，选择其流速V1为1.2 mL/min。

图3 给予液流速V1对吸光度差值的影响 Figure 3 Effect of V1 flow rate on relative absorbance.

接收液流速V2对吸光度差值的影响如图4。由图可知，吸光度差值随系统流速V2的增加而明显降低。这是因为在实验中，接收液流通道中的孔雀绿指示剂在弱碱性条件下，与经扩散进入通道的SO2转化为SO32-后发生加成反应，使孔雀绿结构发生改变，从而导致其褪色。由于加成反应的反应速率较为缓慢，若流速V2过快，减少了反应时间，会使SO32-无法充分与指示剂发生加成反应，降低反应进行的程度，进而导致吸光度差值较小。流速V2为1.2 mL/min时，可以获得相对高的灵敏度和较大的取样频率，因此实验中选择1.2 mL/min作为最佳的系统流速V2值。

图4 给予液流速V2对吸光度差值的影响 Figure 4 Effect of V2 flow rate on relative absorbance.

2.3 试样体积的选择

实验观察到，随着试样体积的增加，吸光度总值增加。这是因为随着与盐酸发生反应的试样增多，产生的SO2也增多，因此吸光度差值迅速增大；试样体积增大到200 μL以后趋于平缓，这是由于在管路中进行的化学反应发生在试样与试剂相互渗透的界面上，当样品体积增大到200 μL时，过多的试样溶液在管路中无法与盐酸进一步接触渗透，所以产生的SO2量没有明显增多，因此吸光度差值增加较缓慢。兼顾灵敏度和分析速度，实验选择200 μL作为试样的最佳进样体积。

图5 试样体积对吸光度差值的影响Figure 5 Effect of sample volume on relative absorbance.

2.4 盐酸溶液和孔雀绿溶液体积的选择

实验结果表明，吸光度差值随盐酸体积的增加而逐渐增加，但增加幅度不是很明显。实验确定选择100 μL作为盐酸的最佳体积，孔雀绿溶液的体积对吸光度差值的影响如图6所示。孔雀绿溶液为本实验的指示剂，其体积的增加，可以减少两端载流对扩散膜处的指示剂区带的稀释，从而保证给予液流区带中央部位(与位于扩散单元中给予液流相对应部位)能有较高浓度的孔雀绿与扩散过来的SO2发生反应，以增加灵敏度并获得较好的重现性。当孔雀绿体积在100～200 μL范围内变化时，吸光度差值随孔雀绿体积的增加而逐渐增大；当体积达到200 μL并继续增大时，吸光度差值基本不再变化，因此选择200 μL作为孔雀绿溶液的最佳体积。

图6 孔雀绿体积对吸光度差值的影响 Figure 6 Effect of MG volume on relative absorbance.

2.5 盐酸浓度的选择

实验结果表明，系统中所使用的盐酸浓度不同会直接影响吸光度差值的大小。随着盐酸浓度的增加，吸光度差值也随之增加；当浓度达到0.5 mol/L时吸光度差值达到最大；继续增加盐酸浓度，吸光度差值则缓慢降低，如图7所示。实验选择0.5 mol/L作为HCl的最佳工作浓度。

图7 HCl浓度对吸光度差值的影响 Figure 7 Effect of HCl concentration on relative absorbance.

2.6 孔雀绿溶液浓度的选择

试样中产生的SO2透过气体扩散膜进入到孔雀绿溶液中，在碱性条件下SO2转化为SO32-后，与孔雀绿发生加成反应使其褪色，因此孔雀绿溶液的浓度直接影响空白溶液的吸光度值及加成反应的褪色程度。如图8所示，吸光度差值随孔雀绿浓度的增大而显著增大，但浓度太高会导致吸光度超过仪器的线性响应范围。为保证其空白吸光度控制在光度计的线性响应范围内并获得较高的灵敏度，选择2.0×10-4mol/L作为孔雀绿的最佳浓度，此时空白信号的吸光度约为1.40。

图8 孔雀绿浓度对吸光度差值的影响 Figure 8 Effect of MG concentration on relative absorbance.

2.7 共存组分的干扰

在气体扩散分离过程中，气体扩散膜将大部分的非挥发性基体组分隔离在给予液流通道的一侧，消除了其对指示剂褪色反应的干扰，然而在基体组分中仍可能存在酸性条件下转化为气态的气体组分(如二氧化碳等)，同样也可以透过扩散膜进入到接收液中，对测定产生干扰。本实验对HCO3-，CO32-的干扰情况进行了考察。

在上述优化的最佳实验条件下，以20 μg/mL的SO32-标准溶液作为测试溶液，在相对误差±5%的允许范围内，NaHCO3，Na2CO3的允许倍数分别为150和20倍。

2.8 方法的分析性能

在选定的实验参数下，当接收液流速V2为1.2 mL/min时，在1.0～5.0 μg/mL的浓度范围内，吸光度差值与二氧化硫浓度呈线性响应关系。线性回归方程为：ΔA=0.031 4c+0.004 4(r=0.999 4，n=6)，其中c为二氧化硫浓度，ΔA为吸光度差值。以空白溶液吸光度的3倍标准偏差与标准曲线斜率的比值作为方法的检出限(3σ)，计算得检出限为0.33 μg/mL。

当接收液流速V2为4.2 mL/min时，在5.0～50.0 μg/mL的浓度范围内，吸光度差值与二氧化硫浓度呈线性响应关系。线性回归方程为：ΔA=0.007 7c+0.0327(r=0.997 8，n=7)。连续11次重复一定浓度的样品溶液的相对标准偏差(RSD)在0.29%～0.43%，精密度良好。

为了验证方法的准确性，对两种葡萄酒样品进行加标回收率考察。按实验中的操作方法，在两种葡萄酒的进样量均为200 μL的条件下，分别测定其吸光度差值，由标准曲线计算出样品中SO2的浓度。测定结果及加标回收率见表1。

表1实际样品加标回收率

Table1Resultsofrecoverytest/(mg·L-1)

由表1可知，两种葡萄酒样品的加标回收率在98.7%～104.7%(n=3)。

3 结语

实验首次提出单泵单阀式顺序注射进样体系与气体扩散分离装置联用，基于在微碱性条件下，亚硫酸根离子可与孔雀绿溶液发生加成反应并使其褪色的原理，测定了葡萄酒中二氧化硫的含量。流路简单，所使用的指示剂毒性小，不附着管路、易于冲洗，用于葡萄酒中二氧化硫的测定，取得比较满意的结果。

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