地表水中甲醛的光谱吸收曲线-线性拟合斜率-乙酰丙酮分光光度法检测

吴 悦，赖永忠

1. 汕头职业技术学院自然科学系，广东 汕头 515041 2. 汕头大学海洋生物研究所， 广东省海洋生物技术重点实验室，广东 汕头 515063 3. 汕头市环境保护监测站，广东 汕头 515041

甲醛作为致癌物之一，我国规定其在饮用水源水中限值为0.9 mg/L[1]。针对水质中甲醛的检测，方法主要有顶空-气相色谱法[2]、衍生-液相微萃取法[3]、2,4-二硝基苯肼衍生-高效液相色谱法[4]、2,4-二硝基苯肼衍生-分散液液微萃取-高效液相色谱/串联质谱法[5]、离子液体-液液微萃取-高效液相色谱法[6]、流动注射-分光光度法[7]、洋葱汁分光光度法[8]、电化学法[9-10]、氨基酸-乙酰丙酮分光光度法[11]、双波长-乙酰丙酮法[12-13]、三波长-乙酰丙酮法[14]、多波长-乙酰丙酮分光光度法[15]等。

有利于基层检测机构开展工作的可见-分光光度法被环境保护行业标准[16]所采用。然而，在地表水甲醛的日常检测工作中发现，即使无明显浊度的水样，经直接显色后测定吸光度，得出结果经常为有检出或明显检出，而显色后样品并无明显的亮黄色特征产物生成，且显色后样品经微孔滤膜过滤后，滤液结果往往为未检出[14-15]。针对这类微孔滤膜可除去的干扰[15]，近年来人们开发出碱性硫酸锌共沉淀法[17-18]、离心沉淀法[18]、浊度补偿法[19]、蒸馏法[16]、双波长法[12,14,20-24]、三波长法[14,25-26]、多波长法[27-29]等用于降低干扰的样品前处理方法或数据统计方法，其中双波长法、三波长法和多波长法与其他方法相比，只涉及增加检测波长数，具有不增加样品量、有利于提高工作效率和方法灵敏度、准确度和精密度等优点，已成功用于氟化物[20]、氨氮[21]、总氮[26]、总磷[29]、甲醛[12-15]、六价铬[22-25,27-28]等水质中污染物的紫外/可见-分光光度法检测。然而，水质中六价铬、甲醛的日常检测工作中，发现双波长法对浊度干扰的消除效果并不理想，特别是浊度较明显的样品，仍存在准确度问题。

郭岩等[27]建立了单位波长吸光度改变量-分光光度法(ACW-S法)，可用于六价铬[27]、总磷[29]和甲醛[15]检测，有利于提高可见-分光光度法的准确度和精密度，特别是针对带有浊度的实际样品，具有无需样品前处理等优点，有利于提高工作效率。鉴于ACW-S法的定量原理，我们认为“光谱吸收曲线-线性拟合斜率-分光光度法(SAC-LFS-S)”名称更贴切，后续表述中，所有文献涉及ACW-S法的表述，均改称为SAC-LFS-S。我们尝试将SAC-LFS-S法用于地表水中甲醛检测，发现此法仍存在消除干扰不彻底问题；吴鉴原等[28]针对这类情况，提出了针对性的优化思路，即筛选参比波长段，用于校正测定波长段，使得实际样品中六价铬的检测结果准确度得到进一步提高。本研究从样品的检测结果准确度为切入点，以3个独立批次试剂空白样品结果和浑浊雨季地表水样品及其沉降、过滤所得不同浊度梯度样品为筛选对象，结合不同批次标准点样品统计得到的方法检出限，筛选出450～500 nm等12个测定波长段，适用于450～500 nm测定波长段的参比波长段共3段。

1 实验部分

1.1 仪器

UV-2450型紫外/可见-分光光度计(日本岛津公司)；HH·S11·Cr2型电热恒温水浴锅(中国广东省汕头市医用设备厂)。

1.2 主要试剂

甲醛标准溶液(批号104117，100 mg/L，相对不确定度3%)、水质中甲醛质控样(批号204524；标准值0.915 mg/L，允许误差±0.051 mg/L)均购自生态环境部标准样品研究所。

显色液：取50.0 g乙酰铵(AR，广东光华科技股份有限公司生产，批号20170211)、6.0 mL冰乙酸(AR，广州化学试剂厂生产，批号20081008-2)和0.5 mL乙酰丙酮(AR，广东光华科技股份有限公司生产，批号20120114)依次溶解于100 mL超纯水中，混匀后放入4 ℃冰箱保存。

1.3 实验方法

标准曲线测定：取适量甲醛标准使用液于25 mL比色管内，用超纯水定容至刻度，得甲醛质量浓度分别为0.000 、0.100 、0.200 、0.500 、1.00、2.00、3.00 mg/L的标准曲线浓度系列，加入2.50 mL显色液，混匀后放入(60±2)℃水浴锅中反应15 min。水浴后用自来水浸泡降温至室温，混匀后检测吸光度(414 nm、480 nm)或吸收光谱(400～700 nm)，采用1 cm光程玻璃比色皿，参比溶液为超纯水。

