水中六價鉻測定方法的優化分析

尚文健(北京市通州區環境保護監測站，北京 101100)

0 引言

六價鉻是第一類污染物，具有很強的生物蓄積性，對人體健康和環境都極具危害，因此對六價鉻的準確測定在生態環境監測工作中具有重要意義。目前，GB/T 7467—1987《水質 六價鉻的測定 二苯碳酰二肼分光光度法》[1]測定地表水和工業廢水中六價鉻是日常監測分析中經典且應用普遍的方法。方法中所使用的丙酮和濃硫酸對人體健康有害[2]。目前，探索對人體和環境都無毒無害的分析方法已成為生態環境監測領域的重要任務及大勢所趨。本文依據GB/T 7467—1987的測定原理，運用回歸分析及方差分析對國標法的顯色劑溶劑和反應酸度來源進行優化分析，并對優化方法的檢出限、精密度和準確度進行驗證。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

GB/T 7467—1987測定水中六價鉻的方法原理是：在酸性條件下，六價鉻與顯色劑二苯碳酰二肼反應生成二苯偶氮碳酰肼，六價鉻自身被還原為三價鉻并與二苯偶氮碳酰肼絡合生成紫紅色化合物，于波長540 nm處進行分光光度測定[3-4]。

1.2 技術路線

(1)顯色劑溶劑：國標法所用顯色劑是將二苯碳酰二肼溶于丙酮中。丙酮有毒、易揮發、易制毒，長期使用會對分析人員身體健康及環境造成損傷。由于二苯碳酰二肼微溶于水，溶于熱醇及丙酮，分析乙醇、丙酮兩種溶劑的對比測試效果。

(2)反應酸度來源：國標法用硫酸溶液和磷酸溶液共同提供反應酸度。為保持最佳顯色酸度[3]，分析實驗室常用酸(硫酸、磷酸、鹽酸)在與國標法同等酸度條件下的對比測試效果。

1.3 主要儀器與試劑

(1)儀器：7230G可見分光光度計，E300H超聲波清洗器，50 mL具塞比色管等。

(2)試劑：硫酸 (ρ=1.84 g/mL，優級純 )，磷酸 (ρ=1.69 g/mL，優級純)、鹽酸(ρ=1.19 g/mL，優級純)、二苯碳酰二肼(優級純)，丙酮、95 %乙醇均為分析純，鉻標準溶液(生態環境部標準樣品研究所)，實驗用水為去離子水。

1.4 實驗方法

在50 mL具塞比色管中，加入一定體積的鉻標準溶液或水樣，用去離子水稀釋至標線，分別加入一定量的酸和二苯碳酰二肼顯色劑，搖勻，放置10 min，在波長540 nm條件下用30 mm比色皿，以實驗用水為參比，測定吸光度值。

(1)顯色劑的配制

國標法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL丙酮中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

乙醇法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL95 %乙醇中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

(2)酸的配制

(1+1)硫酸，(1+1)磷酸，鹽酸。

2 結果與討論

2.1 顯色劑優化的回歸分析

取兩組9支50 mL具塞比色管，分別加入濃度為1.00 mg/L的鉻標準溶液 0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，用去離子水稀釋至標線，加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻。第一組中分別加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；第二組中分別加入2.0 mL以95 %乙醇為溶劑的顯色劑；依實驗方法分別測定吸光度值。對用丙酮和乙醇分別作為顯色劑溶劑的兩種方法制作校準曲線，經回歸分析統計檢驗[5-6]，結果表明兩條曲線無顯著性差異，檢驗結果如表1所示。表明在固定酸度的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統差異。

表1 兩校準曲線回歸分析結果

實驗過程中觀察到，室溫下二苯碳酰二肼不太容易溶解于乙醇，可用超聲波加速溶解，效果明顯。經測試觀察，乙醇作為溶劑的顯色劑至少可保存一周，因平時儲存于冰箱中，從冰箱取出來后可見瓶底有溶質析出，放置室溫后經超聲波促進溶解，不影響使用。比較丙酮和乙醇兩種溶劑，乙醇具有無毒且便于購買的優勢，可運用超聲波加速溶解彌補其對二苯碳酰二肼溶解性稍差的缺點。

2.2 顯色劑和酸優化的雙因素方差分析

由實驗原理，六價鉻的測定過程中，顯色劑和反應酸度是完成測定的兩個要素。設因素一為二苯碳酰二肼溶劑，兩水平分別為1.丙酮、2.乙醇。因素二為同等反應酸度的不同來源，選用實驗室常用酸，四水平為A(硫酸+磷酸)、B硫酸、C磷酸、D鹽酸。

