順序注射阻抑動力學光度法測定環境水樣中的對苯二酚

吳春來，王濤，張士蘋，樊靜,

1. 河南師范大學環境學院 河南省環境污染控制重點實驗室 黃淮水環境與污染防治教育部重點實驗室，新鄉 453007 2. 洛陽理工學院環境工程與化學學院，洛陽 471023

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順序注射阻抑動力學光度法測定環境水樣中的對苯二酚

吳春來1,2，王濤1，張士蘋1，樊靜1,

1. 河南師范大學環境學院 河南省環境污染控制重點實驗室 黃淮水環境與污染防治教育部重點實驗室，新鄉 453007 2. 洛陽理工學院環境工程與化學學院，洛陽 471023

在酸性條件下，利用對苯二酚能夠阻抑堿性藏花紅和溴酸鉀反應的原理，聯用順序注射分析技術建立了快速測定環境水樣中對苯二酚的新方法。在最佳實驗條件下，對苯二酚的線性范圍為0.05～1.50 μg·mL-1，檢出限為0.02 μg·mL-1，完成一次分析循環總的試劑消耗僅為0.125 mL。該方法用于自來水、地表水和河水中對苯二酚的測定，結果與HPLC法所得結果對照，無顯著性差異。

對苯二酚；環境水樣；順序注射；動力學光度法

Received 24 November 2015 accepted 29 December 2015

對苯二酚又名氫醌，屬于不揮發性酚，是一種重要的化工原料，廣泛應用于顯影劑、合成染料、合成氨助溶劑、橡膠防老劑、涂料和香精中的抗氧化劑和穩定劑等[1]。對苯二酚具有一定的毒性且難降解，不僅污染環境，而且會對人體的肝、腎、造血系統、中樞系統造成損害，當2個羥基被氧化成氫醌，會造成更大的損害[2]。對苯二酚是環境和食品等領域重點檢測的有機污染物，而且酚類化合物也被各國政府列為優先控制污染物。因此，建立環境中痕量對苯二酚的測定具有重要意義。

目前用來測定對苯二酚的方法主要有分光光度法[3]、熒光法[4]、色譜法[5-6]、電化學法[7-8]和化學發光法[9]等。色譜法雖然靈敏度高，檢出限低，但是儀器價格較貴，測定成本高；分光光度法和熒光法等操作繁瑣，測定效率低。

順序注射分析是由Ruzicka和Marshall[10]于1990年提出的，作為第二代流動注射分析，硬件簡單可靠，技術更加成熟，具有分析速度快、試劑消耗少、穩定性好等優點。由于順序注射可以在非平衡狀態下檢測的特性，已廣泛應用于化學分析等領域。研究發現，在酸性條件下，對苯二酚能夠抑制溴酸鉀氧化堿性藏花紅的反應，利用順序注射可以在非平衡態檢測的優勢，建立了一種快速、簡便檢測對苯二酚的新方法。

1 實驗部分(Experiment)

1.1 儀器和試劑

FIAlab-3500順序注射分析儀(FIAlab Instruments Inc. USA)；2.5 mL注射泵，八通道選擇閥。儲存管為0.7 mm×200 cm，反應管為0.5 mm×90 cm，其他聚四氟乙烯管均為0.5 mm內徑。系統由計算機程序控制，采用FIAlab軟件(FIAlab 5.0E)進行數據采集和處理。USB2000-UV/VIS分光光度計(Analytical Instruments Inc. USA)；10 mm長的光纖SMAZ型流通池。

對苯二酚(Hyd)標準溶液：用對苯二酚配制成1.0 g·L-1的儲備液，使用時逐級稀釋成所需的濃度；溴酸鉀溶液：0.17 mol·L-1；堿性臧花紅溶液：1×10-4mol·L-1；鹽酸：0.6 mol·L-1。

實驗所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水。

圖1 順序注射分析系統 注：C，載流；SP，注射泵；SV，注入閥；MV，多位選擇閥；HC，儲存管；RC，反應管；R1，堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液；R2，鹽酸；S，樣品溶液；ZFC，Z-流通池；VIS，可見光檢測器；DET，檢測器；W，廢液；PC，電腦。Fig. 1 Sequence injection analysis system Note: C, carrier; SP, syringe pump; SV, syringe pump valve; MV,multi-position valve; HC, holding coil; RC, reaction coil; R1, Safranine and KBrO4; R2, HCl; S, samples; ZFC, Z- flow cell; VIS, Visible light detector; DET, detector; W, waste; PC, personal computer.

表1 順序注射控制程序

注：a，多位選擇閥；b，注入閥；c，“+” 為吸入，“-”為推出。

Note: a, Multi bit selector valve; b, Injection valve; c, “+” stands for injection, “-” stands for push off.

