順序注射阻抑動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)定環(huán)境水樣中的對(duì)苯二酚

吳春來，王濤，張士蘋，樊靜,

1. 河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 河南省環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃淮水環(huán)境與污染防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新鄉(xiāng) 453007 2. 洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，洛陽 471023

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順序注射阻抑動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)定環(huán)境水樣中的對(duì)苯二酚

吳春來1,2，王濤1，張士蘋1，樊靜1,

1. 河南師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院 河南省環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 黃淮水環(huán)境與污染防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新鄉(xiāng) 453007 2. 洛陽理工學(xué)院環(huán)境工程與化學(xué)學(xué)院，洛陽 471023

在酸性條件下，利用對(duì)苯二酚能夠阻抑堿性藏花紅和溴酸鉀反應(yīng)的原理，聯(lián)用順序注射分析技術(shù)建立了快速測(cè)定環(huán)境水樣中對(duì)苯二酚的新方法。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)苯二酚的線性范圍為0.05～1.50 μg·mL-1，檢出限為0.02 μg·mL-1，完成一次分析循環(huán)總的試劑消耗僅為0.125 mL。該方法用于自來水、地表水和河水中對(duì)苯二酚的測(cè)定，結(jié)果與HPLC法所得結(jié)果對(duì)照，無顯著性差異。

對(duì)苯二酚；環(huán)境水樣；順序注射；動(dòng)力學(xué)光度法

Received 24 November 2015 accepted 29 December 2015

對(duì)苯二酚又名氫醌，屬于不揮發(fā)性酚，是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于顯影劑、合成染料、合成氨助溶劑、橡膠防老劑、涂料和香精中的抗氧化劑和穩(wěn)定劑等[1]。對(duì)苯二酚具有一定的毒性且難降解，不僅污染環(huán)境，而且會(huì)對(duì)人體的肝、腎、造血系統(tǒng)、中樞系統(tǒng)造成損害，當(dāng)2個(gè)羥基被氧化成氫醌，會(huì)造成更大的損害[2]。對(duì)苯二酚是環(huán)境和食品等領(lǐng)域重點(diǎn)檢測(cè)的有機(jī)污染物，而且酚類化合物也被各國(guó)政府列為優(yōu)先控制污染物。因此，建立環(huán)境中痕量對(duì)苯二酚的測(cè)定具有重要意義。

目前用來測(cè)定對(duì)苯二酚的方法主要有分光光度法[3]、熒光法[4]、色譜法[5-6]、電化學(xué)法[7-8]和化學(xué)發(fā)光法[9]等。色譜法雖然靈敏度高，檢出限低，但是儀器價(jià)格較貴，測(cè)定成本高；分光光度法和熒光法等操作繁瑣，測(cè)定效率低。

順序注射分析是由Ruzicka和Marshall[10]于1990年提出的，作為第二代流動(dòng)注射分析，硬件簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)更加成熟，具有分析速度快、試劑消耗少、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于順序注射可以在非平衡狀態(tài)下檢測(cè)的特性，已廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析等領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)，在酸性條件下，對(duì)苯二酚能夠抑制溴酸鉀氧化堿性藏花紅的反應(yīng)，利用順序注射可以在非平衡態(tài)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，建立了一種快速、簡(jiǎn)便檢測(cè)對(duì)苯二酚的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分(Experiment)

1.1 儀器和試劑

FIAlab-3500順序注射分析儀(FIAlab Instruments Inc. USA)；2.5 mL注射泵，八通道選擇閥。儲(chǔ)存管為0.7 mm×200 cm，反應(yīng)管為0.5 mm×90 cm，其他聚四氟乙烯管均為0.5 mm內(nèi)徑。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)程序控制，采用FIAlab軟件(FIAlab 5.0E)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。USB2000-UV/VIS分光光度計(jì)(Analytical Instruments Inc. USA)；10 mm長(zhǎng)的光纖SMAZ型流通池。

對(duì)苯二酚(Hyd)標(biāo)準(zhǔn)溶液：用對(duì)苯二酚配制成1.0 g·L-1的儲(chǔ)備液，使用時(shí)逐級(jí)稀釋成所需的濃度；溴酸鉀溶液：0.17 mol·L-1；堿性臧花紅溶液：1×10-4mol·L-1；鹽酸：0.6 mol·L-1。

實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，水為二次蒸餾水。

圖1 順序注射分析系統(tǒng) 注：C，載流；SP，注射泵；SV，注入閥；MV，多位選擇閥；HC，儲(chǔ)存管；RC，反應(yīng)管；R1，堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液；R2，鹽酸；S，樣品溶液；ZFC，Z-流通池；VIS，可見光檢測(cè)器；DET，檢測(cè)器；W，廢液；PC，電腦。Fig. 1 Sequence injection analysis system Note: C, carrier; SP, syringe pump; SV, syringe pump valve; MV,multi-position valve; HC, holding coil; RC, reaction coil; R1, Safranine and KBrO4; R2, HCl; S, samples; ZFC, Z- flow cell; VIS, Visible light detector; DET, detector; W, waste; PC, personal computer.

