自動化儀器在環(huán)境監(jiān)測實驗室中的應用現(xiàn)狀及進展

李少飛 ,姜麗麗

(1.山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,山東 煙臺 264000;2.山東潤平環(huán)境科技有限公司,山東 煙臺 264000)

環(huán)境問題是全社會關(guān)注的焦點,環(huán)境監(jiān)測是環(huán)境管理的基礎(chǔ)和技術(shù)支持。隨著我國環(huán)境保護工作的發(fā)展,2015 年以來,國家及環(huán)保部門政策密集出臺,先后發(fā)布《關(guān)于推進環(huán)境監(jiān)測服務社會化的指導意見》《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡建設方案》等一系列政策性文件,全面放開服務性監(jiān)測市場,加大對省市環(huán)境監(jiān)測中心能力建設支持,環(huán)境監(jiān)測行業(yè)迎來發(fā)展好時機,第三方監(jiān)測機構(gòu)數(shù)量激增,監(jiān)測機構(gòu)儀器配置有了很大提升。環(huán)境監(jiān)測包含水、土、氣等幾大類上百個監(jiān)測項目,水環(huán)境監(jiān)測是工作的核心和重中之重,水常規(guī)監(jiān)測項目有高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、氨氮、總氮、總磷、氰化物、揮發(fā)酚等,為打好碧水保衛(wèi)戰(zhàn),國家加大對水環(huán)境監(jiān)測和治理的力度,地表水、地下水和海水每個樣品都得監(jiān)測上述項目。大部分實驗室采用手工監(jiān)測,存在實驗過程干擾多、分析條件差別大、效率低、平行性差等劣勢,監(jiān)測機構(gòu)人員數(shù)量有限,難以滿足大批量樣品監(jiān)測需求。

國內(nèi)儀器廠商加大常規(guī)項目自動化儀器的研發(fā)和制造,這些儀器的應用,減少了人力投入,節(jié)省試劑,減輕污染,準確高效,已經(jīng)在部分實驗室得到應用[1-4]。重金屬和有機污染物的分析儀器大多是從國外公司進口,相關(guān)環(huán)境監(jiān)測標準全面且規(guī)范。常規(guī)項目自動化儀器的研究和報道較少,與之配套的國家標準以氣相分子吸收光譜儀、流動注射儀等為主且大多應用于水質(zhì)監(jiān)測。2018—2020 年山東省煙臺生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心相繼購買了國產(chǎn)化的高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、陰離子洗滌劑、石油類、總磷等自動化儀器。針對近幾年環(huán)境監(jiān)測機構(gòu)自動化儀器配置和使用情況,本研究對常規(guī)項目手工監(jiān)測和自動化儀器分析優(yōu)缺點進行對比,總結(jié)歸納了重金屬和有機污染物的前處理設備和分析儀器,指出自動化儀器在推廣普及中存在的問題,并提出改進措施。

1 常規(guī)項目手工操作和自動化儀器對比

1.1 加熱滴定項目

高錳酸鹽指數(shù)和化學需氧量是水環(huán)境監(jiān)測的常規(guī)項目,手工監(jiān)測需加熱消解,消解條件不一致,平行性差,水電功耗大,一次樣品分析數(shù)量少,需人工看守,加上手工滴定,樣品分析時間在2～3 h,費時費力。

全自動高錳酸鹽指數(shù)和化學需氧量分析儀,獨立的加熱控溫模式,溫度恒定,平行性好;恒溫滴定,終點判斷一致,不受樣品顏色、濁度雜質(zhì)等影響;各類試劑自動計量運行,缺液預警提醒用戶,人工只需要樣品添加、試劑配置和程序設定,大大提高了工作效率,手工操作和自動化儀器優(yōu)缺點對比見表1。

表1 手工操作和自動化儀器優(yōu)缺點對比

1.2 萃取分光項目

陰離子洗滌劑、揮發(fā)酚和石油類等項目測定,每個樣品都需要手工萃取,勞動強度大,效率低,三氯甲烷作為萃取劑,毒性大,即使防護措施得當,稍不經(jīng)意便給人體帶來極大傷害。

全自動在線萃取分析儀,將樣品放入樣品盤,自動完成樣品溶液配比、萃取、分析和數(shù)據(jù)處理等全過程,無需人員干預值守,減輕了對人體的損害,具有監(jiān)測數(shù)據(jù)精密度高、準確度好等優(yōu)勢(表1)。

1.3 氣相分子吸收光譜儀

氣相分子吸收光譜法通過將待測成分轉(zhuǎn)變成氣體分子載入測量系統(tǒng),測定其特征光譜吸收,樣品幾乎無需預處理,色度和濁度對分析無影響,測定速度快,結(jié)果準確可靠,與手工操作相比,具有節(jié)能和提高工作效率的優(yōu)點。國內(nèi)現(xiàn)行的國標有水質(zhì)氨氮、凱氏氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮、硫化物的氣相分子吸收光譜測定法(表2)。

