光度滴定法在分析化学中的应用

马立利，丁奇，许雯，王胜楠，曹丽华，郎爽，邵鹏，贾丽

（1.北京市理化分析测试中心，北京市食品安全分析测试工程技术研究中心，北京 100089；2.南京海关工业产品检测中心，南京 210011）

滴定分析法又称容量分析法，是将一种已知准确浓度的试剂（标准溶液）通过滴定管滴加到被测物质的溶液中，或者是将被测物质的溶液滴加到标准溶液中，直到所加的试剂与被测物质按化学计量关系定量反应完全为止，然后根据试剂溶液的浓度和用量等，计算被测物质的含量或浓度［1］。

电位滴定法是滴定分析方法中的一种，它根据滴定过程中指示电极电位的变化来确定终点。滴定时，在化学计量点附近，由于被测物质的浓度产生突变，使指示电极电位发生突跃，从而确定滴定终点［2］。用电位滴定法的电位变化取代经典滴定法指示剂的颜色变化确定终点，其测量精度和准确度均有提高，且拓展了应用范围，可以应用于有色和浑浊溶液的分析。但是电位滴定法中只有原理为氧化还原反应的方法易实习自动化［3］，且该方法消耗溶剂较多，若滴定液中含有有毒、有害物质［4］，则很可能会危害人体健康。

光度滴定法是在滴定过程中用光度计记录吸光度的变化（即颜色变化），从而求出滴定终点，适用于反应完全程度差的体系，能测定底色较深的溶液，且能检测较稀溶液中吸光度的微小变化，因而可滴定低含量的组分。光度滴定法可用于酸碱、氧化还原、沉淀和络合滴定，且用于络合滴定时，灵敏度比目视法高，测定结果更准确。另外，该方法试剂的用量少［4］，容易实现自动滴定，从而在一定程度上较好的取代电位滴定法。

目前，还未有文献系统研究光度滴定法在分析化学领域中的应用情况。笔者介绍了光度滴定法的基本原理和装置，并对其在食品、药品、化工等领域中的应用情况进行评述，以期为其在其它领域的进一步应用提供参考，并为国内以光度计为基础的光度滴定装置的研制提供理论依据。

1 光度滴定法基本原理

光度滴定根据溶液颜色变化转变为的电信号或吸光度确定滴定终点，从而进行定量分析。以电信号为定量依据时，采用光度电极或光度计通过溶液颜色变化获得吸光度或透光率，该参数转变为电信号，并传递给电位滴定仪，最终给出终点所对应消耗滴定剂的体积，从而计算出样品中目标物的含量［5］。通过吸光度确定终点时，利用光度计测得滴定过程中待测液颜色引起的吸光度变化，做出光度法的滴定曲线，由曲线上的吸光度突变点得出滴定终点。滴定过程中，吸光度的变化遵循朗伯–比尔定律［6］。

2 装置

以电信号为滴定终点判定依据时，通常采用配备有光度电极或光度计的电位滴定系统。通过吸光度确定滴定终点时，是将分光光度法引入到滴定分析中，设计光度滴定仪。

2.1 配备光度电极的电位滴定系统

光度电极是与电位滴定仪一起使用的光度探针，可以用于光学比色反应的等当量终点的检测。每个光度电极的探针中有一个发射特定波长的LED灯，可以将此波长的光发射到样品溶液中。化学反应过程中溶液颜色会发生变化，引起光吸收强度的变化，进而转化为电信号输出，以此确定滴定终点。

采用配备光度电极的电位滴定装置检测时，通常是将样品处理后加入指示剂，确定光度电极最优波长，在该波长下进行滴定，识别终点［5，7–8］。有研究采用分光光度计扫描滴定终点前后溶液，比较其谱图，确定测定波长，然后在该波长条件下进行滴定实验［8］。

2.2 光度滴定仪系统

Muller使用经典的光电池光度计进行了首次的光度滴定，通过光电探测器持续监测滴定过程中的光吸收变化，克服了指示剂滴定法肉眼判断终点误差较大的问题［9］。随后，第一台分光光度计问世，光度滴定应用越来越广泛［10］。汪敬武等［11］将分光光度计改装为光度滴定仪，再联用单片机系统构成全自动光度滴定仪，把反应所需的试剂溶液输送管道化，测定时通过调节阀门的开关时间控制流量。Reis团队［12］研发了一款低成本滴定装置（图1），通过判断指示剂颜色的变化利用三通电磁阀控制滴定溶液，实现了光度滴定的自动化。

图1 Reis团队研发的自动光度滴定仪示意图

此外，还有学者自制可用于滴定操作的比色皿，加入样品和指示剂，放入分光光度计中，在毛细滴管搅拌下，用溶剂滴定，根据吸光值或透光率的突变判定终点［13］。刘亚荣等［14］将分光光度法引入滴定分析中，利用钨灯光源提供入射光，经单色器分解后变为单色光，最后由光纤传输给锥形检测滴定瓶。检测滴定瓶中的待测溶液与从滴定管滴入的标准溶液发生化学反应，颜色发生变化。检测器检测该变化，将透过锥形检测滴定瓶的光信号变成可测的电信号，即吸光度，于显示器中显示，从而完成了滴定终点的监测过程。该滴定终点判断仪使滴定终点判定更加准确，且不易受外界环境影响。

