本發(fā)明涉及一種磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的檢測(cè)方法，具體涉及一種高Fe(II)背景下檢測(cè)磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法。
背景技術(shù)：
：磷酸鐵鋰作為一種新型的鋰離子電池正極材料，具有成本低、毒性小、理論容量高、循環(huán)壽命長和安全性好等優(yōu)勢(shì)，在新能源領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。大量研究表明，材料中參與電池充放電反應(yīng)的活性成分為LiFePO4，而其中作為雜質(zhì)的Fe(III)并無活性，且易引發(fā)副反應(yīng)與自放電，降低了材料的安全性，因此，需要對(duì)磷酸鐵鋰中的Fe(III)含量進(jìn)行嚴(yán)格的控制。磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的監(jiān)測(cè)分析因?yàn)楦弑尘癋e(II)的存在，一直是磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)領(lǐng)域中的一個(gè)難題，也未有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方法。常用方法如電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)對(duì)元素價(jià)態(tài)無法區(qū)分，而化學(xué)滴定法(間接碘量法)則不能實(shí)現(xiàn)痕量檢測(cè)?，F(xiàn)有技術(shù)檢測(cè)的難點(diǎn)在于：一、Fe(III)和Fe(II)的離子均帶正電，難以直接通過電性分離檢測(cè)；二、檢測(cè)精度低，難以對(duì)高背景Fe(II)下的痕量Fe(III)進(jìn)行有效檢測(cè)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：鑒于上述不足，本發(fā)明提供一種高Fe(II)背景下檢測(cè)磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法，利用絡(luò)合劑的特異性和電動(dòng)進(jìn)樣的選擇性，結(jié)合毛細(xì)管電泳的強(qiáng)大分離能力和在線樣品富集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在最大2000倍當(dāng)量的高Fe(II)背景中測(cè)定痕量Fe(III)，檢測(cè)限可達(dá)0.1μM。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種高Fe(II)背景下檢測(cè)磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法，步驟包括：(1)將磷酸鐵鋰樣品溶入鹽酸中，提取其上清液并稀釋到所需濃度；(2)在上述溶液中加入EDTA和phen，制備含絡(luò)合物Fe(III)-EDTA和Fe(II)-phen的待測(cè)液；(3)檢測(cè)待測(cè)液的吸光度；(4)根據(jù)上述測(cè)得的吸光度計(jì)算磷酸鐵鋰樣品中的Fe(III)含量。進(jìn)一步地，步驟(1)的具體方法為：將磷酸鐵鋰樣品置于離心管中，加入3.0-6.0M鹽酸，常溫超聲溶解，再進(jìn)行離心，取上清液稀釋到所需濃度。進(jìn)一步地，待測(cè)液中的EDTA的濃度為30-80μM，phen的濃度是Fe(II)濃度的10倍以上。進(jìn)一步地，采用場(chǎng)放大進(jìn)樣(FESI)的方法檢測(cè)待測(cè)液的吸光度。進(jìn)一步地，采用場(chǎng)放大進(jìn)樣的方法檢測(cè)待測(cè)液的吸光度包括：將待測(cè)液加入到緩沖液中，并加入添加劑CTAB，檢測(cè)待測(cè)液的吸光度。