多波长法用于减小浊度对水源水中甲醛测定结果的影响

2015-04-26赖永忠王一刚

中国环境监测 2015年6期

赖永忠，王一刚

汕头市环境保护监测站，广东汕头 515041

甲醛是一种公认的致癌物质，水体中醛类物质的来源有两种，一是来源于印染、制药、农药生产、化工等企业排放废水;二是通过大气干、湿沉降进入水体和海洋［1］。环境水样中甲醛测定时，可采用动态顶空法直接测得甲醛［2］，而一些间接检测方法所用衍生剂主要为2，4-二硝基苯肼［1，3-7］、间苯三酚［8］、4-氨基-3-联氨-5-巯基-1，2，4-三氮杂茂(AHMT)-高碘酸钾体系［9］、乙酰丙酮［10-11］、3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙盐酸盐水合物(即为酚试剂，MBTH)-硫酸铁铵体系［12］、品红亚硫酸钠［13］和氨比西林［14］等。甲醛或其衍生物的检测方法主要有气相色谱法［1-2，4］、高效液相色谱法［3，5，7］、反相高效液相色谱法［14］、反向流动注射光度法［8］、可见分光光度法［9，12］、动力学-流动注射法［15］、动力学-反相流动注射法［16］、高效液相色谱-串联质谱法［6］、电化学法［17］等。

根据标准方法［10］，乙酰丙酮分光光度法用于样品水样监测时，对于无色、不浑浊的清洁地表水、地下水，调节至中性后即可直接检测，而受污染的地表水、地下水、工业废水，需进行蒸馏处理，测定波长为414 nm。自然水体难免存在一定浊度，试验用品(如移液管、比色管等)内表面吸附一些杂质也会导致样品浊度的增加，甲醛能入选每月集中式饮用水源水监测的“33项”，跟部分地区甲醛监测结果为有检出有关，而甲醛的有检出结果与样品浊度必无关系。日常工作发现，只要有0.010的净吸光度(扣除试剂空白后的吸光度)，即可导致甲醛检出，而非雨天或特殊天气，汕头市集中式饮用水源水样品的日常监测吸光度主要为0.015～0.060，这些样品外观均不存在明显浊度，属于清洁水体，而实验室空白吸光度主要介于0.007～0.012。然而，当采用不作任何浊度校正的标准方法进行检测时，这些样品的甲醛监测结果常为有检出，但显色后样品并无明显的黄色产物，且显色后样品经0.22 μm滤膜过滤处理以排除浊度干扰后，检测结果均为未检出。可见日常监测中，样品浊度对监测结果的正干扰容易导致甲醛假阳性监测结果，对减小或消除浊度影响的方法研究非常重要。

分光光度法中，用于减小浊度干扰影响的方法很多，如蒸馏法［10］、锌盐沉淀分离法［18］、活性炭脱色［19］、浊度补偿法［11，20-22］、过滤法［23-24］、离心法［20，25］等，上述方法操作较复杂，费时费力，同时增加了分析成本。而双波长法［26-28］和三波长法［22，29-31］用于减小浊度、试剂、杂质或仪器波动等干扰影响时，具有效果好、省时省力的优点。然而，目前缺少三波长法在甲醛监测中的应用报道，本研究建立并探讨了双波长法、三波长法在减小浊度对甲醛检测结果影响中的效果，对参比波长进行了优化选择。

1 实验部分

1.1 仪器与耗材

带光谱扫描功能的UV-2450分光光度计(日本)，HH·S11·Cr2型电热恒温水浴锅，孔径为0.22 μm的水相针式滤器。

1.2 标准和主要试剂

甲醛标准溶液(100 mg/L，购自国家环境保护部标准样品研究所)。

显色液：50.0 g乙酰铵、6.0 mL冰乙酸、0.5 mL乙酰丙酮试剂溶解于100 mL超纯水中，混匀后放入冰箱4℃保存。所用试剂均为分析纯试剂。

1.3 实验步骤

标准曲线系列：100 mg/L标准溶液逐级稀释成 10.0、1.00、0.10 mg/L，取适量不同浓度的甲醛标准使用液于25 mL比色管内，定容至刻度得甲醛浓度分别为 0.000、0.040、0.100、0.400、1.00、3.00 mg/L 的标准曲线系列，每支比色管内加入2.50 mL显色液，混匀后放入60±2℃水浴中，水浴15 min。水浴结束后即刻放入自来水水浴中，冷至室温并混匀后进行吸光度或吸收光谱检测，采用1 cm光程的石英比色皿。

