淺析攪拌對(duì)分光光度法測(cè)定水中溶解氧的影響

摘要：隨著人們對(duì)科研探索的需求日益增加，對(duì)溶解氧的測(cè)定要求也越來(lái)越高。本文圍繞分光光度測(cè)定海水中溶解氧的方法，探討了試驗(yàn)過(guò)程中攪拌對(duì)測(cè)定溶解氧準(zhǔn)確度可能存在的影響。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備的溶解氧平行水樣的測(cè)定結(jié)果表明，攪拌轉(zhuǎn)速宜控制在中等轉(zhuǎn)速，沉淀完全溶解即可停止攪拌，這樣既能提高測(cè)定效率，也能提高測(cè)定精密度。

關(guān)鍵詞：溶解氧；分光光度法；攪拌

中圖分類號(hào)：X324""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）是海洋生物地球化學(xué)過(guò)程中的重要生源要素，與海洋動(dòng)植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，對(duì)維持海洋生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的作用[1]。

DO是指溶解在水中的氧氣分子，通常用每千克海水中所溶解的氧氣分子的微摩爾數(shù)（μmol/kg）表示。海水中的溶解氧測(cè)量比較簡(jiǎn)單。目前，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法是碘量法、膜電極法和便攜式溶解氧儀法[2]。碘量法測(cè)定相對(duì)準(zhǔn)確，但是操作麻煩，費(fèi)時(shí)耗力，不適合快速測(cè)定大批量樣品。膜電極法需要定期更換隔膜和電解液才能獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，且比較適合測(cè)量高度渾濁的水體。需要定期對(duì)便攜式溶解氧儀進(jìn)行檢定校準(zhǔn)才能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。隨著針對(duì)水體去氧過(guò)程的研究和現(xiàn)場(chǎng)大批樣品量的需求日益增加，對(duì)溶解氧測(cè)定的速度和良好重現(xiàn)性也提出了更高的要求，分光光度法也逐漸應(yīng)用于測(cè)量溶解氧[3]。

在分光光度法測(cè)定操作中，溶解氧會(huì)固定沉淀，因此需要加酸并攪拌溶解。測(cè)樣過(guò)程中，樣品瓶未能完全密閉，攪拌可能會(huì)影響I2向空氣中的揮發(fā)情況影響測(cè)定結(jié)果，因而本文圍繞不同轉(zhuǎn)速以及不同攪拌時(shí)間對(duì)溶解氧測(cè)定可能存在的影響進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)原理

本研究提到的的光度法是基于Winker法的改進(jìn)[4-5]。其原理是：首先，在待測(cè)樣品中加入MnCl2和NaOH-NaI，DO可以將Mn2+氧化成Mn4+，生成MnO（OH）2棕色沉淀。其次，加入H2SO4，將樣品酸化，MnO（OH）2沉淀溶解，高價(jià)錳離子將I-氧化I2，I2與過(guò)量的I-結(jié)合，生成易溶于水的棕黃色的I3-絡(luò)合物。用分光光度法定量棕黃色的I3-絡(luò)合物濃度。

1.2主要儀器

日本島津UV-1800紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)、Hellma Analytics10mm流通池、60mL生化需氧量瓶（BOD瓶）、寧波某儀器廠THYD-0530W低溫恒溫槽（溫度±0.05℃）、0mL～1mL定量加液器、磁力攪拌器、Tygon？管、三通閥。

1.3主要試劑

測(cè)定溶解氧所用的試劑主要參考Winker滴定法，試劑濃度和用量參照全球海洋通量聯(lián)合研究（JGOFS）[6]計(jì)劃的采樣規(guī)范。本研究用到的水樣均為去離子水，不需要加入為消除可能存在的亞硝酸鹽對(duì)溶解氧測(cè)定影響的疊氮化鈉[7]，也不需要加入校正樣品濁度的過(guò)硫酸鈉[4]。因此，在本研究用到的試劑中，KIO3為基準(zhǔn)物質(zhì)，其余試劑均為分析純級(jí)別，濃度分別為3mol/L的MnCl2，4mol/L的堿性NaI，體積分?jǐn)?shù)為28%的H2SO4，5mmol/L的KIO3標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.4溶解氧樣品采集

溶解氧的采樣方法參照J(rèn)GOFS采樣規(guī)范。采樣時(shí)，用Tygon？管將水樣引出，首先，將采樣管內(nèi)的氣泡趕走，其次，將采樣管伸入潤(rùn)洗過(guò)的生化需氧量瓶底部，使海水裝滿生化需氧量瓶后繼續(xù)溢流至少1/2瓶子體積，再次，將采樣管緩慢提起，沖洗瓶蓋，并用定量加液器依次加入0.5mL的MnCl2和0.5mL的堿性NaI，使水樣中的溶解氧在堿性條件下沉淀固定，最后，蓋好瓶蓋后立即將沉淀?yè)u勻，上下顛倒至少20下后靜置2h。

