微型光电传感器的水质自动监测仪测定铁

王琳 李铁林 曾健华 李丽和 黎宁 卜秋荣

摘      要： 建立了基于光电传感器的水质自动监测仪，对检出限、精密度、准确度、量程范围、零点漂移等性能指标进行测试，同时测试标准样品、实际水样及加标回收率。结果表明，各项性能指标均满足仪器测试要求;标准样品测定值在保证值范围内，水样的加标回收率为99.5%～108%。该仪器及其监测方法可用于环境突发事件的预警、应急监测和在线监测等领域。

关  键  词：铁;微型光电传感器;自动监测

中图分类号：TQ911; X853; X505     文献标识码： A     文章编号： 1671-0460（2019）08-1740-04

Abstract： The determination method of iron in water by the automatic monitor with photoelectric sensor was established. The performance indexes of the method including the detection limit， precision， accuracy， measurement range and zero drift were tested. The standard sample and actual water sample were determined by the method， and the standard recovery rate was tested. The results indicated that all the performance indexes met the requirements of instrument testing， the laboratory test result of iron certified reference material was in the permission range， the recoveries of water samples ranged from 99.5% to 108%.The miniature photoelectric automatic monitoring instrument and the determination method are suitable for early warning， emergency monitoring and on-line monitoring of environmental emergencies.

Key words： iron; miniature photoelectric sensor; automatic monitoring

铁在地壳中的含量非常高，是动物维持生命和生长发育所必需的微量元素之一[1]，同时也是人体内含量最多的必需微量元素[2]。铁在水质中主要以可溶态和不可溶态存在，其中可溶态铁对环境的变化比较敏感，水质中的Fe2+和 Fe3+有很强的水解能力[3]。在以稻米为主要营养和能量补给的亚洲地区，患有铁元素缺乏症的人数日渐增长[4]，而过量摄入铁元素又可能导致血清铁蛋白（serum ferritin）的异常升高[5]，并可能增加促成2型糖尿病的风险[6]。环保部门为了准确高效地了解地表水及企业排放废水中的铁含量，出台了很多有效的方案或规定，并颁布实施标准及技术规范。自动监测仪器[7]使环保部门在水污染预警和应急监测方面得到快速响应并能及时处置突发事件，为环保部门了解河流水质变化及企业在线检测排污口水质浓度提供硬件支撑及关键技术[8]。

目前水质中铁的分析方法主要有分光光度法等实验室方法[9-12]。这些标准的实验方法存在试剂配制复杂、实验时间过长、操作麻烦、数据处理繁琐等缺点，不能满足应急监测必须快速响应的要求。而光电传感器具有非接触、反应快、精度高、可靠性高、可测参数多、形式灵活等优点，在自动监测技术中已得到广泛的应用[13]。

本文利用基于微型光电传感器的LFS-2002（Fe）水质自动监测仪测定水质中的铁含量，该仪器携带方便、操作简单、样品分析时间短，可用于应急监测和在线监测等领域。

1  实验部分

1.1  主要仪器和试剂

仪器：LFS-2002（Fe）水质自动监测仪，移液管，试剂瓶。主要试剂：铁标准样品（环境保护部标准样品研究所，100 mg·L-1），浓硝酸（GR），盐酸羟胺（GR），邻菲罗啉（AR）。

1.2  仪器工作原理

LFS-2002（Fe）水质自动监测仪测试铁的工作原理如图1所示。仪器通过柱塞泵以非接触方式进行采样，在适当的温度下，采集的样品在一体化消解/检测池中通过消解液进行消解，使样品中的化合态铁元素全部转化为离子态铁，调节溶液的pH值，在一定的条件下用盐酸羟胺将高价铁还原为Fe2+，在pH值为4～5条件下，Fe2+与邻菲罗啉生成稳定的橙红色络合物，根据邻菲啰啉分光光度法[14]在510 nm处检测出吸光度值Ar，由標准曲线及Ar值计算出铁的浓度。

1.3  实验过程

选取A量程：0～1 mg·L-1 和B量程：0～100 mg·L-1，分别绘制标准工作曲线，对仪器的检出限、精密度、准确度、量程范围、零点漂移、有证标准样品及实际水质样品、加标回收率[15]等进行测试，样品测试周期为30 min。

1.4  标准曲线绘制

按照仪器标准曲线的绘制要求，A量程分析铁标准溶液分别为0.00、0.25、0.50、0.75、1.00 mg·L-1的标准系列，B量程分析铁标准溶液分别为0.00、25.0、50.0、75.0、100.0 mg·L-1的标准系列，以吸光度值Ar为纵坐标，对应的铁标准溶液浓度为横坐标，绘制铁标准曲线，分别见图2和图3。A量程回归方程的线性相关系数为0.999 3，B量程回归方程的线性相关系数为0.999 1，线性关系均满足分析方法要求。

2  实验结果与讨论

2.1  检出限

仪器按照样品分析的全部步骤，重复7次测定浓度为0.03 mg·L-1的铁标准溶液，7次测试结果的平均值为x=0.027 3 mg·L-1，标准偏差为S=0.000538，仪器的检出限定义为3倍标准偏差，因此该仪器的检出限LDOD=3×S=0.001 6 mg·L-1，满足仪器考核指标中检出限（0.01 mg·L-1）的质量控制要求。

