分光光度法測定水中甲醇

張 靜，郭 雋

（山西省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心， 山西 太原 030027）

甲醇（Methanol，CH3OH） 是結(jié)構(gòu)最為簡單的飽和一元醇，沸點為64.8 ℃，為無色、有酒精氣味、易揮發(fā)的液體。急性甲醇中毒可引起中樞神經(jīng)損害，表現(xiàn)為頭痛、眩暈、乏力、嗜睡和輕度意識障礙等，重者出現(xiàn)昏迷和癲癇樣抽搐。甲醇可致視神經(jīng)損害，重者引起失明或代謝性酸中毒。甲醇是常用的有機溶劑，易溶于水，蒸氣壓較低；它也是重要的化工原料，主要用于制甲醛，在有機合成工業(yè)中用作甲基化劑和溶劑，是制造甲基叔丁基醚的原料，也可直接摻入汽油作為汽車燃料，還是制造某些農(nóng)藥、醫(yī)藥的原料。甲醇的大量生產(chǎn)、應(yīng)用及其毒害，使之成為環(huán)境監(jiān)測中的一項重要指標(biāo)。

甲醇的測定有氣相色譜法、液相色譜法[1-3]、分光光度法。常用的分光光度法是把甲醇氧化為甲醛，通過羥醛縮合反應(yīng)生成顯色化合物，在可見光條件下通過分光光度法進(jìn)行測定，預(yù)處理后的檢測方法主要有乙酰丙酮法[4-5]、酚試劑分光光度法[6]、乙酰乙酸乙酯分光光度法[7]和變色酸氧化法[8]等。

目前環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中，甲醇的監(jiān)測分析標(biāo)準(zhǔn)僅有氣相色譜法[9-10]，但是該方法對儀器及操作人員素質(zhì)要求較高，而且多為空氣中甲醇的測定，目前尚未發(fā)布測定水質(zhì)甲醇的標(biāo)準(zhǔn)方法。本研究采取的分光光度法具有操作簡便、易于推廣等優(yōu)點，彌補了水質(zhì)甲醇監(jiān)測的空白。

1 實驗方法

1.1 實驗儀器及主要試劑

分光光度計（上海菁華科技儀器有限公司）；50 mL具塞比色管；實驗用電爐或恒溫水浴鍋(上海樹立儀器有限公司)；萬分之一天平（梅特勒電子天平）。

硫酸：ρ(H2SO4)=1.84 g/mL，優(yōu)級純。

1%高錳酸鉀溶液：稱量1.0 g高錳酸鉀溶于水中，定容至100 mL，可保存15 d。

0.5%變色酸鈉溶液：稱量0.5 g變色酸[C10H6Na2O8S2·2H2O或 C10H8O8S2]溶于水中， 定容至100 mL。放入棕色瓶避光，2～8 ℃冷藏，可保存15 d。

5%亞硫酸鈉溶液：稱量5 g無水亞硫酸鈉，溶于水中，定容至100 mL，可保存7 d。

甲醇標(biāo)準(zhǔn)貯備液：于25 mL容量瓶中，先加入10 mL水，準(zhǔn)確稱量容器和水的總重量m1，然后用微量注射器加入200 μL甲醇（甲醇為色譜純及以上級別），使用萬分之一天平準(zhǔn)確稱量容器和甲醇水溶液的總重量m2。兩次稱量之差（m2-m1） 即為甲醇的質(zhì)量，將該溶液定容至刻度，計算1.00 mL溶液中甲醇的微克數(shù)。也可采用市售標(biāo)準(zhǔn)溶液。

甲醇標(biāo)準(zhǔn)使用液：用水將甲醇標(biāo)準(zhǔn)貯備液稀釋成5 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)使用液。