2試驗(yàn)裝置

光度法測(cè)定溶解氧的流通系統(tǒng)參考Pai等[4]方法。在進(jìn)樣品測(cè)定前，整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)必須全部充滿液體，管路內(nèi)不能有氣泡。當(dāng)三通閥管路閥門切換至純水時(shí)，在虹吸作用下，純水流入流通池，儀器調(diào)零。當(dāng)三通閥管路閥門切換至樣品管路時(shí)，已經(jīng)酸化后的棕黃色樣品帶入流通池，待數(shù)值穩(wěn)定后在466nm波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光值。

3試驗(yàn)方法

在測(cè)定前，把樣品放置在25°C的恒溫槽。恒溫至少0.5h后，取出生化需氧量瓶，用紙吸去瓶口多余的水。打開(kāi)瓶塞后，放入潔凈干燥的攪拌子，加入0.5mL體積分?jǐn)?shù)為28%的H2SO4，攪拌均勻。待沉淀樣品完全溶解后停止攪拌，將流通系統(tǒng)的進(jìn)樣管放入瓶子中下部，旋動(dòng)三通閥使樣品進(jìn)入10mm流通池的分光光度計(jì)，待讀數(shù)穩(wěn)定后記下吸光值。

4結(jié)果與分析

4.1試劑空白

在裝滿純水的生化需氧量瓶中，加入0.5mL體積分?jǐn)?shù)為28%的H2SO4和0.5mL的堿性NaI，蓋好瓶蓋后，上下顛倒搖勻置于25℃恒溫槽。恒溫1h后，取出生化需氧量瓶，用紙吸去瓶口多余的水。打開(kāi)瓶塞后，放入潔凈干燥的攪拌子，加入0.5mL的MnCl2試劑，待溶液攪拌均勻后，馬上停止攪拌。將流通系統(tǒng)的進(jìn)樣管放入瓶子中下部，旋動(dòng)三通閥使樣品進(jìn)入流通池，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記下吸光值。本次試驗(yàn)的試劑空白為0.001。

4.2標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制以及樣品濃度計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)曲線的配置方法以及溶解氧濃度計(jì)算主要參考Labasque等[5]。與試劑空白的操作步驟一樣，不同的是在加入MnCl2試劑，攪拌均勻停止后，分別將1mL、2mL、3mL的標(biāo)準(zhǔn)碘酸鉀加入生化需氧量瓶?jī)?nèi)，待攪拌均勻后，再次停止攪拌。然后將流通系統(tǒng)的進(jìn)樣管放入瓶子中下部，旋動(dòng)三通閥使樣品進(jìn)入流通池，待讀數(shù)穩(wěn)定后記下吸光值。

測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)不需要固定水中的溶解氧，而是通過(guò)將碘酸根離子氧化成棕黃色的I3-溶液。其反應(yīng)如公式（1）、公式（2）所示。

IO3-+5I-+6H+=3I2+3H2O（1）

I2+I-=I3-（2）

I3-濃度的計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

CI3-=（3）

式中：CI3-為棕黃色的I3-的濃度，μmol/L；CKIO3為KIO3的濃度，μmol/L；VKIO3為加入的KIO3的準(zhǔn)確體積，mL；VBottle為生化需氧量瓶的準(zhǔn)確體積，mL；VMnCl2為加入的0.5mL的MnCl2試劑的準(zhǔn)確體積，mL。

用光度法測(cè)定CI3-的標(biāo)準(zhǔn)系列可得其吸光值A(chǔ)-CI3-工作曲線，如圖1所示。在本次試驗(yàn)中，吸光值A(chǔ)與CI3-工作曲線測(cè)定3條，且呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均能達(dá)到gt;0.9999以上，工作曲線的率的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.3%。

測(cè)得樣品的吸光度值，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線查出CI3-含量，根據(jù)溶解氧樣品中CDO-1/2CI3-關(guān)系、體積和密度換算，間接得出樣品的溶解氧含量。其計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

式中：CDO為溶解氧的濃度，μmol/kg；ASample為樣品的吸光值；ABlank為流通池空白的吸光值；ε為吸光值A(chǔ)與CI3-工作曲線的斜率；VNaI為加入的0.5mLNaI試劑的準(zhǔn)確體積，mL；