1.2 實驗方法

順序注射分析系統的流路示意圖如圖1。實驗操作步驟如下：首先經注射泵吸入一定體積的去離子水作為載流，然后通過八通道選擇閥依次吸入堿性藏花紅和溴酸鉀的混合溶液、樣品溶液(空白或標準溶液)、鹽酸進入到儲存管中，然后反方向經反應管推至檢測器，在波長517 nm處分別測量非阻抑體系和阻抑體系的吸光度A0和A，計算ΔA=A- A0。順序注射分析控制程序如表1，利用八通道選擇閥，通過程序設計控制上述操作，可以連續測定多份樣品，如圖2所示，進樣頻率為50 h-1。

圖2 程序控制流程圖 注：S0，試劑空白；S1，0.5 μg·mL-1 的Hyd；S2，1.0 μg·mL-1 的Hyd；S3，1.5 μg·mL-1 的Hyd。Fig. 2 The flow chart for system controlNote: S0, reagent blank; S1, 0.5 μg·mL-1 of Hyd; S2, 1.0 μg·mL-1 of Hyd; S3, 1.5 μg·mL-1 of Hyd.

2 結果與討論(Result and discussion)

為了使反應體系的靈敏度最高，必須對影響反應的各因素進行優化。我們采用單因素變換法對反應體系所用的試劑和順序注射流路參數進行了優化。反應試劑的影響包括參加反應的各試劑的濃度和體積，順序注射參數包括儲存管和反應管內徑和長度、流速和推出體積的影響等。

2.1 順序注射參數的優化

2.1.1 試樣注入順序的影響

由于順序注射分析系統是按照一定順序吸取試劑和樣品溶液到儲存管中，因此不同的進樣順序就會導致區帶之間相互滲透的程度不同，從而影響反應的靈敏度。本實驗研究了多種區帶對靈敏度的影響，發現堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、鹽酸、樣品這3個區帶進樣時體系的峰型較好。對這3個區帶的不同進樣順序進行了研究，結果發現，當加入順序依次為堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、樣品、鹽酸時，反應的靈敏度最好。

2.1.2 儲存管和反應管的影響

管長和管徑影響試劑和試樣的重疊分散程度，從而影響體系的靈敏度。比較了內徑分別為0.5 mm和0.7 mm兩種儲存管對體系靈敏度的影響，結果表明0.7 mm的儲存管靈敏度更好。因此本實驗選用內徑為0.7 mm長度為200 cm的儲存管。又考察了反應管內徑和長度對體系靈敏度的影響。當選用內徑為0.5 mm的反應管時，體系的靈敏度更大。在50～110 cm范圍內研究了長度的影響，如圖3所示，隨著反應管長度的增加，體系的ΔA先增加后減小，當長度為90 cm時，ΔA最大，故實驗選用內徑為0.5 mm長度為90 cm的反應管。

圖3 反應管長度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 3 Effect of length of reaction tubeNote: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

2.1.3 流速的影響

在順序注射系統中，流速是一個重要的參數，它影響著試劑在管道中的留存時間以及各試劑區帶之間相互滲透的程度，從而影響反應時間和反應的進行程度。從物理因素考慮，要盡量減少分散所產生的稀釋效應而導致的吸光度降低，此時要增加流速；從化學因素考慮，要加大混合程度以利于反應產物的形成，此時要降低流速。合適的流速是這兩種因素綜合作用的結果。本實驗在20～50 μL·s-1范圍內考察了不同流速對體系靈敏度的影響，如圖4所示，當流速為30 μL·s-1時，靈敏度最好。所以試驗選取30 μL·s-1作為反應的最佳流速。

圖4 流速的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 4 Effect of flow rate Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

圖5 推出體積的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 5 Effect of sample volume Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

2.1.4 推出體積的影響

在500-～800 μL內考察了推出體積對靈敏度的影響，如圖5所示，當推出體積為750 μL時，ΔA最大，表明此時試劑和樣品已充分混合并反應。因此，實驗選擇750 μL為最佳推出體積。

圖6 溴酸鉀濃度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 6 Effect of the concentration of potassium bromate Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

圖7 鹽酸濃度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 7 Effect of the concentration of HClNote: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

2.2 反應試劑參數的優化

2.2.1 堿性藏花紅-溴酸鉀濃度的影響

堿性藏花紅是指示劑，它的濃度對吸光度值有直接影響。本文研究發現，隨著堿性藏花紅濃度的增加，體系的吸光度值一直增大，但濃度過大時，阻抑反應的吸光度值就超出了儀器的線性響應范圍，綜合考慮選擇藏花紅的濃度為2.0×10-4mol·L-1。固定藏花紅的濃度后，考察了溴酸鉀濃度在0.1～0.2 mol·L-1范圍內體系的相對吸光度值變化，如圖6，當溴酸鉀濃度為0.17 mol·L-1時，體系的ΔA最大，故實驗選擇堿性藏花紅的濃度為2.0×10-4mol·L-1，溴酸鉀的濃度為0.17 mol·L-1。

