摘要：光譜滴定方法作為滴定領(lǐng)域的新技術(shù)，是替代顏色滴定（感官滴定、人工滴定）的新一代革新技術(shù)。在可見光范圍內(nèi)，采用全波長同步監(jiān)控+色空間算法+曲線算法技術(shù)，建立了試劑量與單一計量參數(shù)的在線二維滴定曲線坐標(biāo)，從而使顏色滴定方法提升為自動化儀器分析方法。與電位方法、溫度方法相比，應(yīng)用面廣、不干擾被測定反應(yīng)、測量無延遲、無接觸性傳感器、不受溫度影響、反應(yīng)靈敏、沿用顏色測量方法原理等諸多優(yōu)點(diǎn)，未來將在滴定分析技術(shù)中占主導(dǎo)地位。 表1.四種滴定技術(shù)比對表 滴定技術(shù) 發(fā)明人 時間 距今 優(yōu)缺點(diǎn) 滴定分析方法（感官滴定方法） 法國化學(xué)家，Joseph Louis Gay-Lussac 19世紀(jì)上半葉 約150年 現(xiàn)況：建立了深厚的理論、標(biāo)準(zhǔn)體系。 優(yōu)點(diǎn)：簡單，至今仍是滴定分析的主流方法。 缺點(diǎn)：主觀方法，誤差大，無法量值溯源。 前景：逐步被淘汰。 電位滴定 德國化學(xué)家，Rorber Behrend 1893 127年 現(xiàn)況：歷史久，研究充分。 優(yōu)點(diǎn)：測量精確，圖形化操作，可量值溯源。 缺點(diǎn)：屬間接測量，操作條件多、需要根據(jù)測量對象適配器材、要求高、受溫度影響大、干擾化學(xué)反應(yīng)、信號延遲。 前景：應(yīng)用受限，市場有限。 溫度滴定 P.迪圖瓦和E.格羅貝特 1922 98年 現(xiàn)況：目前通常作為電位滴定儀的附件。 優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)靈敏，不干擾反應(yīng)過程，可量值溯源。 缺點(diǎn)：屬間接測量，應(yīng)用于簡單反應(yīng)體系。 前景：應(yīng)用面狹小，市場很有限。 光譜滴定 中國 2018 3年 現(xiàn)況：新技術(shù)，理論不完善，儀器未商品化。 優(yōu)點(diǎn)：屬直接測量技術(shù)，高準(zhǔn)確度、高可靠性、不受溫度影響、不干擾化學(xué)反應(yīng)、終點(diǎn)明顯，可量值溯源，操作簡單，應(yīng)用面廣。 缺點(diǎn)：不能分析混濁、固體和半固體及終點(diǎn)無色變的化學(xué)反應(yīng)溶液，應(yīng)用尚不普及。 前景：逐步替代感官滴定方法，成為滴定分析的主導(dǎo)技術(shù)，市場廣闊。 滴定分析法作為化學(xué)分析經(jīng)典方法，是各領(lǐng)域的通用分析方法，目前有幾千種顏色分析方法應(yīng)用在藥品、食品、農(nóng)產(chǎn)品、土壤、化工、石油、冶金、機(jī)械、試劑、環(huán)保、生物、醫(yī)療、…等各種行業(yè)，只要有化學(xué)物質(zhì)分析的工作，就離不開滴定分析技術(shù)。高精度的滴定終點(diǎn)判別和自動化判別技術(shù)，直接決定了光譜滴定技術(shù)的高準(zhǔn)確度和可靠性。 光譜滴定的用途： 1、替代原有的光度滴定分析方法； 2、替代廣泛應(yīng)用的感官滴定方法； 3、建立系列新的光譜滴定檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)； 4、偶氮、稀土、苯基熒光酮等顯色劑的研究； 5、分子開關(guān)或分子機(jī)器的光化學(xué)性能研究； 6、光輻射化學(xué)研究； 7、應(yīng)用于化學(xué)分子形態(tài)； 8、生物酶活性研究； 光譜滴定方法為近幾年新研發(fā)的技術(shù)，尚未推廣，科普宣傳、儀器制造、方法原理、應(yīng)用案例等方面屬于初創(chuàng)狀態(tài)，僅有原理樣機(jī)和《化學(xué)光譜滴定技術(shù)》著作面世。研究人員和投資者不會立即看到技術(shù)體系的應(yīng)用和效益，但目前的工作是實現(xiàn)后期專利技術(shù)獨(dú)占的前期工作，是實現(xiàn)大規(guī)模替代感官滴定的理論、方法、標(biāo)準(zhǔn)、儀器提供關(guān)鍵的前瞻性基礎(chǔ)。 其經(jīng)濟(jì)價值方面，與電位滴定儀的中國十億市值市場、世界70億市值（瑞士萬通，2015）相比，該技術(shù)屬滴定行業(yè)內(nèi)國內(nèi)外首創(chuàng)，目前沒有任何型號的商品機(jī)問世，故無法對其市場前景做出明確評價。參考滴定分析儀器的市場，光譜滴定技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電位分析技術(shù)。一旦儀器商品化，研發(fā)機(jī)構(gòu)將在該投入上取得知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和大于電位滴定儀的長期的效益。 目前亟待解決與存在的問題建議：采取聯(lián)合申請課題，取得科技部、基金、協(xié)會、企業(yè)的政策和資金支持，共同進(jìn)行理論體系、測量原理、商品機(jī)型儀器生產(chǎn)、應(yīng)用技術(shù)研究與方法推廣、國際專利申報等方面的研究，盡快保持我國現(xiàn)有的國際領(lǐng)先地位。本資料簡單介紹光譜滴定原理、算法、技術(shù)應(yīng)用和案例分析，供制造商、技術(shù)研究者、合作者參考。 滴定分析法發(fā)展歷程 滴定分析法（titrametric analysis）的研究歷史可追溯到18世紀(jì)晚期。19世紀(jì)上半葉，法國化學(xué)家Joseph Louis Gay-Lussac命名了滴定分析方法，因此被認(rèn)為是滴定分析法的發(fā)明者。如今，滴定法成為最重要的化學(xué)分析技術(shù)之一，應(yīng)用普遍而頻繁。其方法采用人工操作、眼睛觀看顏色、大腦對顏色變化做出判斷、語言形容滴定過程的額顏色變化，屬于主觀判斷的感官分析方法，簡單、應(yīng)用廣、速度快、成本低，也存在受色評價環(huán)境影響大、語言描述模糊、眼睛感受的個體差異大、手工控制滴定準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)，這種建立在主觀觀察基礎(chǔ)上的方法已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代檢測技術(shù)的需求。只是由于歷史過于悠久，其建立海量檢測方法、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及應(yīng)用領(lǐng)域的習(xí)慣，致使其還在廣泛應(yīng)用。 化學(xué)反應(yīng)過程的顏色變化，是化學(xué)結(jié)構(gòu)變化的可見光表現(xiàn)，顏色變化代表反應(yīng)過程的進(jìn)程，是結(jié)構(gòu)對光譜吸收的性質(zhì)，所以測量的顏色變化可以準(zhǔn)確表征反應(yīng)中物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，這也是與感官滴定方法一脈相承。現(xiàn)代研究證明，顏色的最精確的測量方式是分光式測量方法，顏色可以用CIE 1976（L*a*b*）彩色均勻空間的三維坐標(biāo)位置標(biāo)識，每個顏色都有其唯一指標(biāo)位置，顏色的變化可以在CIE 1976（L*a*b*）彩色均勻空間的三維坐標(biāo)中描述出變化軌跡，從而將主觀的顏色變化描述轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^測量數(shù)據(jù)，進(jìn)而實現(xiàn)化學(xué)分析過程的光譜滴定測量技術(shù)。 光譜滴定方法的基礎(chǔ)是色測量的分光式測量方法，所以，從原理上它就具有高準(zhǔn)確度、高可靠性、可量值溯源的優(yōu)點(diǎn)。計入相關(guān)變量因子算法的滴定曲線的凸變峰型非常明顯清晰。具有準(zhǔn)確、可靠、明顯、自動等諸多優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)與光分析方法相似，計算方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大，嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這在計算技術(shù)高速發(fā)展的今天已經(jīng)不是問題了。