姜黃素分光光度法測定水中硼的優(yōu)化檢測條件研究

邢書才 楊永 岳亞萍

摘要：針對姜黃素光度法測定水中硼分析方法存在的問題，研究和優(yōu)化分析測定的實驗條件。采用方法研究的方式，對樣品顯色反應(yīng)的蒸發(fā)條件進(jìn)行改良，用普通烘箱替代水浴條件，對樣品進(jìn)行顯色和蒸發(fā)處理;同時，通過對分析方法校準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)點的重新設(shè)置，拓寬方法測定范圍，也使校準(zhǔn)曲線的線性以及精密度得以顯著提高。補充試劑空白試驗，增加測定下限處的標(biāo)準(zhǔn)點;并從分析測定質(zhì)量控制角度，對校準(zhǔn)曲線制備中，0.10～1.00mL標(biāo)準(zhǔn)溶液過小的加入量進(jìn)行改進(jìn)，變?yōu)榻y(tǒng)一體積量的一致性加入，減小了分析誤差的幾率。研究結(jié)果表明，改良后的實驗條件，分析方法的檢出限為0.019mg/L，測定下限為0.076mg/L;測定范圍為0.080～1.4mg/L，比改進(jìn)前拓寬了40%。精密度測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3.0%，準(zhǔn)確度的檢驗結(jié)果符合方法學(xué)的技術(shù)要求。改進(jìn)后的分析方法，測定下限低，范圍廣，靈敏度高;適合于水和廢水中硼的分析測定。

關(guān)鍵詞：硼;姜黃素;分光光度法;測定條件

中圖分類號：O657.3;X832 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）06-0065-05

收稿日期：2019-01-22;收到修改稿日期：2019-03-05

基金項目：生態(tài)環(huán)境部國家標(biāo)準(zhǔn)制修訂項目（2018-16）

作者簡介：邢書才（1958-），男，北京市人，教授級高級工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測和國家標(biāo)準(zhǔn)的研究。

0 引言

分光光度法測定水和廢水中硼，是環(huán)境監(jiān)測和分析檢測實驗室普遍采用的分析方法?，F(xiàn)行檢測硼的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，主要有GB/T5750.5-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法無機非重金屬指標(biāo)》和HJ/T49-1999《水質(zhì)硼的測定姜黃素分光光度法》[1-2]。其中姜黃素分光光度法作為國家環(huán)境保護標(biāo)準(zhǔn)分析方法，已經(jīng)實施了近20年;在分析測定應(yīng)用中，顯現(xiàn)出該方法操作較為繁瑣，實驗條件比較苛刻，需在無水條件下進(jìn)行。同時存在校準(zhǔn)曲線的試劑空白缺失，測定下限與實際情況偏離較遠(yuǎn)，測定范圍過于狹窄，以及樣品和校準(zhǔn)曲線制備中取樣量過小，易于產(chǎn)生分析誤差等問題;這些因素都不同程度地影響到分析測定的質(zhì)量。分光光度法測定硼的分析實驗，以往已有一些文獻(xiàn)報道[3-11]，對于姜黃素光度法測定水中硼的研究，文獻(xiàn)報道較少，且主要涉及分析方法的應(yīng)用和方法比對方面[12-15];對分析方法中存在問題的改進(jìn)性研究，近年來未見有報道。本工作針對姜黃素分光光度法存在的問題，進(jìn)行了方法改進(jìn)和針對性研究;簡化了樣品顯色和蒸發(fā)裝置，補充了試劑空白，降低了測定下限，拓展了分析方法的測定范圍;實驗操作質(zhì)量控制方面的改進(jìn)，改善了校準(zhǔn)曲線線性不理想、回歸系數(shù)較差的問題，提高了校準(zhǔn)曲線的精密度;使分析測定的實驗條件得到優(yōu)化，提高了分析測定的精密度和準(zhǔn)確度，取得了滿意結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 要設(shè)備

Cary300UV-Vis型光譜儀（安捷倫）;塑料燒杯、試劑瓶、25ml成套具塞（PP）塑料比色管，日本NIKKO公司生產(chǎn);移液管、容量瓶（PP材質(zhì)，Brand）;瓷蒸發(fā)皿;恒溫水浴槽;恒溫烘箱。所有器皿不得使用含硼玻璃材質(zhì)器皿。

