地表水中甲醛的光譜吸收曲線-線性擬合斜率-乙酰丙酮分光光度法檢測(cè)

吳 悅，賴永忠

1. 汕頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)系，廣東 汕頭 515041 2. 汕頭大學(xué)海洋生物研究所， 廣東省海洋生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 汕頭 515063 3. 汕頭市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，廣東 汕頭 515041

甲醛作為致癌物之一，我國(guó)規(guī)定其在飲用水源水中限值為0.9 mg/L[1]。針對(duì)水質(zhì)中甲醛的檢測(cè)，方法主要有頂空-氣相色譜法[2]、衍生-液相微萃取法[3]、2,4-二硝基苯肼衍生-高效液相色譜法[4]、2,4-二硝基苯肼衍生-分散液液微萃取-高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜法[5]、離子液體-液液微萃取-高效液相色譜法[6]、流動(dòng)注射-分光光度法[7]、洋蔥汁分光光度法[8]、電化學(xué)法[9-10]、氨基酸-乙酰丙酮分光光度法[11]、雙波長(zhǎng)-乙酰丙酮法[12-13]、三波長(zhǎng)-乙酰丙酮法[14]、多波長(zhǎng)-乙酰丙酮分光光度法[15]等。

有利于基層檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展工作的可見-分光光度法被環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[16]所采用。然而，在地表水甲醛的日常檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)，即使無明顯濁度的水樣，經(jīng)直接顯色后測(cè)定吸光度，得出結(jié)果經(jīng)常為有檢出或明顯檢出，而顯色后樣品并無明顯的亮黃色特征產(chǎn)物生成，且顯色后樣品經(jīng)微孔濾膜過濾后，濾液結(jié)果往往為未檢出[14-15]。針對(duì)這類微孔濾膜可除去的干擾[15]，近年來人們開發(fā)出堿性硫酸鋅共沉淀法[17-18]、離心沉淀法[18]、濁度補(bǔ)償法[19]、蒸餾法[16]、雙波長(zhǎng)法[12,14,20-24]、三波長(zhǎng)法[14,25-26]、多波長(zhǎng)法[27-29]等用于降低干擾的樣品前處理方法或數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，其中雙波長(zhǎng)法、三波長(zhǎng)法和多波長(zhǎng)法與其他方法相比，只涉及增加檢測(cè)波長(zhǎng)數(shù)，具有不增加樣品量、有利于提高工作效率和方法靈敏度、準(zhǔn)確度和精密度等優(yōu)點(diǎn)，已成功用于氟化物[20]、氨氮[21]、總氮[26]、總磷[29]、甲醛[12-15]、六價(jià)鉻[22-25,27-28]等水質(zhì)中污染物的紫外/可見-分光光度法檢測(cè)。然而，水質(zhì)中六價(jià)鉻、甲醛的日常檢測(cè)工作中，發(fā)現(xiàn)雙波長(zhǎng)法對(duì)濁度干擾的消除效果并不理想，特別是濁度較明顯的樣品，仍存在準(zhǔn)確度問題。

郭巖等[27]建立了單位波長(zhǎng)吸光度改變量-分光光度法(ACW-S法)，可用于六價(jià)鉻[27]、總磷[29]和甲醛[15]檢測(cè)，有利于提高可見-分光光度法的準(zhǔn)確度和精密度，特別是針對(duì)帶有濁度的實(shí)際樣品，具有無需樣品前處理等優(yōu)點(diǎn)，有利于提高工作效率。鑒于ACW-S法的定量原理，我們認(rèn)為“光譜吸收曲線-線性擬合斜率-分光光度法(SAC-LFS-S)”名稱更貼切，后續(xù)表述中，所有文獻(xiàn)涉及ACW-S法的表述，均改稱為SAC-LFS-S。我們嘗試將SAC-LFS-S法用于地表水中甲醛檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)此法仍存在消除干擾不徹底問題；吳鑒原等[28]針對(duì)這類情況，提出了針對(duì)性的優(yōu)化思路，即篩選參比波長(zhǎng)段，用于校正測(cè)定波長(zhǎng)段，使得實(shí)際樣品中六價(jià)鉻的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提高。本研究從樣品的檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度為切入點(diǎn)，以3個(gè)獨(dú)立批次試劑空白樣品結(jié)果和渾濁雨季地表水樣品及其沉降、過濾所得不同濁度梯度樣品為篩選對(duì)象，結(jié)合不同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)樣品統(tǒng)計(jì)得到的方法檢出限，篩選出450～500 nm等12個(gè)測(cè)定波長(zhǎng)段，適用于450～500 nm測(cè)定波長(zhǎng)段的參比波長(zhǎng)段共3段。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