進(jìn)一步地，選擇pH為3.5-5.5，濃度為50-150mM的醋酸緩沖液或者選擇pH為3.0-5.0，濃度為30-50mM的磷酸緩沖液。進(jìn)一步地，添加劑CTAB在緩沖液中的濃度為0.2-20mM。進(jìn)一步地，采用場(chǎng)放大進(jìn)樣的方法檢測(cè)待測(cè)液的吸光度包括：在進(jìn)樣之前向毛細(xì)管中加壓0.5psi×3至15s引入一段水柱，檢測(cè)待測(cè)液的吸光度。進(jìn)一步地，場(chǎng)放大進(jìn)樣的進(jìn)樣條件為：進(jìn)樣電壓-2至-8kV，進(jìn)樣時(shí)間30-120s。進(jìn)一步地，采用場(chǎng)放大進(jìn)樣的方法進(jìn)行檢測(cè)的整個(gè)過程中，毛細(xì)管恒溫在15-25℃，檢測(cè)波長設(shè)置為250-270nm，所有的測(cè)定均重復(fù)至少三次。進(jìn)一步地，通過以下公式計(jì)算磷酸鐵鋰樣品中的Fe(III)含量：c＝(t*a-0.261)/0.384其中，c表示Fe(III)的濃度(μM)，a表示[FeIII-EDTA]-的吸光度峰值(mAU)，t表示峰值的遷移時(shí)間(s)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、選取乙二胺四乙酸(EDTA)作為第一絡(luò)合劑，因EDTA分別與Fe(III)和Fe(II)絡(luò)合的穩(wěn)定常數(shù)相差10個(gè)數(shù)量級(jí)(lgK(Fe3+)＝25.1，lgK(Fe2+)＝14.3)，十分有利于EDTA在大量Fe(II)的背景中絡(luò)合痕量Fe(III)，同時(shí)加入大量的第二絡(luò)合劑鄰二氮菲(phen)來特異性地絡(luò)合Fe(II)(lgβ3(Fe3+)＝14.1，lgβ3(Fe2+)＝21.3)。這樣體系中原本均帶正電的Fe(III)和Fe(II)分別轉(zhuǎn)化為帶負(fù)電的Fe(III)-EDTA和帶正電的Fe(II)-phen絡(luò)合物，這實(shí)際上在毛細(xì)管電泳進(jìn)樣階段即可通過電動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)Fe(III)的選擇性進(jìn)樣。2、毛細(xì)管電泳具有高效、快速、靈敏及高度自動(dòng)化等特點(diǎn)，且所需樣品量和溶劑消耗少，對(duì)環(huán)境污染小，通過結(jié)合在線樣品富集技術(shù)，被廣泛用于低濃度離子的檢測(cè)。本發(fā)明結(jié)合毛細(xì)管電泳的強(qiáng)大分離能力和在線樣品富集技術(shù)，可在最大2000倍當(dāng)量的高Fe(II)背景中測(cè)定痕量Fe(III)，檢測(cè)限可達(dá)0.1μM，與現(xiàn)有技術(shù)相比，檢測(cè)精度更高。附圖說明圖1A和圖1B為樣品溶液中化合物相對(duì)含量對(duì)[FeIII-EDTA]-出峰的影響對(duì)比圖。樣品溶液：(A)100μMFe2(SO4)3+100μMFeSO4+1mMEDTA+1mMphen；(B)10μMFe2(SO4)3+1mMFeSO4+1mMEDTA+1mMphen。實(shí)驗(yàn)條件：電泳緩沖液，100mM醋酸緩沖液(pH5.0)+0.2mMCTAB混合溶液；壓力進(jìn)樣，0.5psi×5s；分離電壓，-15kV。圖2A為[FeIII-EDTA]-的線性工作曲線圖，圖2B為x＝10時(shí)的電泳圖。樣品溶液(pH4.0，用HCl調(diào)配)：x(＝0.5,1,5,10,20,50)μMFe2(SO4)3+1mMFeSO4+50μMEDTA+50mMphen。實(shí)驗(yàn)條件：電泳緩沖液，100mM醋酸緩沖液(pH4.0)+0.2mMCTAB+50μMEDTA混合溶液；FESI進(jìn)樣，0.5psi×12s水柱，-5kV×60s；分離電壓，-15kV。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合所附圖作詳細(xì)說明如下。