分光光度法高錳酸鹽指數自動分析儀應用研究

陳 陽，應志明，陳曉磊，李 智，付貴勤

（力合科技（湖南）股份有限公司，湖南 長沙 410205）

0 引言

有機污染物是環境污染物的主要類別之一，對人類健康和水生生態系統都有重大影響。在天然水中發現了2 000 多種有機污染物，在飲用水中檢測到1 000 多種有機污染物。人們很難估計天然水和飲用水中各種有機污染物的濃度。因此，化學需氧量（COD）已被作為評價有機污染水平的國際標準指標。根據消化過程中強氧化劑（K2Cr2O4或KMnO4）的不同，COD 通常分為CODCr和CODMn[1-2]。與CODCr相比，CODMn具有環境效益、經濟效益和安全性方面的優勢。許多國家頒布了地表水、地下水和飲用水中CODMn的國家標準，如中國、日本和歐盟[3-5]。

目前，傳統檢測地表水中高錳酸鹽指數的方法多為國標滴定方法（高錳酸鹽指數滴定法）[6]。但是該方法存在線性范圍窄、檢測流程復雜、測試時試劑及水樣使用量大、廢水處理成本高等問題。分光光度法通過測量物質對光的吸收程度對被測物質進行定性、定量分析[7]。該方法具有成本低、靈敏度高、重現性好、流程簡單等優點[8]。本文結合水質CODMn分光光度法和自動分析儀，提高了高錳酸鹽指數檢測的靈敏度和分析速度。

LFS-2002 高錳酸鹽指數分析儀針對市場需求及應用情況，采用高錳酸鉀氧化分光光度法，實現自動化檢測分析。該儀器可滿足現有生活飲用水、地表水監管及預警需求，為保障水健康安全提供了重要的支撐保障。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑與儀器（表1、表2）

1.2 溶液配制

高錳酸鉀標準儲備溶液：（c1/5KMnO4=0.010 0 mol/L），配制、標定、稀釋方法按酸性高錳酸鉀滴定法的要求。或使用有證標準物質。

硫酸亞鐵銨溶液：c[（NH4）2Fe（SO4）2]＝0.01000mol/L，用重鉻酸鉀標準溶液按下述方法標定濃度，此溶液可使用1 個月，或使用有證標準溶液。

鄰菲羅啉溶液，1.373 8 g/L。

硫酸溶液（1+3）：配制方法見酸性高錳酸鉀滴定法[9]。

高錳酸鹽指數標準儲備液：使用有證標準溶液，CODMn值為1 000 mg/L。

1.3 實驗方法

1.3.1 檢測原理

CODMn檢測原理：高錳酸鉀在酸性環境中將水樣中的還原性物質氧化，剩余的高錳酸鉀則被還原劑硫酸亞鐵銨還原，而過量的硫酸亞鐵銨與指示劑鄰菲羅啉生成穩定的橙色絡合物，于510 nm 處測定相應的吸光度，高錳酸鹽指數（以O2計）的質量濃度與吸光度呈正比。

1.3.2 實驗步驟

標準曲線繪制：分別準確移取0.5、1.0、3.0、5.0、10.0 mL 高錳酸鹽指數標準使用液（100 mg/L），加入到100 mL 容量瓶中，用純水定容至刻度線，搖勻。配制成0、0.5、1.0、3.0、5.0、10 mg/L 的標準系列使用液。取6 支消解管，分別加入0.5 mL 硫酸溶液（1+3），準確移取10 mL 純水和高錳酸鹽指數標準系列使用液，分別加入到以上6 個消解管中。依次加入1 mL 高錳酸鉀標準儲備溶液，混合均勻。將以上消解管置于已預熱至100 ℃的恒溫消解器內開始自動加熱，100 ℃加熱消解20 min。加熱結束后，立即取出消解管，上下顛倒幾次，放置在試管架上并迅速用流動的自來水降至室溫，向消解管中加入1 mL 硫酸亞鐵銨溶液，混勻。混勻后的溶液中移取2 mL 液體，加入5.0 mL 鄰菲羅啉溶液，再混勻，等待反應3 min。在分光光度計中選擇測量程序，于510 nm 處測量吸光度值。以吸光度為縱坐標，高錳酸鹽指數（以O2計）質量濃度為橫坐標，繪制標準曲線，從曲線上查出樣品中高錳酸鹽指數（以O2計）的質量濃度。

1.3.3 CODMn在線自動分析

在線自動檢測流程如圖1 所示，與國家標準規定的CODMn酸性滴定法相比，以硫酸亞鐵銨為還原劑避免了滴定過程，降低了工作量，減少了試劑使用量的同時降低了廢液產生量，同時可實現大批量水樣的同步檢測，更加安全、環保，是一種快速、簡便、可應用于自動監測儀表的新方法。此方法可解決在線應用上試劑消耗量大、對于整個硬件部分滴定泵精度要求較高問題。根據手工實驗優勢，搭建了基于硫酸亞鐵銨還原法的高錳酸鹽指數自動分析儀。