1.2 主要試劑

硼標(biāo)準(zhǔn)貯備液（1000mg/L）（鋼研納克，AccuStandard）;硼標(biāo)準(zhǔn)使用液（1.00mg/L，10.00mg/L）;硼標(biāo)準(zhǔn)樣品（GSB07-1979-2005）：鹽酸，草酸，姜黃素，無水乙醇（AR，上海化學(xué)試劑有限公司）。

姜黃素+草酸溶液：于80mL無水乙醇中加入草酸5.0g及姜黃素0.040g，溶解后再加入濃鹽酸4.2mL，移入100mL容量瓶用乙醇定至刻度。

1.3 實驗方法

1.3.1 校準(zhǔn)曲線的制備

1）原方法：按照HJ/T49-1999《水質(zhì)硼的測定姜黃素分光光度法》的實驗步驟，配制各標(biāo)準(zhǔn)點濃度溶液，測定后制備校準(zhǔn)曲線。測定體系的濃度按照總體積為1.00mL計算。

操作方法：向一系列蒸發(fā)皿中分別加入0.20，0.40，0.60，0.80，1.00mL（1.00μg/m1）的硼標(biāo)準(zhǔn)使用液，并分別加入0.80，0.60，0.40，0.20mL去離子水，使溶液總量為1mL，分別加入姜黃素-草酸溶液4.0ml，，將蒸發(fā)皿輕輕搖動使溶液混勻，置蒸發(fā)皿于（55±3）℃的水浴上蒸發(fā)至干，并繼續(xù)于水浴上保留15min后取下蒸發(fā)皿，放置至室溫后，用少量乙醇溶解并轉(zhuǎn)入25ml，比色管中，用乙醇稀釋至刻度，離心后，用2cm比色皿，于波長540nm處，以純水為參比，測定吸光度。

2）改進(jìn)法：參照HJ/T49-1999《水質(zhì)硼的測定姜黃素分光光度法》的條件步驟，改變標(biāo)準(zhǔn)使用液的加入方法，最終用一致性體積的加入方法，制備校準(zhǔn)系列溶液;加入顯色劑后改用在（55±1）℃的烘箱中蒸發(fā)至干，然后按分析步驟進(jìn)行測定，繪制校準(zhǔn)曲線。測定體系的濃度按照總體積為1.00mL計算。

操作方法：在7個100mL容量瓶中，分別加入10.00μg/mL的硼中間液0.00，1.00，2.00，4.00，8.00，12.00，14.00mL，以純水定容搖勻，1～7號容量瓶中硼的濃度為0.00，0.10，0.20，0.40，0.80，1.20，1.40μg/mL;各取1.00mL于1～7號蒸發(fā)皿中，1～7號蒸發(fā)皿中含有硼的質(zhì)量為0.00，0.10，0.20，0.40，0.80，1.20，1.40μg，分別加入姜黃素-草酸溶液4.0mL，將蒸發(fā)皿輕輕旋動使溶液混勻，然后將蒸發(fā)皿置于（55±1）℃的烘箱中蒸發(fā)至干，繼續(xù)保持15min，取出蒸發(fā)皿，冷卻至室溫，用少量乙醇溶解后轉(zhuǎn)入25mL比色管中，用乙醇稀釋至刻度，離心后，用2cm比色皿，于波長540mm處，以純水為參比，測定吸光度。

1.3.2 樣品的測定

1）原方法：吸取樣品1.0mL（硼含量不超過1.0μg）于蒸發(fā)皿中，以下按1.3.1的1）的實驗程序測定，將吸光值帶入1.3.1的1）校準(zhǔn)曲線中計算出硼濃度值。

2）改進(jìn)法：吸取樣品1.0mL（硼含量不超過1.4μg），按1.3.1的2）實驗程序測試，把吸光值帶入1.3.1的2）校準(zhǔn)曲線中計算出硼濃度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 檢定下限與檢定范圍的改良