而其替代逐步替代感官滴定方法的發(fā)展趨勢，將成為滴定分析的主導(dǎo)技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用和儀器市場及其廣闊。 一、滴定原理與分類 目前的滴定分析(titrametric analysis)，按測量原理主要分為可見光顏色滴定、電位滴定、溫度滴定等三種滴定方法，光譜滴定屬于可見光顏色滴定的儀器分析方法，可以替代可見光顏色滴定的大部分方法。 1、可見光顏色滴定法 顏色測量包括光源顏色的測量與物體色的測量兩大類，滴定分析領(lǐng)域關(guān)注反應(yīng)液的顏色變化，屬于非熒光物體測量。 化學(xué)滴定分析反應(yīng)中的可見光顏色測量屬于非熒光物體測色，為感官顏色滴定法和傳統(tǒng)儀器顏色滴定法兩大類。其中，儀器顏色滴定法包括光密度法、紫外光度滴定、可見光光-電積分法和分光光度滴定（光電滴定)。 儀器顏色滴定法測量反應(yīng)液體顏色是測定液體在測量時的光譜光度特性反應(yīng)液體光譜反射比P(λ)或者反應(yīng)液體的光譜透射比τ(λ)等，計算出色刺激函數(shù)φ(λ)之后，根據(jù)色度學(xué)的三個基本方程求出被測顏色的CIE三刺激值X、Y、Z（標(biāo)準(zhǔn)照明體Y= 100）。 1.1 感官顏色滴定法 其實質(zhì)是一種目視光度測定法，原理是利用加色混合定律，將各個分量的未知色加在一起，以描述所得的未知色。是依靠反應(yīng)過程中的顏色的變化，用人眼作為感受器、大腦判斷顏色變化程度，在被測量溶液中加入指示劑或者依靠反應(yīng)過程中的顏色感官顏色滴定法直觀、簡便、快速等優(yōu)點(diǎn)，是滴定實驗中最常用的方法之一，是一種完全主觀評價方法，同時也是最簡單的一種方法。 眼睛是一種光學(xué)系統(tǒng)，能夠在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生圖像。它由包括角膜、水狀體、虹膜狀體以及玻璃體等實體組成，使眼睛能夠針對以105系數(shù)變化的照明水平簡單而快速地做出反應(yīng)。眼睛能夠感知的最小照度為10-12Lx（相當(dāng)于夜空中黯淡的星光）。為了能夠感知到光，人眼中包含了錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞兩種感光器：錐狀細(xì)胞感受到各種顏色（“明視覺”），對波長555 nm的黃綠光譜區(qū)域，其靈敏度最高；桿狀細(xì)胞使我們看到的是黑白的畫面（“夜間視覺”），在波長507 nm的綠光譜區(qū)域，其靈敏度最高。人眼對光譜靈敏度曲線見圖1。 圖1.人眼對光譜靈敏度曲線 其弊端在于觀察變色閾值是借助人眼，經(jīng)驗和心理、生理因素的個體差異引起較大的判斷誤差，無法溯源，受環(huán)境條件影響大，可變因素太多，且無法進(jìn)行定量描述，從而影響到評估的準(zhǔn)確性和可靠性。 雖然感官顏色滴定法是應(yīng)用面最廣的分析方法，但其主觀測量結(jié)果的缺陷致使其處于被逐步淘汰的趨勢。 1.2、可見光-光密度檢測分析法   光密度測量是測量反射光量和入射光量的大小，光密度計提供的光之間的差別是光的吸收量，也即被測液體表面層的吸收光量大小，吸收特性的度量，只表示黑或灰的程度。 該方法只要應(yīng)用在印刷行業(yè)，“彩色密度”是指測量時，通過紅、綠、藍(lán)三種濾色片分別來測量黃、品、青油墨的密度。它直觀地反映了C、M、Y、K四色印刷的密度、網(wǎng)點(diǎn)百分比、油墨疊印率等，被廣泛用于印刷行業(yè)的顏色和墨層厚度控制當(dāng)中。 1.3、可見光光-電積分法   光電積分法是20世紀(jì)60年代儀器測色中采用的常見方法。是測量整個測量波長區(qū)間內(nèi)，通過積分測量測得樣品的三刺激值X、Y、Z，再由此計算出樣品的色品坐標(biāo)等參數(shù)。通常用濾光片把探測器的相對光譜靈敏度S(λ)修正成CIE的光譜三刺激值x(λ)、y(λ)、z(λ)。用這樣的三個光探測器接收光刺激時，就能用一次積分測量出樣品的三刺激值X、Y、Z。 濾光片必須需滿足盧瑟條件，以精確匹配光探測器。盧瑟條件如下：此類型儀器的測色準(zhǔn)確度是與儀器符合盧瑟條件的程度有直接關(guān)系的，要做到完全符合上述條件是很困難的。在實際的濾色修正中，由于色玻璃的品種有限，儀器不可能完全符合盧瑟條件，只能近似符合應(yīng)用部分濾光片法可使x(λ)和z(λ)曲線的匹配積分誤差小于2%，y(λ)曲線的匹配積分誤差小于0.5%。光電積分式儀器不能精確測量出被透射液體的三刺激值和色品坐標(biāo)，但能準(zhǔn)確測出被透射液體的色差，因而又被稱為色差儀。 所以，色差儀原理也可以進(jìn)行顏色滴定分析，受其依據(jù)的原理限制，誤差大、應(yīng)用范圍有限。 1.4、可見光-分光光度法   分光光度滴定（spectrophotometric titration），又稱光電滴定(photoelectric titration)。 通過測量滴定過程中吸光度又稱分光光度滴定法。它是通過樣品液體的透射光能量與同樣條件下標(biāo)準(zhǔn)樣品透射的光能量進(jìn)行比較，得到樣品液體在每個波長下的光譜吸收率，然后利用CIE提供的標(biāo)準(zhǔn)觀察者和標(biāo)準(zhǔn)光源公式計算，從而得到三刺激值X、Y、Z，再由X、Y、Z按CIEYxy，CIELab等公式計算色品坐標(biāo)x．y，CIELAB色度參數(shù)等。 該方法以待測組分、滴定劑、反應(yīng)產(chǎn)物在滴定過程中吸光度的變化確定滴定終點(diǎn)的分析方法。它能在底色較深的溶液和無色溶液中滴定，檢測微弱吸光度變化、可準(zhǔn)確確定滴定終點(diǎn)。 該方法通過測量探測樣品的光譜成分確定其顏色參數(shù)，不僅可以給出X、Y、Z的絕對值和色差值△E，還可以給出物體的分光透射率值和分光透射率曲線。采用此類儀器可實現(xiàn)高準(zhǔn)確度的色測量，可對光電積分測色進(jìn)行定標(biāo)，建立色度標(biāo)準(zhǔn)等，故分光式儀器是顏色測量中的權(quán)威儀器。 1.4.1光度滴定法 光度滴定(photometric titration) 是在滴定過程中，用光度計記錄特定波長的吸光度的變化（非顏色變化）。要求滴定過程中，溶液吸光度Abs的變化遵循朗伯-比爾定律。滴定時，每加入一定量的滴定劑，都同步在相同波長下記錄其吸光度。然后以吸光度A為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積V為橫坐標(biāo)，繪出光度滴定曲線，從兩條切線的交點(diǎn)可求得滴定終點(diǎn)。 光度滴定方法要求被滴定溶液的吸光度的變化必須遵循朗伯－比爾定律。光度滴定法對于某些純凈液體和波長吸收特征性強(qiáng)的反應(yīng)，非常方便，適用于滴定有色溶液、略微混濁的溶液、微量物質(zhì)，有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度。由于采用單波長檢測，不能適合反應(yīng)前后由于結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致的特征吸收波長偏移，而且當(dāng)化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)多次多個吸收波長時，無法獲得多滴定終點(diǎn)的光度信號，可靠性和適用性差。 1.4.2紫外光度滴定（ultraviolet photometric titration） 利用溶液紫外光吸收的變化觀察終點(diǎn)的一種光度滴定。例如，被測物是無色的，伴隨滴定的進(jìn)行，其紫外光吸收在改變。 1.4.3濁度滴定（turbidimetric titration ） 又稱比濁滴定法。利用沉淀的生成或消失，溶液濁度發(fā)生變化進(jìn)行的滴定。用通常的光度滴定裝置可進(jìn)行滴定，由于沉淀粒子吸收光、沉淀的反應(yīng)滴定。 1.4.4可見光光譜滴定技術(shù) 新一代可見光光譜滴定法技術(shù)（Visible Spectral Titration Technology, VSTT）是在可見光-分光光度法的基礎(chǔ)上發(fā)展的。