自動(dòng)化儀器在環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展

李少飛 ,姜麗麗

(1.山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,山東 煙臺(tái) 264000;2.山東潤(rùn)平環(huán)境科技有限公司,山東 煙臺(tái) 264000)

環(huán)境問(wèn)題是全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),環(huán)境監(jiān)測(cè)是環(huán)境管理的基礎(chǔ)和技術(shù)支持。隨著我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作的發(fā)展,2015 年以來(lái),國(guó)家及環(huán)保部門政策密集出臺(tái),先后發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)服務(wù)社會(huì)化的指導(dǎo)意見(jiàn)》《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》等一系列政策性文件,全面放開(kāi)服務(wù)性監(jiān)測(cè)市場(chǎng),加大對(duì)省市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心能力建設(shè)支持,環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)迎來(lái)發(fā)展好時(shí)機(jī),第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)數(shù)量激增,監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)儀器配置有了很大提升。環(huán)境監(jiān)測(cè)包含水、土、氣等幾大類上百個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,水環(huán)境監(jiān)測(cè)是工作的核心和重中之重,水常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)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(guó)家加大對(duì)水環(huán)境監(jiān)測(cè)和治理的力度,地表水、地下水和海水每個(gè)樣品都得監(jiān)測(cè)上述項(xiàng)目。大部分實(shí)驗(yàn)室采用手工監(jiān)測(cè),存在實(shí)驗(yàn)過(guò)程干擾多、分析條件差別大、效率低、平行性差等劣勢(shì),監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)人員數(shù)量有限,難以滿足大批量樣品監(jiān)測(cè)需求。

國(guó)內(nèi)儀器廠商加大常規(guī)項(xiàng)目自動(dòng)化儀器的研發(fā)和制造,這些儀器的應(yīng)用,減少了人力投入,節(jié)省試劑,減輕污染,準(zhǔn)確高效,已經(jīng)在部分實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用[1-4]。重金屬和有機(jī)污染物的分析儀器大多是從國(guó)外公司進(jìn)口,相關(guān)環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)全面且規(guī)范。常規(guī)項(xiàng)目自動(dòng)化儀器的研究和報(bào)道較少,與之配套的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以氣相分子吸收光譜儀、流動(dòng)注射儀等為主且大多應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)。2018—2020 年山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心相繼購(gòu)買了國(guó)產(chǎn)化的高錳酸鹽指數(shù)、化學(xué)需氧量、陰離子洗滌劑、石油類、總磷等自動(dòng)化儀器。針對(duì)近幾年環(huán)境監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)自動(dòng)化儀器配置和使用情況,本研究對(duì)常規(guī)項(xiàng)目手工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化儀器分析優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)歸納了重金屬和有機(jī)污染物的前處理設(shè)備和分析儀器,指出自動(dòng)化儀器在推廣普及中存在的問(wèn)題,并提出改進(jìn)措施。

1 常規(guī)項(xiàng)目手工操作和自動(dòng)化儀器對(duì)比

1.1 加熱滴定項(xiàng)目

高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量是水環(huán)境監(jiān)測(cè)的常規(guī)項(xiàng)目,手工監(jiān)測(cè)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(shí)間在2～3 h,費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

全自動(dòng)高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量分析儀,獨(dú)立的加熱控溫模式,溫度恒定,平行性好;恒溫滴定,終點(diǎn)判斷一致,不受樣品顏色、濁度雜質(zhì)等影響;各類試劑自動(dòng)計(jì)量運(yùn)行,缺液預(yù)警提醒用戶,人工只需要樣品添加、試劑配置和程序設(shè)定,大大提高了工作效率,手工操作和自動(dòng)化儀器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 手工操作和自動(dòng)化儀器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

1.2 萃取分光項(xiàng)目

陰離子洗滌劑、揮發(fā)酚和石油類等項(xiàng)目測(cè)定,每個(gè)樣品都需要手工萃取,勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低,三氯甲烷作為萃取劑,毒性大,即使防護(hù)措施得當(dāng),稍不經(jīng)意便給人體帶來(lái)極大傷害。

全自動(dòng)在線萃取分析儀,將樣品放入樣品盤,自動(dòng)完成樣品溶液配比、萃取、分析和數(shù)據(jù)處理等全過(guò)程,無(wú)需人員干預(yù)值守,減輕了對(duì)人體的損害,具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精密度高、準(zhǔn)確度好等優(yōu)勢(shì)(表1)。

1.3 氣相分子吸收光譜儀

氣相分子吸收光譜法通過(guò)將待測(cè)成分轉(zhuǎn)變成氣體分子載入測(cè)量系統(tǒng),測(cè)定其特征光譜吸收,樣品幾乎無(wú)需預(yù)處理,色度和濁度對(duì)分析無(wú)影響,測(cè)定速度快,結(jié)果準(zhǔn)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)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(cè)定法(表2)。

