分光光度法在線鈷水質分析儀的開發及應用*

鄒雄偉，李 剛，鄒春香，黃海萍

(力合科技(湖南)股份有限公司，湖南 長沙 410205)

鈷的測定方法有很多，如分光光度法[1]、原子吸收光度法[2-3]、發射光譜法[4]、電感耦合等離子體質譜法[5]等，目前這些儀器均為實驗室儀器，需要將樣品運輸到實驗室進行檢測，分析檢測過程中也是需要專業技術人員參與的，本文研究開發了一種基于鈷的5-Cl-PADAB分光光度法原理的在線水質分析儀，可直接用于地表水、地下水、污染源等不同水質鈷的在線監測。

鈷的生物學作用及生理功能以及在天然水及各類工業廢水中的含量情況在《水和廢水監測分析方法指南(中冊)》[6]中有詳細的描述，并對鈷的5-Cl-PADAB分光光度法實驗室分析原理與步驟進行了詳細的論述。

5-Cl-PADAB分光光度法測鈷這一水質指標當前也是實驗室分析的國家標準方法[1]；北京市環境監測中心陸皓昀等[7]對這一方法的直接取樣及富集后的實驗室分析都進行了深入研究；西安市環境監測站袁挺俠等[8]對這一方法與石墨爐原子吸收法、電感耦合等離子體質譜法的方法精度及加標回收實驗都進行了比較，證明了這一方法的正確與適應性；中南大學李竹英[9]選取1-亞硝基-2-萘酚-3,6-二磺酸鹽作為顯色劑，采用流動注射原理，實現鈷的自動分析儀器，但由于原理非國標、流動注射的特點等，難以進行在線應用。本文對5-Cl-PADAB分光光度法國家標準方法進一步深入研究，實現鈷水質在線分析儀將能很好地應用于環境水體、污染物排放各類水體水質鈷的監測。

1 在線監測設備的研制

圖1 LFS-2002水質分析儀組成

LFS-2002水質分析儀平臺是力合科技(湖南)股份有限公司在線水質分析儀基于比色法檢測原理的平臺，可實現近50多個水質指標的檢測。分析儀由計量、消解檢測、流路控制、數據處理及存儲、電源、人機交互等幾個單元組成，如圖1所示。其中計量單元實現水樣與試劑的精準抽取；消解檢測單元可將不同類型樣品在強酸性下程序加溫消解，并可進一步反應顯色，進行比色檢測；流路控制單元對水樣、標樣、蒸餾水、廢液等進行程序化加入或排空，保證反應的自動性；數據經處理和存儲后，可本機應用或遠程傳輸實現在線監測。

2 實 驗

2.1 儀 器

LFS-2002水質分析儀(消解檢測池光程為30 mm)，力合科技；Evolution 300紫外可見分光光度計，賽默飛世爾；iCAP RQ 電感耦合等離子質譜聯用儀，賽默飛世爾。