它是測量反應(yīng)液體的多個設(shè)定波長的光譜透射比τ(λ)，計算出光譜滴定曲線。在曲線上的凸變峰對應(yīng)的體積值均為顏色突變點(diǎn)。該顏色突變點(diǎn)視為物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變點(diǎn)，對應(yīng)的加入試劑體積數(shù)為滴定終點(diǎn)的體積數(shù)。 該方法的基礎(chǔ)是色測量的分光式測量方法，所以，從原理上它就具有高準(zhǔn)確度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。而采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)剔除高速測量產(chǎn)生的噪音干擾，分離出的信號計入相關(guān)變量因子的算法，使滴定曲線的凸變峰型號非常明顯清晰。具有準(zhǔn)確、可靠、明顯、自動等諸多優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)與光分析方法相似，不能分析混濁、固體和半固體、終點(diǎn)無色變的化學(xué)反應(yīng)溶液及其過程，而且計算方法復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大，嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這個缺點(diǎn)僅相對于其他方法相比，對于現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展根本不是問題。 光譜滴定方法是2015年搭建成原理驗證機(jī)、2018年提出光譜滴定的概念。依據(jù)該方法原理研發(fā)的設(shè)備和方法應(yīng)用業(yè)內(nèi)尚未普及，出版的文獻(xiàn)著作僅有《化學(xué)光譜滴定技術(shù)》（王飛，著）。依據(jù)其原理和應(yīng)用，光譜滴定方法可以替代感官顏色滴定法、可見光光-電積分法、單波長可見光分光光度法，與電位滴定方法、溫度滴定方法一起成為滴定分析領(lǐng)域的3種儀器分析方法，相互補(bǔ)充。 2、電化學(xué)分析法 電化學(xué)分析法（electrochemical analysis）是以,測量原電池的電動勢為基礎(chǔ)，根據(jù)電動勢與溶液中某種離子的活度(或濃度)之間的定量關(guān)系(Nernst 方程式)來測定待測物質(zhì)活度或濃度的一種電化學(xué)分析法。是滴定領(lǐng)域中出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的儀器測量技術(shù)。它是以待測試液作為化學(xué)電池的電解質(zhì)溶液，比較其中一只電極電位隨試液中待測離子的活度或濃度的變化而變化,與另外另一支是在一定溫度下電極電位基本穩(wěn)定不變之間的電動勢來確定待測物質(zhì)的念量。   1893 年德國學(xué)者 Rorbert Behrend 首次使用在滴定實驗中應(yīng)用電位分析方法做為判定終點(diǎn)方法。20 世紀(jì)中期自動電位滴定法在化學(xué)分析中開始流行，萬通公司于 1949 年推出第一臺用于酸度滴定的自動電位滴定儀 Titriskop。1957 年首創(chuàng)第一支活塞滴定管取代玻璃滴定管，1961 年誕生能夠自動記錄滴定曲線的自動電位滴定儀 Potentiograph。1971 年出現(xiàn)聯(lián)用計算機(jī)的高性能電位滴定裝置，1978 年，微處理技術(shù)與動態(tài)滴定技術(shù)結(jié)合，縮短分析時間的同時增強(qiáng)滴定精度。 本世紀(jì)自動電位滴定儀的生產(chǎn)商較為著名的還有美國布魯克海文公司、瑞士梅特勒-托利公司、英國馬爾文公司、上海儀電科學(xué)儀器、上海雷磁科技公司、江蘇新高科等。電位滴定法能有效減少人眼判斷產(chǎn)生的主觀誤差，不需樣品指示劑，無關(guān)溶液顏色和混濁度。是當(dāng)前世界上最常用的自動化滴定方法。但其缺點(diǎn)在于電極使用不便、無法高溫測定和滴定終點(diǎn)與顏色標(biāo)準(zhǔn)不一致。同時無法測定無離子參與、低濃度溶液、滴定產(chǎn)物穩(wěn)定性小的單組分、滴定產(chǎn)物穩(wěn)定性接近的多組分溶液濃度，嚴(yán)重影響的其使用范圍。 電分析法包括： 電解法（electrolytic analysis method）： 電重量法（electtogravimetry）： 庫倫法法(coulometric) 庫侖滴定分析法(coulometric tiyration)：測定電解過程中所消耗的電量，按法拉第定律求出待測物質(zhì)含量的分析方法稱作庫侖分析法。庫侖分析法還可分為控制電位庫侖分析法和恒電流庫侖滴定法。 電導(dǎo)法(conductometry) ： 電導(dǎo)分析法(conductometric analysis) ： 電導(dǎo)滴定法（conductometric titration）： 電位法(potentiometry) ： 直接電位法(dirext potentiometry)：通過測量電池電動勢來確定指示電極的電位，然后根據(jù)Nernst方程由所測得的電極電位值計算出被測物質(zhì)的含量。 電位滴定法(potentiometric titration)：在滴定過程中通過測量電位變化以確定滴定終點(diǎn)的方法。和直接電位法相比，電位滴定法不需要準(zhǔn)確的測量電極電位值，因此，溫度、液體接界電位的影響并不重要，其準(zhǔn)確度優(yōu)于直接電位法。與感官顏色滴定法相比，對于待測溶液有顏色或渾濁時，終點(diǎn)的指示就比較困難，或者根本找不到合適的指示劑。電位滴定法是靠電極電位的突躍來指示滴定終點(diǎn)。在滴定到達(dá)終點(diǎn)前后，滴液中的待測離子濃度往往連續(xù)變化n個數(shù)量級，在等當(dāng)點(diǎn)附近發(fā)生電位的突躍。被測成分的含量仍然通過消耗滴定劑的量來計算。因此測量工作電池電動勢的變化，可確定滴定終點(diǎn)。 電位滴定法無主觀誤差，是當(dāng)前世界上最常用的自動化滴定方法。缺點(diǎn)在于必須針對不同化學(xué)反應(yīng)類型選用特定電極、電極表面膠體與溶液交換接觸交換電荷的接觸式測量致使對含量低的樣品測定產(chǎn)生較大影響、受溫度影響大且不能高溫測量、信號延遲、滴定終點(diǎn)與顏色滴定終點(diǎn)難以一致。 伏安分析法(voltammetry)：利用電解法過程中測得的電流-電壓關(guān)系曲線（伏安曲線）進(jìn)行分析的方法稱作伏安分析法。 極譜分析法(polarography)：是用滴汞電極的伏安分析法稱作極譜分析法。 溶出法（stripping method）： 電流滴定法（amperometric titration）： 3、溫度滴定法 溫度滴定法是非接觸式傳感探測技術(shù)。是一種量熱分析技術(shù)，即用一種反應(yīng)物滴定另一種反應(yīng)物，隨著加入滴定劑的數(shù)量的變化，測量反應(yīng)體系溫度的變化。滴定一般在盡可能接近絕熱的條件下進(jìn)行，被滴定物可以是液體或懸浮的固體；滴定劑可以是液體或氣體。溫度變化是由滴定劑與被滴定物間的化學(xué)作用或物理作用（例如一種有機(jī)分子吸附于固體表面）引起的。 1922年P(guān).迪圖瓦和E.格羅貝特建立熱滴定法，用于容量分析。1924年P(guān).M.迪安和O.O.瓦茨最早使用測溫滴定這一術(shù)語；以后又有人采用熱滴定、焓滴定、測溫焓滴定、量熱滴定和測溫滴定等術(shù)語，至今仍未統(tǒng)一。 70年代以來,由于與滴定量熱計相關(guān)的一些技術(shù)(如恒溫浴、恒速滴定裝置、反應(yīng)容器、溫度傳感電路以及數(shù)據(jù)分析手段等)獲得迅速發(fā)展,連續(xù)滴定法結(jié)果的精度已可與常用溶液量熱計比美，而且能夠滴定少于毫克級的試樣。因此熱滴定不僅可用于分析目的，而且已成為一種精密量熱技術(shù)。滴定量熱法特別適用于下述目的：在有連串反應(yīng)或并行反應(yīng)存在的情況下，測定焓變ΔH；用于包含微弱相互作用物種的反應(yīng)，求吉布斯函數(shù)改變ΔG；鑒別絡(luò)合反應(yīng)中存在的物種等。