VH2SO4為加入的0.5mL的H2SO4試劑的準(zhǔn)確體積，mL；ρ為樣品的密度，可根據(jù)溫度和鹽度，通過(guò)公式（5）計(jì)算。

ρ=999.842594+0.06793952×t-0.00909529×t2+0.0001001685×t3-0.000001120083×t4+0.000000006536332×t5+（0.824493-0.0040899×t+0.000076438×t2-0.00000082467×t3+0.0000000053875×t4）×S+（-0.00572466+0.00010227×t-0.0000016546×t2）×S1.5+0.00048314×S2（5）

式中：ρ為樣品的濃度，kg/L；t為樣品測(cè)定時(shí)的溫度，25℃;S為樣品的鹽度。由于本次試驗(yàn)用的是去離子水，因此S為0。

4.3平行水樣的制備

海水中的DO含量與分布可以提供較多的信息，例如，利用DO的分布可揭示海洋生物的光合作用以及海洋有機(jī)物質(zhì)的氧化降解作用等。在實(shí)際環(huán)境樣品中，比較難采集到大批量濃度均一的水樣，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)需要采集穩(wěn)定性好，濃度單一的水樣作為測(cè)定水樣，因而選擇在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用制備平行水樣。準(zhǔn)備方法：用10L底部有出水口的水桶（聚碳酸酯材質(zhì)）裝去離子水，加入氣泡石均勻爆氣3h以上，靜置30min后備用。當(dāng)采樣時(shí)，需要避免水樣擾動(dòng)引入空氣而影響結(jié)果，采樣過(guò)程中不能晃動(dòng)水桶，用60mL的生化需氧量瓶在水桶的底部出水口進(jìn)行采樣。按照?qǐng)D2，制備3批平行水樣，每次共采集15～24個(gè)平行樣測(cè)定。由于每批平行水樣的曝氣條件（曝氣時(shí)間、水溫以及曝氣室溫）不一致，因而每批的平行樣測(cè)定結(jié)果之間存在略小差異。從結(jié)果上看，同一批平行水樣的測(cè)定結(jié)果偏差lt;2μmol/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差≤0.13%，驗(yàn)證了該制備平行水樣方法的可行性。。

4.4攪拌轉(zhuǎn)速的影響

在不同轉(zhuǎn)速情況下，樣品液面的狀態(tài)以及沉淀完成溶解的時(shí)間不同，見(jiàn)表1。當(dāng)轉(zhuǎn)速偏大時(shí)，形成的凹液面過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生漩渦、引起氣泡，加快了I2向空氣中揮發(fā)的速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速偏小時(shí)，沉淀完全溶解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使I2向空氣中不斷揮發(fā)，影響測(cè)定效率。選擇三批不同時(shí)間段制備的平行水樣，測(cè)定在不同攪拌轉(zhuǎn)速（400r/min、700r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min）下DO濃度變化。如圖3所示，隨著攪拌轉(zhuǎn)速的增加，其DO濃度有呈現(xiàn)略微下降的趨勢(shì)，平行水樣的測(cè)定結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均大于0.13%。用斯皮爾曼方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P值均小于0.05，表明轉(zhuǎn)速對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響顯著。因此，為了提高DO測(cè)定的精密度，測(cè)定過(guò)程中應(yīng)該選擇中等轉(zhuǎn)速，且全程保持在相同的攪拌速度。

4.5攪拌時(shí)間的影響

選擇三批不同時(shí)間段制備的平行水樣，在中等轉(zhuǎn)速700r/min、1000r/min、1500r/min情況下，測(cè)定不同攪拌時(shí)間（15s、30s、60s、120s、180s、240s、300s）下DO濃度變化。如圖4所示，隨著攪拌時(shí)間增加，DO濃度變化相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差接近0.13%。用斯皮爾曼方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，P值均大于0.05，表明攪拌時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響不顯著。因此，為了提高DO測(cè)定的效率，加酸溶解錳氧化物后溶液攪拌均勻即可停止攪拌。。

5結(jié)論

海洋中的溶解氧對(duì)整個(gè)海洋生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義，是維持海洋生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵環(huán)境因子。本文針對(duì)分光光度法測(cè)定溶解氧，測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速以及攪拌時(shí)間對(duì)平行水樣的吸光值，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算了不同試驗(yàn)組的溶解氧濃度變化，討論了不同轉(zhuǎn)速以及攪拌時(shí)間對(duì)準(zhǔn)確值的影響。研究結(jié)果表明，研究結(jié)果表明，加酸溶解錳氧化物后攪拌轉(zhuǎn)速控制在相同的中等轉(zhuǎn)速，待沉淀完全溶解即可馬上停止攪拌，這樣既能提高測(cè)定效率，也能提高測(cè)定精密度。

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