水中六價(jià)鉻測(cè)定方法的優(yōu)化分析

尚文健(北京市通州區(qū)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站，北京 101100)

0 引言

六價(jià)鉻是第一類污染物，具有很強(qiáng)的生物蓄積性，對(duì)人體健康和環(huán)境都極具危害，因此對(duì)六價(jià)鉻的準(zhǔn)確測(cè)定在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作中具有重要意義。目前，GB/T 7467—1987《水質(zhì) 六價(jià)鉻的測(cè)定 二苯碳酰二肼分光光度法》[1]測(cè)定地表水和工業(yè)廢水中六價(jià)鉻是日常監(jiān)測(cè)分析中經(jīng)典且應(yīng)用普遍的方法。方法中所使用的丙酮和濃硫酸對(duì)人體健康有害[2]。目前，探索對(duì)人體和環(huán)境都無毒無害的分析方法已成為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要任務(wù)及大勢(shì)所趨。本文依據(jù)GB/T 7467—1987的測(cè)定原理，運(yùn)用回歸分析及方差分析對(duì)國標(biāo)法的顯色劑溶劑和反應(yīng)酸度來源進(jìn)行優(yōu)化分析，并對(duì)優(yōu)化方法的檢出限、精密度和準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

GB/T 7467—1987測(cè)定水中六價(jià)鉻的方法原理是：在酸性條件下，六價(jià)鉻與顯色劑二苯碳酰二肼反應(yīng)生成二苯偶氮碳酰肼，六價(jià)鉻自身被還原為三價(jià)鉻并與二苯偶氮碳酰肼絡(luò)合生成紫紅色化合物，于波長540 nm處進(jìn)行分光光度測(cè)定[3-4]。

1.2 技術(shù)路線

(1)顯色劑溶劑：國標(biāo)法所用顯色劑是將二苯碳酰二肼溶于丙酮中。丙酮有毒、易揮發(fā)、易制毒，長期使用會(huì)對(duì)分析人員身體健康及環(huán)境造成損傷。由于二苯碳酰二肼微溶于水，溶于熱醇及丙酮，分析乙醇、丙酮兩種溶劑的對(duì)比測(cè)試效果。

(2)反應(yīng)酸度來源：國標(biāo)法用硫酸溶液和磷酸溶液共同提供反應(yīng)酸度。為保持最佳顯色酸度[3]，分析實(shí)驗(yàn)室常用酸(硫酸、磷酸、鹽酸)在與國標(biāo)法同等酸度條件下的對(duì)比測(cè)試效果。

1.3 主要儀器與試劑

(1)儀器：7230G可見分光光度計(jì)，E300H超聲波清洗器，50 mL具塞比色管等。

(2)試劑：硫酸 (ρ=1.84 g/mL，優(yōu)級(jí)純 )，磷酸 (ρ=1.69 g/mL，優(yōu)級(jí)純)、鹽酸(ρ=1.19 g/mL，優(yōu)級(jí)純)、二苯碳酰二肼(優(yōu)級(jí)純)，丙酮、95 %乙醇均為分析純，鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所)，實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

在50 mL具塞比色管中，加入一定體積的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液或水樣，用去離子水稀釋至標(biāo)線，分別加入一定量的酸和二苯碳酰二肼顯色劑，搖勻，放置10 min，在波長540 nm條件下用30 mm比色皿，以實(shí)驗(yàn)用水為參比，測(cè)定吸光度值。

(1)顯色劑的配制

國標(biāo)法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL丙酮中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲(chǔ)于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

乙醇法：稱取0.2 g二苯碳酰二肼，溶于50 mL95 %乙醇中，加水稀釋至100 mL，搖勻，儲(chǔ)于棕色試劑瓶中，置于冰箱。

(2)酸的配制

(1+1)硫酸，(1+1)磷酸，鹽酸。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯色劑優(yōu)化的回歸分析