水样测定：移取25 mL样品于25 mL比色管中，其余步骤与标准曲线系列检测步骤相同。

1.4 浊度梯度样品准备及检测

文献[15]采用人工制备的浊度模拟水样，而本研究采用雨季浑浊的汕头市庵埠断面地表水实际样品及其沉降水、中速滤纸过滤水、慢速滤纸过滤水等4个浊度梯度实际地表水样品，用于测定波长段及参考波长段的优化选择。移取25 mL浊度梯度样品至25 mL比色管，按水样测定步骤进行检测，同期测定浊度梯度加标样品回收率(加标质量浓度为0.400 、0.800 mg/L)及试剂空白，实验重复次数均为4次。

1.5 定量方法

单波长法：参照标准检测方法[16]，检测波长为414 nm，其吸光度A414未经任何校正，以下简称方法1。

双波长法[14]：在单波长法基础上，A414经480 nm处吸光度校正后用于定量分析的方法，以下简称方法2。

SAC-LFS-S法[15]：样品显色后测定吸收光谱，选择吸收峰右侧范围内的某段波长及其对应吸光度，对波长和吸光度进行线性拟合得到拟合直线斜率，此斜率与一定浓度范围内的甲醛成线性关系，以此用于甲醛的定量分析，以下简称方法3。

参比波长段-SAC-LFS-S法：在SAC-LFS-S法基础上，测定波长段经参比波长段校正后用于定量分析的方法，以下简称方法4。

2 结果与讨论

2.1 测定波长段筛选

在400～500 nm范围内，测定波长段选择规则参照文献[28]，以5的整数倍波长作为起始波长和结束波长，即波长跨度为6、11、16、21、26、31、36、41、46、51个波长，例如测定波长段为400～405、400～410、400～415、400～420、400～425、400～430、400～435、400～440、400～445、400～450 nm。

文献[27]的筛选条件侧重方法检出限和质控样结果准确度，文献[15]则剔除占比小于或等于50%的较大值对应测定波长段，这些筛选条件得出的试剂空白结果往往较高。本研究对准确度提出了更高的要求，筛选条件：①浊度梯度样品测定结果小于或等于方法1的2/5；②加标样品回收率与方法1相比，更接近100%，或在80%～120%之间。标准曲线及筛选结果分别见表1和表2，共筛选出满足条件的测定波长段包括425～435、420～435、420～440、415～440、415～445、410～445、415～450、410～450、455～495、410～455、405～455、450～500 nm等共12个。

由表2可知，原水及经沉降、滤纸过滤雨季浑浊的实际样品，得到不同浊度梯度，对应方法1测得均值依次为1.358 、0.746 、0.510 、0.320 mg/L，而采用方法2时，结果依次为0.178 、0.181 、0.147 、0.121 mg/L；即使采用未经参比波长段优化的方法3，测定值仍然明显检出(0.128 ～0.263 mg/L)。然而，这些地表水样品在实际进行测定时，均未产生明显的、肉眼可辨识的亮黄色特征化合物；从定性的角度，结果应为未检出，可见样品中存在阳性干扰物；各种定量方法所得加标样品回收率为79.8%～108.4%，说明存在的干扰物并未明显干扰显色反应。由上述结果可知，方法3测定带有明显浊度样品测定时，所得结果较方法1更贴近实际情况，具有更高的准确度。同时，方法3用于同批次标准点(0.100 mg/L)或不同批次标准点(0.050 、0.080 、0.100 mg/L)和质控样(批号204524)等基体干净、超纯水配制样品时，具有非常好的方法精密度(RSD为0.4%～8.4%，表1)。

2.2 参比波长段筛选

文献[28]筛选参比波长段时，以模拟浊度样品结果的加标回收率及其RSD、SAC-LFS-S法测定结果为准。多次研究结果表明，采用SAC-LFS-S法检测甲醛时，试剂空白结果往往比方法1和方法2高。本研究侧重试剂空白及浊度梯度样品结果的准确度，选择3个独立批次试剂空白测得值均较低的方法3(以450～500 nm为拟合测定波长段)，对其参比波长段的优化选择进行示范性研究(表3、表4)，目的为筛选方法检出限大于试剂空白且实际样品结果更接近实际情况的参比波长段。

因此提出如下筛选条件：①试剂空白测得均值小于或等于方法3；②不同浊度梯度样品测得均值需小于或等于方法3的0.4倍；③不同批次标准点水样(0.100 mg/L)测得均值与方法检出限比值为3～5[30]。上述筛选条件为一票否决制，筛选结果见表3，共筛选出455～465、480～495、450～490共 3个适合于450～500 nm测定波长段的参比波长段。

表1 标准曲线、标准点、质控样结果Table 1 Results of fitting calibration curve parameters, detection limits, precision tests and detection limits of SAC-LFS-S method

