BZ振荡法测定维生素C的含量

于 敏，王传岭，张嘉娴

(嘉应学院医学院，广东 梅州 514031)

维生素C，即抗坏血酸，具有还原性，能参与机体的氧化还原反应，清除自由基，提高机体免疫力，是人体机能得以正常运行的必需物质。水果和蔬菜中富含维生素C，是人体所需维生素C的重要来源，因此，需要对水果和蔬菜中的维生素C含量的测定进行研究[1-2]。目前常见的检测维生素C的方法有分光光度法[3-4]、高效液相色谱法[5-6]、电化学法[7]、间接原子吸收法[8-9]等。

BZ振荡反应是指在酸性介质中，在催化剂的作用下，具有活泼亚甲基的有机酸、酮、酯等化合物被溴酸盐氧化的反应，催化剂一般是可变价金属离子对。在反应过程中，体系中某些物质的浓度会随反应时间呈现规则振荡[10-11]。因BZ振荡反应对外界的扰动敏感，因此可以利用振荡反应对外界物质的含量进行分析测定[11-16]。一般BZ振荡体系采用硫酸为反应介质，本实验选择用硫酸-磷酸混酸来提供酸性环境，来检测维生素C的含量，发现检测效果更好。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

BZ 振荡反应实验系统 BZOAS-ⅡS (南京南大万和科技有限公司),232型甘汞电极,213 型铂电极，超级恒温水浴 CS-501 型(上海实验仪器厂)，超纯水机 MING-CHE (法国 Merck Millipore)硫酸、磷酸、丙二酸、溴酸钾、硫酸铈铵、维生素C等均为分析纯，实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

打开BZ 振荡反应实验系统及电脑记录软件，以铂电极和甘汞电极分别作为工作电极和参比电极，设定反应温度为30℃，恒定磁力搅拌器转速，向反应器中依次加入丙二酸、溴酸钾、混酸，混合均匀后，加入硫酸铈铵，同时利用电脑记录振荡曲线，当系统进入规则振荡后，加入不同浓度的维生素C并记录振荡参数。

2 结果与讨论

2.1 实验条件优化

振荡系统中的反应物的浓度会影响振荡图形，诱导期、周期和振幅均有改变，实验表明，维生素C的含量的负对数与周期(T)变化值有良好的线性关系，而其他参数线性关系较差，因此，改变反应物的浓度，可以提高对干扰物的灵敏度，结果如图1所示。

图1 各实验因素对振荡周期T的影响Fig.1 The influence of experimental factors of malonic acid (a),the mixture of acids (b), potassium bromate (c),ammonium cerous sulfate (d),on the oscillation period T

B-Z振荡反应体系以丙二酸为有机底物，只有当丙二酸的浓度高于0.4mol/L时，才能为引起B-Z振荡提供足够的能量。在丙二酸的浓度为0.9mol/L时振荡周期最大，因此，确定丙二酸的浓度为0.9mol/L。

B-Z振荡反应一般由硫酸提供酸性环境，采用磷酸代替部分硫酸后，由于磷酸会与Ce4+发生沉淀反应，因此会导致振荡反应振幅减小，周期增加，当磷酸占比增加到一定程度后，振荡反应无法发生。实验发现，磷酸存在会增加维生素C对系统扰动的幅度，同时，为研究磷酸对体系的影响，所以选择磷酸占硫酸磷酸的体积分数为60%。

溴酸钾是BZ反应中的氧化剂，实验发现，当KBrO3的浓度低于0.2mol/L时，产生的Br-浓度太低以致于不能产生振荡行为。当溴酸钾的浓度为0.5mol/L时，体系的振荡周期最大，选定溴酸钾浓度为0.5mol/L。

硫酸铈铵中的Ce4+是整个反应中的催化剂，考察了Ce4+在0.002～0.008mol/L范围内对化学振荡图形稳定性的影响，选择0.008mol/L作为实验浓度。