UV-2450型紫外/可見-分光光度計(jì)(日本島津公司)；HH·S11·Cr2型電熱恒溫水浴鍋(中國(guó)廣東省汕頭市醫(yī)用設(shè)備廠)。

1.2 主要試劑

甲醛標(biāo)準(zhǔn)溶液(批號(hào)104117，100 mg/L，相對(duì)不確定度3%)、水質(zhì)中甲醛質(zhì)控樣(批號(hào)204524；標(biāo)準(zhǔn)值0.915 mg/L，允許誤差±0.051 mg/L)均購(gòu)自生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

顯色液：取50.0 g乙酰銨(AR，廣東光華科技股份有限公司生產(chǎn)，批號(hào)20170211)、6.0 mL冰乙酸(AR，廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)，批號(hào)20081008-2)和0.5 mL乙酰丙酮(AR，廣東光華科技股份有限公司生產(chǎn)，批號(hào)20120114)依次溶解于100 mL超純水中，混勻后放入4 ℃冰箱保存。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定：取適量甲醛標(biāo)準(zhǔn)使用液于25 mL比色管內(nèi)，用超純水定容至刻度，得甲醛質(zhì)量濃度分別為0.000 、0.100 、0.200 、0.500 、1.00、2.00、3.00 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度系列，加入2.50 mL顯色液，混勻后放入(60±2)℃水浴鍋中反應(yīng)15 min。水浴后用自來水浸泡降溫至室溫，混勻后檢測(cè)吸光度(414 nm、480 nm)或吸收光譜(400～700 nm)，采用1 cm光程玻璃比色皿，參比溶液為超純水。

水樣測(cè)定：移取25 mL樣品于25 mL比色管中，其余步驟與標(biāo)準(zhǔn)曲線系列檢測(cè)步驟相同。

1.4 濁度梯度樣品準(zhǔn)備及檢測(cè)

文獻(xiàn)[15]采用人工制備的濁度模擬水樣，而本研究采用雨季渾濁的汕頭市庵埠斷面地表水實(shí)際樣品及其沉降水、中速濾紙過濾水、慢速濾紙過濾水等4個(gè)濁度梯度實(shí)際地表水樣品，用于測(cè)定波長(zhǎng)段及參考波長(zhǎng)段的優(yōu)化選擇。移取25 mL濁度梯度樣品至25 mL比色管，按水樣測(cè)定步驟進(jìn)行檢測(cè)，同期測(cè)定濁度梯度加標(biāo)樣品回收率(加標(biāo)質(zhì)量濃度為0.400 、0.800 mg/L)及試劑空白，實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)均為4次。

1.5 定量方法

單波長(zhǎng)法：參照標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[16]，檢測(cè)波長(zhǎng)為414 nm，其吸光度A414未經(jīng)任何校正，以下簡(jiǎn)稱方法1。

雙波長(zhǎng)法[14]：在單波長(zhǎng)法基礎(chǔ)上，A414經(jīng)480 nm處吸光度校正后用于定量分析的方法，以下簡(jiǎn)稱方法2。

SAC-LFS-S法[15]：樣品顯色后測(cè)定吸收光譜，選擇吸收峰右側(cè)范圍內(nèi)的某段波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)吸光度，對(duì)波長(zhǎng)和吸光度進(jìn)行線性擬合得到擬合直線斜率，此斜率與一定濃度范圍內(nèi)的甲醛成線性關(guān)系，以此用于甲醛的定量分析，以下簡(jiǎn)稱方法3。