表2 自動(dòng)化儀器及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

1.4 流動(dòng)分析技術(shù)

根據(jù)丹麥學(xué)者J.Ruzicka 和EH.Hansen 提出的流動(dòng)分析技術(shù)概念設(shè)計(jì)的連續(xù)流動(dòng)和流動(dòng)注射儀,具有操作簡(jiǎn)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(diǎn),國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)有水質(zhì)氨氮、總氮、總磷、六價(jià)鉻、陰離子洗滌劑、氰化物、硫化物、揮發(fā)酚的流動(dòng)注射儀分析,水質(zhì)氨氮、總氮、總磷的連續(xù)流動(dòng)儀分析。

1.5 離子色譜儀

近年來(lái)離子色譜儀應(yīng)用于水質(zhì)常規(guī)項(xiàng)目的測(cè)定,可同時(shí)測(cè)定多個(gè)項(xiàng)目,已應(yīng)用于硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮等測(cè)定,隨著色譜功能的研究,會(huì)有更多常規(guī)項(xiàng)目用色譜測(cè)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(gè)樣品獨(dú)立加熱和自來(lái)水冷凝,存在操作繁瑣、過(guò)程需人員值守、易發(fā)生危險(xiǎn)等缺點(diǎn),工作效率低。

全自動(dòng)智能蒸餾儀,實(shí)現(xiàn)蒸餾過(guò)程無(wú)人工值守,操作簡(jiǎn)單,節(jié)水節(jié)電,具備精確控溫、循環(huán)冷凝、餾出液量任設(shè)等功能。資金有限的單位配制自動(dòng)蒸餾儀,節(jié)約蒸餾模塊人力和能耗,資金充裕單位可購(gòu)置項(xiàng)目的全自動(dòng)分析儀。

2 重金屬和有機(jī)污染物自動(dòng)化儀器

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

重金屬前處理需經(jīng)過(guò)消解趕酸。實(shí)驗(yàn)室前處理設(shè)備有電熱板、水浴鍋、微波消解儀、趕酸儀等,每個(gè)模塊都是分離開(kāi)來(lái),中間需要人工看守和轉(zhuǎn)移,分析效率低。近年來(lái)重金屬前處理設(shè)備更新?lián)Q代,一體化消解濃縮設(shè)備已在部分實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用[5-6](表3)。

表3 重金屬和有機(jī)污染物分析儀器

有機(jī)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(zhǔn)確性。揮發(fā)性有機(jī)物測(cè)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(shè)備,自動(dòng)化程度較高并有大量國(guó)標(biāo)實(shí)施;半揮發(fā)性有機(jī)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(duì)不同有機(jī)污染物,選擇合適的前處理技術(shù)(表3),樣品的加標(biāo)回收率范圍一般為60%～140%,萃取后有機(jī)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(dòng)量大。前處理是半揮發(fā)性有機(jī)物分析的重點(diǎn),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(shè)備已相繼研發(fā)成功,在少量實(shí)驗(yàn)室初步應(yīng)用,提高萃取效率和回收效率是以后研發(fā)的重點(diǎn),微萃取和質(zhì)譜技術(shù)是研究熱門,未來(lái)技術(shù)成熟后會(huì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用[10-14]。

3 存在問(wèn)題和改進(jìn)措施

3.1 產(chǎn)品穩(wěn)定性

近幾年國(guó)內(nèi)儀器公司研發(fā)投入高,競(jìng)爭(zhēng)激烈,某些儀器廠商為了搶占市場(chǎng),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(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可比性,應(yīng)加強(qiáng)儀器制造標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作,提高儀器穩(wěn)定性。

3.2 缺少配套國(guó)家監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

常規(guī)項(xiàng)目自動(dòng)化儀器已經(jīng)初步應(yīng)用,卻沒(méi)有相應(yīng)國(guó)家監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),部分實(shí)驗(yàn)室用自動(dòng)化儀器測(cè)定樣品,但是原始記錄還是用常規(guī)分析標(biāo)準(zhǔn)原始表格書(shū)寫(xiě),造成分析測(cè)試和原始記錄兩套系統(tǒng),違背質(zhì)量規(guī)定。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定部門和儀器公司聯(lián)合制定自動(dòng)化儀器監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)布,有利于自動(dòng)化儀器的推廣,提高監(jiān)測(cè)部門的工作效率。

3.3 檢出限偏高和測(cè)定范圍窄

自動(dòng)化儀器雖然提高工作效率和降低檢出限,但少數(shù)項(xiàng)目?jī)x器仍存在檢出限和測(cè)定下限偏高、測(cè)定范圍窄等不足。

對(duì)于低濃度樣品或者組分復(fù)雜有干擾、前處理繁瑣的樣品,采取手工監(jiān)測(cè),保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,同時(shí)對(duì)自動(dòng)化儀器進(jìn)行后續(xù)研發(fā),升級(jí)改造,以適應(yīng)復(fù)雜樣品分析,進(jìn)一步降低檢出限和測(cè)定下限。

