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溶液中氢气含量的滴定检测方法

已有 8265 次阅读 2014-3-26 10:53 |个人分类:氢气生物学书|系统分类:科普集锦

使用氢气过程中,无论是科研还是具体应用,准确测定氢气浓度都是首先面对的重要问题。测定氢气浓度的标准方法是气相色谱法电极法,但这两种方法需要比较贵重的设备和复杂的检测技术,不适合一些小型实验室和普通用户的需要,因此建立一种简便准确的氢气检测方法十分必要。日本神奈川县的MiZ公司是专门研究开发用于健康的氢气相关产品,最近他们建立了一种氢气浓度检测的简易方法。

该公司的研究人员Bunpei Sato最近在《医学气体研究》杂志上发表了该技术的介绍性文章,对他们开发的这种经济实用简便的测定溶液中氢气含量的方法进行了介绍(该公司曾经开发了一种可以不打开包装制备氢气注射液的技术)。该方法属于经典的氧化还原滴定法,其原理是通过胶体白金(纳米铂)催化氢气还原亚甲蓝MB, methylene blue)。亚甲蓝是一种常用染料和氧化还原滴定指示剂(图8.3),曾经有一个非常著名的葡萄糖还原亚甲蓝的科普实验就是使用的该试剂。由于氢气本身共价键的影响,氢气难以和亚甲蓝在常温下发生反应,但在胶体白金催化下,则可以与等分子量氢气发生氧化还原反应(图8.4),反应可以使兰色的氧化型亚甲蓝变成无色的还原型亚甲蓝leucoMBleucomethylene blue)。其化学反应公式如下:

MB (兰色)+ 2H+ + 2e =leucoMB (无色)

根据上述公式,这些作者使用氧化还原滴定体积分析法确定氢气在水中的浓度。

8.3 亚甲基蓝和三水亚甲基蓝分子结构式

 

8.4 在金属铂催化下,1摩尔氢气和1摩尔亚甲蓝反应产生1摩尔还原型亚甲蓝(来自Seo T, et al. Med Gas Res. 2012;2:1

 

实验方法

亚甲蓝-珀试剂配置

亚甲蓝购买自德国明斯特瓦尔德克公司Waldeck-Gmbh & Co KG, Munster, Germany2%胶体铂水溶液购买自Tanaka Kikinzoku Group Company。首先将亚甲蓝0.3 g98%乙醇(98.9g)溶解为99.2g亚甲蓝乙醇溶液,然后将0.8g胶体铂水溶液和99.2 g亚甲蓝乙醇溶液混匀成100 g亚甲蓝胶体铂MB-Pt试剂MiZ Company,Kanagawa, Japan)。将上述MB-Pt试剂分装到小塑料瓶,用吸管可从小塑料瓶中抽取(每滴17mg0.02 ml)。

氢气水溶液的制备

氢气饱和水(0.8 mM)通过纯水吹泡法制备,然后按照比例用纯水稀释成0.3, 0.20.1 mM氢气水溶液(不具体)。氢气浓度使用电化学检测,仪器使用model DHD1-1, DKK-TOA Corporation, Tokyo,Japan的电化学气体传感器。

氧化还原滴定法检测氢气含量,取氢气溶液20毫升,然后用MB-Pt滴定以兰色消失为标准,直到兰色恰好不再继续消失作为浓度计算的滴定法点(图8.5)。

 

8.5 滴定结果图示。第一瓶为刚加入滴定液时情况,第二瓶为刚加入滴定液后的情况,第三瓶为加入滴定液10秒后的情况。(来自Seo T, et al. Med Gas Res. 2012;2:1

 

结果分析

一滴滴定液含为17 mg,当滴定液滴入氢气溶液中,氢气的摩尔数可以用亚甲蓝表示,可用如下公式计算。

氢气摩尔数=滴定液滴数´17/1000´0.3/100/319.85

1滴滴定液17 mg含有0.16μmol亚甲蓝20 ml饱和氢气水(0.8mM)大约可消耗100滴滴定液(1.7g)(每毫升饱和氢气水消耗5滴定液)。公式如下

800 μmol/(1000 ml/20 ml)= 16 μmol.

16 μmol/0.16 μmol/drop=100 drops

尽管理论计算为100滴,但实际检测后发现55滴就可以达到滴定点。(注:作者的解释是在实验过程中氢气可以从溶液中挥发,但不可能在如此短时间挥发45%,这个似乎不可能,其实有一个可能就是氢气的溶解度根本不是所谓的0.8 mM,而可能是0.5 mM。或者通气的标准液没有达到0.8 mM,定标出错的可能性是存在的),根据研究结果进行校对,作者认为每滴可以中和0.29 μmol氢气(16μmol/55)。也就是说每滴滴定液可以消耗20毫升氢气溶液中氢气的浓度为14.5 μmol/L0.03mg/L0.3 PPb 0.0003ppm

0.29μmol/drop×(1000 mL/20 mL= 14.5μmol/L(或0.03 mg/L

分析结果可以发现,由于用于稀释氢气水的纯水中含有氧气,而氧气把氢气还原的亚甲蓝氧化,也就是说会导致结果失真,采用氮气饱和的水作为稀释液,则结果更为稳定,更加符合预期结果。经过线性分析发现,尽管溶液中氧气能产生一定干扰,但影响的比例比较小,不影响最终的检测结果,因此这种方法可以作为电极检测的替代方法。

当然这种滴定检测方法也存在明显缺陷,这种方法用于纯水或不含其他还原氧化成分的液体中氢气浓度的检测,但液体中如果含有其他氧化或还原性物质,则会干扰显示的准确性,例如对血液和细胞培养液等不适合采用这种方法。从实用的角度,这种方法用于氢气水的定性比较理想,用于定量并不理想。

 

 参考文献

 1.       Ohsawa I, et al. Hydrogen acts as a therapeutic antioxidant by selectively reducing cytotoxic oxygen radicals. Nat Med. 2007;13(6):688-694

2.       刘俊峰等.氢气传感器的研究进展. 传感器与微系统2009;28:8-11

3.       张兴磊等.低浓度氢气检测方法研究进展.分析仪器.2009;5:6-13

4.       Naomi et al. Molecular Hydrogen Improves Obesity and Diabetes by Inducing Hepatic FGF21 and Stimulating Energy Metabolism in db/db Mice. Obesity. 2011;19(7):1396-403

5.       Seo T, et al.A convenient method for determining the concentration of hydrogen in water: use of methylene blue with colloidal platinum. Med Gas Res. 2012;2:1

6.       Ono et al.A basic study on molecular hydrogen (H2) inhalation in acute cerebral ischemia patients for safety check with physiological parameters and measurement of blood H2 level. Med Gas Res. 2012;2:22

 



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