圖1 在線自動檢測流程

1.3.4 CODMn分析儀條件

自動在線儀器消解條件：溫度100℃，時間20min，自動儀器檢測波長510 nm。

1.3.5 標準曲線的繪制

本方法的工作曲線回歸方程：y=-0.007 2x2+0.208 6x+0.149 3，相關系數R2=0.999 9。線性關系良好，符合測試需求。標準曲線見圖2。

圖2 標準曲線

2 結果與討論

2.1 恒溫消解時間的影響

自動分析儀設置的條件測試質量濃度2 mg/L 樣品，并在同一溫度、消解時間為10、15、20、25、30 min下進行了消解實驗。表3 結果表明，采用2.0 mg/L 的質控樣在不同消解時間下結果均不相同。計算與提供的參考值比較，相對誤差分別為-46%、-24%、-2.5%、19%、60%。根據相對誤差絕對值的最小值可知，當選擇消解時間在20 min 時，測試結果與提供的參考值之間相對誤差最小，后續在線儀器選用的消解時間為20 min。

表3 消解時間對測定結果的影響（n=3）

2.2 恒溫消解溫度的影響

根據標準物質對恒溫消解溫度測定結果的影響。在消解時間20 min 下，測試質控樣，設置消解溫度分別為80、85、90、95、100 ℃實驗，測定3 次，各溫度下對應的相對誤差分別為-21%、-16.5%、-8%、-4%、-1%。從表4 相對誤差數據看，隨著消解溫度的提高，相對誤差逐級變小。按照相對誤差5%以內的評價要求，自動分析儀選用溫度超過95 ℃時，質控樣的測定誤差在5%以內，在線儀器選用消解溫度95 ℃作為實驗條件。

表4 消解溫度對測定結果的影響（n=3）

2.3 方法檢出限

對0.2 mg/L 的標準樣品進行7 次平行測定，按照公式MDL=3.143s 計算在線儀器的檢出限為0.037，按照四倍檢出限方式計算相應的定量下限，在線儀器的定量下限為0.15 mg/L。結果如表5 所示。

表5 方法檢出限

2.4 方法的準確度測試

使用質控樣編號203181（標準值為1.42 mg/L±0.19 mg/L）重復測定6 次，測試數據結果（如表6）與標準樣品值的相對誤差為1.20，在±5%以內，準確度滿足實驗要求。

表6 準確度測試

2.5 精密度的測試

為了驗證本方法對高錳酸鹽指數的精密度，對濃度1.0、2.0、4.0 mg/L 的標準溶液進行平行測試6 次，計算相對標準偏差，測試結果如表7 所示，3 組實驗的相對標準偏差在1.07%～4.28%之間，滿足在線儀器設備現場應用要求。

表7 精密度測試

2.6 加標回收率

對實際水樣進行加標回收分析，測定結果如表8所示。結果顯示，7 組水樣的加標回收率范圍為91.6%～103%，滿足實驗要求。

表8 加標回收率

2.7 與高錳酸鉀滴定法測定樣品結果比較

將兩種不同方法的在線儀器進行比較。一種為本方法，另一種是微國標法，測定結果見表9 所示。結果表明，CODMn分光光度法在線分析與國標滴定法的相對誤差范圍為-6.3%～6.3%，能滿足水質監測需求。

表9 高錳酸鹽指數的不同方法測定

3 結論

本實驗采用分光光度法在線自動測定水中高錳酸鹽指，檢出限為0.037 mg/L，最低檢測質量濃度為0.15 mg/L，對于與國標方法的測定下限（0.5 mg/L），該方法在檢出限上可降低3 倍。通過各個濃度準確度測試結果顯示，相對誤差為1.2%，表明該方法的準確度較好。精密度測試結果顯示，相對標準偏差范圍為1.07%～4.28%，表明該方法的重復性較好。采用標準物質對實際水樣進行加標，回收率范圍為91.6%～103.0%。此外，分別采用本方法和國標滴定法對水樣進行測定，結果顯示，該方法與國標滴定法的相對誤差范圍為-6.3%～6.3%，該誤差范圍在質控要求范圍內。且對草酸鈉、葡萄糖、間苯二酚3 種標準物質進行了測試，均符合性能要求。該方法基于直接比色測量方式，無需回滴定步驟，對于在線儀器而言，可節省高精度滴定模塊，進一步減少了儀器的運行成本以及相應的硬件成本，同時試劑和樣品消耗少，精密度和準確度均能滿足檢測的需求。