表2 自動化儀器及國家標準

1.4 流動分析技術(shù)

根據(jù)丹麥學者J.Ruzicka 和EH.Hansen 提出的流動分析技術(shù)概念設計的連續(xù)流動和流動注射儀,具有操作簡便、檢出限低、精密度高、分析速度快、試劑試樣用量少和適用性廣等優(yōu)點,國內(nèi)現(xiàn)行的國標有水質(zhì)氨氮、總氮、總磷、六價鉻、陰離子洗滌劑、氰化物、硫化物、揮發(fā)酚的流動注射儀分析,水質(zhì)氨氮、總氮、總磷的連續(xù)流動儀分析。

1.5 離子色譜儀

近年來離子色譜儀應用于水質(zhì)常規(guī)項目的測定,可同時測定多個項目,已應用于硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等測定,隨著色譜功能的研究,會有更多常規(guī)項目用色譜測定。

1.6 蒸餾儀

蒸餾作為常用的前處理手段,廣泛用于氰化物、揮發(fā)酚的分析,每個樣品獨立加熱和自來水冷凝,存在操作繁瑣、過程需人員值守、易發(fā)生危險等缺點,工作效率低。

全自動智能蒸餾儀,實現(xiàn)蒸餾過程無人工值守,操作簡單,節(jié)水節(jié)電,具備精確控溫、循環(huán)冷凝、餾出液量任設等功能。資金有限的單位配制自動蒸餾儀,節(jié)約蒸餾模塊人力和能耗,資金充裕單位可購置項目的全自動分析儀。

2 重金屬和有機污染物自動化儀器

重金屬和有機污染物分析過程主要包括三個步驟:樣品的采集處理、組分測定、數(shù)據(jù)處理。其中樣品采集處理所占用的時間為60%～70%,組分測定時間為10%,其余用于數(shù)據(jù)分析。組分測定基本使用進口精密儀器且配有大量國標,技術(shù)較成熟;前處理設備各單位配制情況不同,直接影響分析測試結(jié)果和效率。

重金屬前處理需經(jīng)過消解趕酸。實驗室前處理設備有電熱板、水浴鍋、微波消解儀、趕酸儀等,每個模塊都是分離開來,中間需要人工看守和轉(zhuǎn)移,分析效率低。近年來重金屬前處理設備更新?lián)Q代,一體化消解濃縮設備已在部分實驗室應用[5-6](表3)。

表3 重金屬和有機污染物分析儀器

有機污染物前處理技術(shù)直接影響回收率,關(guān)系樣品分析的準確性。揮發(fā)性有機物測定普遍采用吹掃捕集技術(shù)[7]、頂空技術(shù)[8]、熱解析技術(shù)等前處理設備,自動化程度較高并有大量國標實施;半揮發(fā)性有機物需溶劑萃取、固相萃取、微萃取[9-10]、微波萃取和超聲波萃取等方式。針對不同有機污染物,選擇合適的前處理技術(shù)(表3),樣品的加標回收率范圍一般為60%～140%,萃取后有機溶劑需要旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)和氮吹兩步濃縮,多次轉(zhuǎn)移降低回收率,操作需人工全程參與,勞動量大。前處理是半揮發(fā)性有機物分析的重點,固相(液相)萃取濃縮一體化,加壓流體萃取濃縮一體化樣品前處理設備已相繼研發(fā)成功,在少量實驗室初步應用,提高萃取效率和回收效率是以后研發(fā)的重點,微萃取和質(zhì)譜技術(shù)是研究熱門,未來技術(shù)成熟后會在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應用[10-14]。

3 存在問題和改進措施

3.1 產(chǎn)品穩(wěn)定性

近幾年國內(nèi)儀器公司研發(fā)投入高,競爭激烈,某些儀器廠商為了搶占市場,壓低成本,產(chǎn)品做工粗糙,質(zhì)量較差,性能不穩(wěn)定,故障率高。

因此,要加大后續(xù)研發(fā)投入,完善儀器各方面功能,提高儀器質(zhì)量和性能。為保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的科學性、準確性、可比性,應加強儀器制造標準的制訂工作,提高儀器穩(wěn)定性。

3.2 缺少配套國家監(jiān)測標準

常規(guī)項目自動化儀器已經(jīng)初步應用,卻沒有相應國家監(jiān)測標準,部分實驗室用自動化儀器測定樣品,但是原始記錄還是用常規(guī)分析標準原始表格書寫,造成分析測試和原始記錄兩套系統(tǒng),違背質(zhì)量規(guī)定。