針對(duì)本發(fā)明提供的高Fe(II)背景下檢測(cè)痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法，下述首先是對(duì)該方法進(jìn)行建立，優(yōu)化分離條件，論證該方法的可行性，再通過實(shí)施例加以證明。一、高Fe(II)背景下檢測(cè)痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法的建立1、儀器裝置本發(fā)明使用的無涂層熔融石英毛細(xì)管(PolymicroTechnologies，美國)，內(nèi)徑50μm，外徑365μm，長60cm(有效長度56cm)。新毛細(xì)管在使用前，依次用1.0M的鹽酸沖洗5min，純水沖洗5min，1.0M的氫氧化鈉沖洗10min，純水沖洗5min，緩沖溶液沖洗30min。隨后，毛細(xì)管將在緩沖液環(huán)境中加電平衡15min。為了保證方法的重現(xiàn)性，每次進(jìn)樣前使用緩沖溶液沖洗2min。2、主要試劑及溶液制備硫酸鐵、醋酸鈉和優(yōu)級(jí)純鹽酸購自西隴化學(xué)試劑有限公司(廣州，中國)，七水硫酸亞鐵、磷酸二氫鈉、乙二胺四乙酸二鈉(EDTA)購自北京化工廠(北京，中國)，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)購自百靈威科技有限公司(北京，中國)，鄰二氮菲、磷酸購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司(北京，中國)。緩沖液以及樣品溶液均由娃哈哈純凈水(杭州，中國)配制。EDTA(10mM)、phen(100mM，加無水乙醇助溶)和CTAB(20mM)均為每周配制，待稀釋使用，F(xiàn)e(II)(10mM，七水硫酸亞鐵的水溶液)和Fe(III)(10mM，硫酸鐵的水溶液)溶液為每日新配。磷酸緩沖液(pH2.0和3.0)由磷酸二氫鈉和磷酸混合配制，醋酸緩沖液(pH4.0和5.0)由醋酸鈉和鹽酸調(diào)配。實(shí)驗(yàn)中所用到的其他試劑均為分析純，且在使用時(shí)不需要進(jìn)一步純化。不同濃度的Fe(II)、Fe(III)和EDTA、phen的混合液均由母液經(jīng)純凈水稀釋得到。所有實(shí)驗(yàn)均在配備二極管陣列紫外檢測(cè)器(DAD)的P/ACEMDQ毛細(xì)管電泳儀上(Beckmancoulter公司，美國)進(jìn)行，使用32Karat軟件(8.0版)采集數(shù)據(jù)和控制儀器。3、毛細(xì)管電泳實(shí)驗(yàn)流程在場(chǎng)放大進(jìn)樣(FESI)之前以加壓方式(0.5psi×12s)向毛細(xì)管中引入一段水柱，優(yōu)化FESI參數(shù)(進(jìn)樣時(shí)間和進(jìn)樣電壓)，設(shè)定分離電壓為-15kV。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中毛細(xì)管恒溫在25℃(可選15-25℃)，檢測(cè)波長設(shè)置為266nm(可選250-270nm)，所有的測(cè)定均重復(fù)至少三次。4、毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)分離條件優(yōu)化首先在毛細(xì)管區(qū)帶電泳(CZE)模式下對(duì)分離條件進(jìn)行了優(yōu)化，包括緩沖體系的選擇、緩沖液pH和絡(luò)合劑濃度的優(yōu)化等。最初嘗試了pH5.0的醋酸緩沖液作為背景電解質(zhì)，緩沖液中加入陽離子表面活性劑CTAB以改變電滲流方向。由于EDTA可同時(shí)與Fe(III)、Fe(II)絡(luò)合，因此絡(luò)合劑EDTA和phen的量對(duì)Fe(III)的出峰影響很大。對(duì)比圖1A和圖1B可以發(fā)現(xiàn)，不僅100μM的Fe(III)(含100μMFe(II))的峰面積比10μMFe(III)(含1mMFe(II))的峰面積小，而且Fe(II)的峰面積也沒有大幅度增加。