注：方法1表示单波长法，方法2表示单波长法经480 nm处吸光度校正的双波长法，方法3表示光谱吸收曲线-线性拟合斜率-分光光度法(SAC-LFS-S)；除不同批次标准点结果外，均已扣除试剂空白测定值；“—”表示无拟合测定波长段或拟合参比波长段。 下同。

表2 雨季汕头市庵埠地表水原水、沉降水、中速过滤水、慢速过滤水结果Table 2 Results of Anbu river water samples and its liquid supernatant or filtrate with different filter papers

表3 优化参比波长段后SAC-LFS-S法检测浊度梯度样品结果Table 3 Results of water samples with different turbidity by optimized SAC-LFS-S method

表4 优化参比波长段后SAC-LFS-S法的标准曲线参数、试剂空白、标准点、质控样结果Table 4 Results of fitting calibration curve parameters, detection limits, precision tests and detection limits of optimized SAC-LFS-S method

赖永忠等[15]研究表明，与未经任何样品前处理及吸光度校正措施处理的标准方法[16]定量结果相比，方法3测得实际样品结果与显色后过滤-单波长法(0.22 μm 滤膜)结果更接近，证实了方法3具有较高的准确度。由表3可知，方法4测定雨季浑浊地表水原水，测定均值为0.000 ～0.019 mg/L，小于对应方法检出限(0.025 ～0.033 mg/L，表4)，方法3测定均值为0.256 mg/L，优化前后的回收率为73.4%～83.2%；上述测定后样品，经慢速滤纸过滤，方法4测得滤液均值和回收率分别为0.008 ～0.013 mg/L和74.3%～81.0%，方法2测定结果分别为0.034 mg/L和11.2%。方法4直接测定高浊度地表水结果，非常接近滤液的方法4和方法2定量结果，证明方法4可非常好地消除高浊度带来的正干扰影响。

此地表水经沉淀或不同滤纸过滤得到的水样，方法4测定值在方法检出限附近，与定性未检出结果非常接近。方法4测定这些样品的结果远小于方法1、方法2和方法3，方法4测定结果与样品显色后无亮黄色产物生成的现象更吻合。说明方法4用于雨季浑浊地表水检测具有更好的准确度。

2.3 标准曲线、方法检出限、质控样检测

甲醛标准曲线质量浓度配制范围为0.100 ～3.00 mg/L，经455～465、480～495、450～490等参比波长段校正的方法4(测定波长段为450～500 nm)，对应拟合曲线的线性关系绝对值均大于0.999 9(表4)。

由于同批次标准点样品测定值统计得到的方法检出限非常低(低于试剂空白测定值，RSD为0.6%～8.4%，表1)，针对此种现象，文献[27]以统计结果与对应试剂空白结果之和作为方法检出限；为了更贴近实际检测工作，本研究统计10个独立批次标准点样品测定值(未扣除同批次试剂空白样品结果)，得到方法检出限为0.025 ～0.033 mg/L(表4)。

2个批次质控样(批号204524)结果均在允许偏差范围内，同批次0.050 、0.080 、0.100 mg/L纯水加标样品回收率为92.0%～101%(表4)，说明方法4用于纯水配制样品的测定具有良好的准确度和精密度。

2.4 实际样品检测

选择汕头市非雨季河流断面地表水(韩江流域隆都、冠山断面)和河溪水库地表水作为方法准确度、精密度验证样品，这些样品显色后均未出现特征性亮黄色产物，检测结果分别见表5～表7。由表5～表7可知，采用方法1时，样品本底测得结果为明显检出(0.073 ～0.230 mg/L)，显著高于方法2(0.012 ～0.039 mg/L)；从方法2结果可知，实际样品仍有轻微的甲醛检出(方法检出限0.012 mg/L)。

这些样品，即使采用方法3测定，隆都、冠山断面地表水结果均为0.048 mg/L，仍高于所有定量方法的检出限；方法4测得结果(-0.003 ～0.006 mg/L)均小于方法检出限。所有定量方法测定3个地表水的回收率为93.0%～103.1%。可见，方法4适用于非雨季地表水样品检测，结合表3雨季浑浊原水的结果(均值为0.000 ～0.019 mg/L，回收率为73.4%～108.8%)，表明方法4用于地表水样品的直接检测，具有良好的准确度和精密度。

表5 隆都断面地表水检测结果(n=4)Table 5 Results of Longdu river water samples

表6 冠山断面地表水检测结果(n=4)Table 6 Results of Guanshan river water samples

表7 河溪水库地表水检测结果(n=4)Table 7 Results of Hexi reservoir water samples

3 结论

光谱吸收曲线-线性拟合斜率-乙酰丙酮分光光度法(SAC-LFS-S)用于地表水中甲醛的直接检测，仍有一定准确度误差。本研究从3个独立批次试剂空白和不同浊度地表水结果的准确度出发，对适用于450～500 nm测定波长段的参比波长段进行了筛选。结果表明，经参比波长段校正后SAC-LFS-S法，非常适用于雨季和非雨季地表水样品中甲醛的直接检测，方法具有良好的准确度和精密度。