還用于測定混合熱、物質(zhì)在兩相中的分配系數(shù)和吸附容量等，并可用于生物化學(xué)、微生物學(xué)和環(huán)境化學(xué)等方面。 實驗數(shù)據(jù)以熱譜圖形式表示，它提供了有關(guān)反應(yīng)中物質(zhì)的量（滴定終點(diǎn)）和反應(yīng)物質(zhì)的特性（焓變）的數(shù)據(jù)。對圖進(jìn)行分析，可以得知反應(yīng)容器中發(fā)生的反應(yīng)的類型和數(shù)目，以及溶液中存在的各物種的濃度等信息。這部分內(nèi)容稱為熱滴定，同時還可以確定反應(yīng)的化學(xué)計量關(guān)系，計算反應(yīng)的熱力學(xué)量,如平衡常數(shù)K(ΔG°)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的焓變ΔH°和熵變ΔS°,這部分內(nèi)容稱為滴定量熱法。 測溫滴定法以熱效應(yīng)為基礎(chǔ),與溶液的許多性質(zhì)(如粘度、光學(xué)透明度、介電常數(shù)、溶劑強(qiáng)度、以及離子強(qiáng)度等)無關(guān),因此可以用于氣相、液相、非水溶液、有色溶液、膠體溶液和粘稠漿狀等體系。 溫度滴定法的特殊優(yōu)點(diǎn)是不干擾滴定反應(yīng)，如離子強(qiáng)度或溶劑等，則在很大程度上與它們無關(guān)。同時可以操作有色溶液，膠體溶液或漿液。同電化學(xué)方法中的電極比較，作為測量器件的溫度傳感器是惰性的，并且它不偽示試樣成分參與反應(yīng)的結(jié)果。 但無法應(yīng)用于同時放熱和吸熱復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程，應(yīng)用受限。溫度滴定方法利用滴定反應(yīng)的熱效應(yīng)測定滴定度容量，彌補(bǔ)了電位滴定的缺陷。最早的溫度滴定方法應(yīng)用報道在 1913 年，作者是 Bell 和 Cowell。1969 年，L.S.Bark 等在著作中介紹了溫度滴定方法。1973 年E.VanDalen 應(yīng)用拜耳法進(jìn)行氫氧根和氧化鋁的滴定。自 20 世紀(jì) 70年代以來，自動電位滴定方法占據(jù)了主導(dǎo)地位，而溫度滴定在工業(yè)過程和質(zhì)量控制等領(lǐng)域溫度滴定技術(shù)一直未得到充分利用。90 年代，溫度滴定較大的發(fā)展，在工業(yè)過程和質(zhì)量控制等領(lǐng)域溫度滴定技術(shù)得到充分利用。溫度滴定技術(shù)的優(yōu)勢是非接觸式傳感探測，不接觸被測量液體、不需要更換電極，測量與離子強(qiáng)度或溶劑無關(guān)，能用于膠體溶液或漿液的濃度滴定。但溫度滴定儀無法應(yīng)用于放熱和吸熱兩種復(fù)雜反應(yīng)過程均存在的化學(xué)反應(yīng)，大大限制其應(yīng)用領(lǐng)域。 經(jīng)典顏色滴定、溫度滴定、電位滴定分析技術(shù)，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足前沿科學(xué)研究對化學(xué)分析準(zhǔn)確度、便捷性和可靠性要求。因此，發(fā)展采用可見光連續(xù)光譜測量的技術(shù)技術(shù)手段，彌補(bǔ)已有電位分析、溫度分析的不足，通過對呈色化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行連續(xù)光譜分析，實現(xiàn)被測定物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)過程中形態(tài)變化的用光信號進(jìn)行滴定的方法由可能成為化學(xué)研究、各行業(yè)檢驗檢測需求提供解決問題的新技術(shù)手段。 二、滴定技術(shù)的發(fā)展 化學(xué)研究者和儀器制造廠商也積極進(jìn)行研究，試圖客觀的進(jìn)行化學(xué)分析測定。上世紀(jì) 30 年代，Muller 等率先在滴定分析中使用光度計設(shè)備，最早的實用化光度滴定設(shè)備是瑞士萬通公司于 60 年代研制的數(shù)字滴定管和數(shù)字化滴定儀，70 年代已有將滴定儀和計算機(jī)控制相結(jié)合的研究出現(xiàn)。隨著機(jī)械加工和光學(xué)探測器的發(fā)展，光度滴定裝置引入了 LED 光源、光電二極管、光電倍增管、光譜儀等光電探測設(shè)備。ManoelJ.A.Lima 等使用自制的 LED 光度計搭建多流分析全自動光學(xué)滴定設(shè)備，用于測定果汁、醋、葡萄酒酸度。中國儲備糧管理總公司成都糧食儲藏科學(xué)研究所研發(fā)了測定糧食油脂酸價的儀器。2008 年，姜能座使用便攜式光纖光譜儀用最大吸光度為滴定終點(diǎn)，得到了多個波長的光度滴定，實現(xiàn)了最大波長的尋找，但無法應(yīng)對多波長變色（出現(xiàn) 2 個以上的波長）。由于采用單波長吸收峰分析滴定過程的技術(shù)缺陷無法滿足化學(xué)反應(yīng)的全光譜變化“藍(lán)移”和“紅移”需求，極大限制了光度滴定儀器的應(yīng)用。此外，近年來，將圖像技術(shù)應(yīng)用于滴定技術(shù)的研究也進(jìn)行了研究。使用 CCD 或 CMOS 設(shè)備獲取溶液的圖像信息，通過圖像特定區(qū)域的彩色信息 RGB 值和滴定劑消耗體積的映射關(guān)系判斷滴定終點(diǎn)。Alexander Y.Nazarenko 使用 USB 攝像頭滴定測量廢水的硬度。王曉麗開發(fā)攝像頭滴定儀。朱自蘭基于視覺特性的圖像處理技術(shù)將24bit 彩色轉(zhuǎn)換成 8bit 的偽彩色進(jìn)行量化。圖像滴定方法具有工作穩(wěn)定、實驗易于跟蹤，但是對混濁溶液的滴定終點(diǎn)判斷較差，無法數(shù)字化溯源、不同圖像處理技術(shù)差異顯著，嚴(yán)重影響系統(tǒng)一致性和測量精確度要求。滴定技術(shù)發(fā)展簡史見圖2，滴定分析儀器的發(fā)展見圖3。 . 圖2.滴定技術(shù)發(fā)展簡史 圖3.滴定分析儀器的發(fā)展 光譜滴定儀在滴定領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)：沒有與溶液接觸的電極而不干擾測定，顏色變化只與被測物結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，顏色變化曲線與物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化致光譜變化相對應(yīng)，CIELAB滴定曲線清晰、終點(diǎn)突變顯著技術(shù)，路線新穎，測量結(jié)果穩(wěn)定，測量精度高，量值可溯源，沿用顏色突變原理而與傳統(tǒng)方法/標(biāo)準(zhǔn)吻和，可以廣泛應(yīng)用在化學(xué)分析的諸多領(lǐng)域，將取代手工滴定為自動滴定。 在可見光光譜滴定的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)出紫外光譜滴定技術(shù)、紅外光譜滴定技術(shù)、可見光光譜物質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等等。 其缺點(diǎn)是由于目前技術(shù)剛成型，尚缺乏深度的研究，局限于測量可見光譜范圍內(nèi)有顏色變化的化學(xué)反應(yīng)。該技術(shù)在以下方面尚待深入研究：廣泛應(yīng)用的技術(shù)應(yīng)用、光譜曲線與化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系、光譜滴定的國際/國家/行業(yè)/團(tuán)體/企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)/方法/文獻(xiàn)、新數(shù)學(xué)模型、專用儀器開發(fā)。 化學(xué)光譜滴定技術(shù)通過化學(xué)反應(yīng)形態(tài)光譜分析關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為研究化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化、揭示形態(tài)與光譜信號產(chǎn)生的機(jī)理提供一種新的可見光全光譜分析技術(shù)。