2.2 試劑及材料

2.2.1 去離子水

電阻率≥18 MΩ·cm。

2.2.2 高純氬

純度：≥99.999%。

2.2.3 消解液

(1+2)硝酸，量取100 mL優級純濃硝酸緩慢加入到200 mL水中。

2.2.4 緩沖液

pH=5～6的乙酸-乙酸鈉(HAC-NaAC)緩沖溶液，稱取10.5 g無水乙酸鈉，溶解于少量的水中，加入乙酸調節pH至5～6，用水稀釋至500 mL。

2.2.5 掩蔽劑

5%焦磷酸鈉(Na4P2O7·10H2O)溶液，稱取25.0 g焦磷酸鈉，溶解于一定量水中，稀釋至500 mL。

2.2.6 調節液

20%氫氧化鈉溶液，稱取100.0 g，溶解于500 mL水中。

2.2.7 顯色劑

0.1% 5-Cl-PADAB的乙醇溶液，稱取0.25 g 5-Cl-PADAB溶于250 mL 95%乙醇中，再加水稀釋至500 mL。

2.2.8 鈷標準貯備液

CCo=1000 mg/L。

2.2.9 鈷標準使用液

CCo=10 mg/L，吸取1.0 mL鈷標準貯備液(2.2.8)，移入100 mL容量瓶中，用水稀釋至標線。

2.3 檢測流程

參考標準方法[1]并對LFS-2002水質分析儀平臺，進行在線流程編輯。取10 mL水樣于消解檢測池中，加入1.0 mL消解液(2.2.3)，在60 ℃下消解1 min；冷卻至常溫后加入1.0 mL調節液(2.2.6)將溶液pH調至中性；讀取池內液體570 nm波長基線值；再順序加入0.5 mL掩蔽劑(2.2.5)，1.0 mL緩沖液(2.2.4)，以及1.0 mL 顯色劑(2.2.7)，在70 ℃下反應2 min，冷卻至常溫后加入3.0 mL消解液(2.2.3)，混合均勻后于570 nm波長讀取樣品值，計算吸光度值，由吸光度折算鈷的濃度。

2.4 實驗條件優化

以基本測試流程(2.3)出發，按消解溫度和時間、顯色的時間和溫度、顯色劑用量、酸度調節用消解液用量、干擾及消除的反應條件順序逐一對測試流程進行優化。以優化后的條件對分析儀標定工作曲線，對鈷水質分析儀的性能進行系統地評價。

2.5 儀器性能驗證

根據環境監測儀器標準對同類在線分析儀器的要求，如《六價鉻水質自動在線監測儀技術要求》(HJ609-2011)[10]進行了性能評價。包括工作曲線、精密度和準確度、檢出限、加標回收率和儀器間比對。

3 結果與討論

3.1 顯色體系吸收光譜

參照基本測試流程(2.3)，以鈷離子濃度為0.4 mg/L的標準溶液代替水樣，以蒸餾水為參比，10 mm光程比色皿，在Evolution 300 紫外可見分光光度計上進行光譜掃描，測試450～650 nm的吸收光譜，結果如圖2所示，在波長560 nm處有最大吸收峰。后續試驗以560 nm為檢測波長。

圖2 顯色體系吸收光譜

3.2 消解溫度和時間

消解溫度的高低以及維持時間的長短對實際水樣中的鈷元素是否能完全轉成離子態至關重要。先以5 ℃為步距，試驗從50 ℃至95 ℃溫度范圍，對一較典型的工業廢水消解顯色后測試吸光度，結果如圖3所示，最終取70 ℃是作為消解溫度。確定消解溫度后，試驗消解時間，共試驗了6個點，吸光度測試結果如圖4所示，最終確定70 ℃消解2 min作為優化消解條件。

圖3 消解溫度影響

圖4 消解時間影響

3.3 顯色的時間和溫度

在室溫下，鈷離子與顯色劑(2.2.7)反應，顯色需要15 min以上才能達到最大吸光度，但是在沸水加熱中2～5 min即可顯色完全，但是顯色時間不宜過長，時間太長吸光度反而會降低，溶液濃度越大，吸光度值降低越多。

采用優化了的消解條件，試驗先選取70 ℃為顯色溫度，為確定最佳的顯色時間，以鈷離子濃度為0.5 mg/L的標準溶液代替水樣，實驗取1.0 min、2.0 min、3.0 min、5.0 min、7.5 min、10 min這6個時長為顯色時間，顯色后測試吸光度條件實驗，結果如圖5所示。顯色時間為3 min，體系吸光度最大且趨于平穩。

圖5 顯色時間影響

同樣，固定顯色時間為3 min，再試驗顯色溫度從50 ℃升至90 ℃不同顯色溫度顯色后的吸光度，結果如圖6所示，吸光度沒有顯著的升高或降低。最終確定顯色溫度條件為70 ℃下顯色3 min。

