姚志鵬，陳 鵬，陳亞男，姜明岑，李曉明，劉 允，王明翠，劉喜惠，劉 京，楊 凱

1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012 2.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210019

在地表水的自然循環(huán)中，水中的還原性物質(zhì)(主要是有機(jī)物)消耗水體中的氧進(jìn)行生物降解，如果還原性物質(zhì)濃度較高，消耗水中的氧過(guò)快，將導(dǎo)致水體由于缺氧帶來(lái)的一系列不良變化。高錳酸鹽指數(shù)是表征水體中還原性物質(zhì)總量的一項(xiàng)綜合性指標(biāo)[1]，也是我國(guó)地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)的常規(guī)指標(biāo)之一。該指標(biāo)采用高錳酸鉀為氧化劑氧化水體中還原性物質(zhì)，通過(guò)所消耗氧化劑的量來(lái)確定水體中還原性物質(zhì)的量。該方法是環(huán)境監(jiān)測(cè)的經(jīng)典方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，長(zhǎng)期應(yīng)用于地表水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)[2]。該方法本質(zhì)上是一個(gè)限定了反應(yīng)條件的測(cè)試方法，氧化劑濃度、氧化酸度、反應(yīng)溫度和消解時(shí)間都會(huì)影響測(cè)定結(jié)果[3-10]。

高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的分析原理與經(jīng)典和國(guó)標(biāo)分析方法原理是一致的，只是將滴定終點(diǎn)由人工改由儀器自動(dòng)判定。但是在多年的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該儀器在實(shí)際應(yīng)用中存在質(zhì)控樣測(cè)試和實(shí)際水樣比對(duì)合格率相對(duì)偏低的問(wèn)題，給環(huán)境監(jiān)測(cè)工作者帶來(lái)了極大的困擾，儀器的使用和研發(fā)單位均做了多方面的研究和探討[11-13]。本文利用國(guó)控水站正在使用的高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，比較采用不同種類(lèi)和不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)儀器進(jìn)行定量分析的差異，就如何更好保證高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠進(jìn)行探討。

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器與經(jīng)典方法

1.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)試原理

與經(jīng)典方法一樣，采用高錳酸鉀在高溫和酸性條件下消解水樣，將其中的還原性物質(zhì)氧化。儀器自動(dòng)抽取一定量的樣品，加入定量的高錳酸鉀和硫酸溶液，在95～98 ℃條件下加熱15～30 min。定量方式分2種：

1)分光光度法。消解后，在525 nm波長(zhǎng)處測(cè)定溶液的吸光度，該吸光度與試液中的高錳酸鉀濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。依此關(guān)系，可根據(jù)吸光度計(jì)算試樣的高錳酸鹽指數(shù)。

2)氧化還原滴定法。消解后，向消解液中加入過(guò)量的草酸鈉還原剩余的高錳酸鉀，再用高錳酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液回滴過(guò)量的草酸鈉。采用ORP電極或比色法進(jìn)行滴定終點(diǎn)判定。

1.2 儀器測(cè)試條件與國(guó)標(biāo)方法比較

統(tǒng)計(jì)了國(guó)控水站在用高錳酸鹽指數(shù)儀器的量程、取樣量和試劑用量比例，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 國(guó)控水站高錳酸鹽指數(shù)儀器反應(yīng)條件與國(guó)標(biāo)方法比較Table 1 Comparison of reaction conditions for CODMn used by nationalwater monitoring station and standard method

6號(hào)儀器與國(guó)標(biāo)方法在試劑濃度比例和分析量程、稀釋條件上保持基本一致。該儀器的量程為0～5 mg/L，可將水樣稀釋1倍使量程擴(kuò)展至0～10 mg/L，進(jìn)一步將水樣稀釋至4倍，量程即可擴(kuò)展至0～20 mg/L。大多數(shù)儀器在取樣量、試劑濃度比、稀釋條件上與國(guó)標(biāo)方法均不相同，為分析測(cè)試時(shí)與國(guó)標(biāo)方法反應(yīng)條件等效帶來(lái)了較大難度。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與比較方法