未來的市場需求量極大，有極大的實用價值與新領(lǐng)域的開發(fā)前景。 三、新技術(shù)——光譜滴定技術(shù) 化學(xué)反應(yīng)光譜滴定檢測技術(shù)（Chemical Reaction Spectrometric Titration Detection Technology,STCRM）是在化學(xué)反應(yīng)中，基于化學(xué)基團(tuán)形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化對光譜中某波長的吸收，引起初始光譜變化，從光譜變化信號的過程分析滴定過程和物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。 本文所指的光譜滴定技術(shù)是可見光光譜滴定技術(shù)（Visible Spectral Titration Technology, VSTT），從光譜變化特征推斷化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。在380 nm～780 nm范圍內(nèi)，采用CIELAB色空間技術(shù)對光譜變化即時測量、處理，與化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程同步。這是利用化學(xué)反應(yīng)過程發(fā)生的光譜變化表征物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種新技術(shù)。 光譜滴定技術(shù)是2018年中國人在世界上首次公開的原創(chuàng)新技術(shù)。光譜滴定技術(shù)是在可見光可見光-分光光度法的基礎(chǔ)上: 1、引入CIALAB彩色均勻空間算法，將溶液的顏色變化采用色空間的色度值進(jìn)行標(biāo)識； 2、與體積等因子關(guān)聯(lián)，研發(fā)了突變峰曲線算法，使滴定終點(diǎn)清晰明了； 3、特殊的光學(xué)通道，配合混合技術(shù)，將擾流降低的同時達(dá)到反應(yīng)充分的目的； 光譜滴定技術(shù)在滴定領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)：沒有與溶液接觸的電極而不干擾測定，顏色變化只與被測物結(jié)構(gòu)變化有關(guān)，顏色變化曲線與物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化致光譜變化相對應(yīng)，CIELAB滴定曲線清晰、終點(diǎn)突變顯著技術(shù)，路線新穎，測量結(jié)果穩(wěn)定，測量精度高，量值可溯源，沿用顏色突變原理而與傳統(tǒng)方法/標(biāo)準(zhǔn)吻和，可以廣泛應(yīng)用在化學(xué)分析的諸多領(lǐng)域，將取代手工滴定為自動滴定。 從歷史的發(fā)展看，光譜滴定技術(shù)可以完全替代感官滴定和光度滴定，從而與電位滴定技術(shù)和溫度滴定技術(shù)共享未來滴定領(lǐng)域。 從目前的研究進(jìn)展看。目前，光譜滴定分析技術(shù)在世界上處于初始理論、原理機(jī)探討研究階段，未查到系統(tǒng)研究化學(xué)光譜檢測技術(shù)的文獻(xiàn)和實際應(yīng)用的光譜滴定分析儀器，沒有從可見光光譜的角度提出新的研發(fā)路線。 2012 年起，中國工程師在這方面率先開展了探索研究，以酚酞為指示劑、氫氧化鈉溶液滴定鄰苯二甲酸氫鉀配置氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液為例，驗證了光譜滴定技術(shù)的可行性。 2015年搭建了原理驗證機(jī)，確定了光譜滴定技術(shù)的技術(shù)路線。 2016年申請了《化學(xué)分析用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的CIE 1976 L*a*b*色空間法》（201610090734.2）等十余個相關(guān)專利。 2019年出版了《化學(xué)光譜滴定技術(shù)》（中國標(biāo)準(zhǔn)出版社）著作。 3.1 光譜滴定原理 CIELAB（為國際照明委員會，International Commission on illumination，法語：Commission Internationale de l′Eclairage，簡稱為CIE）在1976年年會上批準(zhǔn)的一個非照明的彩色均勻空間計算體系L*a*b*彩色均勻空間（其中L*是CIELAB色度值的明度，a*是CIELAB色度值的紅-綠色品指數(shù)，b*是CIELAB色度值的黃-藍(lán)色品指數(shù)）。L*a*b*彩色均勻空間的色度值參數(shù)在化學(xué)滴定分析中的映射模型，是CIE非照明標(biāo)準(zhǔn)方法在化學(xué)滴定領(lǐng)域的應(yīng)用。 3.1.1 可見光 光譜中每一種色光不能再分解出其他色光，稱它為單色光。由單色光混合而成的光叫復(fù)色光。在光照到物體上時，一部分光被物體反射，一部分光被物體吸收。透過的光決定透明物體的顏色，反射的光決定不透明物體的顏色。不同物體，對不同顏色的反射、吸收和透過的情況不同，因此呈現(xiàn)不同的色彩。比如一個紅色的光照在一個綠色的物體上，那個物體顯示的是黑色。因為綠色的物體只能反射綠色的光，而不能反射紅色的光，所以把紅色光吸收了，就只能看到黑色了。 2）光的吸收定律的適用范圍 布給-朗伯定律廣泛成立，而朗伯-比爾定律則在許多情形下不成立。 朗伯比爾定律必須滿足下列全部條件：入射光為平行單色光且垂直照射、吸光物質(zhì)為均勻非散射體系、吸光質(zhì)點(diǎn)之間無相互作用、輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收（無熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生）、吸光度在0.2～0.8之間、適用于濃度小于0.01 mol/L的稀溶液。實際上的化學(xué)反應(yīng)條件，不可能全部滿足以上條件，這種情況叫偏離光吸收定律。偏離光吸收定律是指吸光度對溶液濃度作圖所得的直線的截距不為零或吸光度與濃度關(guān)系是非線性的現(xiàn)象 造成偏離光吸收定律的原因有：1、單色光不單純：入射光為一很窄波段的譜帶，其光譜帶寬度大于吸收光譜帶時，則投射在試樣上的光就有非吸收影響；2、溶液性質(zhì)引起的偏離：濃度高時，吸光粒子間的平均距離減小，受粒子間電荷分布相互作用的影響，他們的摩爾吸收系數(shù)發(fā)生改變；3、溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)：由于溶質(zhì)和溶劑的作用，生色團(tuán)和助色團(tuán)也發(fā)生相應(yīng)的變化，使吸收光譜的波長向長波長方向移動或向短波長方向移動，即所謂的紅移和藍(lán)移；4、介質(zhì)不均勻性：被測試液不均勻，是膠體溶液、乳濁液或懸浮液，則入射光通過溶液后，除了一部分被試液吸收，還會有反射、散射使光損失，導(dǎo)致透光率減小，使透射比減小，使實際測量吸光度增大，使標(biāo)準(zhǔn)曲線偏離直線向吸光度軸彎曲；5、溶質(zhì)的變化：化學(xué)反應(yīng)的解離、締合、生成絡(luò)合物或溶劑化等，致使吸光度與濃度的比例關(guān)系便發(fā)生變化；6、化學(xué)反應(yīng)的呈色影響：溶液中有色質(zhì)基團(tuán)的聚合與締合，形成新的化合物或互變異構(gòu)等化學(xué)變化以及某些有色物質(zhì)在光照下的化學(xué)分解、自自身的氧化還原、干擾離子和顯色劑的作用等。 所以，單波長的光度滴定方法使用范圍是十分有限的。 3）光譜滴定原理 在化學(xué)光譜滴定中，溶液中試劑因子的變化引起被測物結(jié)構(gòu)的改變，這種改變伴隨著其吸收光譜某些波長的變化（顏色變化），該變化點(diǎn)為滴定終點(diǎn)。測量吸收光譜的改變，可以推算其結(jié)構(gòu)的變化條件。