對改進(jìn)前及改進(jìn)后的檢測方法制備的系列濃度標(biāo)準(zhǔn)點進(jìn)行測定，并分別制備校準(zhǔn)曲線（如圖1，圖2所示）進(jìn)行比對分析。

按分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則的相關(guān)規(guī)定[16]，分析方法的檢出限可由校準(zhǔn)曲線的的參數(shù)計算：檢出限=0.01×b^-1（檢測下限為4倍的檢出限）。由此可計算出原方法的檢出限和檢測下限分別為0.022mg/L和0.086mg/L;改良后方法的檢出限和檢測下限分別為0.019mg/L和0.076mg/L，較原方法降低了近14%左右。

從檢測范圍上，改進(jìn)前后方法的檢測范圍分別為0.10～1.0mg/L和0.080～1.4mg/L，改良后校準(zhǔn)曲線線性良好，精密度較高，檢測范圍較原方法拓寬了40%之多。

2.2 蒸發(fā)裝置和質(zhì)量控制的改進(jìn)

由圖1可見，改進(jìn)前方法的校準(zhǔn)曲線，線性欠佳，數(shù)次重復(fù)性實驗，線性均不理想。原因有多方面，實驗過程操作較為繁瑣復(fù)雜，校準(zhǔn)曲線制備過程取樣量過小，以及被測樣品取樣量過小都蘊含分析誤差因素。實驗中樣品所需蒸發(fā)時間，蒸發(fā)的速度，脫水等條件，都要求有較高的一致性程度。前消解中稍有操作不當(dāng)容易造成樣品損失甚至實驗失敗的結(jié)果。同時，冗長復(fù)雜的操作以及顯色基團穩(wěn)定性原因，都可能造成實驗分析誤差。

以取樣量誤差分析，原方法校準(zhǔn)系列的取樣量為0.20，0.40，0.60，0.80，1.00mL，還要分別補水至1.00mL的過程。以1.00mL為例，在取樣過程如果出現(xiàn)1滴溶液（約0.05mL）的損失，造成的相對誤差為5%。相對于0.20，0.40，0.60mL，將會造成更大的誤差。為了控制取樣量的誤差因素，本研究預(yù)先配制與校準(zhǔn)系列濃度相同的系列濃度標(biāo)準(zhǔn)使用液，采用在7個蒸發(fā)皿中一致性加入1.00mL標(biāo)準(zhǔn)使用液的方法，對取樣量的誤差因素進(jìn)行控制（詳見1.3.12））。從圖2可見，經(jīng)重復(fù)性比對實驗，改進(jìn)后分析方法的校準(zhǔn)曲線，從線性質(zhì)量和精密度上都有了較大提高。

同時，對方法實驗的蒸發(fā)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。原分析方法是利用水浴控制（55±3）℃，對樣品進(jìn)行顯色和蒸發(fā)脫水。現(xiàn)改為在烘箱中進(jìn)行這一步驟，其優(yōu)點在于相對于水浴，空氣的熱傳導(dǎo)是多方向傳導(dǎo)，可使樣品反應(yīng)受熱更均勻，溫度更加易于控制;樣品置于烘箱的托盤之中，相對于水浴，更加有利于樣品的安全性，也相對降低了實驗成本，更有利于大批量樣品的處理。

2.3 校準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)點設(shè)置上的改進(jìn)

對于一種相對測定的分析方法，分光光度法的校準(zhǔn)曲線，其中標(biāo)準(zhǔn)點的設(shè)置有特定的規(guī)則和技術(shù)上的要求。根據(jù)精密度要求，標(biāo)準(zhǔn)濃度點在布置上要中間范圍稀少，而在曲線的兩端相對性地密集設(shè)置，改良前校準(zhǔn)曲線在標(biāo)準(zhǔn)點的分布上，采用的是等均性方式設(shè)定（見圖1）;改良后的校準(zhǔn)曲線采用的是中部疏散兩端密集的布置方式，并根據(jù)實際測定下限的測定值設(shè)定定量下限濃度點，有利于低濃度樣品的測定;益于校準(zhǔn)曲線的質(zhì)量及精密度的提高，符合分析測定質(zhì)量控制和方法學(xué)要求[16-17]。實際測定結(jié)果也表明，相對于原測定方法，無論是校準(zhǔn)曲線的線性指標(biāo)，還是曲線的精密度都有了顯著性提高，為分析方法的準(zhǔn)確測定提供了技術(shù)上的支持和基礎(chǔ)。