本文采用的不同品牌高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)分析儀，均為國(guó)產(chǎn)且正在應(yīng)用于國(guó)控水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。實(shí)驗(yàn)中使用草酸鈉和葡萄糖2種物質(zhì)分別配制高錳酸鹽指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在同等大氣壓條件下，測(cè)試市場(chǎng)銷(xiāo)售的高錳酸鹽指數(shù)質(zhì)控樣品，探討測(cè)定結(jié)果的差異，為保證不同品牌儀器測(cè)試結(jié)果的一致性，提出確定儀器測(cè)定條件的原則。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

使用表1中的6號(hào)和3號(hào)儀器在不同的量程設(shè)定下測(cè)試草酸鈉和葡萄糖配制的標(biāo)準(zhǔn)溶液并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 6號(hào)儀器0～10 mg/L量程下草酸鈉和葡萄糖氧化效率變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trend of oxidation efficiencyof sodium oxalate and glucose in the 0-10 mg/Lrange of No.6 instrument

圖2 6號(hào)儀器0～20 mg/L量程下草酸鈉和葡萄糖氧化效率變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of oxidation efficiency ofsodium oxalate and glucose in the 0-20 mg/Lrange of No.6 instrument

圖3 3號(hào)儀器0～20 mg/L量程下草酸鈉和葡萄糖氧化效率變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of oxidation efficiency ofsodium oxalate and glucose in the 0-20 mg/Lrange of No.3 instrument

草酸鈉在測(cè)試條件下是可以完全消解的，儀器的技術(shù)要求[14]中之所以選用葡萄糖作標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是為了考核儀器的氧化效率，使其消解條件和測(cè)定結(jié)果能夠與經(jīng)典分析方法相匹配。從圖1～圖3可以發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的氧化效率在不同濃度下是不同的，是不呈線(xiàn)性規(guī)律的。葡萄糖的濃度越低，其氧化率也越低，隨著濃度升高，氧化效率也會(huì)提高，但是升到一定高度后氧化效率又會(huì)降低。

高錳酸鉀氧化葡萄糖的反應(yīng)方程式：

4MnO4+5C+12H+→4Mn2++5CO2↑+6H2O

(1)

式(1)反應(yīng)本身是一個(gè)自催化反應(yīng)，初始生成的Mn2+可以加快氧化反應(yīng)速率，提高氧化效率，使測(cè)定結(jié)果高于初始階段，但是隨著消解的進(jìn)行，試液中高錳酸鉀的濃度逐步減少導(dǎo)致氧化性減弱、氧化效率降低，最終測(cè)定結(jié)果偏低。在經(jīng)典分析方法的研究[15]中就發(fā)現(xiàn)取樣量對(duì)高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定結(jié)果有影響，當(dāng)取樣量過(guò)小、氧化劑量較大時(shí)，測(cè)定結(jié)果偏高；取樣量過(guò)大則隨著消解的進(jìn)行，測(cè)定結(jié)果會(huì)偏低。而自動(dòng)分析儀器參與消解反應(yīng)的試劑濃度比例與標(biāo)準(zhǔn)方法的差異，進(jìn)一步影響了葡萄糖消解反應(yīng)化學(xué)平衡的移動(dòng)，導(dǎo)致葡萄糖的消解效率在不同量程下均呈現(xiàn)出非線(xiàn)性趨勢(shì)。因此，在高錳酸鹽指數(shù)的儀器分析中，不能簡(jiǎn)單地采用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法進(jìn)行準(zhǔn)確定量分析。

3.2 質(zhì)控樣品的測(cè)試

選擇6號(hào)儀器在不同量程條件下測(cè)試一系列標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣品(葡萄糖配制)，結(jié)果表明：使用0～5 mg/L量程測(cè)量已知質(zhì)量濃度為2.98、3.89、4.67 mg/L 的樣品時(shí)，相對(duì)誤差均保持在±10%以?xún)?nèi)。使用0～10 mg/L量程測(cè)量已知質(zhì)量濃度為5.42、6.97、8.18 mg/L的樣品時(shí)，相對(duì)誤差也在±10%以?xún)?nèi)，但是測(cè)定低于5 mg/L 的已知樣品則存在較大負(fù)偏差，且濃度越低，負(fù)偏差越明顯。同樣，使用0～20 mg/L量程，測(cè)試低濃度樣品也均存在較大負(fù)偏差，測(cè)試16.1 mg/L的質(zhì)控樣品，相對(duì)誤差在±10%以?xún)?nèi)。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。表2的測(cè)試結(jié)果表明，只有采用合適的量程區(qū)域才能得到較為準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 6號(hào)儀器在不同量程下測(cè)試結(jié)果一覽表Table 2 List of test results of No.6 instrument at different ranges

