水質中硫化物的3種分析方法比對試驗研究

鄧茂，張永江，黃曉容，王明勝，肖艷平，姚靖，劉蓉，王文芳

1.重慶化工職業學院 環境與質量檢測學院，重慶 長壽 401220；2.重慶市黔江區生態環境監測站，重慶 黔江 409003；3.重慶市生態環境監測中心，重慶 401147；4.重慶市江津區生態環境監測站，重慶 江津 402260

水質中的硫化物可與人體細胞色素、氧化酶等物質中的二硫鍵(—S—S—)作用，影響細胞氧化過程，造成細胞組織缺氧，危害人類身體健康．同時水中硫化氫也會消耗水中氧氣，導致水生生物因缺氧而死亡[1-2]．但溫泉中適量的硫化物，有助于身體健康，如以沐浴和健康理療為主的溫泉旅游，符合新興大眾理念，深受人們喜歡[3]．因此，準確、快速測定水環境樣品中硫化物含量對水質評價具有極其重要的現實意義[4-5]．目前，水質中硫化物的測定方法主要包括亞甲藍分光光度法[6]、氣相分子吸收光譜法[7]和流動注射亞甲藍分光光度法[8]．亞甲藍分光光度法對實驗條件要求不高，普通實驗室即可進行，該方法易于推廣使用，然而由于實驗前處理操作繁瑣，導致該方法的實驗回收率不高且重復性較差[9]．氣相分子吸收光譜法的實驗原理為在5%～10%磷酸介質中將試樣中的硫化物瞬間轉變成H2S，用氮氣將該氣體載入氣相分子吸收光譜儀的吸光管中，在202.6 nm波長處測得的吸光度與硫化物的濃度遵守朗伯比爾定律[7]．流動注射亞甲藍分光光度法原理與亞甲藍分光光度法化學反應原理相同，在封閉的管路中，將一定體積的試樣注入連續流動的載液中，試樣與試劑在化學反應模塊中按特定的順序和比例混合、反應，在非完全反應的條件下，進入流動檢測池進行光度檢測[8]．同時，流動注射亞甲藍分光光度法更簡便，分析速度更快，具有儀器自動處理的優點[10-12]．研究環境監測領域亞甲藍分光光度、氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光度法測定水質中的硫化物含量，開展3種不同方法的比對研究，可為實驗室開展水質中硫化物項目分析測試方法選擇提供科學支撐．

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

紫外可見分光光度計(日本島津，UV2600)；全自動硫化物前處理儀(北京斯珀特，HS-4A)．乙酸鋅、乙酸鈉、抗壞血酸、乙二胺四乙酸二鈉、N-二甲基對苯二胺、硫酸鐵銨等所用試劑均為分析純，氫氧化鈉、硫酸、磷酸等所用試劑為優級純．

氣相分子吸收光譜儀(蘇州北裕，GMA3212)．乙酸鋅、乙酸鈉、等所用試劑均為分析純．氫氧化鈉、硫酸、鹽酸和磷酸等所用試劑為優級純．

連續流動化學分析儀(德國SEAL，AA100)．乙酸鋅、乙酸鈉、抗壞血酸、乙二胺四乙酸二鈉、氫氧化鈉、N-二甲基對苯二胺、三氯化鐵等所用試劑均為分析純．氫氧化鈉、硫酸、鹽酸和磷酸等所用試劑為優級純．

硫化物標準溶液和標準樣品均購于生態環境部標準樣品研究所，硫化物標準溶液(100±5)mg/L(國標號GSB 07-2733-2019，批號 104421)．硫化物標準樣品(1.72±0.15)mg/L(國標號GSB 07-1373-2001，批號205540)．實驗用為水電阻率18.25 MΩ·cm的去離子水．

1.2 實驗方法

1.2.1 亞甲藍分光光度法[6]