經(jīng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這是因?yàn)閮蓚€(gè)樣品溶液所含的EDTA和phen的濃度相同，在增大Fe(II)為1mM時(shí)，phen的濃度依然為1mM，導(dǎo)致Fe(II)不能完全被phen絡(luò)合，圖1B中未出現(xiàn)phen的峰也證實(shí)了這一點(diǎn)。而1mM的EDTA相對(duì)于10μM的Fe(III)來說大大過量，因此會(huì)有剩余的EDTA與Fe(II)絡(luò)合，而[FeIII-EDTA]-和[FeII-EDTA]2-在此分離條件下因難以分開而在同一位置出峰，因此會(huì)出現(xiàn)圖1B中10μMFe(III)的峰面積反而比圖1A中100μMFe(III)的峰面積大的情況。由此證明，在實(shí)驗(yàn)中必須保證phen相對(duì)于Fe(II)過量至少10倍，以確保Fe(II)完全被phen絡(luò)合，通常下phen量為50-80mM；同時(shí)EDTA相對(duì)于Fe(III)過量5-10倍即可，否則剩余的EDTA會(huì)與Fe(II)絡(luò)合而影響Fe(III)的出峰，通常下EDTA量為30-80μM。通過以上方法反復(fù)優(yōu)化得出：添加劑CTAB在緩沖液中的濃度為0.2-20mM，可選擇pH為3.5-5.5，濃度為50-150mM的醋酸緩沖液，或者pH為3.0-5.0，濃度為30-50mM的磷酸緩沖液。5、場(chǎng)放大進(jìn)樣(FESI)富集條件優(yōu)化由于CZE最低只能測(cè)到10μM的Fe(III)，因此選擇了場(chǎng)放大進(jìn)樣(FESI)的富集方法來提高靈敏度。FESI采用的是電動(dòng)進(jìn)樣，可以利用[FeIII-EDTA]-和[FeII-phen]2+的帶電差異，在毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣階段即可實(shí)現(xiàn)在高Fe(II)背景下對(duì)Fe(III)的選擇性進(jìn)樣。同時(shí)在背景電解質(zhì)中加入CTAB來改變電滲流的方向，從而可以采用負(fù)電分離，避免了進(jìn)樣之后需電壓反轉(zhuǎn)而造成的樣品回流問題。在進(jìn)行FESI時(shí)，EDTA、Fe(II)和phen的濃度分別固定在50μM、1mM和50mM。在pH5.0的醋酸緩沖體系條件下，無法獲得最理想的Fe(III)的線性工作曲線，推測(cè)是因?yàn)闃悠分写嬖诘拇罅縁e(II)影響了Fe(III)與EDTA的絡(luò)合。通過對(duì)不同pH條件下EDTA與Fe(III)、Fe(II)絡(luò)合的條件穩(wěn)定常數(shù)(表1所示)的分析，發(fā)現(xiàn)在pH2、3、4的條件下兩者的差異最大，同時(shí)考慮到phen與Fe(II)的絡(luò)合條件，在嘗試了三種不同的pH后，最終選擇了pH4.0的醋酸緩沖體系。需指出的是，pH4.0的醋酸緩沖液可得出最理想的Fe(III)線性工作曲線，但該曲線在上述優(yōu)化得出的不同PH和濃度的緩沖溶液環(huán)境下也是可用的。對(duì)于FESI來說，進(jìn)樣電壓與進(jìn)樣時(shí)間是非常重要的兩個(gè)參數(shù)。盡管較長的進(jìn)樣時(shí)間或較大的進(jìn)樣電壓均會(huì)增加進(jìn)樣量，從而提高檢測(cè)的靈敏度，但進(jìn)樣量過大的同時(shí)因?yàn)閿U(kuò)散的緣故也會(huì)造成峰展寬。考慮到峰形和靈敏度等因素，最終確定的最佳FESI進(jìn)樣條件為進(jìn)樣電壓-2至-8kV，尤其是-5kV，進(jìn)樣時(shí)間30-120s，優(yōu)選60s。在FESI之前引入一段水柱不僅有助于提高進(jìn)樣效率，也有助于提高結(jié)果的重現(xiàn)性，確定最佳參數(shù)為0.5psi×3至15s，優(yōu)選0.5psi×12s。表1不同pH條件下EDTA與Fe(III)、Fe(II)絡(luò)合的條件穩(wěn)定常數(shù)pH01234567lgK′(Fe3+)5.18.211.513.914.714.814.614.1lgK′(Fe2+)--1.53.75.77.79.510.9數(shù)據(jù)來源于《分析化學(xué)(第五版)》上冊(cè)，武漢大學(xué)主編，2006，高等教育出版社。