2.2  精密度

用仪器重复6次测定浓度分别为A量程（0.50 mg·L-1）和B量程（50.0 mg·L-1）的铁标准溶液，根据测定结果计算平均值、标准偏差、相对标准偏差，测定结果见表1。精密度以相对标准偏差来判定，由表1可见，仪器在A、B量程的精密度分别为0.45%和0.65%，两者均满足仪器考核指标中精密度（≤5%）的质量控制要求。

2.3  准确度

用仪器重复7次测定浓度分别为A量程（0.20、0.80 mg·L-1）和B量程（20.0、80.0 mg·L-1）的铁标准溶液，根据测定结果计算平均值及其相对误差，测定结果见表2。准确度以最大相对误差来判定，由表2可见，仪器在A、B量程的准确度为分别为7.85%和-2.15%，两者均满足仪器考核指标中准确度（-10%～10%）的质量控制要求。

2.4  量程范围

对B量程上限值100%的铁标准溶液（100.0 mg·L-1）连续测定7次，根据测定结果计算平均值、相对标准偏差（精密度）及平均值与标准溶液浓度的相对误差（准确度）来检验仪器是否能够满足量程范围的要求，结果见表3。由表3可见，仪器在B量程上限值100%的铁标准溶液（100.0 mg·L-1）测试下，精密度为0.67%，准确度为-5.58%，满足仪器测试中精密度（≤5%）和准确度（-10%～10%）的质量控制要求。

2.5  零点漂移

用仪器3倍检出限的铁标准溶液（0.03 mg·L-1）作为零点校准液，连续重复测定24次（1次/h）。根据测定结果计算相对误差，并以准确度来判定零点漂移，结果见表4。由表4可见，仪器在A量程零点漂移的准确度为-4.67%，满足测试中准确度（-10%～10%）的质量控制要求。

2.6  样品测试及加标回收率试验

对标准值为（0.646 ±0.031）mg·L-1的铁标准样品及两个水质样品的质量浓度和加标回收率进行测定分析，测定结果分别见表5和表6。

结果表明，铁标准样品及两个水质样品的相对标准偏差（RSD）分别为0.52%、4.16%和2.44%，满足仪器测试中精密度（≤5%）的质量控制要求;加标回收率为99.5%～108%，满足仪器自动监测的质量控制要求。

3  结 论综上所述，基于微型光电传感器的水质自动监测仪性能指标检出限、精密度、准确度、量程范围、零点漂移均满足仪器测试要求，有证标准样品及实际水质样品测试和加标回收率均满足仪器自动监测的质量控制要求。因此，LFS-2002（Fe）水质自动监测仪可应用于地表水及污染源废水处理后外排自动监测，既可集成在自动监测车上进行移动巡测，也适用于固定自动监测站点水质自动监测站的组建。适用范围广，自动化程度高，运行稳定，可为环保部门和企业了解水质变化提供参考依据。

参考文献：

[1]刑立东，周明. 微量元素铁的研究进展[J]. 饲料与畜牧，2014 （6）： 57-63.

[2] 杨真，罗海吉. 缺铁性贫血及补铁剂研究进展[J]. 国外医学卫生学分册，2006， 33 （2）： 90-93.

[3] 贾国东，钟佐燊. 铁的环境地球化学综述[J]. 环境科学进展，1998， 7 （5）： 74-84.

[4] 刘凯，张祥喜，魏本华，等. 铁的生理功能与富铁水稻的研究进展[J]. 江西农业学报，2008， 20 （9）： 22-26.

[5] 廖益均，石彦波，周志钦，等. 铁与2型糖尿病发病的最新进展[J]. 生命科学，2012， 24 （8）： 794-802.

[6] Fernandez-Real JM， Lopez-Bermejo A， Ricart W. Cross-talk between iron metabolism and diabetes[J]. Diabetes， 2002， 51 （8）： 2348-2354.

[7] 潘艳，李丽和，蓝月存，等. 微型光电重金属水质自动监测仪测定重金属铜[J]. 广东化工，2018， 45 （1）： 178-180.

[8] 支凯锋，张育飒. 基于分布式紫外-可见光谱法水质在线检测监测系统研究—面向地表水环境[J]. 当代化工，2018， 47 （11）： 2481-2484.

[9] 林庆光. 原子吸收分光光度法与二氮杂菲分光光度法测水中铁的比较[J]. 中国热带医学，2008， 8 （6）： 1034-1035+1052.

[10] 曾秋莲，徐芬. 火焰原子吸收光谱法测定水样中的微量铁[J]. 江西化工，2014 （2）： 142-144.

[11] 王潮. 電感耦合等离子体发射光谱法测定地表水中的15种重金属元素（铜锌铅镉镍铁锰钡铍钴钼钒钛锑硼）[J]. 广东化工，2016， 43 （7） ： 205+212.

[12] 李敏，连晓文，梁旭霞，等. 电感耦合等离子体质谱法测定水中低浓度铁受钙干扰的消除[J]. 理化检验（化学分册），2012， 48 （7）： 815-817.

[13] 寻艳芳. 光电传感器的原理及应用[J]. 科技资讯，2012 （36）： 117-117.

[14] 张盈盈，朱红彬，常学煜，等. 高硫容HG络合铁脱硫剂的研究[J]. 当代化工，2017， 46 （1）： 57-60+118.

[15] 王云，王乐新，许思思，等. 水质重金属自动在线监测仪校准方法探讨[J]. 中国计量，2016 （7）： 88-89.