阴离子表面活性剂会对水生生物及环境造成一定的危害和污染^[1],是当前水污染的重要指标.目前国内外的测量方法主要有分光光度法^[2]、荧光光度法^[3]、色谱法^[4]和流动注射分析法^[5]等.国家标准采用化学分析法——亚甲蓝分光光度法^[6].该方法具有灵敏度高、吸光度稳定、共存离子和干扰相对较小等特点,但是其操作步骤繁琐,测定时间长,而且由于采用氯仿(三氯甲烷)等有毒有机溶剂进行萃取,会对检测人员产生毒害作用.流动注射分析法是近几十年发展起来的一种新型、高效的连续流动分析技术,具有批量分析速度快、精确度和灵敏度高、试剂和样品消耗量少、操作自动化以及可与多种检测手段联用等特点^{[7, 8]},但在流动过程中测量也存在着不稳定、对实验条件要求苛刻的问题,而且与国家标准方法相比存在不同之处.本文在GB 7494—87^[9]基础上,将流动注射分析法与分光光度法相结合,设计新的流路,实现国家标准手动法的自动化测量.

整个自动检测法流路设计如图 1所示.阴离子表面活性剂与亚甲蓝阳离子反应生成蓝色离子对化合物,统称为亚甲蓝活性物质(MBAS).该物质在混合柱的作用下被氯仿萃取后通过第一个相分离器并自动分离,随后萃取液经过洗涤剂的洗涤,再通过第二个相分离器的作用,去除无机阴离子干扰物质(如NO^-3、Cl^-等无机阴离子),最后的萃取液进入光程为10 mm的比色皿中并在652 nm处进行测量,吸光度与阴离子表面活性剂的质量浓度成正比.完成测量后,比色皿中的废液自动排出.

图 1

Fig. 1

图 1 自动检测法流路设计图 Fig. 1 Flow chart of the automatic detection method

本实验所需的仪器设备和试剂分别如表 1、2所示.

表 1 (Tab. 1)

表 1 实验所需的仪器设备 Tab. 1 Experimental apparatus 仪器设备 规格 厂家 721N可见分光光度计 上海精密科学仪器有限公司 电子分析天平 Sartorius BS1105(精度0.000 1 g) 梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司 蠕动泵 5通道 保定申辰泵业有限公司 三通电磁阀 12 V 高砂电器(苏州)有限公司 氟橡胶泵管 内径分别为1.02、1.65 mm 特氟龙管 内径分别为0.89、1.85 mm

表 1 实验所需的仪器设备 Tab. 1 Experimental apparatus

表 2 (Tab. 2)

表 2 试剂规格和厂家 Tab. 2 Reagent specifications and corresponding manufacturers 试剂 规格 厂家 一水合磷酸二氢钠 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 浓硫酸(H2SO4,95%~98%) 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 氯仿( CHCl3) 分析纯 国药集团化学试剂有限公司 亚甲蓝(纯度为95%~99%) 分析纯 Sigma-Aldrich试剂有限公司 十二烷基苯磺酸钠(1 000 mg·L-1) GBW(E)081639 中国计量科学研究院

表 2 试剂规格和厂家 Tab. 2 Reagent specifications and corresponding manufacturers

移取 6.8 mL H₂SO₄(密度ρ₂₀=1.84 mg·L^-1)及50 g一水合磷酸二氢钠溶于纯水中并稀释至 1 000 mL,即获得实验所需洗涤液.亚甲基蓝溶液的配制:将30 mg亚甲基蓝 (C₆H₁₈CLN₃S·3H₂O) 溶于500 mL纯水中,加入6.8 mL H₂SO₄(ρ₂₀=1.84 mg·L^-1)及50 g一水合磷酸二氢钠,溶解后用纯水稀释至1 000 mL.十二烷基苯磺酸钠标准使用溶液[密度ρ(DBS)=10 mg·L^-1]的配制:取10 mL从中国计量科学研究院购买的样品编号为13093的十二烷基苯磺酸钠标准储备液[ρ(DBS)=1 000 mg·L^-1]于1 000 mL容量瓶中,再定容至刻度.绘制标准工作曲线所需溶液的配制:使用十二烷基苯磺酸钠作为标准使用溶液,配制质量浓度分别为0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0、1.2、1.5、2.0 mg·L^-1的溶液.