表1 順序注射控制程序

注：a，多位選擇閥；b，注入閥；c，“+” 為吸入，“-”為推出。

Note: a, Multi bit selector valve; b, Injection valve; c, “+” stands for injection, “-” stands for push off.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

順序注射分析系統(tǒng)的流路示意圖如圖1。實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：首先經(jīng)注射泵吸入一定體積的去離子水作為載流，然后通過八通道選擇閥依次吸入堿性藏花紅和溴酸鉀的混合溶液、樣品溶液(空白或標(biāo)準(zhǔn)溶液)、鹽酸進(jìn)入到儲(chǔ)存管中，然后反方向經(jīng)反應(yīng)管推至檢測(cè)器，在波長(zhǎng)517 nm處分別測(cè)量非阻抑體系和阻抑體系的吸光度A0和A，計(jì)算ΔA=A- A0。順序注射分析控制程序如表1，利用八通道選擇閥，通過程序設(shè)計(jì)控制上述操作，可以連續(xù)測(cè)定多份樣品，如圖2所示，進(jìn)樣頻率為50 h-1。

圖2 程序控制流程圖 注：S0，試劑空白；S1，0.5 μg·mL-1 的Hyd；S2，1.0 μg·mL-1 的Hyd；S3，1.5 μg·mL-1 的Hyd。Fig. 2 The flow chart for system controlNote: S0, reagent blank; S1, 0.5 μg·mL-1 of Hyd; S2, 1.0 μg·mL-1 of Hyd; S3, 1.5 μg·mL-1 of Hyd.

2 結(jié)果與討論(Result and discussion)

為了使反應(yīng)體系的靈敏度最高，必須對(duì)影響反應(yīng)的各因素進(jìn)行優(yōu)化。我們采用單因素變換法對(duì)反應(yīng)體系所用的試劑和順序注射流路參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。反應(yīng)試劑的影響包括參加反應(yīng)的各試劑的濃度和體積，順序注射參數(shù)包括儲(chǔ)存管和反應(yīng)管內(nèi)徑和長(zhǎng)度、流速和推出體積的影響等。

2.1 順序注射參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1 試樣注入順序的影響

由于順序注射分析系統(tǒng)是按照一定順序吸取試劑和樣品溶液到儲(chǔ)存管中，因此不同的進(jìn)樣順序就會(huì)導(dǎo)致區(qū)帶之間相互滲透的程度不同，從而影響反應(yīng)的靈敏度。本實(shí)驗(yàn)研究了多種區(qū)帶對(duì)靈敏度的影響，發(fā)現(xiàn)堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、鹽酸、樣品這3個(gè)區(qū)帶進(jìn)樣時(shí)體系的峰型較好。對(duì)這3個(gè)區(qū)帶的不同進(jìn)樣順序進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入順序依次為堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、樣品、鹽酸時(shí)，反應(yīng)的靈敏度最好。

2.1.2 儲(chǔ)存管和反應(yīng)管的影響

管長(zhǎng)和管徑影響試劑和試樣的重疊分散程度，從而影響體系的靈敏度。比較了內(nèi)徑分別為0.5 mm和0.7 mm兩種儲(chǔ)存管對(duì)體系靈敏度的影響，結(jié)果表明0.7 mm的儲(chǔ)存管靈敏度更好。因此本實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)徑為0.7 mm長(zhǎng)度為200 cm的儲(chǔ)存管。又考察了反應(yīng)管內(nèi)徑和長(zhǎng)度對(duì)體系靈敏度的影響。當(dāng)選用內(nèi)徑為0.5 mm的反應(yīng)管時(shí)，體系的靈敏度更大。在50～110 cm范圍內(nèi)研究了長(zhǎng)度的影響，如圖3所示，隨著反應(yīng)管長(zhǎng)度的增加，體系的ΔA先增加后減小，當(dāng)長(zhǎng)度為90 cm時(shí)，ΔA最大，故實(shí)驗(yàn)選用內(nèi)徑為0.5 mm長(zhǎng)度為90 cm的反應(yīng)管。

