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

吳 悅，賴永忠

1. 汕頭職業技術學院自然科學系，廣東 汕頭 515041 2. 汕頭大學海洋生物研究所， 廣東省海洋生物技術重點實驗室，廣東 汕頭 515063 3. 汕頭市環境保護監測站，廣東 汕頭 515041

甲醛作為致癌物之一，我國規定其在飲用水源水中限值為0.9 mg/L[1]。針對水質中甲醛的檢測，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/串聯質譜法[5]、離子液體-液液微萃取-高效液相色譜法[6]、流動注射-分光光度法[7]、洋蔥汁分光光度法[8]、電化學法[9-10]、氨基酸-乙酰丙酮分光光度法[11]、雙波長-乙酰丙酮法[12-13]、三波長-乙酰丙酮法[14]、多波長-乙酰丙酮分光光度法[15]等。

有利于基層檢測機構開展工作的可見-分光光度法被環境保護行業標準[16]所采用。然而，在地表水甲醛的日常檢測工作中發現，即使無明顯濁度的水樣，經直接顯色后測定吸光度，得出結果經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物生成，且顯色后樣品經微孔濾膜過濾后，濾液結果往往為未檢出[14-15]。針對這類微孔濾膜可除去的干擾[15]，近年來人們開發出堿性硫酸鋅共沉淀法[17-18]、離心沉淀法[18]、濁度補償法[19]、蒸餾法[16]、雙波長法[12,14,20-24]、三波長法[14,25-26]、多波長法[27-29]等用于降低干擾的樣品前處理方法或數據統計方法，其中雙波長法、三波長法和多波長法與其他方法相比，只涉及增加檢測波長數，具有不增加樣品量、有利于提高工作效率和方法靈敏度、準確度和精密度等優點，已成功用于氟化物[20]、氨氮[21]、總氮[26]、總磷[29]、甲醛[12-15]、六價鉻[22-25,27-28]等水質中污染物的紫外/可見-分光光度法檢測。然而，水質中六價鉻、甲醛的日常檢測工作中，發現雙波長法對濁度干擾的消除效果并不理想，特別是濁度較明顯的樣品，仍存在準確度問題。

郭巖等[27]建立了單位波長吸光度改變量-分光光度法(ACW-S法)，可用于六價鉻[27]、總磷[29]和甲醛[15]檢測，有利于提高可見-分光光度法的準確度和精密度，特別是針對帶有濁度的實際樣品，具有無需樣品前處理等優點，有利于提高工作效率。鑒于ACW-S法的定量原理，我們認為“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，后續表述中，所有文獻涉及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，發現此法仍存在消除干擾不徹底問題；吳鑒原等[28]針對這類情況，提出了針對性的優化思路，即篩選參比波長段，用于校正測定波長段，使得實際樣品中六價鉻的檢測結果準確度得到進一步提高。本研究從樣品的檢測結果準確度為切入點，以3個獨立批次試劑空白樣品結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象，結合不同批次標準點樣品統計得到的方法檢出限，篩選出450～500 nm等12個測定波長段，適用于450～500 nm測定波長段的參比波長段共3段。

1 實驗部分

1.1 儀器

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

1.2 主要試劑

甲醛標準溶液(批號104117，100 mg/L，相對不確定度3%)、水質中甲醛質控樣(批號204524；標準值0.915 mg/L，允許誤差±0.051 mg/L)均購自生態環境部標準樣品研究所。

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，批號20170211)、6.0 mL冰乙酸(AR，廣州化學試劑廠生產，批號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，批號20120114)依次溶解于100 mL超純水中，混勻后放入4 ℃冰箱保存。

1.3 實驗方法

標準曲線測定：取適量甲醛標準使用液于25 mL比色管內，用超純水定容至刻度，得甲醛質量濃度分別為0.000 、0.100 、0.200 、0.500 、1.00、2.00、3.00 mg/L的標準曲線濃度系列，加入2.50 mL顯色液，混勻后放入(60±2)℃水浴鍋中反應15 min。水浴后用自來水浸泡降溫至室溫，混勻后檢測吸光度(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。