水样：测定前需用pH试纸检测水样的酸碱性，取调节至中性后的水样25.0 mL于25 mL比色管，其余步骤与标准曲线系列一致。

1.4 不同浊度模拟样品的准备

不同浊度模拟样品的制备过程见文献［22］。主要步骤如下：取一定量过孔径0.15 mm尼龙筛的自然晾干土黄色土壤，放入一定量的现制超纯水中，搅拌约5 min，得浑浊、黄色水样，其外观与大暴雨时的地表径流类似。上述制备的水样自然沉降约30 min，使明显的颗粒物沉降，取上层相对清澈水样，混匀后作为浊度模拟样品的母液，此母液经不同量超纯水稀释后，得到不同浊度模拟样品。自然水体难免存在一定浊度，而浊度模拟样品可在一定程度上模拟不同浊度实际水样，以探讨各方法对不同浊度水样的定量准确度。

1.5 定量方法介绍

1.5.1 单波长法和过滤法

参照标准方法［10］，显色后样品在414 nm处吸光度表示为A414，对于清洁的水样，一般用未经任何校正的A414参加定量分析，此为单波长法。

用10 mL一次性塑料注射器吸取显色后样品，注射器头换接一次性水相针式滤器，测定滤液吸光度的方法为过滤-单波长法，此方法在理论上可消除产生浊度的悬浮物及颗粒物对检测结果的影响。

1.5.2 双波长法

以750 nm或吸收峰峰谷处波长作为参比波长的双波长法，已在甲醛、六价铬检测中获得成功应用［22-24］，而甲醛与显色液反应产物吸收峰右侧的峰谷在480～500 nm处，甲醛浓度越低，右侧峰谷处波长越小。因此，可选择 750、700、500、480 nm作为双波长法的参比波长，即A414分别减去750、700、500、480 nm 处吸光度后，再与甲醛浓度进行线性拟合，根据拟合方程对样品进行定量分析;不含甲醛的样品，显色后过滤处理，部分滤液还存在微量浊度，从而在480 nm处产生一定吸光度，此时再经以480 nm作为参比波长的双波长法进行校正，以获得更准确的结果，此法则为过滤-双波长法。

1.5.3 三波长法

如图1所示，ΑλΜΑΧ表示最大吸收波长处的吸光度，Αλ1、Αλ2分别表示反应产物在参考波长 1(λ1，吸收峰右侧)和参考波长 2(λ2，吸收峰左侧)处吸光度，参考波长一般在吸收峰范围内的波长中选择。对所有波长进行优化选择是件非常费时的工作，研究只对吸收峰范围内的部分波长(10的整数倍波长)进行优化选择。用图1中竖直无填充方形虚线的高度(Α'λΜΑΧ)来衡量反应体系中浊度在最大吸收波长处吸光度;而反应产物在最大吸收波长处的净吸光度则为 ΔΑλΜΑΧ(ΔΑλΜΑΧ=ΑλΜΑΧ－Α'λΜΑΧ)，在图 1 中表示为竖直有填充方形虚线的高度。图1中粗虚线和横坐标构成梯形或三角形，根据相似三角形三边对应成比例原理，可得公式(1)，由式(1)最终可演变出式(2)。由经 λ1、λ2双波长校正后的 ΔΑλΜΑΧ进行定量分析的方法为三波长法。

式(1)、式(2)中各符号的物理含义见(“1.5.3”)小节第一段所述。研究中用于甲醛检测的三波长法，λ1在 490、480、470、460、450、440、430 nm中选择，对应的 λ2则分别为340、350、360、370、380、390、400 nm。

图1 三波长法示意图

2 结果与讨论

2.1 标准曲线系列及方法检出限分析

对浓度介于0.000～3.00 mg/L的甲醛标准曲线溶液进行检测。结果表明，根据标准检测方法(即单波长法，以不作任何校正的A414进行定量分析)绘制的标准曲线线性关系良好(r=0.999 9)，当经 750、700、500、480 nm 处吸光度校正后，曲线线性关系并不受影响(表1);不同浓度标准曲线溶液在480 nm处有不同程度的吸收，这些吸收被扣除后，一定程度上影响了曲线的斜率(即灵敏度)，见表1。

表1 标准曲线、方法检出限及方法精密度结果

在三波长法中，参考波长组合分别为490 nm与340 nm、480 nm 与350 nm、470 nm 与360 nm、460 nm与370 nm、450 nm与380 nm、440 nm与390 nm、430 nm与400 nm，此波长对顺序趋势为向吸收峰中央靠拢，曲线斜率因而随上述波长对顺序而逐渐下降(表1)，但参考波长对的选择并不影响曲线的线性关系。当波长对为440 nm与390 nm、430 nm与400 nm时，0.100 mg/L标准点水样检测结果RSD(13.5% ～13.9%)和方法检出限(0.043、0.051 mg/L)均明显大于其它方法结果(RSD为4.6～8.6%，方法检出限为0.014～0.028 mg/L)(n=7)，因此后续讨论中不再考虑这2对参考波长。