2.4 試劑空白的補充改進(jìn)

對于分析方法研究，主要涉及分析方法的精密度、準(zhǔn)確度和空白分析?？梢娍瞻自囼炇欠治龇椒ㄑ芯康囊粋€不可缺少的方面。對于分光光度法，是一種相對測定方法，就其試劑空白而言，不僅關(guān)系到測定平臺問題，也可以通過試劑空白預(yù)知和判斷試劑干擾情況，也就是分析判斷測定體系背景干擾的大小。如上所述，分光光度法作為一種相對測定方法，參比溶液是其中的測定平臺，試劑空白往往受到操作環(huán)境、儀器狀態(tài)以及試劑等多方面因素的影響，其中以試劑造成的影響為主。實際測定中，有的分析方法使用純水為參比，有些分析方法使用試劑空白為參比溶液。在一個實驗分析測定過程中，什么情況下使用純水為參比，什么情況下使用試劑空白為參比，要依具體情況而定。而對試劑空白的測定情況，就是判斷以純水還是試劑空白為參比溶液的重要依據(jù)。

姜黃素分光光度法測定水中硼，使用純水為參比溶液，在校準(zhǔn)曲線的制備過程中，校準(zhǔn)系列中的試劑空白是缺失的。所帶來的問題是在實驗分析中，無法根據(jù)試劑空白的大小判斷背景干擾情況，也不利于確認(rèn)參比溶液的選擇或參比溶液的靈活選擇。本實驗在原測定方法中增加了測定的試劑空白實驗，使測定方法中的缺失趨于完整，也使測定方法在整體上更加趨于合理。

經(jīng)實際重復(fù)測定，姜黃素光度法測定水中硼的試劑空白值，吸光度在0.026～0.040左右，試劑空白值稍大，有一定的背景干擾?！端蛷U水監(jiān)測分析方法（第四版）》相關(guān)方法[1B]，使用試劑空白為參比;HJ/T49-1999《水質(zhì)硼的測定姜黃素分光光度法》使用純水為參比。由于考慮到試劑空白值較高，同時考慮到實驗是在乙醇介質(zhì)中進(jìn)行，乙醇的易揮發(fā)性影響試劑空白作為參比時的穩(wěn)定性，易使比色皿中參比液的透光率發(fā)生改變，使分析測定受到影響;經(jīng)實際測定，60min后，試劑空白的吸光值變化了0.004，而純水未發(fā)生變化;相對而言，純水的穩(wěn)定性是肯定而相對持續(xù)的。因此，在這種前提條件下，以純水為參比是一種較為適宜的實驗條件選擇。

2.5 精密度和準(zhǔn)確度測定

按照方法研究的基本要求[16]，用硼標(biāo)準(zhǔn)貯備液配制（高、中、低）3種不同濃度樣品后進(jìn)行實際測定，用以驗證改良方法精密度情況。準(zhǔn)確度的檢查，用水質(zhì)硼標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行實際測定的驗證。測定結(jié)果分別匯列在表1、表2中。

從表1列出的測定結(jié)果可見，對高、中、低3種濃度樣品的測定結(jié)果顯示，測定結(jié)果與樣品值一致性較好，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值小于3%;說明分析方法的精密度良好。

由表2對硼標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定數(shù)據(jù)可以看出，原測定方法和改進(jìn)后測定方法的測定均值，分別為1.05mg/L和1.03mg/L，分別用t檢驗法與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果t_原方法=2.31，t_{改進(jìn)法}=1.40，均小于臨界值t_{（0.05，5）}=2.45。說明測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值沒有顯著性差異。同時對改進(jìn)前和改進(jìn)后方法測定結(jié)果的均值進(jìn)行t檢驗，檢驗值t_實驗=137（0.05，10）