取兩組8支50 mL具塞比色管，依次加入濃度為1.00 mg/L的鉻標準溶液3.00 mL，用去離子水稀釋至標線，于每組1、2號比色管中分別加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻；每組3、4號比色管中分別加入(1+1)硫酸1.1 mL，搖勻；每組5、6號比色管中分別加入(1+1)磷酸0.9 mL，搖勻；每組7、8號比色管中分別加入鹽酸1.7 mL，搖勻。向第一組比色管中依次加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；向第二組比色管中依次加入2.0 mL以乙醇為溶劑的顯色劑；依實驗方法分別測定吸光度值。對測定結果做雙因素等重復試驗方差分析，結果見表2。

結果表明：(1)在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對測定結果均無顯著性差異。(2)對(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸、鹽酸這四個不同酸的來源，尚不能明確判斷測定結果間有無顯著性差異；而(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸這三個水平下，可以明確判斷測定結果間無顯著性差異。盡管鹽酸也是實驗室常用酸，從統計結果來看，暫不考慮鹽酸在此方法中的應用。從分析結果來看，用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸來控制反應酸度都是可行的。(3)顯色劑溶劑與反應酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。資料表明[7]，分光光度法測定六價鉻時，加入磷酸可與三價鐵形成穩定的無色絡合物，消除三價鐵干擾，同時磷酸也和其他金屬離子絡合，避免一些鹽類析出而產生渾濁。綜上，為兼顧實驗效果及便于操作，后續研究應用乙醇作為顯色劑溶劑、磷酸作為反應酸度來源。

表2 雙因素等重復試驗方差分析結果(n=2)

2.3 優化方法的驗證

由2.1和2.2部分的探討，本部分對用乙醇為顯色劑溶劑、磷酸為反應酸度來源的優化方法進行方法可行性驗證[8]。

2.3.1 檢出限

因國標方法檢出限為0.004 mg/L，配制濃度為預期方法檢出限5倍(即0.020 mg/L)的樣品，按照實驗方法共進行7次平行測定，結果見表3。優化方法測定的六價鉻檢出限＜0.004 mg/L，符合方法要求。

表3 方法檢出限

2.3.2 有證標準樣品的精密度和準確度

采用來自生態環境部標準樣品研究所的編號為203349、203357、203360的有證標準樣品，分別平行測定6次，分析及統計結果見表4。結果表明，三個六價鉻標準樣品的測定結果相對標準偏差小于5%，測定值均在標準樣品的參考值范圍內，說明此方法對有證標準樣品的精密度和準確度滿足質控要求[5]。

2.3.3 實際樣品的精密度和準確度

采集通州區實際水樣(某地表水、某工業廢水、某污水廠出水)進行實驗，按照實驗方法分別測定6次，考察方法精密度(因目前實際水樣中六價鉻含量較低，為便于驗證方法精密度，對第3組樣品加標制作為分析用樣品)。對第2、3組實際樣品進行加標回收分析，考察方法準確度，分析及統計結果見表5。經驗證，三個實際水樣相對標準偏差均小于15 %，測定值加標回收率在85 %～115 %范圍內，說明此方法對實際水樣的精密度和準確度滿足質控要求[5]。

表4 有證標準樣品的精密度和準確度

表5 實際樣品的精密度和準確度

3 結語

對二苯碳酰二肼分光光度法測定水中六價鉻國標方法進行優化分析，得到以下結論：(1)不同顯色劑溶劑校準曲線回歸分析表明，在反應酸度基本一致的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統差異，可用超聲波促進溶解來解決二苯碳酰二肼在乙醇中的溶解性稍差的問題。(2)雙因素(顯色劑溶劑和反應酸度來源)等重復試驗方差分析表明，在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對測定結果無顯著性差異；用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸作為酸度來源的測定結果無顯著性差異；溶劑與顯色酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。(3)確定優化方案，用乙醇代替丙酮作為溶劑配制二苯碳酰二肼顯色劑，用磷酸提供反應酸度，可降低試劑對人體和環境的損害，同時簡化操作步驟。驗證此方法檢出限、精密度和準確度，結果與國標法無顯著性差異，能夠達到國標法測定六價鉻的質量保證要求。(4)目前國標/行標方法測定水中六價鉻均用到丙酮和濃硫酸，分析結果可為推動水中六價鉻國標/行標方法的優化提供技術支撐。