谷物中金属元素的测定.doc

常见谷物中金属元素的测定李泽华 1300011839合作者：刘文哲 陈博文 贾浪浪 北京大学化学与分子工程学院，北京100871摘要：谷物中含有众多微量的金属元素，本实验通过分光光度法和滴定法测量了大米与小麦中Zn，Fe，Ca，Mg的含量并探索了测量金属离子的条件。本文主要叙述该实验的过程，并对实验中的数据进行处理与分析。关键词：谷物，金属离子，分光光度法，滴定一引言 谷物中含有多种金属离子，大部分对于身体健康有重要作用，其含量范围集中在10-100g/g，属于微量分析。 对于金属的处理，大部分的现有文献采取的是以混合强酸加热并溶解的方法12，但是这种方法本身极具危险性，而且环境有极大的影响。所以本次实验中选择进行长时间的灰化以除去有机物，代替酸解的方法。对于金属的微量分析，分光光度法灵敏度高，易于操作，是当前十分经典的测量微量金属的方法。但分光光度法存在着准确度极差的缺点，所以我们希望找到可以全部替代或部分替代分光光度的方法。滴定法时常用的准确分析的方法，误差极小，EDTA是一种极强的络合剂，可以和多种金属离子络合，常用来测量金属离子的含量。因此，本实验将这两种方法结合，测量谷物中的金属含量。二实验过程2.1仪器与试剂2.1.1仪器725型紫外可见分光光度计2.1.2试剂基准碳酸钙,铁标准溶液,基准氧化锌,六水合氯化镁，1%钙指示剂，锌试剂固体， 0.20%邻二氮菲溶液，pH=8.8的硼砂硼酸缓冲溶液2.2 实验方法2.2.1谷物样品的处理称取20.0g样品于坩埚中，先在电热板上预加热蒸发至无水分，固体呈黑色，转移至马弗炉，加入适量浓硝酸，灼烧至固体呈灰白色。用5%硝酸溶解残留固体并定容至100mL。2.2.2 标准溶液的配制 1) 锌标准溶液的配制：称取0.373g基准氧化锌置于烧杯中，用4mL0.2M盐 酸溶解，定容至250mL。定量稀释100倍，得到3.00g/mL锌标准溶液。 2) 铁标准溶液的配制：取25mL铁标准溶液(实验室提供40ug/mL)，定容至 100mL，稀释4倍，得10.00g/mL铁标准溶液 3) 镁标准溶液的配制：称取1.22g六水合氯化镁至100 mL小烧杯中，加入 适量6 mol/L的盐酸溶解，转移到100 mL容量瓶中，用去离子水定容，摇匀。移取10.00 mL溶液至另一100 mL容量瓶中，加去离子水定容，摇匀。 4）钙标准溶液的配制：称取0.1498g基准碳酸钙，置于烧杯中用10mL0.2M盐酸溶解，定容至250mL。用25mL移液管移取一份上述溶液并定容至250mL，得到60.0g/mL的钙标准溶液。2.2.3钙镁含量测定1） 钙镁总量测定利用EDTA与钙镁络合的反应，在溶液中加入三乙醇胺掩蔽铁离子的干扰，再加入适量氨性缓冲溶液，以EBT为指示剂滴定溶液中的钙镁总量。2） 钙含量测定在溶液中加入氢氧化钠溶液调节pH至11-12，以钙指示剂为指示剂，用EDTA标准溶液滴定钙离子含量。 2.2.4锌含量测定 在溶液中加入三乙醇胺掩蔽铁离子，加入4mL锌试剂，再加入3mL硼砂硼酸缓冲溶液调节pH至8.8，用蒸馏水稀释至25.0mL，用分光光度计在618nm处测定吸光度。 2.2.5铁含量测定在溶液中加入1.0mL盐酸羟胺，混匀静置2min后加入1.0mL邻二氮菲溶液和2.0mL乙酸钠，加水稀释至25.0mL，在510nm测定吸光度。三实验结果及讨论3.1 最终结果 表格 1 谷物中金属离子的含量铁(g/g)锌(g/g)镁(g/g)钙(g/g)大米68185小麦0.0120.1002863153.2 锌含量的测定： 锌是一种较为活泼的元素，可以与多种显色剂络合。实验初期选择PAN为显色剂。因为PAN极易与Zn产生沉淀，故加入SDS乳化剂，并对PAN指示剂的用量做出了探索3。当加入1滴PAN指示剂时，溶液变为粉色，而加入2滴PAN指示剂后，溶液变为紫色，而加入1mLPAN后，溶液则产生红棕色沉淀。查阅资料后发现，PAN可以与锌，铜等多种离子络合，故可能被谷物中的其他离子干扰。换用锌试剂作为新的显色剂。在pH=8.80的硼砂-盐酸缓冲体系下探索最佳吸收波长，结果如下：表格 2 锌最佳吸收波长的确定1波长(nm)580590600605610615620625吸光度(A)0.5360.5620.5900.6060.6180.6250.6250.616 有对615nm到620nm范围进行了更详细的梯度分析，结果如下：表格 3 锌最佳吸收波长的确定2波长(nm)614615616617618619620621吸光度(A)0.6220.6250.6250.6250.6250.6250.6250.622 故最终选定618nm为最佳波长。 于是我们在波长为618nm，pH=8.80的条件下进行锌校准曲线的绘制，但是我们发现加入显色剂后，颜色为显色剂本身的颜色，并未发生明显变化，且校准曲线的数据线性并不明显（见表4）表格 4 第一次锌元素校准曲线锌离子浓度(g/ml)0.120.240.360.480.60吸光度(A)0.3820.4380.4610.3980.521 推测主要原因有两种:反应时间不够或锌试剂浓度不足，故对其原因进行探究： 首先对时间因素进行探究，分别将反应体系放置5分钟和20分钟，测定体系折光度，结果如下：表格 5 时间对吸光度的影响（刘文哲）锌试剂(mL)0.51.01.52.05分钟吸光度0.2770.5240.7620.98320分钟吸光度0.5320.7640.983 可见，在5分钟到20分钟范围内，时间对于体系吸光度的影响极小，排除了时间的影响。