具體技術(shù)路線是：用突變峰同步對應(yīng)的體積量為反應(yīng)物質(zhì)加入量，采用連續(xù)同步測量技術(shù)，測量可見光光譜的吸光度、試劑加入體積、CIE 1976(L*a*b*)均勻彩色空間的參數(shù)值。 該技術(shù)用于分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，用于滴定領(lǐng)域的光譜滴定技術(shù)，為化學(xué)分析引入了新的測量分析技術(shù)。研究者提出了以下6個光譜滴定的定理： ⒈ 光譜-結(jié)構(gòu)變化定理：化學(xué)反應(yīng)中可見吸收光譜的改變，一定是參與反應(yīng)中呈色物質(zhì)中的至少一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)或者濃度發(fā)生了變化。 ⒉ 光譜-結(jié)構(gòu)不變化定理：化學(xué)反應(yīng)中，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和濃度的變化不一定引起可見吸收光譜的改變。 ⒊ 突變峰-結(jié)構(gòu)定理：化學(xué)光譜滴定的坐標(biāo)曲線參數(shù)的突變峰只與結(jié)構(gòu)有關(guān)，與呈色物質(zhì)的濃度無關(guān)。 ⒋ 色空間曲線-結(jié)構(gòu)定理：呈色物質(zhì)結(jié)構(gòu)或濃度的改變與CIELAB彩色均勻空間直角坐標(biāo)系的參數(shù)曲線變化對應(yīng)。 ⒌ 曲率測定定理：CIELAB彩色均勻空間直角坐標(biāo)系的參數(shù)曲線的曲率發(fā)生變化，一定對應(yīng)著被測量溶液中的2種以上物質(zhì)發(fā)生了濃度或者結(jié)構(gòu)上的變化。 ⒍ 光譜-化學(xué)光譜分析的顏色定理：CIELAB彩色均勻空間測量的參數(shù)是溶液中全部呈色物質(zhì)混合的可見吸收光譜呈現(xiàn)的顏色參數(shù)。 3.2 光譜滴定計算依據(jù)與公式 3.2.1 CIE 1976(L*a*b*)均勻彩色空間的參數(shù)值計算 CIE 1976（L*a*b*）色度值，由光譜滴定儀的數(shù)據(jù)處理軟件讀取的吸光度值后，按公式計算出樣品在CIE 1964標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的三刺激值X、Y、Z，再按照公式計算CIE 1976（L*a*b*）色空間的心理明度L*、心理彩度坐標(biāo)a*和心理彩度坐標(biāo)b*。 3.2.2 光譜滴定參數(shù)計算程序 化學(xué)反應(yīng)光譜CIELAB色空間的參數(shù)值與物質(zhì)量關(guān)系計算方法，吸光度與CIELAB彩色空間參數(shù)值算法示意圖見圖4。計算步驟包括：對化學(xué)反應(yīng)溶液在可見光波長范圍內(nèi)測量加入的不同反應(yīng)物體積V值對應(yīng)的一組波長的吸光度值，計算出CIELAB色空間的參數(shù)值，建立平面直角坐標(biāo)系，該平面直角坐標(biāo)系中的曲線即為化學(xué)反應(yīng)參數(shù)與反應(yīng)物體積V代表的物質(zhì)特征量的坐標(biāo)曲線； 3.3光譜滴定儀的基本結(jié)構(gòu) 3.3.1 基本結(jié)構(gòu)圖    光譜滴定儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖見圖5、光譜滴定儀系統(tǒng)工作原理見圖6、光譜滴定儀結(jié)構(gòu)示意圖見圖7、光譜滴定儀設(shè)計示意圖見圖8、光譜采集中的背景噪聲去除路線圖見圖9。 圖5.化學(xué)光譜滴定儀光路結(jié)構(gòu)示意圖 圖6.光譜滴定儀系統(tǒng)工作原理 光譜滴定儀(可見光光譜化學(xué)滴定分析儀，Visible Spectrochemical Titration Analytical Instrument，簡稱VSTAI)由以下系統(tǒng)/裝置組成：光路系統(tǒng)、試劑流量控制裝置、攪拌裝置、反應(yīng)容器、控制系統(tǒng)。 光譜儀性參數(shù)見表1。 表1.光譜滴定儀性能參數(shù)表 3.3.2 獨(dú)有技術(shù)與所有權(quán) 光譜滴定技術(shù)部分知識產(chǎn)權(quán)見表2。 表2.專利申請與PCT統(tǒng)計表（部分） 技術(shù)與儀器主要創(chuàng)新點(diǎn) 1、首次研發(fā)化學(xué)光譜滴定技術(shù)，并將其首次應(yīng)用于呈色化學(xué)滴定過程，實現(xiàn)了被測定物質(zhì)量的光譜滴定自動化測定。 2、首次研制光譜滴定儀，為精確化學(xué)反應(yīng)溶液中分子、離子、官能團(tuán)的反應(yīng)過程提供了儀器測量基礎(chǔ)。 3、首次應(yīng)用光譜滴定儀結(jié)合色空間光譜同步測量技術(shù)，發(fā)明了化學(xué)滴定終點(diǎn)的色空間光譜突變曲線計算方法，實現(xiàn)了可見光光譜滴定技術(shù)的自動化。 實現(xiàn)了多參數(shù)精確測量化學(xué)反應(yīng)過程中物質(zhì)變化的過程，為化學(xué)分析的精確研究提供了一種新儀器、新技術(shù)、新方法。 圖10.光譜滴定儀（原理驗證機(jī)Ⅱ型） 3.4 不同滴定方法的優(yōu)缺點(diǎn) 圖11.光譜滴定方法與其它方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較 3.5 光譜滴定應(yīng)用案例 3.5.1理論、技術(shù)及預(yù)實驗對研究方案的可行性保障 光譜滴定分析儀的研制分為四個部分：一是溫控防擾動攪拌測量分離式靴型反應(yīng)器的設(shè)計加工。該反應(yīng)器的合理設(shè)計是確保待測溶液光譜信號的穩(wěn)定獲取以及光程值高精度測量的關(guān)鍵保障，其加工、裝校和缺陷影響的補(bǔ)償，是儀器研發(fā)的技術(shù)核心，重中之重；第二是儀器光學(xué)元件和機(jī)械件的集成；第三是利用多維光譜彩色空間映射模型漸進(jìn)式滴定終點(diǎn)可控方法，構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)滴定模型；第四是將研制的光機(jī)電模塊化組件配合化學(xué)滴定，要求協(xié)同高效工作。 第一、二部分的工作涉及硬件較多，關(guān)系到是否能研制出達(dá)到設(shè)計要求的測量裝置；第三部分是算法模型，決定擬研制的儀器能否真正實現(xiàn)反饋式自動滴定，達(dá)到準(zhǔn)確實時的測量要求；第四部分涉及擬研制的儀器能否真正用于化學(xué)分析的高精度光譜滴定，具有實際應(yīng)用及推廣價值。只有將以上問題全部解決，才能研制出參數(shù)符合要求且具有廣闊實際應(yīng)用前景的儀器。 1)、分離式反應(yīng)器關(guān)鍵元器件加工及缺陷補(bǔ)償?shù)目尚行浴? 在前期研究中，設(shè)計加工了反應(yīng)器樣品模型，用獨(dú)特的粘合方法將平行光學(xué)透鏡粘合固定，制作了光程10 mm的反應(yīng)器樣品。將其應(yīng)用于實際的化學(xué)反應(yīng)《SN/T 4675.25-2016 出口葡萄酒顏色的測定  CIE 1976（L*a*b*）色空間法》測試中，結(jié)果表明其加工誤差造成的測量值誤差L*值＜0.1、a*值＜0.01和b*值＜0.01，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。在后繼儀器研制中，有信心沿用已有的質(zhì)量控制體系，對分離式靴型反應(yīng)器的加工方式采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的澆筑模具成型和激光焊接/化學(xué)粘結(jié)，成品會優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)化要求。同時，將研發(fā)光程測量儀器及相關(guān)操作程序，可以更好的完成靴型反應(yīng)器的質(zhì)量控制。 2)、光譜滴定分析儀光機(jī)電模塊集成的可行性。 