連續流動分析法快速測定水體中揮發酚

陳成桐,楊金蘭,林頌雄,葉淑迎

(1.廣州海蘭圖檢測技術有限公司,廣州 510000; 2. 廣州市農業機械化技術推廣站 廣州 510220)

揮發酚是指沸點在230 ℃以下,能與水蒸氣一同蒸出的酚類化合物[1]。揮發酚對人體或動物都會產生不可逆的傷害。人體長時間飲用被酚污染的水可引起各種神經系統癥狀[2-3]。魚類在含酚大于5 mg/L 的水體中,也會中毒死亡[4-5]。因此,在GB 3838—2002《地表水環境質量標準》[6]中規定了Ⅰ類和Ⅱ類地表水中揮發酚的標準限值為0.002 mg/L,GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》[7]中揮發酚標準限值為0.002 mg/L,GB11607—1989《漁業水質標準》[8]揮發酚標準限值為0.005 mg/L。目前,檢測水體中揮發酚的方法主要有液相色譜法[9]、氣相色譜法[10-11]、氣質聯用色譜法[12、分光光度法[13-15]、流動注射法[16-18]、連續分析法[19-21]等。由于液相色譜法、氣相色譜法和氣質聯用色譜法等儀器造價較高,很多實驗室都較難普及。分光光度法前處理步驟繁瑣、耗時長、溶劑消耗量大、需用到三氯甲烷等有毒有機溶劑,對人體健康和生態環境造成較大危害。流動注射法基于連續流動分析技術,直接將樣品和試劑在管路中混合,帶過作用比較明顯,對高濃度和低濃度樣品的檢測結果影響較大,試劑消耗較多。連續流動分析法通過采用片段流技術,引入氣泡將液體流均分成小的反應單元,有效阻止了樣品在管道內的擴散,加速了反應的完成,減少了平衡時間,具有靈敏度高、準確度和精密度好、快速高效、對環境友好等優點。因此,本研究基于4-氨基安替比林法測定揮發酚的原理,研究影響其反應的關鍵因素,并進行優化和改進,建立了水體中揮發酚的連續流動分析方法。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

AA3連續流動分析儀(德國SEAL公司);Milli-Q Integral 3型超純水系統(德國Merck Millipore公司);磷酸、氯化鉀、氫氧化鈉、曲拉通X-100、硼酸(國藥集團上海試劑廠,優級純);4-氨基安替吡啉、鐵氰化鉀(99%,美國sigma公司);實驗用水為Milli-Q Integral 3型超純水系統制備的超純水;水中揮發酚成分分析標準物質(GBW(E)080241,批號 18063,國家標準物質中心);水質揮發酚國家環境質控樣(GSB 07-3180-2014,批號 200350);中國系列標準海水(國家海洋標準計量中心)。

1.2 溶液配制

50%曲拉通X-100溶液: 移取50 mL曲拉通X-100到100 mL容量瓶中,然后用乙醇定容并混勻。

蒸餾試劑16%磷酸溶液: 移取磷酸(ρ=1.69 g/mL)160 mL溶于700 mL純水中,待溶液冷卻后移入1 000 mL容量瓶中,用純水定容并混勻。

儲備緩沖液: 稱取9.00 g硼酸,5.00 g氫氧化鈉和10.00 g氯化鉀,溶解于800 mL純水中,用純水定容到1 000 mL,混勻備用。

鐵氰化鉀溶液: 稱取0.35 g鐵氰化鉀溶解于50 mL儲備緩沖液中,移入100 mL容量瓶中,加入1 mL 50%曲拉通X-100溶液,用儲備緩沖液定容并混勻。

4-氨基安替吡啉溶液: 稱取0.1 g 4-氨基安替吡啉溶解于50 mL儲備緩沖液中,移入100 mL容量瓶中,加入1 mL 50%曲拉通X-100溶液,用儲備緩沖液定容并混勻。

吸收試劑: 移取1 mL 50%曲拉通X-100到100 mL容量瓶中,用儲備緩沖液定容并混勻。

鹽度樣品: 鹽度值為5、20、30的樣品直接采用中國系列標準海水,鹽度值為0.05、2、10采用稀釋獲得。

酚標準貯備液:ρ=1 000 mg /L,市售水中酚成分分析溶液有證標準物質。

酚標準使用溶液:ρ=1 mg /L,分取適量酚標準貯備液,逐級稀釋獲得。

1.3 樣品來源

流溪河水(取自流溪河25個站點的水樣)、養殖魚塘水(取自廣州市306個不同養殖場的水樣)、自來水(取自實驗室自來水)。

1.4 實驗原理

1.4.1 連續流動分析原理

試樣與相關試劑由蠕動泵推動進入泵管后連續流動,在流動過程中被特定形態的氣泡按一定間隔規律地隔開,然后進入在線蒸餾器,被蒸餾出的揮發酚流入反應模塊中與試劑按固定的順序和比例混合、反應。反應完成后進入流動檢測池進行吸光度檢測。