2.2 双波长法、三波长法中参比波长的选择

参比波长选择依据为不同浊度模拟样品检测结果的准确度，各种定量方法所得加标回收率绝大部分介于 90% ～110%(比例约为 93%)(表2)，可见检测过程是可控的，同时说明制备模拟浊度样品的土壤中并不存在明显影响反应进行的干扰物。由表2可知，理论上可完全消除浊度影响的过滤-单波长法结果为0.007～0.037 mg/L，部分结果高于单波长法的检出限(0.026 mg/L)，而这些显色后样品过滤后，并无明显的黄色产物(与0.040 mg/L标准点水样的颜色进行比较)，可见这些浊度模拟样品中的甲醛浓度是非常低的，甚至小于对应的方法检出限。这些过滤后的显色后模拟浊度样品，采用480 nm作参考波长的双波长法进行定量时，其结果介于0.016～0.026 mg/L，略低于480 nm作为参考波长的双波长法检出限(0.027 mg/L)，此过滤-双波长法用于评定其他方法的准确性。

表2 不同浊度模拟样品检测结果(n=3)

当采用单波长法时，各种浊度模拟样品的测定值介于0.328～3.092 mg/L。而采用双波长法时，测得结果随参比波长的减小而下降，说明750、700、500、480 nm 4 个参比波长中，480 nm 因更接近最大吸收波长414 nm，因而对浊度干扰的减小能力更强，但其结果(0.045～0.281 mg/L)仍受到浊度的正干扰。后续讨论中，只保留了480 nm作为参考波长的双波长法。

在几种三波长法中，490 nm与 340 nm、480 nm与350 nm两对参考波长的三波长法检测不同浊度模拟样品时，获得甲醛结果相对接近，在较高浊度样品中，他们的结果(0.017～0.031 mg/L，对应方法检出限为0.014、0.022 mg/L)明显高于其他3对参考波长的三波长法结果(－0.007～0.018 mg/L，对应方法检出限介于0.025 ～0.028mg/L)，而过滤-双波长法(参考波长480 nm)结果为0.018～0.026 mg/L。可见，相比较而言，几种三波长法参考波长对中，采用470 nm与360 nm、460 nm与370 nm、450 nm与380 nm 3对参比波长，其准确度较其他两对高，后续试验中，只考察这3对参考波长。

2.3 实际样品分析

选择汕头市两个饮用水源水断面(庵埠和新津河)处采集地表水水样，对其所含甲醛浓度进行检测，定量方法为单波长法、过滤-单波长法、双波长法、过滤-双波长法和三波长法，如表3所示。这些水样的浊度相对较低，显色液在414 nm处吸光度介于0.023～0.043，采用标准方法时，因样品并无明显浊度，因此无需对样品进行预处理。用单波长法进行检测，庵埠和新津河断面结果分别为0.148、0.066 mg/L，约为方法检出限(0.026 mg/L)的5.5倍和2.5倍;而用过滤-单波长法、双波长法、过滤-双波长法、三波长法时，所得结果(－0.020～0.023 mg/L)均小于对应方法检出限。然而，显色后样品均无明显的黄色产物，且显色后样品过滤后，滤液颜色与实验室空白非常接近，明显低于0.04 mg/L标准点水样的颜色深度，因此不经任何浊度校正的方法所得结果是不科学、不准确的。过滤-单波长法、双波长法、过滤-双波长法、三波长法所得回收率介于91.3% ～101%，对应RSD介于0.0% ～4.2%，可见各种方法用于低浊度样品检测时，准确度和精准度均非常好，表明样品不含影响显色反应的干扰物(或干扰可忽略)。

表3 地表水实际样品检测结果(n=3)

3 结语

对于浊度较小的环境水样(无明显浑浊)，双波长法可消除浊度对甲醛检测结果的正干扰，当双波长法的检测结果为有检出时，应采用三波长法进一步分析，以避免样品浊度的正干扰导致定性失误，且可获得准确度更高的结果。采用双波长法或三波长法时，只需对显色后样品同时测定几个吸光度，波长分别为 360、370、380、414、450、460、470、480 nm，如果分光光度计的功能有限，则可以测定吸收光谱，从吸收光谱获取这些波长处吸光度，所有数据处理可在Excel软件中进行。研究中，各种方法与过滤法进行了比较，相对于过滤法，双波长法、三波长法可降低分析成本及减小工作量，相对于标准方法中提到的蒸馏法，则具有更强的节省人力物力优势，值得推广。

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