分光光度法高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)分析儀應(yīng)用研究

陳 陽，應(yīng)志明，陳曉磊，李 智，付貴勤

（力合科技（湖南）股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205）

0 引言

有機(jī)污染物是環(huán)境污染物的主要類別之一，對(duì)人類健康和水生生態(tài)系統(tǒng)都有重大影響。在天然水中發(fā)現(xiàn)了2 000 多種有機(jī)污染物，在飲用水中檢測(cè)到1 000 多種有機(jī)污染物。人們很難估計(jì)天然水和飲用水中各種有機(jī)污染物的濃度。因此，化學(xué)需氧量（COD）已被作為評(píng)價(jià)有機(jī)污染水平的國際標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。根據(jù)消化過程中強(qiáng)氧化劑（K2Cr2O4或KMnO4）的不同，COD 通常分為CODCr和CODMn[1-2]。與CODCr相比，CODMn具有環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和安全性方面的優(yōu)勢(shì)。許多國家頒布了地表水、地下水和飲用水中CODMn的國家標(biāo)準(zhǔn)，如中國、日本和歐盟[3-5]。

目前，傳統(tǒng)檢測(cè)地表水中高錳酸鹽指數(shù)的方法多為國標(biāo)滴定方法（高錳酸鹽指數(shù)滴定法）[6]。但是該方法存在線性范圍窄、檢測(cè)流程復(fù)雜、測(cè)試時(shí)試劑及水樣使用量大、廢水處理成本高等問題。分光光度法通過測(cè)量物質(zhì)對(duì)光的吸收程度對(duì)被測(cè)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量分析[7]。該方法具有成本低、靈敏度高、重現(xiàn)性好、流程簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[8]。本文結(jié)合水質(zhì)CODMn分光光度法和自動(dòng)分析儀，提高了高錳酸鹽指數(shù)檢測(cè)的靈敏度和分析速度。

LFS-2002 高錳酸鹽指數(shù)分析儀針對(duì)市場(chǎng)需求及應(yīng)用情況，采用高錳酸鉀氧化分光光度法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)分析。該儀器可滿足現(xiàn)有生活飲用水、地表水監(jiān)管及預(yù)警需求，為保障水健康安全提供了重要的支撐保障。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器（表1、表2）

1.2 溶液配制

高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：（c1/5KMnO4=0.010 0 mol/L），配制、標(biāo)定、稀釋方法按酸性高錳酸鉀滴定法的要求。或使用有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

硫酸亞鐵銨溶液：c[（NH4）2Fe（SO4）2]＝0.01000mol/L，用重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液按下述方法標(biāo)定濃度，此溶液可使用1 個(gè)月，或使用有證標(biāo)準(zhǔn)溶液。

鄰菲羅啉溶液，1.373 8 g/L。

硫酸溶液（1+3）：配制方法見酸性高錳酸鉀滴定法[9]。

高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：使用有證標(biāo)準(zhǔn)溶液，CODMn值為1 000 mg/L。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 檢測(cè)原理

CODMn檢測(cè)原理：高錳酸鉀在酸性環(huán)境中將水樣中的還原性物質(zhì)氧化，剩余的高錳酸鉀則被還原劑硫酸亞鐵銨還原，而過量的硫酸亞鐵銨與指示劑鄰菲羅啉生成穩(wěn)定的橙色絡(luò)合物，于510 nm 處測(cè)定相應(yīng)的吸光度，高錳酸鹽指數(shù)（以O(shè)2計(jì)）的質(zhì)量濃度與吸光度呈正比。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：分別準(zhǔn)確移取0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 mL 高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用液（100 mg/L），加入到100 mL 容量瓶中，用純水定容至刻度線，搖勻。配制成0、0.5、1.0、3.0、5.0、10 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)系列使用液。取6 支消解管，分別加入0.5 mL 硫酸溶液（1+3），準(zhǔn)確移取10 mL 純水和高錳酸鹽指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列使用液，分別加入到以上6 個(gè)消解管中。依次加入1 mL 高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，混合均勻。將以上消解管置于已預(yù)熱至100 ℃的恒溫消解器內(nèi)開始自動(dòng)加熱，100 ℃加熱消解20 min。加熱結(jié)束后，立即取出消解管，上下顛倒幾次，放置在試管架上并迅速用流動(dòng)的自來水降至室溫，向消解管中加入1 mL 硫酸亞鐵銨溶液，混勻。混勻后的溶液中移取2 mL 液體，加入5.0 mL 鄰菲羅啉溶液，再混勻，等待反應(yīng)3 min。在分光光度計(jì)中選擇測(cè)量程序，于510 nm 處測(cè)量吸光度值。以吸光度為縱坐標(biāo)，高錳酸鹽指數(shù)（以O(shè)2計(jì)）質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，從曲線上查出樣品中高錳酸鹽指數(shù)（以O(shè)2計(jì)）的質(zhì)量濃度。

1.3.3 CODMn在線自動(dòng)分析

在線自動(dòng)檢測(cè)流程如圖1 所示，與國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CODMn酸性滴定法相比，以硫酸亞鐵銨為還原劑避免了滴定過程，降低了工作量，減少了試劑使用量的同時(shí)降低了廢液產(chǎn)生量，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)大批量水樣的同步檢測(cè)，更加安全、環(huán)保，是一種快速、簡(jiǎn)便、可應(yīng)用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀表的新方法。此方法可解決在線應(yīng)用上試劑消耗量大、對(duì)于整個(gè)硬件部分滴定泵精度要求較高問題。根據(jù)手工實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，搭建了基于硫酸亞鐵銨還原法的高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)分析儀。