前期的實驗研究中已嘗試將試劑控制裝置、分離式反應(yīng)器、光路與光源及測量元件、主控電路板及攪拌控制裝置固定在儀器底座上，方法驗證采用氫氧化鈉滴定鄰苯二甲酸氫鉀、酚酞為指示劑測量氫氧化鈉溶液的濃度（《GB/T 601-2016  化學(xué)試劑標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的制備》中“4.1 氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液”），四平行標(biāo)定結(jié)果相對極差不大于相對重復(fù)性臨界極差[CR0.95(4)r=0.15%]，兩人共八平行標(biāo)定結(jié)果相對極差不大于相對重復(fù)性臨界極差[CR0.95(8)r=0.18%]，與標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行比對（t檢驗）符合性。 案例1：待標(biāo)定的氫氧化鈉溶液的滴定 表3. 光譜滴定法滴定氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積數(shù) 序號 滴定時消耗的體積數(shù)ml 20℃標(biāo)準(zhǔn)溫度消耗的體積數(shù)ml 空白 0.0432 0.04324 1 ———— ———— 2 35.6014 35.6334 3 36.4173 36.4105 4 35.3272 35.3590 5 35.8673 35.8896 6 36.2677 36.3003 7 35.9902 36.0226 8 35.7925 35.8247 9 35.8407 35.8730 10 36.0983 36.1308 11 35.9986 36.0310 12 36.4173 36.4105 人工標(biāo)定0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液時的溫度為23℃，換算為20℃標(biāo)準(zhǔn)溫度系數(shù)為-0.6 L。標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1。 表1.    0.1 mol/L的標(biāo)定數(shù)據(jù) 序號 滴定時消耗的體積數(shù)ml 20℃標(biāo)準(zhǔn)溫度消耗的體積數(shù)ml 鄰苯二甲酸氫鉀的摩爾質(zhì)量 氫氧化鈉溶液濃度mol/L 0 0.05 0.05003 ———— ———— 1 35.40 35.42124 0.7502 0.10386 2 35.90 35.92154 0.7581 0.10349 3 35.80 35.82148 0.7567 0.10358 4 35.80 35.82148 0.7564 0.10354 5 35.40 35.42124 0.7502 0.10386 6 35.80 35.82148 0.7544 0.10327 7 35.50 35.52130 0.7503 0.10358 8 35.90 35.92154 0.7575 0.10340 平均值 0.1036 單人四平行標(biāo)定結(jié)果：相對重復(fù)性臨界極差[CR0.95(4)r 0.14 0.20 1、光譜滴定方法與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、人工滴定結(jié)果分析 實際測量數(shù)據(jù)與結(jié)果見表3-1、濃度差值見圖1。 表3-1.理論計算與光譜滴定方法標(biāo)定0.1 mol/L氫氧化鈉溶液 序號 鄰苯二甲酸氫鉀（g） 理論 光譜滴定 理論與光譜滴定測定值的濃度差值（mol/L） 消耗的體積（mL） 濃度（mol/L） 消耗的體積（mL） 濃度（mol/L） 1 0.7527 ———— 0.1036 ———— ———— ———— 2 0.7522 35.6571 35.6334 0.10349 -0.00008 3 0.7550 36.2756 36.4105 0.10166 -0.00191 4 0.7419 35.9826 35.3590 0.10287 -0.00070 5 0.7554 35.2490 35.8896 0.10319 -0.00038 6 0.7495 36.5857 36.3003 0.10122 -0.00235 7 0.7516 35.9221 36.0226 0.10229 -0.00128 8 0.7487 35.9633 35.8247 0.10246 -0.00111 9 0.7558 35.5364 35.8730 0.10329 -0.00028 10 0.7567 36.0879 36.1308 0.10268 -0.00089 11 0.7535 36.1838 36.0310 0.10253 -0.00104 12 0.7540 36.3864 36.4105 0.10152 -0.00205 平均值 0.1025 0.0011 標(biāo)準(zhǔn)偏差（S） 0.000748 相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD%） 0.7298 圖1.光譜滴定法標(biāo)定氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.1 mol/L） 在不同的技術(shù)驗證過程中，有符合性很好的案例，也有偏離的案例。分析其原因，自主搭建的原理驗證機(jī)的穩(wěn)定性不是很好應(yīng)該是主要原因，如果該用一致性好、穩(wěn)定性優(yōu)于手工搭建的的商品化機(jī)型，可以解決該問題。 后續(xù)的研究工作中將繼續(xù)沿用此集成方案，但由于標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)型要求的引入，滴定精度增大，制造的技術(shù)難度將會相應(yīng)提高。 2、光譜映射模型結(jié)合滴定終點(diǎn)可控方法構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)滴定模型的可行性。 化學(xué)反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，需要處理的數(shù)據(jù)量大、邏輯關(guān)系復(fù)雜，而儀器本身光電結(jié)構(gòu)件多且運(yùn)動軌跡復(fù)雜。因此系統(tǒng)控制軟件需要實現(xiàn)毫秒測量周期。項目組前期開展的工作采用C++語言，將光譜彩色空間映射模型結(jié)合快速漸進(jìn)式精細(xì)化滴定終點(diǎn)可控方法和運(yùn)動功能部件建立了耦合模型，實現(xiàn)了即時、高速、高精度的亞秒級初步測量。后期的工作要求同步顯示降噪后數(shù)據(jù)圖譜，擬增加多個設(shè)定周期內(nèi)降噪、計算、滴定結(jié)束的降噪和計算，可達(dá)到同步要求。 3、將研制的光機(jī)電模塊化組件配合化學(xué)滴定要求協(xié)同高效工作的可行性。 不同溶液化學(xué)反應(yīng)光譜彩色空間映射模型的軌跡不盡相同。前期已完成的初步映射模型通過實驗數(shù)據(jù)驗證了其對簡單顏色變化的適應(yīng)性。通過分析化學(xué)反應(yīng)顏色變化類型，發(fā)現(xiàn)一些反應(yīng)其顏色峰值變化7次以上才能達(dá)到滴定終點(diǎn)。從測量原理上分析,非滴定終點(diǎn)的峰值控制可通過調(diào)節(jié)光機(jī)電模塊化組件參數(shù)實現(xiàn)，需要在不同化學(xué)反應(yīng)測試中尋找變化參數(shù)，有了前期工作基礎(chǔ)，儀器協(xié)同工作最優(yōu)參數(shù)的確定在技術(shù)上可以實現(xiàn)。 3.5.2科研能力對研究方案的技術(shù)保障 1）CIE LAB彩色均勻空間技術(shù)研究 2012年起，項目團(tuán)隊在化學(xué)反應(yīng)中顏色變化與滴定終點(diǎn)的研究中嘗試引入了CIE LAB彩色均勻空間技術(shù)研究。 a. 初步完成了光譜滴定方法的原理測試。包括光信號發(fā)生及傳輸裝置、信號轉(zhuǎn)換處理裝置、反應(yīng)池，以及初步探索的CIELAB彩色均勻空間的色度值測量數(shù)據(jù)算法、測量數(shù)據(jù)人工智能識別算法、試劑加入量與關(guān)聯(lián)衍生參數(shù)的色度滴定曲線算法、光譜突變峰辨識技術(shù)的滴定終點(diǎn)反饋控制技術(shù)等新的嘗試。 