萃取是指物质在两种互不相溶(或微溶)的溶剂中具有不同的溶解度或分配系数,可以从一种溶剂内转移到另一种溶剂中,经过反复多次的萃取,将绝大多数的化合物提取出来的方法.本文以三氯甲烷为萃取剂,采用萃取管萃取反应后的蓝色缔合物.萃取管如图 2所示.

图 2

Fig. 2

图 2 萃取管 Fig. 2 Extraction column

其原理是：水样与亚甲蓝反应后再与三氯甲烷合并进入萃取管,在萃取管路中,氯仿相和水相分别被彼此截成一小段,也就是说,此时管路中以一小段水样、一小段氯仿的形式向前流动,混合液体通过缠绕在萃取柱上的管路,流动方向不断改变,实现碰撞振荡作用,完成萃取.图 3显示了自动萃取过程.由于氯仿相和水相以微小的量相互接触,只要氯仿和水样接触的相对面积足够大,接触的时间足够长,就能达到充分萃取.充分萃取后的管路如图 3(b)所示.

图 3

Fig. 3

图 3 自动萃取过程 Fig. 3 Automatic extraction process

本文分离模块采用耐腐蚀的聚四氟乙烯材料,在除控制变量以外其他各种因素(模块大小、分离膜、泵管、电机及蠕动泵)相同的前提下,选用聚四氟乙烯微孔分离膜孔径为0.22 μm、长度为8.5 cm、宽度为3.5 cm的折线型内置纹路的模块. 2.2.2 萃取管路长度的选择

整个流路的设计中需要使用两根萃取管:第一根位于第一个相分离器前,其作用主要是将水样与亚甲蓝溶液反应后生成的蓝色离子对化合物萃取到氯仿相中;第二根萃取管位于第二个分离模块前,其作用是用洗涤剂消除从第一个模块分离出来的氯仿相中的正干扰物质(如氯化物、硝酸盐、酚类、硫氰酸盐等).通过改变缠绕在萃取柱上的管路长度,先测定分离后氯仿相的吸光度以确定第一根萃取柱上管路的最佳长度,然后测量最终萃取液的吸光度以确定第二根萃取柱上的管路长度.最终确定第一、第二根萃取柱上的管路长度分别为290、250 cm.

在测量高浓度水样后再测量低浓度水样的中间必须经过清洗,否则上一水样的残留物会对下一水样造成污染.清洗的目的是将空白基线调至最低,减少残留物的干扰.本文选用2.0 mg·L^-1标准溶液,待测定的吸光度达到最大值后,将水样排空,换成蒸馏水,进样30 s后开始接收从第二个分离模块流出的萃取液,之后每隔90 s接收一次,连续测量,直至浓度降到最低值,记录测量结果及对应的时间.吸光度随清洗时间的变化如图 4所示.由图可知,测量高浓度水样后要清洗11 min才能将基线基本调至最低,因此本文清洗时间设为11 min.

图 4

Fig. 4

图 4 吸光度随清洗时间的变化 Fig. 4 Variation of the absorbance with the cleaning time

实验中,平行测量空白样20次以上,给定置信水平为95%时,最低检出限是所有空白值标准偏差的4.6倍^[9].本文在确保管路中无污染物的情况下,连续测量空白水样24次,记录各空白水样的吸光度,再根据所作的标准工作曲线的线性方程y=0.505 3x-0.001 2(其中:x为样品质量浓度;y为吸光度).将吸光度换算成对应水样的质量浓度,结果如表 3所示.