取兩組9支50 mL具塞比色管，分別加入濃度為1.00 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液 0、0.20、0.50、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL，用去離子水稀釋至標(biāo)線，加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻。第一組中分別加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；第二組中分別加入2.0 mL以95 %乙醇為溶劑的顯色劑；依實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定吸光度值。對(duì)用丙酮和乙醇分別作為顯色劑溶劑的兩種方法制作校準(zhǔn)曲線，經(jīng)回歸分析統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[5-6]，結(jié)果表明兩條曲線無顯著性差異，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表明在固定酸度的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統(tǒng)差異。

表1 兩校準(zhǔn)曲線回歸分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，室溫下二苯碳酰二肼不太容易溶解于乙醇，可用超聲波加速溶解，效果明顯。經(jīng)測(cè)試觀察，乙醇作為溶劑的顯色劑至少可保存一周，因平時(shí)儲(chǔ)存于冰箱中，從冰箱取出來后可見瓶底有溶質(zhì)析出，放置室溫后經(jīng)超聲波促進(jìn)溶解，不影響使用。比較丙酮和乙醇兩種溶劑，乙醇具有無毒且便于購買的優(yōu)勢(shì)，可運(yùn)用超聲波加速溶解彌補(bǔ)其對(duì)二苯碳酰二肼溶解性稍差的缺點(diǎn)。

2.2 顯色劑和酸優(yōu)化的雙因素方差分析

由實(shí)驗(yàn)原理，六價(jià)鉻的測(cè)定過程中，顯色劑和反應(yīng)酸度是完成測(cè)定的兩個(gè)要素。設(shè)因素一為二苯碳酰二肼溶劑，兩水平分別為1.丙酮、2.乙醇。因素二為同等反應(yīng)酸度的不同來源，選用實(shí)驗(yàn)室常用酸，四水平為A(硫酸+磷酸)、B硫酸、C磷酸、D鹽酸。

取兩組8支50 mL具塞比色管，依次加入濃度為1.00 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液3.00 mL，用去離子水稀釋至標(biāo)線，于每組1、2號(hào)比色管中分別加入(1+1)硫酸和(1+1)磷酸各0.5 mL，搖勻；每組3、4號(hào)比色管中分別加入(1+1)硫酸1.1 mL，搖勻；每組5、6號(hào)比色管中分別加入(1+1)磷酸0.9 mL，搖勻；每組7、8號(hào)比色管中分別加入鹽酸1.7 mL，搖勻。向第一組比色管中依次加入2.0 mL以丙酮為溶劑的顯色劑；向第二組比色管中依次加入2.0 mL以乙醇為溶劑的顯色劑；依實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定吸光度值。對(duì)測(cè)定結(jié)果做雙因素等重復(fù)試驗(yàn)方差分析，結(jié)果見表2。

結(jié)果表明：(1)在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對(duì)測(cè)定結(jié)果均無顯著性差異。(2)對(duì)(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸、鹽酸這四個(gè)不同酸的來源，尚不能明確判斷測(cè)定結(jié)果間有無顯著性差異；而(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸這三個(gè)水平下，可以明確判斷測(cè)定結(jié)果間無顯著性差異。盡管鹽酸也是實(shí)驗(yàn)室常用酸，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，暫不考慮鹽酸在此方法中的應(yīng)用。從分析結(jié)果來看，用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸來控制反應(yīng)酸度都是可行的。(3)顯色劑溶劑與反應(yīng)酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。資料表明[7]，分光光度法測(cè)定六價(jià)鉻時(shí)，加入磷酸可與三價(jià)鐵形成穩(wěn)定的無色絡(luò)合物，消除三價(jià)鐵干擾，同時(shí)磷酸也和其他金屬離子絡(luò)合，避免一些鹽類析出而產(chǎn)生渾濁。綜上，為兼顧實(shí)驗(yàn)效果及便于操作，后續(xù)研究應(yīng)用乙醇作為顯色劑溶劑、磷酸作為反應(yīng)酸度來源。

表2 雙因素等重復(fù)試驗(yàn)方差分析結(jié)果(n=2)