圖3 反應(yīng)管長(zhǎng)度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 3 Effect of length of reaction tubeNote: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

2.1.3 流速的影響

在順序注射系統(tǒng)中，流速是一個(gè)重要的參數(shù)，它影響著試劑在管道中的留存時(shí)間以及各試劑區(qū)帶之間相互滲透的程度，從而影響反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)的進(jìn)行程度。從物理因素考慮，要盡量減少分散所產(chǎn)生的稀釋效應(yīng)而導(dǎo)致的吸光度降低，此時(shí)要增加流速；從化學(xué)因素考慮，要加大混合程度以利于反應(yīng)產(chǎn)物的形成，此時(shí)要降低流速。合適的流速是這兩種因素綜合作用的結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)在20～50 μL·s-1范圍內(nèi)考察了不同流速對(duì)體系靈敏度的影響，如圖4所示，當(dāng)流速為30 μL·s-1時(shí)，靈敏度最好。所以試驗(yàn)選取30 μL·s-1作為反應(yīng)的最佳流速。

圖4 流速的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 4 Effect of flow rate Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

圖5 推出體積的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 5 Effect of sample volume Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

2.1.4 推出體積的影響

在500-～800 μL內(nèi)考察了推出體積對(duì)靈敏度的影響，如圖5所示，當(dāng)推出體積為750 μL時(shí)，ΔA最大，表明此時(shí)試劑和樣品已充分混合并反應(yīng)。因此，實(shí)驗(yàn)選擇750 μL為最佳推出體積。

圖6 溴酸鉀濃度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，0.5 μg·mL-1。Fig. 6 Effect of the concentration of potassium bromate Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 0.5 μg·mL-1.

圖7 鹽酸濃度的影響 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 7 Effect of the concentration of HClNote: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

2.2 反應(yīng)試劑參數(shù)的優(yōu)化

2.2.1 堿性藏花紅-溴酸鉀濃度的影響

堿性藏花紅是指示劑，它的濃度對(duì)吸光度值有直接影響。本文研究發(fā)現(xiàn)，隨著堿性藏花紅濃度的增加，體系的吸光度值一直增大，但濃度過大時(shí)，阻抑反應(yīng)的吸光度值就超出了儀器的線性響應(yīng)范圍，綜合考慮選擇藏花紅的濃度為2.0×10-4mol·L-1。固定藏花紅的濃度后，考察了溴酸鉀濃度在0.1～0.2 mol·L-1范圍內(nèi)體系的相對(duì)吸光度值變化，如圖6，當(dāng)溴酸鉀濃度為0.17 mol·L-1時(shí)，體系的ΔA最大，故實(shí)驗(yàn)選擇堿性藏花紅的濃度為2.0×10-4mol·L-1，溴酸鉀的濃度為0.17 mol·L-1。

2.2.2 反應(yīng)介質(zhì)及濃度的影響

分別考察了同濃度的硫酸、鹽酸、硝酸、磷酸、醋酸對(duì)反應(yīng)體系靈敏度的影響，結(jié)果表明在鹽酸中對(duì)苯二酚的阻抑作用最明顯，重現(xiàn)性最好。本實(shí)驗(yàn)選用鹽酸作為反應(yīng)介質(zhì)，在0.4～0.8 mol·L-1濃度之間考察了酸度對(duì)靈敏度的影響，如圖7所示。當(dāng)濃度為0.6 mol·L-1時(shí)，ΔA達(dá)到最大，故實(shí)驗(yàn)選用0.6 mol·L-1的鹽酸溶液作為反應(yīng)酸度。

圖8 反應(yīng)試劑體積的影響 注：a鹽酸溶液; b, 堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液; c,樣品溶液。堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1；Hyd，1.0 μg·mL-1。Fig. 8 Effect of the volume of reaction regent Note: a, HCl; b, Safranine and KBrO4; c, samples; Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1; Hyd, 1.0 μg·mL-1.

圖9 對(duì)苯二酚標(biāo)準(zhǔn)工作曲線 注：堿性藏花紅，2.0×10-4 mol·L-1；KBrO3，0.17 mol·L-1；HCl，0.60 mol·L-1。Fig. 9 Standard working curve for hydroquinone Note: Safranine, 2.0×10-4 mol·L-1; KBrO3, 0.17 mol·L-1; HCl, 0.60 mol·L-1.