水樣測定：移取25 mL樣品于25 mL比色管中，其余步驟與標準曲線系列檢測步驟相同。

1.4 濁度梯度樣品準備及檢測

文獻[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個濁度梯度實際地表水樣品，用于測定波長段及參考波長段的優化選擇。移取25 mL濁度梯度樣品至25 mL比色管，按水樣測定步驟進行檢測，同期測定濁度梯度加標樣品回收率(加標質量濃度為0.400 、0.800 mg/L)及試劑空白，實驗重復次數均為4次。

1.5 定量方法

單波長法：參照標準檢測方法[16]，檢測波長為414 nm，其吸光度A414未經任何校正，以下簡稱方法1。

雙波長法[14]：在單波長法基礎上，A414經480 nm處吸光度校正后用于定量分析的方法，以下簡稱方法2。

SAC-LFS-S法[15]：樣品顯色后測定吸收光譜，選擇吸收峰右側范圍內的某段波長及其對應吸光度，對波長和吸光度進行線性擬合得到擬合直線斜率，此斜率與一定濃度范圍內的甲醛成線性關系，以此用于甲醛的定量分析，以下簡稱方法3。

參比波長段-SAC-LFS-S法：在SAC-LFS-S法基礎上，測定波長段經參比波長段校正后用于定量分析的方法，以下簡稱方法4。

2 結果與討論

2.1 測定波長段篩選

在400～500 nm范圍內，測定波長段選擇規則參照文獻[28]，以5的整數倍波長作為起始波長和結束波長，即波長跨度為6、11、16、21、26、31、36、41、46、51個波長，例如測定波長段為400～405、400～410、400～415、400～420、400～425、400～430、400～435、400～440、400～445、400～450 nm。

文獻[27]的篩選條件側重方法檢出限和質控樣結果準確度，文獻[15]則剔除占比小于或等于50%的較大值對應測定波長段，這些篩選條件得出的試劑空白結果往往較高。本研究對準確度提出了更高的要求，篩選條件：①濁度梯度樣品測定結果小于或等于方法1的2/5；②加標樣品回收率與方法1相比，更接近100%，或在80%～120%之間。標準曲線及篩選結果分別見表1和表2，共篩選出滿足條件的測定波長段包括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。

由表2可知，原水及經沉降、濾紙過濾雨季渾濁的實際樣品，得到不同濁度梯度，對應方法1測得均值依次為1.358 、0.746 、0.510 、0.320 mg/L，而采用方法2時，結果依次為0.178 、0.181 、0.147 、0.121 mg/L；即使采用未經參比波長段優化的方法3，測定值仍然明顯檢出(0.128 ～0.263 mg/L)。然而，這些地表水樣品在實際進行測定時，均未產生明顯的、肉眼可辨識的亮黃色特征化合物；從定性的角度，結果應為未檢出，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。由上述結果可知，方法3測定帶有明顯濁度樣品測定時，所得結果較方法1更貼近實際情況，具有更高的準確度。同時，方法3用于同批次標準點(0.100 mg/L)或不同批次標準點(0.050 、0.080 、0.100 mg/L)和質控樣(批號204524)等基體干凈、超純水配制樣品時，具有非常好的方法精密度(RSD為0.4%～8.4%，表1)。

2.2 參比波長段篩選

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

因此提出如下篩選條件：①試劑空白測得均值小于或等于方法3；②不同濁度梯度樣品測得均值需小于或等于方法3的0.4倍；③不同批次標準點水樣(0.100 mg/L)測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，篩選結果見表3，共篩選出455～465、480～495、450～490共 3個適合于450～500 nm測定波長段的參比波長段。