2.2.2 反應介質及濃度的影響

分別考察了同濃度的硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸對反應體系靈敏度的影響，結果表明在鹽酸中對苯二酚的阻抑作用最明顯，重現性最好。本實驗選用鹽酸作為反應介質，在0.4～0.8 mol·L-1濃度之間考察了酸度對靈敏度的影響，如圖7所示。當濃度為0.6 mol·L-1時，ΔA達到最大，故實驗選用0.6 mol·L-1的鹽酸溶液作為反應酸度。

圖8 反應試劑體積的影響 注：a鹽酸溶液; b, 堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液; c,樣品溶液。堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 8 Effect of the volume of reaction regent Note: a, HCl; b, Safranine and KBrO4; c, samples; Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

圖9 對苯二酚標準工作曲線 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1。Fig. 9 Standard working curve for hydroquinone Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1.

2.2.3 各試劑體積的影響

在不同的范圍內分別考察了堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、鹽酸溶液、樣品吸入體積對體系靈敏度的影響，結果如圖8所示，當吸入堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液45 μL、鹽酸溶液30 μL、樣品溶液50 μL時，體系的靈敏度最好，因此選用上述體積作為反應的最佳體積。

2.3 工作曲線和精密度

在上述最佳實驗條件下繪制工作曲線，如圖9所示，對苯二酚的質量濃度在0.05～1.50 μg·mL-1范圍內與ΔA呈線性關系，其線性回歸方程為ΔA=0.07893+0.07762C(μg·mL-1)，檢出限(3Sb/斜率，Sb為11份空白溶液的的標準偏差)為0.02 μg·mL-1，對濃度為0.5 μg·mL-1和1.0 μg·mL-1的對苯二酚溶液進行了11次平行測定，其相對標準偏差分別為1.79%和2.13%。

表3 樣品中對苯二酚的測定結果(n=5)

2.4 共存離子和化合物的影響

2.5 樣品分析

用玻璃器皿取自來水、地表水和雨水樣品。準確移取250 mL水樣按上述方法進行蒸餾，然后準確量取一定量餾出液按1.2方法測定，3種水樣品中均未檢測出對苯二酚，然后在上述實際水樣中進行加標回收實驗，結果見表3，經t檢驗表明2種方法無顯著性差異。

本實驗將靈敏度較高的動力學分析方法聯合順序注射分析系統，建立了一種快速簡便測定痕量對苯二酚的新方法，通過實驗得到以下結論：

(1)方法簡便快速，自動化程度高，減少了人為操作可能帶來的誤差，每小時可測定50個樣品；

(2)直接排除了大多數共存物的影響，選擇性高；

(3)試劑消耗少，每次分析僅消耗0.125 mL試劑，對環境二次污染小。

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◆

Inhibition Kinetic Spectrophotometric Determination of Hydroquinone in Environmental Water Samples by Sequential Injection

Wu Chunlai1,2, Wang Tao1, Zhang Shiping1, Fan Jing1,*

1. School of Environment, Henan Normal University, Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, Xinxiang 453007, China 2. School of Environmental Engineering and Chemistry, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China

A new method for rapid determination of trace hydroquinone in environmental water samples is established by coupling the inhibition effect of hydroquinone on the rate of the reaction between potassium bromate and safranine in acid medium with sequential injection technology. Different sequential injection analysis parameters such as reagent concentration, injection sequence of reagent and sample, flow speed and coexisting species effect have been investigated in detail. It is found that under the optimum conditions, the linear range for hydroquinone determination is 0.05 - 1.50 μg·mL-1, and the detection limit is 0.02 μg·mL-1. Only 0.125 mL of reagent is needed in a single analysis cycle. The method has been used for the determination of trace hydroquinone in tap water, ground water and river water samples, and the results are in good agreement with those obtained from HPLC.

hydroquinone; environmental water sample; sequential injection; kinetic inhibition spectrophotometry

10.7524/AJE.1673-5897.20151124001

國家自然科學基金(21377036)；河南省科技創新杰出人才計劃(144200510004)；河南省軟科學研究項目(102400440069)

吳春來(1979-)，男，博士研究生，研究方向為環境分析化學，E-mail: chunlaiwu@126.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: fanjing@htu.cn

2015-11-24 錄用日期：2015-12-29

1673-5897(2016)2-749-06

X171.5

A

簡介：樊靜(1956-)，女，教授，博士，博士生導師，主要研究方向環境分析化學，發表SCI論文90余篇。

吳春來, 王濤, 張士蘋, 等. 順序注射阻抑動力學光度法測定環境水樣中的對苯二酚[J]. 生態毒理學報，2016, 11(2): 749-754

Wu C L, Wang T, Zhang S P, et al. Inhibition kinetic spectrophotometric determination of hydroquinone in environmental water samples by sequential injection [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 749-754 (in Chinese)