3.4 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)選擇

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目既有手工監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),又有流動(dòng)注射等自動(dòng)化儀器標(biāo)準(zhǔn),各機(jī)構(gòu)選擇標(biāo)準(zhǔn)不同,導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較不一致,不利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

生態(tài)環(huán)境保護(hù)部門應(yīng)進(jìn)一步制定監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍和區(qū)域,各機(jī)構(gòu)根據(jù)實(shí)際情況配備相應(yīng)儀器,方法計(jì)量認(rèn)證,人員持證上崗,保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.5 儀器檢定和校準(zhǔn)規(guī)程

常規(guī)項(xiàng)目自動(dòng)化儀器缺少相對(duì)應(yīng)的儀器檢定和校準(zhǔn)規(guī)程,大多儀器處于不受控狀態(tài),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量不能保證。

國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)加快制定新型自動(dòng)化儀器的檢定和校準(zhǔn)規(guī)程,使儀器制造和使用處于同一標(biāo)準(zhǔn)和受控狀態(tài),以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確、全面。

3.6 合理配置儀器資源

因?yàn)樨?cái)政預(yù)算和資金問(wèn)題,儀器配置不均衡現(xiàn)象普遍存在,某些重點(diǎn)生態(tài)環(huán)境中心,單一型號(hào)大型儀器設(shè)備數(shù)量多,重復(fù)性建設(shè),儀器常年閑置造成資源浪費(fèi),某些監(jiān)測(cè)中心儀器數(shù)量少,儀器配置落后且超負(fù)荷工作,大部分第三方機(jī)構(gòu)儀器配置數(shù)量有限,并且以國(guó)產(chǎn)低配儀器為主,很難保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心垂直管理后,應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)有儀器配置和工作任務(wù)量,合理規(guī)劃每年的儀器經(jīng)費(fèi)劃撥,配置各單位儀器數(shù)量,避免造成資源浪費(fèi);第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)應(yīng)該加大儀器資金投入,相關(guān)部門對(duì)其儀器配置能否滿足監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定進(jìn)行檢查。

4 建議

(1)國(guó)內(nèi)儀器廠商側(cè)重于常規(guī)項(xiàng)目全自動(dòng)分析儀器研發(fā),產(chǎn)品檔次低,重金屬和有機(jī)污染物分析儀器以外資品牌為主,國(guó)內(nèi)廠商此方面研發(fā)能力弱,應(yīng)該鼓勵(lì)引進(jìn)國(guó)外儀器的關(guān)鍵技術(shù),先合資生產(chǎn),再逐步實(shí)現(xiàn)精密儀器國(guó)產(chǎn)化。

(2)根據(jù)《關(guān)于深化環(huán)境監(jiān)測(cè)改革提高環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的意見(jiàn)》并結(jié)合現(xiàn)有資源,加快建設(shè)專用儀器設(shè)備適用性檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室,推進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器的標(biāo)準(zhǔn)制定并結(jié)合其適用性大規(guī)模推廣應(yīng)用。

(3)借助國(guó)家扶持政策,加大環(huán)境科研投入,推進(jìn)儀器的產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)升級(jí),利用市場(chǎng)調(diào)控手段,淘汰研發(fā)技術(shù)薄弱、低水平重復(fù)、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力低的公司,實(shí)現(xiàn)適度規(guī)模化集約化生產(chǎn),形成一批自動(dòng)化儀器生產(chǎn)的骨干企業(yè)。

(4)加大基層環(huán)境監(jiān)測(cè)中心的實(shí)驗(yàn)室能力建設(shè),區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)測(cè)中心工作任務(wù)重和分析樣品數(shù)量多,應(yīng)加快儀器更新?lián)Q代,合理配比國(guó)產(chǎn)和進(jìn)口儀器,提高監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確度。

(5)加快自動(dòng)化儀器標(biāo)準(zhǔn)體系的建立,制定統(tǒng)一生產(chǎn)和準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)、校準(zhǔn)和核查標(biāo)準(zhǔn),確保儀器分析數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可比性。

(6)根據(jù)工作實(shí)際需求,加大對(duì)聯(lián)用技術(shù)的研發(fā),將前處理設(shè)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(shí)反映環(huán)境質(zhì)量參數(shù)。

(7)加強(qiáng)對(duì)質(zhì)譜和核磁共振等高精端技術(shù)的研究,實(shí)現(xiàn)樣品經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后直接進(jìn)樣分析,樣品用量少、分析時(shí)間短,提高定性和定量準(zhǔn)確性。

(8)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化儀器普及后的大數(shù)據(jù)分析和實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)傳輸功能,第一時(shí)間掌握環(huán)境質(zhì)量狀況,有利于生態(tài)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。