圖1 在線自動(dòng)檢測(cè)流程

1.3.4 CODMn分析儀條件

自動(dòng)在線儀器消解條件：溫度100℃，時(shí)間20min，自動(dòng)儀器檢測(cè)波長(zhǎng)510 nm。

1.3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

本方法的工作曲線回歸方程：y=-0.007 2x2+0.208 6x+0.149 3，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9。線性關(guān)系良好，符合測(cè)試需求。標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 恒溫消解時(shí)間的影響

自動(dòng)分析儀設(shè)置的條件測(cè)試質(zhì)量濃度2 mg/L 樣品，并在同一溫度、消解時(shí)間為10、15、20、25、30 min下進(jìn)行了消解實(shí)驗(yàn)。表3 結(jié)果表明，采用2.0 mg/L 的質(zhì)控樣在不同消解時(shí)間下結(jié)果均不相同。計(jì)算與提供的參考值比較，相對(duì)誤差分別為-46%、-24%、-2.5%、19%、60%。根據(jù)相對(duì)誤差絕對(duì)值的最小值可知，當(dāng)選擇消解時(shí)間在20 min 時(shí)，測(cè)試結(jié)果與提供的參考值之間相對(duì)誤差最小，后續(xù)在線儀器選用的消解時(shí)間為20 min。

表3 消解時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響（n=3）

2.2 恒溫消解溫度的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)恒溫消解溫度測(cè)定結(jié)果的影響。在消解時(shí)間20 min 下，測(cè)試質(zhì)控樣，設(shè)置消解溫度分別為80、85、90、95、100 ℃實(shí)驗(yàn)，測(cè)定3 次，各溫度下對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差分別為-21%、-16.5%、-8%、-4%、-1%。從表4 相對(duì)誤差數(shù)據(jù)看，隨著消解溫度的提高，相對(duì)誤差逐級(jí)變小。按照相對(duì)誤差5%以內(nèi)的評(píng)價(jià)要求，自動(dòng)分析儀選用溫度超過95 ℃時(shí)，質(zhì)控樣的測(cè)定誤差在5%以內(nèi)，在線儀器選用消解溫度95 ℃作為實(shí)驗(yàn)條件。

表4 消解溫度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響（n=3）

2.3 方法檢出限

對(duì)0.2 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行7 次平行測(cè)定，按照公式MDL=3.143s 計(jì)算在線儀器的檢出限為0.037，按照四倍檢出限方式計(jì)算相應(yīng)的定量下限，在線儀器的定量下限為0.15 mg/L。結(jié)果如表5 所示。

表5 方法檢出限

2.4 方法的準(zhǔn)確度測(cè)試

使用質(zhì)控樣編號(hào)203181（標(biāo)準(zhǔn)值為1.42 mg/L±0.19 mg/L）重復(fù)測(cè)定6 次，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果（如表6）與標(biāo)準(zhǔn)樣品值的相對(duì)誤差為1.20，在±5%以內(nèi)，準(zhǔn)確度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

表6 準(zhǔn)確度測(cè)試

2.5 精密度的測(cè)試

為了驗(yàn)證本方法對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的精密度，對(duì)濃度1.0、2.0、4.0 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行平行測(cè)試6 次，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，測(cè)試結(jié)果如表7 所示，3 組實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1.07%～4.28%之間，滿足在線儀器設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

表7 精密度測(cè)試

2.6 加標(biāo)回收率

對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)回收分析，測(cè)定結(jié)果如表8所示。結(jié)果顯示，7 組水樣的加標(biāo)回收率范圍為91.6%～103%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

表8 加標(biāo)回收率

2.7 與高錳酸鉀滴定法測(cè)定樣品結(jié)果比較

將兩種不同方法的在線儀器進(jìn)行比較。一種為本方法，另一種是微國標(biāo)法，測(cè)定結(jié)果見表9 所示。結(jié)果表明，CODMn分光光度法在線分析與國標(biāo)滴定法的相對(duì)誤差范圍為-6.3%～6.3%，能滿足水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求。

表9 高錳酸鹽指數(shù)的不同方法測(cè)定

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用分光光度法在線自動(dòng)測(cè)定水中高錳酸鹽指，檢出限為0.037 mg/L，最低檢測(cè)質(zhì)量濃度為0.15 mg/L，對(duì)于與國標(biāo)方法的測(cè)定下限（0.5 mg/L），該方法在檢出限上可降低3 倍。通過各個(gè)濃度準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)誤差為1.2%，表明該方法的準(zhǔn)確度較好。精密度測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為1.07%～4.28%，表明該方法的重復(fù)性較好。采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)實(shí)際水樣進(jìn)行加標(biāo)，回收率范圍為91.6%～103.0%。此外，分別采用本方法和國標(biāo)滴定法對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示，該方法與國標(biāo)滴定法的相對(duì)誤差范圍為-6.3%～6.3%，該誤差范圍在質(zhì)控要求范圍內(nèi)。且對(duì)草酸鈉、葡萄糖、間苯二酚3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試，均符合性能要求。該方法基于直接比色測(cè)量方式，無需回滴定步驟，對(duì)于在線儀器而言，可節(jié)省高精度滴定模塊，進(jìn)一步減少了儀器的運(yùn)行成本以及相應(yīng)的硬件成本，同時(shí)試劑和樣品消耗少，精密度和準(zhǔn)確度均能滿足檢測(cè)的需求。