圖6 顯色溫度影響

3.4 顯色劑用量

以優化了的消解、顯色條件，參照標準流程加入顯色劑為1.0 mL，試驗了幾種不同體積用量顯色劑，吸光度測試結果如圖7所示。表明顯色劑用量在試驗到的幾種體積用量對吸光度無顯著影響，仍用標準流程的1.0 mL。

圖7 顯色劑用量影響

3.5 酸度調節用消解液用量

試驗中發現，對顯色后體系加入不同體積的消解液以調節顯色環境，將提升吸光度。同樣在1.0 mL加入量附近改變體積，結果如圖8所示。發現加至2.0 mL消解液后，顯色體系吸光度穩定增至0.9左右。確定酸度調節用消解液用量為2.0 mL。

圖8 酸度調節用消解液用量影響

3.6 干擾及消除

針對鈷測試，三價鐵、三價鉻為最普遍的干擾離子情況，配制鈷目標濃度為0.4 mg/L，其它干擾元素先三價鐵、后三價鉻、最后兩種干擾離子進行試驗，比較無干擾離子，5倍干擾離子、10倍干擾離子情況下的吸光度變化，發現出現了明顯的負干擾；后去掉用蒸餾水代替掩蔽劑(2.2.5)，發現干擾不再存在，吸光度恢復正常，最后結論是在前述優化條件下，為了消除實際水樣中的三價鐵、三價鉻離子干擾，不再需要掩蔽劑這一試劑。

3.7 工作曲線及測量范圍

鈷的濃度依次為0.0 mg/L、0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.3 mg/L、0.4 mg/L、0.5 mg/L，再按照(3.3)測試步驟，優化后的條件，以扣除試劑空白的吸光度對應的鈷濃度繪制標準曲線，如圖9所示。

圖9 鈷標準工作曲線

3.8 精密度及準確度

對3種不同濃度(0.10 mg/L、0.20 mg/L和0.40 mg/L)的鈷標準溶液，分別平行測定6次，計算不同濃度樣品的平均值、相對標準偏差、相對誤差，具體結果見表1。

表1 精密度及準確度測試

3.9 檢出限

采用濃度為0.05 mg/L的鈷標準樣品，進行7次平行測定，根據7次測定結果計算其標準偏差S，檢出限MDL=S×3.143。結果見表2。

表2 檢出限測試

3.10 加標回收率

測試兩種不同的實際水樣，生活污水與工業廢水，并根據測試結果向生活污水中加標0.04 mg/L，向工業廢水中加標0.2 mg/L，計算其加標回收率，具體結果見表3。

表3 加標回收率測試

3.11 實際水樣比對

為考察儀器測試數據的可比性，采用國家標準方法[5]，用Thermal Fisher 的iCAP RQ ICPMS進行了比對測試，結果如表4所示。

表4 實際水樣比對

4 結 論

通過系列的條件實驗。最終在LFS-2002水質分析儀平臺上測試鈷的優化流程為：10 mL水樣于消解檢測池中，加入1.0 mL消解液(2.2.3)，在70 ℃下消解2 min；冷卻至常溫后加入1.0 mL調節液(2.2.6)將溶液pH調至近中性；讀取池內液體560 nm波長基線值；再順序加1.0 mL緩沖液(2.2.4)，以及1.0 mL 顯色劑(2.2.7)，在70 ℃下反應3 min，冷卻至常溫后加入2.0 mL消解液(2.2.3)，混合均勻后于560 nm波長讀取樣品值，計算吸光度值，由吸光度折算鈷的濃度。

由優化后的條件對分析儀進行工作曲線標定，基本量程可測至0.5 mg/L，線性相關系數R2大于0.999。性能上，精密度、準確度都能在5%以內，檢出限0.0054 mg/L，加標回收率滿足85%～115%，實際水樣比對相對偏差小于15%。

采用優化條件的鈷水質分析儀可用于一般地表水、地下水及廢水等的監測。