1.4.2 化學原理

樣品在酸性條件下通過在線蒸餾釋放出酚。被蒸餾出的酚類化合物在pH值(10±0.2)弱堿性介質中,被鐵氰化鉀氧化,與 4-氨基安替比林反應生成橙紅色的安替比林化合物,在505 nm 波長處測定吸光度。

1.4.3 樣品分析步驟及儀器參數設定

樣品分析步驟: 首先打開冷卻循環水,再依次打開比色計、蒸餾器、蠕動泵、進樣器等的電源開關。在蒸餾浴達到相應溫度后(揮發酚為145 ℃),蓋好泵壓盤并運行。啟動控制軟件控制軟件名稱,激活檢測通道窗口并運行分析方法。其次,待通道窗口基線穩定后,開始測定樣品。

儀器參數設定: 設置進樣速率為30個/h,進樣清洗比為3∶1,氣泡注入速率2個/s。

2 結果與分析

2.1 4-氨基安替吡啉顯示劑的選擇

2.1.1 試劑純度的選擇

方法中4-氨基安替吡啉作為顯示劑,容易被空氣氧化變質。藥品純度是影響基線穩定的重要因素[22]。采用某國產品牌優級純試劑、分析純試劑和某進口品牌試劑進行測試,發現某國產品牌分析純試劑配制的同濃度溶液顏色比其優級純試劑和某進口品牌試劑配制的溶液深。使用某國產品牌分析純試劑作為顯色劑時,儀器基線很高,一直不穩定。而使用某國產品牌優級純試劑和某進口品牌溶液作為顯色劑時,儀器基線平穩,基線值低,因此建議選用某進口品牌的試劑或優級純試劑作為顯色劑。

2.1.2 濃度的選擇

在其他實驗條件不變的情況下,配制濃度分別為0.5、0.7、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0和3.0 g/L的4 -氨基安替吡啉溶液,測定50.0 μg/L苯酚標準溶液,結果如圖1所示。結果表明:隨著4-氨基安替吡啉溶液的濃度不斷增大,揮發酚的響應峰高不斷升高,當溶液濃度達到1.2 g/L時,揮發酚的響應峰高達到最高,當濃度繼續增大,反應效率反而降低,可能是高濃度的4-氨基安替吡啉對反應造成了干擾[23]。因此,4-氨基安替吡啉溶液的最佳選擇濃度為1.2 g/L。

圖1 4-氨基安替比林濃度與揮發酚的響應關系Fig.1 Response relationship between 4-aminoantipyrine concentration and volatile phenol

2.2 鹽度干擾加標回收實驗

在測定實際樣品時,水樣的鹽度為0.07‰～3.71‰。為驗證鹽度對方法的影響程度,本研究對6種不同鹽度梯度的樣品按照 5.0 μg/L、10.0 μg/L、50.0 μg/L這3種加標濃度加標。結果表明,加標5.0 μg/L樣品回收率為93.4%～98.4%,加標10.0 μg/L樣品回收率為94.5%～98.2%,加標50.0 μg/L樣品回收率為90.6%～98.4%。不同鹽度下,樣品對3種不同質量濃度加標量的回收率均滿足SC/T 9102.1—2007《漁業生態環境監測規范 第1部分: 總則》[24]中回收率為70%～120%和GB17378.2—2007《海洋監測規范 第2部分:數據處理與分析質量控制》[25]中回收率為60%～110%的容許值要求,加標回收率結果如表1所示。

表1 不同鹽度下樣品回收率的測定Tab.1 Determination of sample recovery under different salinity

2.3 水樣保存劑的選擇

水樣一般存在余氯等氧化劑,使用合適的保存劑能很好抑制水樣及水樣各組分可能發生的化學反應。本研究參考《水質樣品的保存和管理技術規定》(HJ493—2009)[26],選擇不同濃度的抗壞血酸溶液進行實驗(表2)。結果表明:使用1.0 g/L的抗血酸溶液,加標樣品揮發酚的回收率在80%左右,而使用2.5和5.0 g/L的抗壞血酸溶液預處理的加標水樣揮發酚回收率都在90%以上。但在實驗過程中,使用5.0 g/L抗壞血酸溶液預處理的水樣在儀器運行時,基線不穩,需儀器平衡20 min以上才能平穩,因此本研究中采用2.5 g/L的抗壞血酸溶液作為保存劑去除余氯等氧化劑,這與馮奮棟等[27]的研究結果一致。加入磷酸酸化使樣品pH≤2(若加硫酸具有氧化性,加鹽酸具有還原性),將水溫降低可抑制微生物對其分解和減慢氧化作用。