继续对锌试剂浓度进行探索，加倍了加入的锌试剂的量后测量校准曲线，发现线性关系也并不明显（见表6），原因是锌试剂浓度过低，未能全部与锌离子络合锌离子浓度(g/ml)0.120.240.360.480.60吸光度(A)0.3820.4380.4610.3980.521 表格 6 第二次锌元素校准曲线 因此，我们大大提高了锌试剂的浓度，并对其最佳浓度做出了探索，结果如下： 表格 7 锌试剂浓度对吸光度的影响锌试剂用量（mL）1.02.03.04.05.0浓度0.2g/L吸光度0.1310.2380.3590.4910.602浓度0.4g/L吸光度0.3380.5830.9070.9910.996 可见，当采用0.4g/L浓度的锌试剂时在4.0mL趋于出现平台，所以采用0.4g/L的锌试剂进行试验并第三次测量校准曲线，线性关系较好，并以此绘制出了校准曲线。图表 1 锌的校准曲线 3.3 模拟样品中钙镁离子的测定 我们针对谷物样品中的金属离子种类，配置了含有2mLKCl溶液，2mL镁标准溶液，2mL铁标准溶液，2mL锌标准溶液，2mL钙标准溶液的模拟样品，并对模拟样品中的钙镁离子的含量进行检测，采用的方法是滴定法。 选用铬黑T测量钙镁离子的总量。终点时溶液由紫色变为蓝色。通过公式c(Ca,Mg)=V(EDTA)c(EDTA)V(模拟试样)得到结果如下： 表格 8 模拟样品中钙镁离子的滴定组序IIIEDTA浓度（mol/L)3.30710-4模拟样体积（mL)10.00EDTA体积（mL）29.4029.20Ca Mg离子总量(mol/L)9.69010-6相对误差10.68%（真值为8.74810-6） 接着选用钙指示剂对模拟样品中的钙离子含量进行滴定。根据公式c(Ca)=V(EDTA)c(EDTA)V(模拟试样)结果如下： 表格 9 模拟样品中钙离子的滴定组序IIIEDTA浓度（mol/L)3.30710-4模拟样体积（mL)10.00EDTA体积（mL）8.558.55Ca离子含量(mol/L)2.82710-6相对误差5.91%（真值为2.99410-6） 对模拟样品中滴定法测量钙镁离子浓度误差相对较大，可能原因是指示剂变色不够明显（由紫色变为蓝色），产生了一定的视觉误差。也有可能是溶液中存在的锌离子对于指示剂的变色有一定的掩蔽作用，造成变色拖尾的现象。由于时间原因，并未针对这一点进行探索4。 同时，我们也采用了分光光度法测量了模拟样品中的铁和锌的含量。并针对铁对于锌的影响做出了探索。 表格 10 铁离子对锌测定的影响组别不加入三乙醇胺加入三乙醇胺吸光度（A）0.2640.420对应锌标液的体积(mL)0.501.09相对误差50%9% 可见，铁离子的存在极大地干扰了锌离子的测定。因此，测定真实样品中锌离子浓度时应先掩蔽铁离子。 我们也测量了模拟样品中铁离子的浓度，为0.725g/mL，相对误差为9.37%。两种离子的测定误差均在仪器分析误差范围内。 3.4 实际样品中离子浓度的测定 样品经过长时间灰化后仍有少量紫色物质存在，可能是其他离子或残余有机物。灰化后，大米样品残余量极低，可能是误差增大的原因之一。 下面是对样品中谷物含量测定的具体数据 表格 11 钙镁离子的含量测定数据 组序 大米 小麦 消耗EDTA的总体积(mL) 18.70 44.20 钙消耗EDTA的体积(mL) 13.70 23.40 钙元素含量(g/g) 185 315 镁元素含量(g/g) 65 286 表格 12 锌元素含量测定的数据 大米 小麦吸光度(A) -0.018 0.027 锌元素含量（g/g) 0.012 表格 13 铁元素含量的测定数据 大米 小麦吸光度(A) 0.002 0.027 铁元素含量（g/g) 0 0.100 最终ICP测试数据显示元素含量(g/g)MgCaFeZn大米105.143.614.24.5小麦1004.1250.033.216.5 与所测得的数据相差较大，推测原因是对于实际样品中的离子环境估计不足，仍存在很多未知离子的干扰，需要进一步的研究。 四总结与反思 实验最终探索出了一条基本可以确定谷物重金属含量的方案，但误差较大，仍存在许多地方可以改进。由于时间原因，并未进行更深入的探索及研究。最终的样品体系中存在许多杂离子，所采取的实验方案并不能全部消除影响。滴定法也并未达到预期的准确性，现阶段不能完全替代分光光度法，谷物重金属离子的测定仍需更精确的方案。 参考文献1.高锦红，科学技术与工程，2011，11，645-6482.王淑荣，中国食物与营养，2013，19（11），74-753.潘仲巍,肖春妹,杨小玲,泉州师范学院学报，2012,30,32-354.田晓雪，唐小冬，化工技术与开发，2012,40,19-21Determination of metal elements in common cerealsThere are many kinds of trace amount of metal elements in the grains. The experiment determines the content of Zn, Fe, Ca,