取100 mL混勻的水樣，或適量樣品加水稀釋至200 mL，迅速轉移至500 mL反應瓶中，再加入5 mL抗氧化劑溶液，輕輕搖動．量取20.0 mL乙酸鋅-乙酸鈉溶液于100 mL吸收比色管中作為吸收液，導氣管下端插入吸收液液面之下，以保證吸收完全．連接好裝置，關閉加酸分液漏斗活塞，在分液漏斗中加入10 mL鹽酸溶液，開啟氮氣，調整氮氣流量至300 mL/min．5 min后，開啟水浴裝置使溫度升至60～70 ℃．打開活塞，緩慢注入10 mL鹽酸于反應瓶中，關閉加酸分液漏斗活塞．連續吹氣30 min，關閉氣源．斷開導氣管，用少量水沖洗導氣管，沖洗液并入吸收液中，加水至約60 mL．沿比色管壁緩慢加入10 mL N，N-二甲基對苯二胺溶液，立即密塞并緩慢倒轉一次．拔塞開小口加1 mL硫酸鐵銨溶液，立即密塞并充分搖勻．放置10 min后，用水定容至標線，搖勻．使用10 mm比色皿，以水作參比，在波長665 nm處測量吸光度．

1.2.2 氣相分子吸收光譜法[7]

氣相分子吸收光譜儀測定參數設置：輸入氮氣壓力為0.30 MPa，載氣量為120 mL/min，燈電流為0.8 mA，工作波長為202.6 nm，樣品泵轉速為50 r/min，試劑泵速為25 r/min，測量時間為15 s，延遲時間為30 s，讀數方式為峰高．測定步驟：按儀器規定的順序開機后，將待測樣品放置在自動進樣器上，按照與繪制標準曲線相同的條件進行樣品的測定，記錄信號值(峰高)．

1.2.3 流動注射亞甲藍分光光度法[8]

連續流動化學分析儀測定參數設置：取樣速率為60個/h；進樣與清洗時間比為3∶1；基線為10%；主峰為75%．測定步驟：按儀器規定的順序開機后，以純水代替所有試劑，檢查整個分析流路的密閉性及液體流動的順暢性．待基線穩定后(約 20 min)，系統開始泵入試劑，待基線再次穩定后調整基線．量取約10 mL待測樣品進行測定，記錄信號值(峰面積)．

2 結果與討論

2.1 方法檢出限及方法測定下限

按照《環境監測分析方法標準制訂技術導則》(HJ 168-2020)[13]附錄A的要求，對濃度值或含量為估計方法檢出限值2～5倍的樣品進行n≥7次平行測定，計算檢出限，方法測定下限以4倍檢出限計．配制硫化物標準溶液質量濃度為0.02 mg/L的樣品，按照實驗方法進行測試，相關數據詳見表1．

由表1所知，亞甲藍分光光度法、氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定水中硫化物檢出限分別為0.009，0.003，0.004 mg/L，均低于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)[14]基本項目標準Ⅰ類(≤0.05 mg/L)限值要求．其中氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法能夠滿足《地下水質量標準》(GB/T14848-2017)[15]地下水質量常規指標Ⅰ類(≤0.005 mg/L)限值要求．亞甲藍分光光度法方法由于人工操作，重復性不好等因素，導致檢出限不能滿足《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)檢測要求．

表1 3種方法檢出限及測定下限

2.2 方法精密度

準確配置高中低3組硫化物標準溶液，分別用亞甲藍分光光度法、氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法各測定7次，結果見表2．由表2可知，亞甲藍分光光度法的相對標準偏差為4.0%～10.0%，氣相分子吸收光譜法相對標準偏差為0.9%～5.2%，流動注射亞甲藍分光光度法相對標準偏差為5.6%～0.7%．氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法的相對標準偏差均小于6%，二者重現性相當，均要優于亞甲藍分光光度法．

表2 3種方法精密度

2.3 方法準確度

選用生態環境部標準樣品研究所研制的標準樣品，分別采用3種分析方法進行測定，每個樣品平行測定7次，測定值均在標準值范圍內，結果見表3．亞甲藍分光光度法測定值的相對標準偏差為-3.4%，氣相分子吸收光譜法的相對標準偏差為0.4%，流動注射亞甲藍分光光度法的相對標準偏差為-0.4%．氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物的相對標準偏差均遠小于亞甲藍分光光度法測定硫化物的相對標準偏差．

表3 3種方法標準樣品測試比對結果

2.4 方法回收率

選取地表水、地下水和生活污水水樣進行加標分析，其加標量為0.03 mg/L，對測試結果進行加標回收率計算，結果詳見表4．亞甲藍分光光度法加標回收率為73.3%～83.3%，氣相分子吸收光譜法加標回收率為93.3%～96.7%，流動注射亞甲藍分光光度法加標回收率為90.0%～93.3%．氣相分子吸收光譜和流動注射亞甲藍分光光度測定硫化物的加標回收率均在90%以上．