參比波長(zhǎng)段-SAC-LFS-S法：在SAC-LFS-S法基礎(chǔ)上，測(cè)定波長(zhǎng)段經(jīng)參比波長(zhǎng)段校正后用于定量分析的方法，以下簡(jiǎn)稱方法4。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)定波長(zhǎng)段篩選

在400～500 nm范圍內(nèi)，測(cè)定波長(zhǎng)段選擇規(guī)則參照文獻(xiàn)[28]，以5的整數(shù)倍波長(zhǎng)作為起始波長(zhǎng)和結(jié)束波長(zhǎng)，即波長(zhǎng)跨度為6、11、16、21、26、31、36、41、46、51個(gè)波長(zhǎng)，例如測(cè)定波長(zhǎng)段為400～405、400～410、400～415、400～420、400～425、400～430、400～435、400～440、400～445、400～450 nm。

文獻(xiàn)[27]的篩選條件側(cè)重方法檢出限和質(zhì)控樣結(jié)果準(zhǔn)確度，文獻(xiàn)[15]則剔除占比小于或等于50%的較大值對(duì)應(yīng)測(cè)定波長(zhǎng)段，這些篩選條件得出的試劑空白結(jié)果往往較高。本研究對(duì)準(zhǔn)確度提出了更高的要求，篩選條件：①濁度梯度樣品測(cè)定結(jié)果小于或等于方法1的2/5；②加標(biāo)樣品回收率與方法1相比，更接近100%，或在80%～120%之間。標(biāo)準(zhǔn)曲線及篩選結(jié)果分別見表1和表2，共篩選出滿足條件的測(cè)定波長(zhǎng)段包括425～435、420～435、420～440、415～440、415～445、410～445、415～450、410～450、455～495、410～455、405～455、450～500 nm等共12個(gè)。

由表2可知，原水及經(jīng)沉降、濾紙過濾雨季渾濁的實(shí)際樣品，得到不同濁度梯度，對(duì)應(yīng)方法1測(cè)得均值依次為1.358 、0.746 、0.510 、0.320 mg/L，而采用方法2時(shí)，結(jié)果依次為0.178 、0.181 、0.147 、0.121 mg/L；即使采用未經(jīng)參比波長(zhǎng)段優(yōu)化的方法3，測(cè)定值仍然明顯檢出(0.128 ～0.263 mg/L)。然而，這些地表水樣品在實(shí)際進(jìn)行測(cè)定時(shí)，均未產(chǎn)生明顯的、肉眼可辨識(shí)的亮黃色特征化合物；從定性的角度，結(jié)果應(yīng)為未檢出，可見樣品中存在陽性干擾物；各種定量方法所得加標(biāo)樣品回收率為79.8%～108.4%，說明存在的干擾物并未明顯干擾顯色反應(yīng)。由上述結(jié)果可知，方法3測(cè)定帶有明顯濁度樣品測(cè)定時(shí)，所得結(jié)果較方法1更貼近實(shí)際情況，具有更高的準(zhǔn)確度。同時(shí)，方法3用于同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)(0.100 mg/L)或不同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)(0.050 、0.080 、0.100 mg/L)和質(zhì)控樣(批號(hào)204524)等基體干凈、超純水配制樣品時(shí)，具有非常好的方法精密度(RSD為0.4%～8.4%，表1)。

2.2 參比波長(zhǎng)段篩選

文獻(xiàn)[28]篩選參比波長(zhǎng)段時(shí)，以模擬濁度樣品結(jié)果的加標(biāo)回收率及其RSD、SAC-LFS-S法測(cè)定結(jié)果為準(zhǔn)。多次研究結(jié)果表明，采用SAC-LFS-S法檢測(cè)甲醛時(shí)，試劑空白結(jié)果往往比方法1和方法2高。本研究側(cè)重試劑空白及濁度梯度樣品結(jié)果的準(zhǔn)確度，選擇3個(gè)獨(dú)立批次試劑空白測(cè)得值均較低的方法3(以450～500 nm為擬合測(cè)定波長(zhǎng)段)，對(duì)其參比波長(zhǎng)段的優(yōu)化選擇進(jìn)行示范性研究(表3、表4)，目的為篩選方法檢出限大于試劑空白且實(shí)際樣品結(jié)果更接近實(shí)際情況的參比波長(zhǎng)段。