在優(yōu)化后的FESI條件下繪制了[FeIII-EDTA]-的校準(zhǔn)曲線(圖2A所示)，線性關(guān)系式為A＝0.384c+0.261，線性相關(guān)系數(shù)為0.9988。其中，A表示[FeIII-EDTA]-的峰面積(mAU·s)，是吸光度與遷移時(shí)間的乘積；c表示Fe(III)的濃度(μM)。圖2A中各點(diǎn)都是通過電泳圖得來，如圖2B為圖2A中x＝10時(shí)的電泳圖，通過該電泳圖可知出峰的吸光度和遷移時(shí)間，乘積可得圖2A中的峰面積值。故，通過測(cè)定Fe(III)的吸光度(mAU)，獲得在遷移時(shí)間t(s)下的吸光度峰值a，計(jì)算出峰面積A＝t*a，結(jié)合上述的線性關(guān)系A(chǔ)＝0.384c+0.261，求得Fe(III)的濃度(μM)公式：c＝(t*a-0.261)/0.384。從校準(zhǔn)曲線可得本方法的線性范圍為0.5μM至50μM，檢出限(信噪比S/N＝3)為0.1μM，遷移時(shí)間與峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.43％與3.4％。二、針對(duì)上述建立的方法，下述給出六個(gè)實(shí)施例。六個(gè)實(shí)施例選用不同磷酸鐵鋰樣品進(jìn)行測(cè)定，樣品重量相同，離心管大小、離心參數(shù)、加入的鹽酸量、溶解時(shí)間、稀釋倍數(shù)等都相同，避免這些因素的干擾，下述先以實(shí)施例1的制備進(jìn)行說明，表2中為全部實(shí)施例及重要參數(shù)。實(shí)施例1的磷酸鐵鋰樣品的制備：準(zhǔn)確稱取0.0100g磷酸鐵鋰樣品置于10mL離心管中，加入5.0mL濃度為5.0M鹽酸，常溫超聲溶解30min，離心(12000r/min，30min)后取上清液稀釋500倍，加入50μMEDTA和50mMphen，再利用本方法進(jìn)行測(cè)定。表2六個(gè)實(shí)施例的重要參數(shù)針對(duì)上述六個(gè)實(shí)施例，表2列出了以FESI方法來測(cè)定各磷酸鐵鋰樣品的定量分析結(jié)果和檢測(cè)回收率。表2FESI測(cè)定的磷酸鐵鋰樣品結(jié)果從表中可以看出，所測(cè)的結(jié)果通過間接碘量法滴定結(jié)果基本吻合，而且獲得了97％-103％的高回收率，這證明了方法的可靠性，也顯示了這種方法能夠在高Fe(II)背景中可靠地定量檢測(cè)出Fe(III)的含量。本發(fā)明通過巧妙利用絡(luò)合劑的特異性和電動(dòng)進(jìn)樣的選擇性，成功建立了在高Fe(II)背景下檢測(cè)磷酸鐵鋰中痕量Fe(III)的毛細(xì)管電泳新方法。以EDTA作為絡(luò)合劑，因EDTA分別與Fe(III)和Fe(II)絡(luò)合的穩(wěn)定常數(shù)相差近10個(gè)數(shù)量級(jí)，可通過pH的調(diào)節(jié)來調(diào)控EDTA分別與Fe(III)、Fe(II)的絡(luò)合，同時(shí)加入大量鄰二氮菲(phen)來特異性地絡(luò)合Fe(II)，保證了EDTA能在高Fe(II)背景中絡(luò)合痕量Fe(III)。同時(shí)還利用形成的絡(luò)合物所帶電荷正負(fù)性的差異，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)樣階段即對(duì)Fe(III)的選擇性進(jìn)樣。最后結(jié)合毛細(xì)管電泳的強(qiáng)大分離功能和在線樣品富集技術(shù)，成功測(cè)定了磷酸鐵鋰樣品中(高Fe(II)背景下)的痕量Fe(III)，較好的回收率也進(jìn)一步證明了該方法具有簡(jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確和可靠等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前第1頁1 2 3