表2 不同抗壞血酸溶液濃度保存下樣品回收率的測定Tab.2 Determination of sample recovery under different concentrations of ascorbic acid solution

2.4 線性范圍、檢出限及測定下限

配制揮發酚的工作曲線濃度分別為0.000、0.002、0.005、0.010、0.050和0.100 mg/L,使用連續流動分析儀進行測定,以峰高(x)為縱坐標、濃度(y)為橫坐標繪制標準曲線,求出相關系數和線性范圍(圖2)。曲線方程為y=0.000 003x-0.018 1,相關系數為0.999 9。揮發酚在 0～0.100 mg/L范圍內具有很好的線性。

圖2 揮發酚標準曲線Fig.2 Standard curve of volatile phenols

方法檢出限MDL計算公式[29]:

MDL=t(n-1,α=0.99)×S

式(1)

式中:t(n-1,α=0.99)是當自由度為n-1,置信度為99%時,單邊t檢驗情況下的t值,查表可得;S為重復測n次得到的標準偏差。

本試驗對5.00 μg/L揮發酚標準溶液進行7次測定,S值為0.31 μg/L,查表得出t(n-1,α=0.99)=3.14,計算得到方法的檢出限為0.97 μg/L,測定下限為3.9 μg/L。此檢出限比(HJ503—2009)水質揮發酚測定4-氨基安替比林分光光度法中萃取分光光度法的檢出限0.000 3 mg/L高,但比直接分光光度法的檢出限0.01 mg/L低。其能夠滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》、GB 5749—2006《生活飲用水衛生標準》和GB 11607—1989《漁業水質標準》方法限值的要求。

2.5 精密度和準確度

在養殖魚塘水、自來水樣品中,加入揮發酚標準溶液,加標水平分別為10.0、50.0和100.0 μg/L,每水平做6個平行樣品。測定結果顯示,水樣加標回收率都在96.2%以上,相對標準偏差在1.1%以下,具體回收率和相對標準偏差見表3。

表3 加標回收率及其相對標準偏差Tab.3 Recoveries and RSD of volatile phenols n=6

2.6 方法比較

用HJ 503—2009 (4-氨基安替比林分光光度法)和連續流動注射分析法對樣品進行分析,樣品分別取魚塘水、流溪河、自來水不同介質進行加標,添加濃度為50.0 μg/L,同時添加環境質控樣品[GSB 07-3180-2014,批號 200350,標準值(40.2±2.7)μg/L]進行測定,結果表明兩種方法的數據結果相近,同時也證明連續流動注射分析儀測定水中揮發酚是可行的(表4)。從兩種方法的工作效率對比,連續流動注射分析法分析每個樣品僅需2 min,而采用4-氨基安替比林分光光度法則需要45 min,這與陳滿香等[28]研究的一致。4-氨基安替比林分光光度法在前處理過程中需要用到氯仿萃取,所用的試劑對人體健康和生態環境造成較大危害,而連續流動注射分析法不需要,該法顯著優于4-氨基安替比林分光光度法。

表4 2種方法測定揮發酚含量的對比試驗Tab.4 A comparative test of two methods for the determination of volatile phenol content

2.7 實際樣品應用

將采集到的306個廣州市魚塘水、25個溪流河水和1個自來水進行測定,結果均為未檢出。為驗證方法的可靠性,同時采用水質揮發酚國家環境質控樣(GSB 07-3180-2014,批號 200350)進行測定,測得其濃度為 41.0 μg/L,符合標準值(40.2±2.7)μg/L,說明結果可靠。

2.8 本方法優勢

連續流動分析法測定水中揮發酚的整個檢測過程都集中在密閉的管道系統中,所有試液都通過高精度蠕動泵泵進系統。實現了樣品前處理、顯色反應、檢測過程及數據處理等過程的自動化,避免了繁瑣的蒸餾、萃取操作,有效地解放了人力,顯著提高了檢測效率,并且大幅減少了三氯甲烷等有毒有害化學試劑對檢驗人員和環境的危害,同時解決了因人工操作等人為不確定因素導致檢測結果重現性、平行性差的問題。該方法能夠滿足大批量水樣的檢測需求。

3 結論

通過本研究確定了連續流動分析法快速測定水中揮發酚的最佳條件。在此條件下測定水中揮發酚,揮發酚的質量濃度在0～0.100 mg/L內具有良好的線性,該方法檢出限為0.97 μg/L,方法的精密度優良,回收率在96.2%以上。結果表明該方法具有快速簡單、綠色環保、自動化在線分析、適用于大批量樣品檢測的優點。