1.2 樣品采集和保存

用棕色磨口玻璃瓶采集水樣，樣品密封、避光，2～8 ℃冷藏保存，48 h內(nèi)完成樣品的分析。

1.3 實驗步驟

取5 mL水樣，加入0.25 mL硫酸和0.5 mL 1%高錳酸鉀溶液，及時加蓋并搖勻。放置5 min后，滴加5%的亞硫酸鈉溶液，直至紫色剛褪去時，再多加一滴。加入0.5 mL 0.5% 變色酸溶液，搖勻。沿管壁緩慢加入6 mL硫酸，加蓋，靜置約30 s后搖勻，切忌顛倒。將溶液放入沸水浴中加熱15 min，取出后于暗處冷卻至室溫。用20 mm比色皿，以水作參比，在570 nm處測定吸光度，標(biāo)準(zhǔn)系列顯色后于暗處放置24 h內(nèi)吸光度保持穩(wěn)定。以甲醇的含量（μg） 為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線，并計算回歸線的斜率、截距和相關(guān)系數(shù)。

2 實驗條件的優(yōu)化

2.1 氧化反應(yīng)酸度的優(yōu)化

硫酸提供的酸性環(huán)境，影響高錳酸鉀的氧化性能。選取不同配比的硫酸進(jìn)行實驗（選取曲線的18 μg中間點作為研究對象），分別加入0.125 mL濃硫酸，0.25 mL（1+1） 硫酸溶液，0.25 mL濃硫酸，0.5 mL（1+1） 硫酸溶液，0.5 mL濃硫酸，進(jìn)行條件優(yōu)化，實驗結(jié)果見表1。

表1 氧化反應(yīng)酸度條件

由表1的實驗結(jié)果可見，用0.25 mL的硫酸可以將溶液酸度調(diào)整到氧化還原反應(yīng)所需的范圍，實驗最終選擇加入0.25 mL的硫酸作為氧化還原反應(yīng)的最佳條件。

2.2 高錳酸鉀氧化時間

在酸性環(huán)境下，高錳酸鉀將甲醇氧化成甲醛。高錳酸鉀與甲醇有足夠的反應(yīng)時間，才能保證顯色完全并穩(wěn)定。選取曲線的18 μg中間點作為研究對象，對氧化反應(yīng)時間進(jìn)行了優(yōu)化，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 氧化反應(yīng)時間的選擇

由圖1可見，加入高錳酸鉀5 min后吸光度達(dá)到峰值，隨后由于反應(yīng)時間的延長，高錳酸鉀將甲醛氧化成甲酸，吸光度下降。實驗最終選擇10 min為高錳酸鉀的氧化時間。

2.3 亞硫酸鈉的加入方式

亞硫酸鈉用于去除氧化反應(yīng)剩余的高錳酸鉀，亞硫酸鈉加入不宜過量，否則會導(dǎo)致渾濁；量不足時，則呈現(xiàn)黃色?！犊諝夂蛷U氣監(jiān)測分析方法》第四版中定量加入0.5 mL亞硫酸鈉，不容易判斷變色終點，本方法中采用滴管逐滴加入亞硫酸鈉溶液，便于判斷變色終點，然后多加一滴。兩種方法的比對結(jié)果見表2（選取曲線的18 μg中間點作為研究對象）。

表2 亞硫酸鈉加入方式比對

由表2可見，加入0.5 mL亞硫酸鈉時實驗空白增大，整體吸光度增大；滴加亞硫酸鈉時，空白值低，方法的整體靈敏度大。實驗最終選擇滴管滴加的方式加入亞硫酸鈉。

2.4 加入變色酸后的放置時間

甲醇被氧化成甲醛后，與變色酸鈉生成紫色化合物。該顯色反應(yīng)需要在強酸性環(huán)境中進(jìn)行，在加入濃硫酸之前溶液仍然不變色。選取曲線的18 μg中間點作為研究對象，對加入變色酸后的反應(yīng)時間進(jìn)行了考察，在每個時間點均進(jìn)行5次平行測定，實驗結(jié)果見表3。

由表3可見，加入變色酸后，放置0 min、2 min、5 min、15 min，吸光度沒有明顯的差別，可以立即加入濃硫酸。

表3 顯色反應(yīng)時間

2.5 顯色酸度的優(yōu)化

甲醛與變色酸的顯色反應(yīng)需在約9M[11]的酸度環(huán)境下進(jìn)行，選取曲線的18 μg中間點作為研究對象，對濃硫酸的加入體積量進(jìn)行了考察，實驗結(jié)果見表4。