表4 3種方法對實際水樣分析比對結果

2.5 比對實驗的結果評價

《化學實驗室內部質量控制 比對試驗》(RB/T 208-2016)[16]規定，對于任何形式的比對試驗，當每組檢測的平行測量次數n較多(n≥6)時，可先對兩組比對數據進行F檢驗，判斷兩個均值的精密度差異是否有統計學意義．若差異無統計學意義，即為兩組測定結果等精度，繼續t檢驗，對比對試驗結果進行評價．

按照《化學實驗室內部質量控制比對試驗》(RB/T 208-2016)[16]要求，顯著性水平α=0.05，對表5比對實驗結果進行統計學評價．亞甲藍分光光度法和氣相分子吸收光譜法測定硫化物統計學評價結果：F=2.778，查表得F0.05(6，6)=4.284，F=2.778<4.284，說明亞甲藍分光光度法和氣相分子吸收光譜法測定硫化物的結果精密度差異無統計學意義．t=6.806，查表得t0.05(12)=2.179，t=6.806>2.179，說明亞甲藍分光光度法和氣相分子吸收光譜法測定硫化物的結果差異有統計學意義，表明比對結果不滿意．

表5 3種方法對小南海水樣分析比對結果

氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物統計學評價結果：F=1.562，查表得F0.05(6，6)=4.284，F=1.562<4.284，說明氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物的結果精密度差異無統計學意義．t=1.377，查表得t0.05(12)=2.179，t=1.377<2.179，說明氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物的結果差異無統計學意義，表明比對結果滿意．

亞甲藍分光光度法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物統計學評價結果：F=1.778，查表得F0.05(6，6)=4.284，F=1.778<4.284，說明亞甲藍分光光度法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物的結果精密度差異無統計學意義．t=5.292，查表得t0.05(12)=2.179，t=5.292>2.179，說明亞甲藍分光光度法和流動注射亞甲藍分光光度法測定硫化物的結果差異有統計學意義，表明比對結果不滿意．

2.6 不確定度評定比對

為進行測定實際樣品的差異性比較，分析購買的硫化物標準樣品，并參考《化學分析中不確定度的評估指南》(CNAS GL006：2019)[17]，對亞甲藍分光光度法、氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法測定水質中的硫化物含量的不確定度進行評定．置信概率為95%時，包含因子k=2，實際樣品及不確定度分別為：亞甲藍分光光度法(GB/T 16489-1996)的結果為(1.66±0.17)mg/L，氣相分子吸收光譜法(HJ/T 200-2005)的結果為(1.73±0.15)mg/L，流動注射亞甲藍分光光度法(HJ 824-2017)的結果為(1.71±0.12)mg/L．有證標準物質的認定值為(1.72±0.12)mg/L，3種方法分析結果均在證書認定值范圍內．

不確定度分量的比對見圖1．影響水質中硫化物含量的不確定度主要來源有標準溶液的配置、樣品前處理、樣品重復測定以及校準曲線的擬合等過程．影響亞甲藍分光光度法(GB/T 16489-1996)不確定度的主要環節為樣品前處理，原因可能為酸化吹氣吸收法在前處理過程中樣品有損失，回收率不高；影響氣相分子吸收光譜法(HJ/T 200-2005)不確定度的主要環節為校準曲線擬合，原因可能為曲線擬合過程中未達到儀器的最佳狀態或者硫化物濃度梯度配置不合理；影響流動注射亞甲藍分光光度法(HJ 824-2017)不確定度的主要環節為標準溶液的配置，影響因素有標準溶液純度、玻璃器皿的精度和溫度等．

圖1 不確定度分量的比對

3 結論

亞甲藍分光光度法(GB/T 16489-1996)、氣相分子吸收光譜法(HJ/T 200-2005)和流動注射亞甲藍分光光度法(HJ 824-2017)比較研究結果經過統計學評價表明，氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法的差異無統計學意義．亞甲藍分光光度法與氣相分子吸收光譜法和流動注射亞甲藍分光光度法的差異有統計學意義．

亞甲藍分光光度法測定水中硫化物因所需儀器設備簡單，在環境監測中得到廣泛的應用，但是整個操作過程繁瑣，樣品前處理復雜，回收率不高，重現性較差．流動注射亞甲藍分光光度法與氣相分子吸收光譜法自動化程度高，分析時間短，靈敏度、精密度和準確度均優于亞甲藍光度法．