國家標準制定部門和儀器公司聯(lián)合制定自動化儀器監(jiān)測標準并發(fā)布,有利于自動化儀器的推廣,提高監(jiān)測部門的工作效率。

3.3 檢出限偏高和測定范圍窄

自動化儀器雖然提高工作效率和降低檢出限,但少數(shù)項目儀器仍存在檢出限和測定下限偏高、測定范圍窄等不足。

對于低濃度樣品或者組分復雜有干擾、前處理繁瑣的樣品,采取手工監(jiān)測,保證數(shù)據(jù)準確性,同時對自動化儀器進行后續(xù)研發(fā),升級改造,以適應復雜樣品分析,進一步降低檢出限和測定下限。

3.4 監(jiān)測標準選擇

監(jiān)測項目既有手工監(jiān)測標準,又有流動注射等自動化儀器標準,各機構(gòu)選擇標準不同,導致數(shù)據(jù)統(tǒng)計和比較不一致,不利于監(jiān)測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡建設。

生態(tài)環(huán)境保護部門應進一步制定監(jiān)測標準的適用范圍和區(qū)域,各機構(gòu)根據(jù)實際情況配備相應儀器,方法計量認證,人員持證上崗,保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

3.5 儀器檢定和校準規(guī)程

常規(guī)項目自動化儀器缺少相對應的儀器檢定和校準規(guī)程,大多儀器處于不受控狀態(tài),監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量不能保證。

國家相關(guān)部門應加快制定新型自動化儀器的檢定和校準規(guī)程,使儀器制造和使用處于同一標準和受控狀態(tài),以確保數(shù)據(jù)的真實、準確、全面。

3.6 合理配置儀器資源

因為財政預算和資金問題,儀器配置不均衡現(xiàn)象普遍存在,某些重點生態(tài)環(huán)境中心,單一型號大型儀器設備數(shù)量多,重復性建設,儀器常年閑置造成資源浪費,某些監(jiān)測中心儀器數(shù)量少,儀器配置落后且超負荷工作,大部分第三方機構(gòu)儀器配置數(shù)量有限,并且以國產(chǎn)低配儀器為主,很難保證監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心垂直管理后,應該根據(jù)現(xiàn)有儀器配置和工作任務量,合理規(guī)劃每年的儀器經(jīng)費劃撥,配置各單位儀器數(shù)量,避免造成資源浪費;第三方監(jiān)測機構(gòu)應該加大儀器資金投入,相關(guān)部門對其儀器配置能否滿足監(jiān)測機構(gòu)資質(zhì)認定進行檢查。

4 建議

(1)國內(nèi)儀器廠商側(cè)重于常規(guī)項目全自動分析儀器研發(fā),產(chǎn)品檔次低,重金屬和有機污染物分析儀器以外資品牌為主,國內(nèi)廠商此方面研發(fā)能力弱,應該鼓勵引進國外儀器的關(guān)鍵技術(shù),先合資生產(chǎn),再逐步實現(xiàn)精密儀器國產(chǎn)化。

(2)根據(jù)《關(guān)于深化環(huán)境監(jiān)測改革提高環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量的意見》并結(jié)合現(xiàn)有資源,加快建設專用儀器設備適用性檢測實驗室、環(huán)境監(jiān)測標準規(guī)范驗證實驗室,推進自動化監(jiān)測儀器的標準制定并結(jié)合其適用性大規(guī)模推廣應用。

(3)借助國家扶持政策,加大環(huán)境科研投入,推進儀器的產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)升級,利用市場調(diào)控手段,淘汰研發(fā)技術(shù)薄弱、低水平重復、市場競爭力低的公司,實現(xiàn)適度規(guī)?；s化生產(chǎn),形成一批自動化儀器生產(chǎn)的骨干企業(yè)。

(4)加大基層環(huán)境監(jiān)測中心的實驗室能力建設,區(qū)域重點監(jiān)測中心工作任務重和分析樣品數(shù)量多,應加快儀器更新?lián)Q代,合理配比國產(chǎn)和進口儀器,提高監(jiān)測效率和準確度。

(5)加快自動化儀器標準體系的建立,制定統(tǒng)一生產(chǎn)和準入標準、校準和核查標準,確保儀器分析數(shù)據(jù)的科學性、準確性、可比性。

(6)根據(jù)工作實際需求,加大對聯(lián)用技術(shù)的研發(fā),將前處理設備和分析儀器聯(lián)為一體,省去中間轉(zhuǎn)移步驟,提高工作效率和回收率,真實反映環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。

(7)加強對質(zhì)譜和核磁共振等高精端技術(shù)的研究,實現(xiàn)樣品經(jīng)過簡單處理后直接進樣分析,樣品用量少、分析時間短,提高定性和定量準確性。

(8)開發(fā)自動化儀器普及后的大數(shù)據(jù)分析和實時聯(lián)網(wǎng)傳輸功能,第一時間掌握環(huán)境質(zhì)量狀況,有利于生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡建設。