2.2 维生素C对BZ振荡反应的影响

待化学振荡体系稳定后，在振荡电势到达最低点时，用微量注射器分别加入不同浓度的维生素C溶液，得到扰动图谱。如下图所示为加入1mL 0.25mg/mL维生素C所产生的的扰动图谱，其中图2为以硫酸为酸性介质下的振荡图谱，图3为以硫酸-磷酸混酸为酸性介质下的振荡图谱，可以发现,采用磷酸取代硫酸会降低维生素C对于振幅的扰动,振幅变化从29mv降低到10mv，但能够增加对于周期的扰动，周期变化值从接近0s增加到4s左右，本实验选择磷酸条件下考察振荡周期受维生素C浓度的影响。

图2 硫酸条件下维生素C对振荡体系的影响Fig.2 effect of vitamin C on the oscillating system under sulfuric acid conditions

图3 硫酸-磷酸混酸条件下维生素C对BZ振荡体系的影响Fig.3 effect of vitamin C on the oscillating system under mixed acid conditions

2.3 标准曲线的建立

在上述选定条件下，考察不同浓度维生素C对于BZ振荡反应的影响。配置一系列不同浓度的维生素C溶液，待振荡系统稳定后加入维生素C溶液，记录振荡曲线。对振荡曲线进行分析，发现，当维生素C的浓度在0.03125mg/mL～0.25mg/mL范围内时，维生素C浓度的负对数(-logC)与其体系振荡周期的改变量△T存在一定的线性关系，其线性回归方程为△T=2.3313logC +7.6579,线性相关系数R=0.9450，标准曲线见图4，为验证实验的准确性和重现性，在同一条件下进行10次平行试验，计算标准偏差为2%，方法具有可行性。

图4 △T与维生素C浓度的负对数的线性关系Fig.4 linear relationship between △T and the negative logarithm of vitamin C concentration

2.4 可能的反应机理

B-Z振荡反应反应机理复杂，比较经典的机理是Field,Koros和Noyes的FKN模型[10，17]，该模型包括20个基元反应，且Br-和HBrO2是其中两个关键组分。该反应的总反应为：

其反应机理中主要反应有：

BrO3-+4Ce3++5H+→HOBr+4Ce4++2H2O

(2)

BrCH(COOH)2+4Ce4++HOBr+H2O→2Br-+3CO2↑+4Ce3++6H+

(3)

根据FKN机理，磷酸取代硫酸可能对振荡反应体系造成如下影响：

其次，由于硫酸的酸性强于磷酸，以磷酸取代硫酸会导致溶液中氢离子浓度降低，根据FKN机理，反应中许多反应均为酸催化机理，因此磷酸的加入会增加pH值，降低反应速率，增加反应周期。

其三，磷酸含量的增加会增加溶液的离子强度，增强溶液的盐效应，有利于各反应速率的提高，降低反应周期，以上三个作用导致的结果是反应周期先增加后减小。

最后，磷酸根具有较强的配位能力，在一定浓度下与Ce(IV)会发生沉淀反应，能够降低溶液中Ce(IV)的活度，进一步的降低电对的电极电势，振幅减小。

向振荡体系中加入维生素C后，反应周期延长，振幅增加，并且磷酸存在下周期变化明显而振幅变化减弱，原因可能是：

首先，维生素C是一种常见的还原剂，它的烯二醇结构能够与反应体系中的溴发生氧化还原反应，生成溴离子，使得A组反应时间延长，反应周期增加，该组反应需要氢离子参与，磷酸存在时，氢离子浓度较低，反应更慢，因此变化更加明显。

其次，维生素C含有多羟基结构，具有一定的配位能力，可以与金属离子产生不同程度的配位作用，导致Ce4+/Ce3+电极电势改变，电位降低，导致振幅增加，当磷酸存在时，由于磷酸根本身即具有很好的配位能力，因此可以和维生素C产生竞争反应，从而导致维生素C对振荡体系振幅的影响减弱。

3 结论

本文研究了以磷酸-硫酸混酸替代硫酸提供酸性环境下BZ振荡反应的基本规律，并使用该体系测定维生素C的含量；研究发现维生素C浓度C的负对数与振荡周期改变值△T在0.03125～0.25mg/mL范围内具有良好的线性关系，△T =2.3313logC +7.6579,线性相关系数R=0.9450；维生素C和磷酸均在人体中广泛存在且发挥了重要的生理功能，本文研究发现，磷酸存在条件下，维生素C会对BZ振荡反应产生特殊影响，这一实验事实能够加深对维生素C在人体内作用机理的理解，具有一定的指导意义。