3.3 不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的影響

選擇3號(hào)儀器，在0～20 mg/L量程下，使用2.00、16.00 mg/L草酸鈉配制標(biāo)準(zhǔn)溶液和2.79、7.75 mg/L葡萄糖配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別進(jìn)行校準(zhǔn)后測(cè)量不同濃度的質(zhì)控樣品(葡萄糖配置)，結(jié)果表明：①樣品濃度離校準(zhǔn)濃度越遠(yuǎn)測(cè)量相對(duì)誤差越大。②使用草酸鈉進(jìn)行2點(diǎn)校準(zhǔn)難以滿(mǎn)足整個(gè)量程的測(cè)量需求。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3和表4。

表3 使用3號(hào)儀器草酸鈉標(biāo)液兩點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)量葡萄糖標(biāo)樣的數(shù)據(jù)結(jié)果Table 3 The data result of measuring glucose prepared sample with sodiumoxalate standard two point calibration by No.3 instrument

表4 使用3號(hào)儀器葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液2點(diǎn)校準(zhǔn)測(cè)量已知濃度樣品的數(shù)據(jù)結(jié)果Table 4 The data results of measuring samples of known concentration with glucose standard solution two-point calibration by No.3 instrument

圖4中的3條工作曲線(xiàn)從上到下分別是葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液2點(diǎn)校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)、葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)溶液多點(diǎn)擬合工作曲線(xiàn)、草酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液2點(diǎn)校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)。其斜率不同，表示不同物質(zhì)氧化效率不同會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果帶來(lái)一定的偏差，校準(zhǔn)點(diǎn)的不同也同樣會(huì)影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確。采用相同物質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)定濃度在校準(zhǔn)范圍之內(nèi)才能最大程度保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖4 3號(hào)儀器草酸鈉及葡萄糖校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)對(duì)比Fig.4 Comparison of sodium oxalate and glucose calibration curves of No.3 instrument

還有一類(lèi)儀器，基礎(chǔ)量程設(shè)置為0～10 mg/L，當(dāng)切換到10～20 mg/L量程時(shí)，需要通過(guò)調(diào)整樣品、試劑的進(jìn)樣量來(lái)控制反應(yīng)試劑的濃度比，這種情況下需要分別對(duì)2個(gè)量程進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 結(jié)論

高錳酸鹽指數(shù)是一個(gè)條件實(shí)驗(yàn)的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，在目前自動(dòng)分析儀器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程中，參與反應(yīng)的試劑濃度及用量、取樣量和樣品的稀釋與實(shí)驗(yàn)室分析方法存在一定的差異，這些條件的任何改變都會(huì)直接影響對(duì)樣品的消解效率。因此，在儀器研發(fā)設(shè)計(jì)中就應(yīng)盡量保持自動(dòng)分析儀器的反應(yīng)條件、稀釋條件與標(biāo)準(zhǔn)方法一致，即取樣量與試劑用量比與標(biāo)準(zhǔn)方法一致，并根據(jù)樣品濃度變化實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換，分量程進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，以提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性和適用性。

對(duì)于現(xiàn)有量程設(shè)置和稀釋條件與標(biāo)準(zhǔn)方法不一致的高錳酸鹽指數(shù)自動(dòng)分析儀器，建議使用草酸鈉作為標(biāo)準(zhǔn)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液考察儀器多點(diǎn)線(xiàn)性的相關(guān)系數(shù)大于0.999，保證儀器分析的線(xiàn)性程度。樣品測(cè)試中使用葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，根據(jù)樣品的濃度范圍對(duì)儀器進(jìn)行2點(diǎn)校準(zhǔn)。針對(duì)不同的測(cè)定濃度范圍，分段進(jìn)行校準(zhǔn)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確和與手工方法的可比。同時(shí)結(jié)合儀器設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，更好地發(fā)揮儀器性能。