因此提出如下篩選條件：①試劑空白測(cè)得均值小于或等于方法3；②不同濁度梯度樣品測(cè)得均值需小于或等于方法3的0.4倍；③不同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)水樣(0.100 mg/L)測(cè)得均值與方法檢出限比值為3～5[30]。上述篩選條件為一票否決制，篩選結(jié)果見表3，共篩選出455～465、480～495、450～490共 3個(gè)適合于450～500 nm測(cè)定波長(zhǎng)段的參比波長(zhǎng)段。

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線、標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)、質(zhì)控樣結(jié)果Table 1 Results of fitting calibration curve parameters, detection limits, precision tests and detection limits of SAC-LFS-S method

注：方法1表示單波長(zhǎng)法，方法2表示單波長(zhǎng)法經(jīng)480 nm處吸光度校正的雙波長(zhǎng)法，方法3表示光譜吸收曲線-線性擬合斜率-分光光度法(SAC-LFS-S)；除不同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)果外，均已扣除試劑空白測(cè)定值；“—”表示無擬合測(cè)定波長(zhǎng)段或擬合參比波長(zhǎng)段。 下同。

表2 雨季汕頭市庵埠地表水原水、沉降水、中速過濾水、慢速過濾水結(jié)果Table 2 Results of Anbu river water samples and its liquid supernatant or filtrate with different filter papers

表3 優(yōu)化參比波長(zhǎng)段后SAC-LFS-S法檢測(cè)濁度梯度樣品結(jié)果Table 3 Results of water samples with different turbidity by optimized SAC-LFS-S method

表4 優(yōu)化參比波長(zhǎng)段后SAC-LFS-S法的標(biāo)準(zhǔn)曲線參數(shù)、試劑空白、標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)、質(zhì)控樣結(jié)果Table 4 Results of fitting calibration curve parameters, detection limits, precision tests and detection limits of optimized SAC-LFS-S method

賴永忠等[15]研究表明，與未經(jīng)任何樣品前處理及吸光度校正措施處理的標(biāo)準(zhǔn)方法[16]定量結(jié)果相比，方法3測(cè)得實(shí)際樣品結(jié)果與顯色后過濾-單波長(zhǎng)法(0.22 μm 濾膜)結(jié)果更接近，證實(shí)了方法3具有較高的準(zhǔn)確度。由表3可知，方法4測(cè)定雨季渾濁地表水原水，測(cè)定均值為0.000 ～0.019 mg/L，小于對(duì)應(yīng)方法檢出限(0.025 ～0.033 mg/L，表4)，方法3測(cè)定均值為0.256 mg/L，優(yōu)化前后的回收率為73.4%～83.2%；上述測(cè)定后樣品，經(jīng)慢速濾紙過濾，方法4測(cè)得濾液均值和回收率分別為0.008 ～0.013 mg/L和74.3%～81.0%，方法2測(cè)定結(jié)果分別為0.034 mg/L和11.2%。方法4直接測(cè)定高濁度地表水結(jié)果，非常接近濾液的方法4和方法2定量結(jié)果，證明方法4可非常好地消除高濁度帶來的正干擾影響。

此地表水經(jīng)沉淀或不同濾紙過濾得到的水樣，方法4測(cè)定值在方法檢出限附近，與定性未檢出結(jié)果非常接近。方法4測(cè)定這些樣品的結(jié)果遠(yuǎn)小于方法1、方法2和方法3，方法4測(cè)定結(jié)果與樣品顯色后無亮黃色產(chǎn)物生成的現(xiàn)象更吻合。說明方法4用于雨季渾濁地表水檢測(cè)具有更好的準(zhǔn)確度。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線、方法檢出限、質(zhì)控樣檢測(cè)