随着科学技术的发展，微量滴定受到越来越多的关注。微量光度滴定法结合了分光光度法灵敏度高及滴定分析准确性好的优点，以微量进样器在待测溶液中滴加溶剂，记录滴定过程中目标参数的吸光度变化，确定滴定溶剂与目标参数的化学计量关系，从而进行定量分析［15］。微量滴定具有试剂用量少，成本低，污染小的特点［16］。

流动注射分析技术的出现使得批量滴定成为可能［17］，有人将被滴定溶液与滴定溶剂、指示剂混合，作为载液输入到光检测器中，溶液分散后反应最终形成两个等电点，利用半峰高和被滴定溶液浓度对数的线性关系进行定量分析［18］。类似研究都需要事先进一系列标准滴定液以获得标准曲线，操作比较复杂。Reis团队［19］采用多元流动分析系统，设定滴定溶剂和被滴定溶液的流量，通过指示剂颜色变化确定光度滴定的终点。该装置由一个单线输送通道、三个电磁阀组装而成，用于控制样品、滴定溶液和载液。载液流量恒定，样品和滴定溶剂体积随着时间变化，软件依据光度计储存的先前的实验数据识别终点。该步骤不需要标准曲线，且无需人工操作，可以实现全自动滴定［20–21］。随后该团队不断对该装置进行改进，将其应用到食品、药品、材料等分析领域［22–28］。光度滴定的流量分析模块示意图见图2。

图2 Reis团队研发的光度滴定的流量分析模块示意图

3 应用

目前，光度滴定法已应用于食品、药品、化工、材料、环境、能源等多个领域，近十年的应用情况统计如表1所示。

表1 光度滴定法在各领域中的应用

3.1 食品

光度滴定法在食品分析领域中的应用主要集中在食品样品中目标参数的测定或食品添加剂花旗松素对自由基的清除作用。

Reis团队以多元流动分析系统为基础，调整流路系统、光度计和前处理方法，实现多种食品样品的检测。Garcia等［22］以发光二极管为基础，自制光度计，通过多重切换的流动系统，实现光度滴定法测定红酒中的总酸，克服了酚酞作为指示剂时，由于红酒在可见光范围内有较大吸收而使得光度滴定无法准确判定终点的难题。Crispino等［23］采用小型化多元流动装置测定橄榄油的酸度，滴定过程采用氢氧化钾的正丙醇溶液，首次实现非水环境下的光度滴定，该方法通过模仿手动操作过程，切换装置流路，避免了用校正曲线的方式得到酸的浓度。Dias等［24］采用多元流动分析系统，利用光度法测定罐装食品中的锡，该系统由一套三通电磁阀控制溶剂，含有多个注射器的单元推进流体，PIC微控制器控制分析过程，并处理数据。光度滴定采用自制的光度计，由一个LED、一个光电二极管和自制流动池组成。该方法具有高采样量、低溶剂消耗、废物产生量低等优点，环境友好，满足绿色化学的宗旨。Silva等［25］利用带有长程流通池的自制LED光度计，开发了一种无试剂光度法，测定蒸馏乙醇饮料中的乙醇，从而评价纹影效应。该方法同样采用多元流动分析系统，用微型电磁泵推进流体，流速控制和数据采集通过串行接口由微控制器执行。Lima等［26］利用一个流量分析装置实现光度滴定的全自动化，该装置包括一个自制注射泵和系列电磁阀，在多元流动分析系统基础上组装用于溶液处理。样品中酸的浓度不用校正曲线定量，可以实现真正的滴定。

李维香等［35］采用一种新型的全自动脂肪酸值测定仪，利用光度滴定的原理，检测稻谷、玉米和小麦粉等粮食样品。以无水乙醇提取目标物，百里酚蓝指示液为指示剂，用氢氧化钾标准滴定溶液滴定。通过光学传感器检测记录透过被测溶液的光能量变化，得到被测溶液的颜色变化，再通过微处理系统，识别和控制滴定过程。与电位滴定法和手工滴定法相比，该方法自动化程度高，且一次可同时完成8个样品的检测，大大节约人工成本，提高工作效率。

卢怡雯等［29］采用微量光度滴定法研究了花旗松素对DPPH自由基的清除作用，通过滴定曲线计算花旗松素与自由基被清除量的化学计量比，以评价花旗松素的抗氧化能力。传统方法以EC50%评价抗氧化物质清除DPPH自由基的活性时，EC50%随DPPH初始量的不同而变化，可比性较差。该法所用的清除计量比R，在DPPH初始量高于1.27×10–7mol时，所得R值几乎相同，克服了EC50%的不足。该方法具有试剂用量少、操作简单、成本低等优点，具有较好的应用前景。