2.2.3 各試劑體積的影響

在不同的范圍內(nèi)分別考察了堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液、鹽酸溶液、樣品吸入體積對(duì)體系靈敏度的影響，結(jié)果如圖8所示，當(dāng)吸入堿性藏花紅-溴酸鉀混合溶液45 μL、鹽酸溶液30 μL、樣品溶液50 μL時(shí)，體系的靈敏度最好，因此選用上述體積作為反應(yīng)的最佳體積。

2.3 工作曲線和精密度

在上述最佳實(shí)驗(yàn)條件下繪制工作曲線，如圖9所示，對(duì)苯二酚的質(zhì)量濃度在0.05～1.50 μg·mL-1范圍內(nèi)與ΔA呈線性關(guān)系，其線性回歸方程為ΔA=0.07893+0.07762C(μg·mL-1)，檢出限(3Sb/斜率，Sb為11份空白溶液的的標(biāo)準(zhǔn)偏差)為0.02 μg·mL-1，對(duì)濃度為0.5 μg·mL-1和1.0 μg·mL-1的對(duì)苯二酚溶液進(jìn)行了11次平行測(cè)定，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.79%和2.13%。

表3 樣品中對(duì)苯二酚的測(cè)定結(jié)果(n=5)

2.4 共存離子和化合物的影響

2.5 樣品分析

用玻璃器皿取自來水、地表水和雨水樣品。準(zhǔn)確移取250 mL水樣按上述方法進(jìn)行蒸餾，然后準(zhǔn)確量取一定量餾出液按1.2方法測(cè)定，3種水樣品中均未檢測(cè)出對(duì)苯二酚，然后在上述實(shí)際水樣中進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3，經(jīng)t檢驗(yàn)表明2種方法無顯著性差異。

本實(shí)驗(yàn)將靈敏度較高的動(dòng)力學(xué)分析方法聯(lián)合順序注射分析系統(tǒng)，建立了一種快速簡(jiǎn)便測(cè)定痕量對(duì)苯二酚的新方法，通過實(shí)驗(yàn)得到以下結(jié)論：

(1)方法簡(jiǎn)便快速，自動(dòng)化程度高，減少了人為操作可能帶來的誤差，每小時(shí)可測(cè)定50個(gè)樣品；

(2)直接排除了大多數(shù)共存物的影響，選擇性高；

(3)試劑消耗少，每次分析僅消耗0.125 mL試劑，對(duì)環(huán)境二次污染小。

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◆

Inhibition Kinetic Spectrophotometric Determination of Hydroquinone in Environmental Water Samples by Sequential Injection

Wu Chunlai1,2, Wang Tao1, Zhang Shiping1, Fan Jing1,*

1. School of Environment, Henan Normal University, Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, Key Laboratory for Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, Xinxiang 453007, China 2. School of Environmental Engineering and Chemistry, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China

A new method for rapid determination of trace hydroquinone in environmental water samples is established by coupling the inhibition effect of hydroquinone on the rate of the reaction between potassium bromate and safranine in acid medium with sequential injection technology. Different sequential injection analysis parameters such as reagent concentration, injection sequence of reagent and sample, flow speed and coexisting species effect have been investigated in detail. It is found that under the optimum conditions, the linear range for hydroquinone determination is 0.05 - 1.50 μg·mL-1, and the detection limit is 0.02 μg·mL-1. Only 0.125 mL of reagent is needed in a single analysis cycle. The method has been used for the determination of trace hydroquinone in tap water, ground water and river water samples, and the results are in good agreement with those obtained from HPLC.

hydroquinone; environmental water sample; sequential injection; kinetic inhibition spectrophotometry

10.7524/AJE.1673-5897.20151124001

國(guó)家自然科學(xué)基金(21377036)；河南省科技創(chuàng)新杰出人才計(jì)劃(144200510004)；河南省軟科學(xué)研究項(xiàng)目(102400440069)

吳春來(1979-)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境分析化學(xué)，E-mail: chunlaiwu@126.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: fanjing@htu.cn

2015-11-24 錄用日期：2015-12-29

1673-5897(2016)2-749-06

X171.5

A

簡(jiǎn)介：樊靜(1956-)，女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向環(huán)境分析化學(xué)，發(fā)表SCI論文90余篇。

吳春來, 王濤, 張士蘋, 等. 順序注射阻抑動(dòng)力學(xué)光度法測(cè)定環(huán)境水樣中的對(duì)苯二酚[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(2): 749-754

Wu C L, Wang T, Zhang S P, et al. Inhibition kinetic spectrophotometric determination of hydroquinone in environmental water samples by sequential injection [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 749-754 (in Chinese)