便攜式室內甲醛分析盒設計★

石 柳，霍雨卉，侯向東

（1.山西工程職業學院，山西 太原 030009；2.東北財經大學，遼寧 大連 116025）

0 引言

近年來，隨著大眾健康、環保意識的提高，室（車）內空氣污染備受關注。甲醛是一種無色有刺激性氣味的氣體，是室（車）內環境中來源廣、危害大的主要污染物之一[1]。室（車）內甲醛主要來源于裝修裝飾材料如油漆、膠黏劑、復合木制品、窗簾、墻紙等[2]。短期吸入高濃度的甲醛會刺激呼吸系統不適，引發咳嗽胸悶、哮喘甚至頭痛、惡心、肺水腫等癥狀[3]。長期吸入低濃度的甲醛可能導致兒童生長發育畸形、白血病和癌癥[4]。因此，甲醛濃度是評價室（車）內空氣質量的重要指標之一。在《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）[5]和乘用車內空氣質量評價指南（GB/T 27630—2011）[6]中規定室（車）內甲醛濃度限值為0.1 mg/m3，這是基于人體健康考量的最低標準。大眾希望通過專業檢測確認室（車）內環境是否安全。

關于室（車）內甲醛檢測從操作方式上有兩類：第一類是找具有CMA 資質的專業機構上門檢測。用氣體吸收裝置在在室（車）內采集氣體樣品后帶回實驗室，利用分光光度計、氣相色譜或液相色譜等分析儀器進行實驗分析。這類方法測定結果準確，但是耗時長，費用高，不能有效普及至普通家庭。第二類是在市場上購買手持類甲醛檢測儀或甲醛試劑盒自主檢測。手持類甲醛檢測儀在測定時候不需要借助化學試劑和其他設備，讀數方便、操作便捷。檢測原理通常分為電化學傳感器法和半導體式檢測法[7]。電化學甲醛測定儀由電解液、兩根惰性金屬電極、采氣系統組成。當采氣系統將甲醛吸收進入傳感器時，根據甲醛濃度，設備會產生相應的電壓值，轉換元件輸出電信號表征甲醛濃度。該方法的測定結果可能受到環境中濕度、溫度等因素的影響。半導體式檢測法原理是檢測儀中的金屬氧化物半導體材料的電導率會隨環境中氣體成分或濃度的變化而發生改變，該變化量會被轉換器按一定程序轉換為電信號輸出，從而獲得檢測結果。有研究表明，由于半導體材料對甲醛氣體靈敏度低，可能受到環境中其他氣體干擾，受檢驗的10 個不同品牌型號的半導體式檢測儀均未在設定的檢測環境中顯示準確的測定結果，只能反映出甲醛濃度的變化趨勢，不適用于室內環境中甲醛濃度的準確檢測[7]。甲醛試劑盒是利用酚試劑法原理[5]，通過甲醛與酚試劑進行化學反應，通過顯色后檢測盒顯示的顏色與色卡進行對比，從而確定室內甲醛濃度。具體操作步驟是在圓白色吸收盒中倒入粉末藥劑和透明試劑搖勻，將吸收盒放在被檢測空間中放置30 min 吸收氣體，然后在吸收盒中加入棕色瓶藥劑，搖勻靜置10 min。將吸收盒中溶液顏色與比色卡進行對比，讀出被測空間中的甲醛濃度值。這種方式優點是試劑盒便攜，操作方法簡單。缺點是待測空氣和吸收盒接觸面積小，容易造成氣體吸收量小，顯色不完全的現象，測定結果不準確。因此，如何科學、準確、便捷、價廉的檢測室（車）內甲醛濃度，已成為社會痛點問題。