b. 進(jìn)行了原理驗證測量分析探索。在數(shù)據(jù)原位讀取、足夠短的測量間隔、可見光譜多波長同步測量、對被測量體系不產(chǎn)生影響、測量結(jié)果與反應(yīng)條件可以關(guān)聯(lián)、測量結(jié)果數(shù)字化、量值可溯源等諸多優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，測量數(shù)據(jù)可以精確的標(biāo)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化過程，糾正傳統(tǒng)測量分析數(shù)據(jù)。 用光譜滴定技術(shù)建立了酚酞在不同pH環(huán)境下的CIELAB色空間曲線。 4 預(yù)期成果 4.1 化學(xué)反應(yīng)的顏色變化作為化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的標(biāo)識。 4.2 化學(xué)反應(yīng)臨界點(diǎn) 4.3 新技術(shù)。在滴定領(lǐng)域替代顏色反應(yīng)監(jiān)測和光度反應(yīng)，與電位、溫度互為補(bǔ)充，成為先點(diǎn)儀器分析的。。。 5應(yīng)用領(lǐng)域 5.1 在食品中的應(yīng)用 5.2 在農(nóng)產(chǎn)品的應(yīng)用 5.3在石油化工的應(yīng)用 5.4 在醫(yī)藥的應(yīng)用 5.5 在礦產(chǎn)冶煉的應(yīng)用 5.6 在應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用 6、生產(chǎn)與市場 該技術(shù)尚未投入市場。產(chǎn)品定位為國內(nèi)外的糧食、油脂、化工、醫(yī)藥、冶金、顏料、石化、食品等行業(yè)，潛在用戶僅CNAS（中國合格評定國家認(rèn)可委員會）注冊實驗室就有幾萬家,國外也有相同需求。由于此技術(shù)屬于化學(xué)濕法分析領(lǐng)域的新技術(shù)領(lǐng)域，目前沒有競爭對手。 目前，光譜滴定技術(shù)的應(yīng)用儀器是檢測領(lǐng)域的空白，基于光譜滴定的理論、參數(shù)計算方法、應(yīng)用方法、原理驗證和商品化儀器均是我們率先開發(fā)填補(bǔ)空白的。 根據(jù)“中國知網(wǎng)”的文獻(xiàn)檢索，目前僅有零散的光度技術(shù)研發(fā)，尚未發(fā)現(xiàn)光度系列研究成果和產(chǎn)品。我們開發(fā)的光譜自動滴定產(chǎn)品克服了感官滴定、電位滴定、光度滴定的缺點(diǎn)，每一步試劑的加入和引起的顏色變化都可以在顯示屏上的坐標(biāo)上精確的表示并畫出顏色變化軌跡，顏色數(shù)字化標(biāo)識，滴定精度提高至少10倍，擺脫了人眼作為傳感器的弊端，環(huán)境光對測定光程無干擾，被測物含量自動計算。整個過程可追溯與復(fù)現(xiàn)，是一項顏色分析領(lǐng)域的更新?lián)Q代技術(shù)，也是首次將顏色反應(yīng)進(jìn)行量值表示和數(shù)字化溯源的產(chǎn)品。由于該技術(shù)是我公司首創(chuàng)，是替代感官顏色滴定分析的唯一，目前還沒有直接或潛在的競爭對手。但在應(yīng)用市場上，與電位滴定技術(shù)及其產(chǎn)品在滴定分析應(yīng)用領(lǐng)域有交叉。 經(jīng)過技術(shù)和產(chǎn)品的深入研發(fā)和應(yīng)用推廣，預(yù)計在5年左右，將與電位分析技術(shù)有激烈的沖突，重新劃分滴定領(lǐng)域技術(shù)的占有率。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范圍，感官滴定標(biāo)準(zhǔn)占分析方法的約50%～60%，電位滴定方法占20%左右，是電位滴定方法的2倍～3倍。根據(jù)電位滴定的市場調(diào)研（2015），中國市場容量在10億、世界在70億。估算光譜滴定技術(shù)的市場容量，中國市場容量不低于20億（估算電位滴定儀的市場容量在3000臺/年～5000臺/年）、世界140億左右。 瑞士萬通、梅特勒等電位滴定儀的價格在25萬/臺～70萬/臺不等，光譜滴定儀的功能遠(yuǎn)超電位滴定儀、市場定價與此相當(dāng)，估算光譜滴定儀的市場容量在6000臺/年～10000臺/年。 2018年提出了“光譜滴定”概念并確定了概念的內(nèi)涵，搭建了原理驗證儀器，研究了光譜滴定的理論依據(jù)，撰寫了化學(xué)史上第一部《化學(xué)光譜滴定技術(shù)》著作，對光譜滴定原理、微量試劑控制、反應(yīng)容器結(jié)構(gòu)、CIELAB彩色均勻空間的色度值映射算法光譜突變峰辨識技術(shù)的滴定終點(diǎn)反饋控制技術(shù)等方面開展了理論研究和初步試驗驗證。首次獲得了實時動態(tài)光譜與試劑量、全譜吸光度、顏色變化之間的耦合關(guān)系，突破了化學(xué)反應(yīng)光譜測量技術(shù)瓶頸，達(dá)到了預(yù)期效果，已初步具備將化學(xué)光譜滴定技術(shù)儀器化的條件。 結(jié)束語 面對化學(xué)分析滴定領(lǐng)域每年上幾十億的需求，1893年電位滴定技術(shù)解決了電位變化測定，1913年溫度滴定技術(shù)解決了能量轉(zhuǎn)換量化，1960年的光度滴定可以看成是光譜滴定技術(shù)的簡化應(yīng)用，2018年誕生的光譜滴定技術(shù)作為新技術(shù)的典型，將是下一個滴定技術(shù)的研究發(fā)展熱點(diǎn)。 任何一項新技術(shù)的發(fā)展，都經(jīng)歷過雛形——初始——發(fā)展——加速——普及這幾個階段，這個階段有的技術(shù)需要上百年的時間。光譜滴定技術(shù)，打破了滴定領(lǐng)域歷經(jīng)30年～40年沒有原創(chuàng)革新性技術(shù)出現(xiàn)的沉默階段，用光物理量去分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化過程、完成檢測領(lǐng)域的滴定應(yīng)用，將會出現(xiàn)： 新的理論：光譜—化學(xué)形態(tài)理論 新的應(yīng)用技術(shù)：食品、化工、環(huán)境、醫(yī)藥、地質(zhì)、糧食、農(nóng)產(chǎn)品等分析方法 新的檢測分析儀器：光譜滴定分析儀、物質(zhì)形態(tài)在線分析儀器 新的標(biāo)準(zhǔn)方法：新國標(biāo)、新行標(biāo)、新團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、新國際標(biāo)準(zhǔn) 新的專利與專有技術(shù)：國內(nèi)專利、PCT、巴黎協(xié)議、國外專利 新的產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)：光譜滴定技術(shù)儀器生產(chǎn)、元器件研發(fā)、整機(jī)與專有商業(yè)技術(shù) 光譜滴定技術(shù)的出現(xiàn)，國內(nèi)外同行相互積極支持配合，研制在化學(xué)滴定分析中將光譜信號測量方法用于化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)含量、形態(tài)環(huán)境關(guān)聯(lián)變量的實時動態(tài)測定儀器，即“光譜滴定儀”和相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)。將光譜時變信號與滴定過程中試劑注入量精準(zhǔn)對應(yīng)，實時動態(tài)記錄呈色物質(zhì)結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境變量中由量變到質(zhì)變的進(jìn)程。研究成果將為化學(xué)分析技術(shù)提供新的光譜分析測量手段，填補(bǔ)國內(nèi)外滴定領(lǐng)域中光譜滴定分析的理論和儀器裝置的空白。發(fā)揮各自的優(yōu)勢，盡快將該項技術(shù)應(yīng)用到具體應(yīng)用中去。 作者： 秦皇島海關(guān)技術(shù)中心 王飛< br />< br />