甲醛標(biāo)準(zhǔn)曲線質(zhì)量濃度配制范圍為0.100 ～3.00 mg/L，經(jīng)455～465、480～495、450～490等參比波長(zhǎng)段校正的方法4(測(cè)定波長(zhǎng)段為450～500 nm)，對(duì)應(yīng)擬合曲線的線性關(guān)系絕對(duì)值均大于0.999 9(表4)。

由于同批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)樣品測(cè)定值統(tǒng)計(jì)得到的方法檢出限非常低(低于試劑空白測(cè)定值，RSD為0.6%～8.4%，表1)，針對(duì)此種現(xiàn)象，文獻(xiàn)[27]以統(tǒng)計(jì)結(jié)果與對(duì)應(yīng)試劑空白結(jié)果之和作為方法檢出限；為了更貼近實(shí)際檢測(cè)工作，本研究統(tǒng)計(jì)10個(gè)獨(dú)立批次標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)樣品測(cè)定值(未扣除同批次試劑空白樣品結(jié)果)，得到方法檢出限為0.025 ～0.033 mg/L(表4)。

2個(gè)批次質(zhì)控樣(批號(hào)204524)結(jié)果均在允許偏差范圍內(nèi)，同批次0.050 、0.080 、0.100 mg/L純水加標(biāo)樣品回收率為92.0%～101%(表4)，說明方法4用于純水配制樣品的測(cè)定具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

2.4 實(shí)際樣品檢測(cè)

選擇汕頭市非雨季河流斷面地表水(韓江流域隆都、冠山斷面)和河溪水庫(kù)地表水作為方法準(zhǔn)確度、精密度驗(yàn)證樣品，這些樣品顯色后均未出現(xiàn)特征性亮黃色產(chǎn)物，檢測(cè)結(jié)果分別見表5～表7。由表5～表7可知，采用方法1時(shí)，樣品本底測(cè)得結(jié)果為明顯檢出(0.073 ～0.230 mg/L)，顯著高于方法2(0.012 ～0.039 mg/L)；從方法2結(jié)果可知，實(shí)際樣品仍有輕微的甲醛檢出(方法檢出限0.012 mg/L)。

這些樣品，即使采用方法3測(cè)定，隆都、冠山斷面地表水結(jié)果均為0.048 mg/L，仍高于所有定量方法的檢出限；方法4測(cè)得結(jié)果(-0.003 ～0.006 mg/L)均小于方法檢出限。所有定量方法測(cè)定3個(gè)地表水的回收率為93.0%～103.1%?？梢?，方法4適用于非雨季地表水樣品檢測(cè)，結(jié)合表3雨季渾濁原水的結(jié)果(均值為0.000 ～0.019 mg/L，回收率為73.4%～108.8%)，表明方法4用于地表水樣品的直接檢測(cè)，具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

表5 隆都斷面地表水檢測(cè)結(jié)果(n=4)Table 5 Results of Longdu river water samples

表6 冠山斷面地表水檢測(cè)結(jié)果(n=4)Table 6 Results of Guanshan river water samples

表7 河溪水庫(kù)地表水檢測(cè)結(jié)果(n=4)Table 7 Results of Hexi reservoir water samples

3 結(jié)論

光譜吸收曲線-線性擬合斜率-乙酰丙酮分光光度法(SAC-LFS-S)用于地表水中甲醛的直接檢測(cè)，仍有一定準(zhǔn)確度誤差。本研究從3個(gè)獨(dú)立批次試劑空白和不同濁度地表水結(jié)果的準(zhǔn)確度出發(fā)，對(duì)適用于450～500 nm測(cè)定波長(zhǎng)段的參比波長(zhǎng)段進(jìn)行了篩選。結(jié)果表明，經(jīng)參比波長(zhǎng)段校正后SAC-LFS-S法，非常適用于雨季和非雨季地表水樣品中甲醛的直接檢測(cè)，方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。