3.2 药品

与食品领域相似，光度滴定法常被应用于药物成分含量分析和对DPPH自由基的清除作用的测定。

Lima等［27］利用光散射效应和多元流动分析系统测定药物中的洛沙坦，多元流动分析系统用微型电磁泵推进流体，自制光度计，配备长光程流通池，可以达到高通量分析和低废液产出的目的，能够满足绿色化学指南的要求，具有环境友好的特点。

方梅等［30］建立了测定盐酸地尔硫䓬含量的目视滴定法，并设计出扩展为光度滴定法的概要，为目视滴定法变换为光度滴定法提供范例。

刘萍等［15］结合分光光度法灵敏度高及滴定分析准确性好的优点，用微量进样器向DPPH溶液中滴加活性成分，记录滴定过程中DPPH的吸光度变化，确定活性成分与DPPH反应的化学计量关系，以此评价活性成分清除DPPH的能力。该方法样品使用量少，具有准确性好、简单、易于普及、成本低等特点，为抗氧化活性的微量化检测提出了一种新的思路。

3.3 化工

在化工领域，光度滴定法是采用配备光度电极的电位滴定系统，测定矿石中铁、铜、铅等金属含量［4，7–8，16，31–33，36］。

彭速标等［36］建立了微波辅助消解–微型自动光度滴定法测量铜的方法，用自编的程序将吸光度进行体积校正后，确定滴定终点。而黎香荣等［31］认为上述方法操作复杂，无法自动计算终点，为此提出以E（电压）–V（体积）为滴定曲线进行定量，测定时无需进行体积校正，可以实现自动计算滴定终点，从而简化操作步骤。且该文指出在滴定前加入氟化钾溶液可消除铜精矿样品中铁对测定的干扰，按照实验方法对铜精矿标准样品和实际样品测定，结果与标准值或标准方法基本一致。

刘锦等［33］测定湿法练锌流程中钴渣浸出液中Zn2+和Co2+的合量，以EDTA标准滴定溶液为滴定剂，二甲酚橙为指示剂，光度电极光源574 nm波长为探测波长，滴定完成时二甲酚橙–Zn2+紫色络合物完全分解变为黄色，溶液颜色的变化由光度电极转化为电压信号，从而得到EDTA标准滴定溶液滴定体积与电压信号变化的曲线，进而计算出Zn2+和Co2+的含量。

3.4 其它领域

除食品、药品和化工领域外，光度滴定法还可以应用于材料、环境和能源领域中，测定样品中的目标参数。

周丽华等［5］使用光度计识别溶液颜色变化，将透光率转变为电信号，传递给电位滴定仪，输出滴定曲线，自动判定终点，从而计算出聚酯片中端羧基的含量。优化溶液搅拌速度可以避免因旋起气泡多而对电极电位稳定性带来的影响；静态滴定模式下测定溶剂空白，重复性好，精密度高，动态模式下进行样品测试，分析时间短，工作效率高。

郭少为等［6］针对重铬酸盐法（GB／T 11914–1989）测定化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）时存在指示剂判断滴定终点有视觉误差的问题，提出了光度滴定法测定COD的建议。通过测量滴定终点溶液在不同的波长下对应的吸光度，绘制出波长与吸光度的曲线，从而确定最佳吸收波长为510 nm。在510 nm处以硫酸亚铁铵标准溶液滴定，以其消耗量为横坐标，吸光度为纵坐标，绘制光度滴定曲线，将吸光度突变点作为滴定终点，最终计算环境水样中的COD。该方法从光学角度解决了视觉带来的误差，提高了方法的准确度和精密度，并实现了仪器的自动化。

Lima等［28］采用了二进制搜索算法和多元流动分析系统，实现了自动光度滴定测定乙醇燃料的酸度。其溶液控制设备包括自制注射泵和一套电磁阀，多元流动分析系统由电磁阀组装而成，作为单独的交换装置，便于在不降低准确度的前提下控制小体积的溶剂，从而实现全自动光度滴定。该方法同样不需要校正曲线定量，废液体积是传统方法的十分之一，满足绿色化学关于减废的要求。

4 结语

光度滴定法是以待测组分、滴定剂、反应产物在滴定过程中吸光度的变化确定滴定终点的分析方法。光度滴定法能在底色较深的溶液和无色溶液中进行滴定，易检测微弱吸光度变化，可准确确定滴定终点。

我国的光度滴定法多是用配备有光度电极的电位滴定系统操作，需要事先用光度计确定最优波长，然后用电位滴定系统进行滴定分析，其本质是电位滴定。国外多是采用多元转换的流路系统、光度计自动光度滴定系统，不需要用校正曲线定量，更加方便快捷。因此，在大力推进光度滴定技术广泛应用的同时，我国还需要开发一些通过吸光度确定滴定终点的光度滴定系统，使其能够实现溶剂输送准确、滴定终点易于判断、检测速度快、全自动的目的。