2.3 優(yōu)化方法的驗(yàn)證

由2.1和2.2部分的探討，本部分對(duì)用乙醇為顯色劑溶劑、磷酸為反應(yīng)酸度來源的優(yōu)化方法進(jìn)行方法可行性驗(yàn)證[8]。

2.3.1 檢出限

因國標(biāo)方法檢出限為0.004 mg/L，配制濃度為預(yù)期方法檢出限5倍(即0.020 mg/L)的樣品，按照實(shí)驗(yàn)方法共進(jìn)行7次平行測(cè)定，結(jié)果見表3。優(yōu)化方法測(cè)定的六價(jià)鉻檢出限＜0.004 mg/L，符合方法要求。

表3 方法檢出限

2.3.2 有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度

采用來自生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的編號(hào)為203349、203357、203360的有證標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別平行測(cè)定6次，分析及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。結(jié)果表明，三個(gè)六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)樣品的測(cè)定結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)樣品的參考值范圍內(nèi)，說明此方法對(duì)有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度滿足質(zhì)控要求[5]。

2.3.3 實(shí)際樣品的精密度和準(zhǔn)確度

采集通州區(qū)實(shí)際水樣(某地表水、某工業(yè)廢水、某污水廠出水)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按照實(shí)驗(yàn)方法分別測(cè)定6次，考察方法精密度(因目前實(shí)際水樣中六價(jià)鉻含量較低，為便于驗(yàn)證方法精密度，對(duì)第3組樣品加標(biāo)制作為分析用樣品)。對(duì)第2、3組實(shí)際樣品進(jìn)行加標(biāo)回收分析，考察方法準(zhǔn)確度，分析及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。經(jīng)驗(yàn)證，三個(gè)實(shí)際水樣相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于15 %，測(cè)定值加標(biāo)回收率在85 %～115 %范圍內(nèi)，說明此方法對(duì)實(shí)際水樣的精密度和準(zhǔn)確度滿足質(zhì)控要求[5]。

表4 有證標(biāo)準(zhǔn)樣品的精密度和準(zhǔn)確度

表5 實(shí)際樣品的精密度和準(zhǔn)確度

3 結(jié)語

對(duì)二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定水中六價(jià)鉻國標(biāo)方法進(jìn)行優(yōu)化分析，得到以下結(jié)論：(1)不同顯色劑溶劑校準(zhǔn)曲線回歸分析表明，在反應(yīng)酸度基本一致的條件下，乙醇溶劑和丙酮溶劑這兩種方法不存在系統(tǒng)差異，可用超聲波促進(jìn)溶解來解決二苯碳酰二肼在乙醇中的溶解性稍差的問題。(2)雙因素(顯色劑溶劑和反應(yīng)酸度來源)等重復(fù)試驗(yàn)方差分析表明，在同等酸度水平下，兩溶劑(丙酮、乙醇)對(duì)測(cè)定結(jié)果無顯著性差異；用(硫酸+磷酸)、硫酸、磷酸作為酸度來源的測(cè)定結(jié)果無顯著性差異；溶劑與顯色酸度來源之間的交互作用無顯著性差異。(3)確定優(yōu)化方案，用乙醇代替丙酮作為溶劑配制二苯碳酰二肼顯色劑，用磷酸提供反應(yīng)酸度，可降低試劑對(duì)人體和環(huán)境的損害，同時(shí)簡(jiǎn)化操作步驟。驗(yàn)證此方法檢出限、精密度和準(zhǔn)確度，結(jié)果與國標(biāo)法無顯著性差異，能夠達(dá)到國標(biāo)法測(cè)定六價(jià)鉻的質(zhì)量保證要求。(4)目前國標(biāo)/行標(biāo)方法測(cè)定水中六價(jià)鉻均用到丙酮和濃硫酸，分析結(jié)果可為推動(dòng)水中六價(jià)鉻國標(biāo)/行標(biāo)方法的優(yōu)化提供技術(shù)支撐。