表4 顯色反應(yīng)酸度條件

由表4可見，硫酸的用量直接影響體系的酸度。酸度不足，導(dǎo)致顯色不完全，色度不穩(wěn)定。在硫酸用量達(dá)到6 mL時，可以保證顯色完全，吸光度穩(wěn)定。

2.6 顯色后的穩(wěn)定時間

分光光度法的顯色反應(yīng)需要一定時間才能完成，而且形成的有色配合物穩(wěn)定性也各不相同，因此必須在顯色后一定時間內(nèi)進(jìn)行比色。選取曲線的18 μg中間點作為研究對象，進(jìn)行了顯色反應(yīng)條件實驗，實驗結(jié)果見表5。

表5 顯色后的穩(wěn)定時間

由表5可見，顯色后的溶液穩(wěn)定性好，顯色后放置24 h內(nèi)吸光度保持穩(wěn)定。顯色反應(yīng)需在暗處避光進(jìn)行，以避免由于光線照射或散射光引起的色度不穩(wěn)定。

2.7 本方法與《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》 第四版中方法的比對

分別按照本方法的實驗步驟以及《空氣和廢氣監(jiān)測分析方法》[12]第四版中的實驗步驟進(jìn)行了校準(zhǔn)曲線的測定，結(jié)果如圖2所示：

圖2兩種方法校準(zhǔn)曲線對比

由圖2可見，通過一系列的實驗證明，本方法的校準(zhǔn)曲線斜率遠(yuǎn)大于四版書中校準(zhǔn)曲線的斜率，即本方法靈敏度高，檢出限低，顯色反應(yīng)充分、穩(wěn)定，便于不同實驗室及實驗人員操作。

2.8 實際樣品的測定

為了驗證本方法的實用性，選取地表水實際樣品進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了加標(biāo)回收實驗，結(jié)果如表6所示：

表6 實際樣品的測定

由表6可見，本方法的加標(biāo)回收率在85%以上，精密度和準(zhǔn)確度均能滿足實際工作的需求。

3 結(jié)論

本研究對四版書中水質(zhì)甲醇的測定方法進(jìn)行了大量的條件優(yōu)化，各項實驗指標(biāo)均優(yōu)于四版書，更利于出具準(zhǔn)確的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整后的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：

（1） 根據(jù)顯色反應(yīng)的原理，甲醇在酸性溶液中，被高錳酸鉀氧化成甲醛，四版書中氧化反應(yīng)步驟的酸度不足，甲醇未被充分氧化，導(dǎo)致曲線斜率低，靈敏度不足。本方法調(diào)整了反應(yīng)酸度，保證甲醇被最大程度氧化，從而提高了反應(yīng)效率。變換了試劑加入順序，先加入變色酸，再加入硫酸，充分利用濃硫酸進(jìn)入水溶液時的放熱反應(yīng)，使顯色反應(yīng)更加充分，從而提高方法的靈敏度，降低了方法的檢出限。

（2） 控制反應(yīng)酸度、反應(yīng)時間等關(guān)鍵因素，彌補了原方法標(biāo)準(zhǔn)曲線線性差，準(zhǔn)確度、靈敏度不足的缺點。本方法的測定靈敏度高，操作步驟更為簡便，為甲醇監(jiān)測提供了技術(shù)支撐。

（3） 水中甲醇的監(jiān)測工作很重要。然而，目前環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中，甲醇的監(jiān)測分析標(biāo)準(zhǔn)僅有氣相色譜法，使用氣相色譜法設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，使用成本高，需要實驗人員有熟練的技能。與氣相色譜法相比，分光光度法儀器設(shè)備簡單，操作簡便，儀器及耗材成本低，人員技術(shù)要求相對較低，檢出限可以達(dá)到與氣相色譜法同等濃度水平，精密度、準(zhǔn)確度等指標(biāo)均與氣相色譜法無顯著性差異。分光光度法具有操作簡便、測定快速、可現(xiàn)場分析、易于推廣等優(yōu)點，但目前尚未頒布水中甲醇分光光度法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本方法彌補了此空白。