本研究以國家標準方法《公共場所空氣中甲醛測定方法》（GB/T 18204.26—2000）[8]為依據，對傳統試劑盒進行了產品升級，研制了便攜式甲醛精準分析盒。分析盒由藥品試劑、采氣系統和比色卡三部分組成。其中，選擇合適穩定的藥品試劑及包裝，確保測定結果的穩定和快遞物流運輸。自動化氣體采集裝置，縮短采氣時間，增加采氣效率，從而增強檢測效率，這是本產品優于傳統試劑盒的地方。根據肉眼識別角度設計比色卡，提高測定結果的靈敏度、準確度。本產品測定結果準確、結構簡單、易于操作、成本低廉，更適用于家庭、車內、公共場所等場合的自主檢測。

1 材料與方法

1.1 實驗試劑

實驗中所用水都為純水，所用試劑有硫酸鐵銨、碘化鉀、氫氧化鈉、硫酸、硫代硫酸鈉、淀粉甲醛等均為分析純試劑。

吸收液的配制：用天平準確稱取酚試劑（3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙鹽酸鹽水合物）0.1 g，溶解在100 mL 水中。該溶液可在冰箱穩定保存3 d。

甲醛標準貯備溶液配制：量取2.8 mL 甲醛溶液（甲醛質量分數為37%左右），加水定容至1 L。臨用前需根據國家標準標定。

甲醛標準溶液①配制：臨用時，將甲醛標準貯備溶液用水稀釋成10.00 μg/mL，用于配制標準色列管。此標準溶液可穩定24 h。

甲醛標準溶液②配制：實驗時，將①的質量濃度用水稀釋成1.00 μg/mL，用于配制標準色列管。此標準溶液可穩定24 h。

1.2 實驗儀器

實驗儀器有分光光度計、10 mL 具塞比色管、15 mL離心管、電子天平、燒杯、量筒、電烙鐵、塑料板、塑料瓶、氣泵等工具。

1.3 實驗原理

國家標準方法《公共場所空氣中甲醛測定方法》：空氣中的甲醛氣體和酚試劑反應生成中間產物嗪，在酸性條件下嗪和高鐵離子發生氧化還原反應，最終生成藍綠色絡合物。根據朗伯比爾定律，溶液顏色越深，表明甲醛含量越高，可以用分光光度法比色定量。

1.4 研究思路

1）對市面在售的甲醛濃度測定裝置進行充分調研，從測定原理、可操作性、性價比等方面進行對比，結合國家標準和實驗室現有條件，提出研究方案。

2）以國家標準為基礎，對試劑盒中所需藥品的名稱、純度、質量、濃度進行探究，選擇抗干擾試劑，檢測結果穩定，不受其他氣體的干擾；選擇合適穩定的藥品試劑包裝，防止藥品與包裝反應變質，提高密封抗摔能力，滿足快遞物流運輸。

3）設計組裝有自動化氣體采集系統，大大縮短采氣時間，同時，通過氣泵功率選擇控制氣體流量，使氣體與吸收液充分反應，加快甲醛的吸收，從而增強檢測效率；其中自動化氣體采集系統的組裝是本研究的關鍵技術。

