氫水中氫氣濃度滴定

研究發現,氫氣可產生多種生物學效應，具有廣泛的臨床應用前景。空氣中氫氣達到一種濃度可以發生爆炸，但將氫氣溶解在各種溶液中就可以安全使用氫氣。生物醫學研究發現氫氣具有抗氧化、抗炎症和抗細胞碉亡等作用，對許多重要器官疾病具有保護和治療作用。目前許多氫氣溶液如氫氣飲用水、氫氣生理鹽水、氫氣細胞培養基、氫氣透析液和氫氣器官保護液等都被開發出來。通過各種溶液，把氫氣作為一種治療疾病的手段，給氫氣在臨床和健康保護領域的應用提供了技術上的可行性。

使用氫氣過程中，無論是科研還是具體應用，準確測定氫氣濃度都是首先面對的重要問題。測定氫氣濃度的標準方法是氣相色譜法和電極法，但這兩種方法需要比較貴重的設備和複雜的檢測技術，不適合一些小型實驗室和普通用戶的需要，因此建立一種簡便準確的氫氣檢測方法十分必要。日本神奈川縣的MiZ公司是專門研究開發用於健康的氫氣相關產品，最近他們建立了一種氫氣濃度檢測的簡易方法。

這種方法的基本原理是利用氫氣的還原性，能把氧化狀態的亞甲基藍還原成五色的還原狀態，但是因為氫氣本身比較穩定，必須在催化劑存在的條件下才能實現滴定的快速反應目的，該技術採用納米白金溶液作為催化劑，利用這種技術可以簡單分析氫水中氫氣的濃度，而且可以避免ORP技術存在多種影響因素的缺點。可以作為氫水中氫氣濃度的分析方法，作為氫水質量控制的有效方法，也能在科學研究中作為氫氣濃度的分析方法。

該公司的研究人員Bunpei Sato等在Medical gas res發表了該技術的文章，介紹了他們開發的這種經濟實用簡便的測定溶液中氫氣含量的方法（這個公司也曾經開發了一種可以不打開包裝製備氫氣注射液的技術，註：本人和該公司沒有任何利益關係，只因個人認為該技術在氫氣研究中的重要性而介紹）。該方法屬於經典的氧化還原滴定法，其原理是通過膠體白金（納米鉑）催化氫氣還原亞甲藍（MB, methylene blue）。亞甲藍是一種常用染料和氧化還原滴定指示劑，曾經有一個非常著名的葡萄糖還原亞甲藍的科普實驗就是使用的該試劑。由於氫氣本身共價鍵的影響，氫氣難以和亞甲藍發生反應，但在膠體白金催化下，可以與等分子量氫氣發生氧化還原反應，反應可以使蘭色的氧化型亞甲藍變成無色的還原型亞甲藍（leucoMB leucomethylene blue）。其化學反應公式如下：

MB(蘭色)+ 2H++ 2e?=leucoMB(無色)

根據上述公式，這些作者使用氧化還原滴定體積分析法確定氫氣在水中的濃度。

實驗方法

亞甲藍-珀試劑配置

亞甲藍購買自德國明斯特瓦爾德克公司Waldeck-Gmbh & Co KG, Munster, Germany。2%膠體鉑水溶液購買自Tanaka Kikinzoku Group Company。首先將亞甲藍0.3 g用98%乙醇（98.9g）溶解為99.2g亞甲藍乙醇溶液，然後將0.8g膠體鉑水溶液和99.2 g亞甲藍乙醇溶液混勻成100 g亞甲藍膠體鉑MB-Pt試劑（MiZ Company,Kanagawa, Japan）。將上述MB-Pt試劑分裝到小塑料瓶，用吸管可從小塑料瓶中抽取（每滴17mg或0.02 mL）。

氫氣水溶液的製備

氫氣飽和水（0.8 mM）通過純水吹泡法製備，然後按照比例用純水稀釋成0.3, 0.2和0.1 mM氫氣水溶液（不具體）。氫氣濃度使用電化學檢測，儀器使用model DHD1-1, DKK-TOA Corporation, Tokyo,Japan的電化學氣體感測器。

氧化還原滴定法檢測氫氣含量，取氫氣溶液20毫升，然後用MB-Pt滴定以蘭色消失為標準，直到蘭色恰好不再繼續消失作為濃度計算的滴定法點[圖3]。

圖1在金屬鉑催化下，1摩爾氫氣和1摩爾亞甲藍反應產生1摩爾還原型亞甲藍。

圖2亞甲藍分子結構

圖3滴定法圖示

結果分析

一滴滴定液含為17 mg，當滴定液滴入氫氣溶液中，氫氣的摩爾數可以用亞甲藍表示，可用如下公式計算。

氫氣摩爾數=滴定液滴數′（17/1000）′（0.3/100）/319.85。

1滴滴定液17 mg含有0.16μmol亞甲藍，20 ml飽和氫氣水（0.8mM）大約可消耗100滴滴定液（1.7g）（每毫升飽和氫氣水可消耗5滴定液）。公式如下

800μmol/(1000ml/20ml)=16μmol.

16μmol/0.16μmol/drop=100 drops

儘管理論計算為100滴，但實際檢測後發現55滴就可以達到滴定點。（註：作者的解釋是在實驗過程中氫氣可以從溶液中揮發，但不可能在如此短時間揮發45%，這個似乎不可能，其實有一個可能就是氫氣的溶解度根本不是所謂的0.8 mM，而可能是0.5mM。或者通氣的標準液沒有達到0.8mM，定標出錯的可能性是存在的），根據研究結果進行校對，作者認為每滴可以中和0.29 μmol氫氣（16μmol/55）。也就是說每滴滴定液可以消耗20毫升氫氣溶液中氫氣的濃度為14.5 μmol/L、0.03mg/L、0.3 PPB或0.0003ppm(這個解析度是相當高的，許多普通的電極法也不過如此)。

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

分析結果可以發現，由於用於稀釋氫氣水的純水中含有氧氣，而氧氣把氫氣還原的亞甲藍氧化，也就是說會導致結果失真，採用氮氣飽和的水作為稀釋液，則結果更為穩定，更加符合預期結果。經過線性分析發現，儘管溶液中氧氣能產生一定干擾，但影響的比例比較小，不影響最終的檢測結果，因此這種方法可以作為電極檢測的替代方法。經過反覆16次的檢測,並對電極法和滴定法檢測色數據進行對比，顯示該方法具有比較好的重複性和準確性，可以代替普通的電極法用於水溶液中氫氣含量的檢測。

多種技術的比較和分析：我們多次使用後發現這個方法有許多優點，是非常值得推薦使用的，尤其是作為氫水技術優化，比ORP要強許多，因為後者使用簡單，也能間接反映氫氣濃度，但受到許多因素如pH和溫度的影響，檢測數值不能真正代表氫氣濃度。電極法雖然比較準確，但受到設備耗材投入大、技術複雜、定標困難等因素影響。氣相色譜是最準確的分析技術，但需要專業的設備和技術支持，也不太方便現場使用。

當然這種檢測方法也存在缺陷，這種方法用於純水或不含其他還原氧化成分的液體中沒有問題，但液體中如果含有其他氧化或還原性物質，會干擾分析準確性，如對血液和細胞培養基等有色溶液不適合採用這種方法。

（Medical Gas Res雜誌是美國開放獲取雜誌，發表氣體醫學相關的學術研究和技術文章。2011年創刊，2015年已經被ESCI收錄，目前對作者和讀者雙免費，歡迎從事氫氣醫學研究和技術開發的學者和企業投稿，有關細節可以留言諮詢。）

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