表 3 (Tab. 3)

表 3 24次空白水样测量结果 Tab. 3 Summary of blank test results 测量序号 水样质量浓度/(μg·L-1) 测量序号 水样质量浓度/(μg·L-1) 测量序号 水样质量浓度/(μg·L-1) 测量序号 水样质量浓度/(μg·L-1) 1 34.04 7 34.04 13 34.04 19 32.06 2 38.00 8 36.02 14 34.04 20 36.02 3 34.04 9 38.00 15 38.00 21 38.00 4 30.08 10 36.02 16 34.04 22 38.00 5 38.00 11 36.02 17 34.04 23 34.04 6 36.02 12 36.02 18 38.00 24 36.02

表 3 24次空白水样测量结果 Tab. 3 Summary of blank test results

表 3中24次空白水样测量结果标准偏差为2.124 μg·L^-1,则可获得该方法的最低检出质量浓度为0.01 mg·L^-1.根据GB 7494—87^[9] 阴离子表面活性剂的测定亚甲蓝分光光度法的最低检出质量浓度为0.05 mg·L^-1,而本文的方法最低检出质量浓度低于国家标准方法,满足检测要求.

分别选用质量浓度为0.1、0.8、1.5 mg·L^-1的水样连续测量6次,记录每个水样的吸光度后换算成对应的质量浓度,结果如表 4所示.

表 4 (Tab. 4)

表 4 精密度测量结果 Tab. 4 Accuracy of the method 测量序号 不同质量浓度水样的测量结果/(mg·L-1) 0.1 mg·L-1 0.8 mg·L-1 1.5 mg·L-1 1 0.101 0.780 1.550 2 0.107 0.774 1.544 3 0.099 0.794 1.512 4 0.103 0.780 1.497 5 0.107 0.772 1.514 6 0.105 0.814 1.489 平均值/(mg·L-1) 0.104 0.786 1.518 标准偏差/(mg·L-1) 0.003 0.016 0.025 相对标准偏差/% 3.11 2.00 1.63

表 4 精密度测量结果 Tab. 4 Accuracy of the method

由表 4可见,该方法在最低检出质量浓度附近的相对标准偏差较大,为3.11%;在测量高浓度时相对标准偏差较小,只有1.63%左右.无论高、低浓度测量值均满足《环境水质监测质量保证手册》^[11]中的规定:精密度即样品的室内相对标准偏差≤20%.

对该方法进行加标回收实验,在同一地表水样中分别加入质量浓度为0.2、1.0 mg·L^-1的加标物进行实验测量,结果如表 5所示.

表 5 (Tab. 5)

表 5 加标回收实验结果 Tab. 5 Summary of the recovery rate 水样质量浓度测量值/(mg·L-1) 加标物质量浓度/(mg·L-1) 加标后水样质量浓度测量值/(mg·L-1) 回收率/% 0.048 1 0.2 0.219 85.46 0.049 8 0.2 0.233 91.39 0.046 4 0.2 0.219 86.31 0.046 4 0.2 0.221 87.16 0.044 7 0.2 0.216 85.46 0.039 6 0.2 0.211 85.46 0.048 1 1.0 0.965 91.72 0.049 8 1.0 0.986 93.59 0.046 4 1.0 0.970 92.40 0.046 4 1.0 1.003 95.62 0.044 7 1.0 0.931 88.68 0.039 6 1.0 0.899 85.97

表 5 加标回收实验结果 Tab. 5 Summary of the recovery rate

由表 5可知,该方法的加标回收率在85.46%~95.62%之间,满足《环境水质监测质量保证手册》^[11]中的规定:当样品质量浓度≤0.2 mg·L^-1时,加标回收率为85%～120%.

本文设计了新的自动测量水中阴离子表面活性剂方法,包括流路和硬件,可完全实现国家标准手动法中进液、化学反应、萃取、分离及测量等繁琐的操作步骤自动化.实验表明,该方法测量水中阴离子表面活性剂的质量浓度范围为0~2.0 mg·L^-1,最低质量浓度检出限为0.01 mg·L^-1,相对标准偏差小于3.11%,加标回收率为85%~95%,均符合GB 7494—87的要求.