4）基于國家標準研發了標準比色卡，根據肉眼識別角度設計比色卡，提高測定結果的準確度。其中，色卡顏色的選取是本作品的關鍵技術指標。

1.5 實驗流程

1.5.1 藥品試劑

以國家標準方法《公共場所空氣中甲醛測定方法》為依據，確定分析盒所用藥品試劑和用量。

1.5.2 氣體采集系統

選用氣泵進行采氣實驗，采集氣體量為10 L，并進行甲醛濃度測定，檢驗采氣效率。

1.5.3 標準比色卡

1）取12 支10 mL 具塞比色管，用已知濃度甲醛標準溶液按表1 依次加入到比色管中，用甲醛吸收液定容至5 mL，搖勻靜置10 min。

表1 甲醛標準溶液添加量

2）各管中加入質量分數為1%的硫酸鐵銨溶液0.4 mL，搖勻，放置10 min。溶液顯色后，用分光光度計測定吸光度繪制標準曲線。

3）用電腦取色器對比取色，確定比色卡色階。

2 分析盒設計

2.1 分析盒構造

便攜式甲醛精準分析盒由藥品試劑（粉末試劑、試劑1、試劑2）、采氣系統（氣體泵、吸收管、導氣軟管及底座）、比色卡三部分組成（見圖1 和圖2）。

圖1 產品實物圖

圖2 產品構造圖

2.1.1 藥品試劑

試劑選擇以國家標準方法《公共場所空氣中甲醛測定方法》為基礎，本項目所用試劑為酚試劑、離子交換水、硫酸鐵銨等。為了保證測定結果的穩定和快遞物流運輸，所用試劑純度均為分析純，并選擇穩定的密封包裝。

2.1.2 采氣系統

為了實現自動化采集氣體，增加室內空氣和吸收液的接觸程度，縮短檢測時間，設計氣體泵、導氣軟管、吸收瓶和瓶蓋等結構形成了自動化氣體采集系統（見圖2）。

吸收瓶為尖底螺口離心管，內部裝有甲醛吸收液，甲醛吸收液能夠吸收空氣中的甲醛。瓶蓋上開設有進氣孔和出氣孔，進氣孔對導氣軟管起到固定作用，出氣孔用于排出吸收瓶內發生化學反應后剩余氣體，同時，瓶蓋可以防止瓶內液體飛濺。導氣軟管為硅膠軟管，導氣軟管的一端插入吸收瓶中的甲醛吸收液里，氣體泵的出氣端與導氣軟管的另一端連通，氣體泵通電工作后，能將被測空間內空氣鼓入吸收瓶中，使被測空間內空氣中的甲醛被甲醛吸收液充分吸收。

以國家標準方法《公共場所空氣中甲醛測定方法》為依據，本裝置采集氣體體積為10 L。通過氣體采集實驗，氣體泵采用型號為EDLP600-D12B 的微型隔膜泵，其額定電流為0.3 A，額定功率為5 W，氣流量為1 L/min。氣體泵的工作時間為10 min，縮短了采氣的時間，提高檢測效率。

2.1.3 標準比色卡

甲醛質量濃度分別為0.00、0.01、0.02、0.04、0.08、0.10、0.2、0.4、0.6、0.80、1.00、1.50 mg/m3，用分光光度計測定溶液的吸光度并繪制標準曲線（見圖3）。標準曲線方程為y=0.126 7x+0.034 9（R2=0.999 5）。

圖3 標準曲線

比色卡設計12 個色階，從人肉眼識別角度電腦取色，并設計比色卡外觀（見圖4）。比色卡更容易比色，測定結果更準確。

圖4 比色卡

2.2 分析盒使用步驟

1）檢測前先將待測空間封閉12 h，打開吸收瓶，將橡膠管一端穿過吸收瓶蓋進氣孔并插入瓶底；

2）將粉末藥品倒入吸收瓶中，然后倒入試劑1，與粉末混合，輕輕晃動使粉末充分溶解，蓋上瓶蓋；

3）將橡膠管另一端與氣泵相連，打開電源采氣10 min；

4）取下吸收管加入8 滴試劑2，輕輕搖勻，放置10 min；

5）將試劑瓶內顏色與比色卡進行對比，讀出被測空間內空氣中的甲醛濃度值。

2.3 分析盒性能檢測

在同等實驗條件下，第三方檢測機構實驗室研究、傳統試劑盒分析法、本裝置測定結果對比見表2。表2 中數據表明，本裝置測定結果的準確度高于傳統試劑盒法，與CMA 檢測機構測定結果更為接近。

表2 實驗結果對比

3 結語

本研究以國家標準方法為依據，從藥品試劑、氣體采集系統、標準比色卡三方面進行探究，制作了便攜式甲醛精準分析盒。氣體采集系統增加了室內空氣和吸收液的接觸程度，縮短采氣時間，提高了檢測的效率和準確度。同時，本分析盒結構簡單、易于操作、便于攜帶，為普通家庭提供科學、專業、高效、便捷的室內空氣甲醛檢測手段。