表1 標準曲線、標準點、質控樣結果Table 1 Results of fitting calibration curve parameters, detection limits, precision tests and detection limits of SAC-LFS-S method

注：方法1表示單波長法，方法2表示單波長法經480 nm處吸光度校正的雙波長法，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)；除不同批次標準點結果外，均已扣除試劑空白測定值；“—”表示無擬合測定波長段或擬合參比波長段。 下同。

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

表3 優化參比波長段后SAC-LFS-S法檢測濁度梯度樣品結果Table 3 Results of water samples with different turbidity by optimized SAC-LFS-S method

表4 優化參比波長段后SAC-LFS-S法的標準曲線參數、試劑空白、標準點、質控樣結果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，與未經任何樣品前處理及吸光度校正措施處理的標準方法[16]定量結果相比，方法3測得實際樣品結果與顯色后過濾-單波長法(0.22 μm 濾膜)結果更接近，證實了方法3具有較高的準確度。由表3可知，方法4測定雨季渾濁地表水原水，測定均值為0.000 ～0.019 mg/L，小于對應方法檢出限(0.025 ～0.033 mg/L，表4)，方法3測定均值為0.256 mg/L，優化前后的回收率為73.4%～83.2%；上述測定后樣品，經慢速濾紙過濾，方法4測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測定結果分別為0.034 mg/L和11.2%。方法4直接測定高濁度地表水結果，非常接近濾液的方法4和方法2定量結果，證明方法4可非常好地消除高濁度帶來的正干擾影響。

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

2.3 標準曲線、方法檢出限、質控樣檢測

甲醛標準曲線質量濃度配制范圍為0.100 ～3.00 mg/L，經455～465、480～495、450～490等參比波長段校正的方法4(測定波長段為450～500 nm)，對應擬合曲線的線性關系絕對值均大于0.999 9(表4)。

由于同批次標準點樣品測定值統計得到的方法檢出限非常低(低于試劑空白測定值，RSD為0.6%～8.4%，表1)，針對此種現象，文獻[27]以統計結果與對應試劑空白結果之和作為方法檢出限；為了更貼近實際檢測工作，本研究統計10個獨立批次標準點樣品測定值(未扣除同批次試劑空白樣品結果)，得到方法檢出限為0.025 ～0.033 mg/L(表4)。

2個批次質控樣(批號204524)結果均在允許偏差范圍內，同批次0.050 、0.080 、0.100 mg/L純水加標樣品回收率為92.0%～101%(表4)，說明方法4用于純水配制樣品的測定具有良好的準確度和精密度。

2.4 實際樣品檢測

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)和河溪水庫地表水作為方法準確度、精密度驗證樣品，這些樣品顯色后均未出現特征性亮黃色產物，檢測結果分別見表5～表7。由表5～表7可知，采用方法1時，樣品本底測得結果為明顯檢出(0.073 ～0.230 mg/L)，顯著高于方法2(0.012 ～0.039 mg/L)；從方法2結果可知，實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測定，隆都、冠山斷面地表水結果均為0.048 mg/L，仍高于所有定量方法的檢出限；方法4測得結果(-0.003 ～0.006 mg/L)均小于方法檢出限。所有定量方法測定3個地表水的回收率為93.0%～103.1%。可見，方法4適用于非雨季地表水樣品檢測，結合表3雨季渾濁原水的結果(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，具有良好的準確度和精密度。

表5 隆都斷面地表水檢測結果(n=4)Table 5 Results of Longdu river water samples

表6 冠山斷面地表水檢測結果(n=4)Table 6 Results of Guanshan river water samples

表7 河溪水庫地表水檢測結果(n=4)Table 7 Results of Hexi reservoir water samples

3 結論

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，仍有一定準確度誤差。本研究從3個獨立批次試劑空白和不同濁度地表水結果的準確度出發，對適用于450～500 nm測定波長段的參比波長段進行了篩選。結果表明，經參比波長段校正后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，方法具有良好的準確度和精密度。