单位波长吸光度改变量-分光光度法在检测环境样品中甲醛的应用【字数：6737】
摘要：本文对以单位波长吸光度差量-分光法(ACW-S)，对地表水进行检测，以研究此法对其甲醛检测的可行性，作出甲醛标准曲线，制备浊度模拟水样，筛选了拟合波长段。以浊度模拟水样及对应空白水样的准确度作为考量因素，筛选出(440～449)、(440～454)、(445～459)nm等3组波长段，校准曲线线性范围介于0.16～4.00mg/L，方法检出限在0.026～0.052mg/L范围，直接测定实际样品所得加标回收率为94.5%～106.0%(加标浓度为0.200mg/L和0.400mg/L)。实验结果表明，ACW-S法有利于减小样品浊度对甲醛检测结果的正干扰，与标准检测方法所用的单波长法相比，具有更高的准确度和精密度，且无需进行样品前处理。关键词：甲醛；乙酰丙酮；单位波长吸光度改变量；浊度；过滤；分光光度法
第1章绪论
1.1研究课题的意义
甲醛（CH2O），又称为蚁醛、亚甲基化合物，是一种具有强还原性的原生质毒素。甲醛进入人体器官后,对人的神经系统、肺和肝脏均有损害,若经常性或者较长时间与含量很低的甲醛接触，都有很大几率引起呼吸道的疾病尤其是慢性的疾病，还有出现鼻咽癌、脑癌等一些列的肿瘤疾病。在饮水方面，甲醛也是必须且强制检测的项目，并且需要每月进行检测，其在饮用水中的最大值不得超过0.9mg/L[1]。甲醛对人体的伤害十分大。因此，开展对水源中甲醛含量的检测，有助于保证居民生活的健康。采用高效，高准确度的方法检测甲醛含量具有重要意义。
1.2甲醛
1.2.1甲醛的物理和化学性质（1）甲醛的物理性质通常存在的状态为液体，且无色，在气味方面有较强的刺激的气味，和极性物质有较好的互溶性，如酒精、丙酮、H2O等。在进行低温储存时，经过一定时间会出现浑浊的情况，这是因为长时间在较低温度下保存其自身容易缩合形成三聚甲醛，而在蒸发的条件下其有相当一部分会挥发飘散，然而绝大部分会缩合成三聚甲醛。甲醛在还原性方面也是很强的，尤其是其在稍稍偏碱性的环境中。空气对其有氧化作用，若其长期暴露在空气下能被氧化成甲酸，但其氧化速度极慢。主要物理性质见表1-1
（2）甲醛的化学性质甲醛（HCHO，M=30.03）,常温常压下为无色液体,有较强的刺激气味。在溶解性方面，其为极性物质，因此与绝大多数极性物质皆可相容。在日常生活中最常见的是其百分之四十的水溶液，即常用于防腐的福尔马林，这种水溶液的沸点低至19摄氏度。因此，在室温情况下其极易挥发，且其挥发速度和温度成正比。甲醛本身具有神经毒性，且毒性不弱，并且因为其使用非常广泛，因此其是位居第二的需要被优先控制的化学物质。其在全球范围内被WHO认定其具有强致癌和致畸性，且是一种变态反应源。1.2.2甲醛的用途（1）甲醛在化学工业中的用途然而其在化工领域有极其重要的用途，比如生产POM。这是一种极为优良的工业塑料，其已经被广泛的应用到机械、汽车、电气、航空等。因为其突出的性能，当下全世界有众多的大型企业在不断深入进行研究，例如杜邦、神华集团、松下、西门子等，POM在未来的产业发展中必将有其重要的位置。其生产的过程化学反应通常分为三步：1、浓缩缩合（55至75%），形成三聚体；2、与二氧五环进一步聚合反应，获其长链聚合体；3、根据需求添加终止剂，封断链获得目标产物。再此基础上进一步进行加工获得需求的塑料粒。（2）甲醛在木材工业中的用途在人造木材材料方面，现在开发出两种成熟的树脂产品——脲醛和酚醛树脂。前者是由甲醛和尿素反应获得，后者则是和苯酚反应获得。（3）甲醛在纺织产业中的用途在纺织业中，常规的服装在对使用的树脂进行整理时，通常情况下都要使用甲醛。而为了赋予布料不同的特性（例如防皱、自然伸展）；在布料的印染方面，想要达到更好的印花效果、色泽的长久不褪色；在布料手感方面，要想更柔软更舒服等，在上述的几个方面甲醛都必须被使用。特别是大家日常常穿也是比较喜欢穿的棉织品布料，因为其不经意间就会皱，且过于柔软，所以在必须使用甲醛来提高布料的硬度。那么就会有一个很严重的问题需要考虑了，使用了甲醛的衣物，在大家使用的过程中其会甲醛就会逐渐的游离，并且会通过皮肤或者是呼吸道进入人体，从而引起呼吸道或者皮肤性出现问题，同时甲醛对眼睛也有较大的刺激性，严重的甚至可能诱发癌症。因此布料或衣物的生产厂家为了追求利润或者是感观，往往会使用甲醛作为助剂，甚至有一些不良商家为了一味的利润追求而大量使用，这对人体的危害极大，也会对社会造成极大的危害。（4）甲醛的防腐甲醛作为一种常规的防腐剂，现在其水溶液（福尔马林）已经在各个行业中被广泛使用，甚至出现了滥用的情况。在生物标本制备中，通常都使用福尔马林浸泡来进行防腐，但是其会导致生物的蛋白质变性从而达到防腐的效果，但是这也是会让标本本身变脆且易碎。
1.3甲醛含量的测定方法
目前用于甲醛含量的测定的方法有：分光光度法、电化学法和色谱法1.3.1分光光度法分光光度法[2]——是对物质在某个已知特定波长点或范围的吸收能力，从而达到对检测物种物质的定性/定量分析的目的。作为上个世纪的重要科学产物，其优势包括高灵敏度，检测时方便快捷等突出优势，因此在食品、家具、环保、生物、化学等多个领域已经被用作常规的检测方法。具体到不同的领域其检测方法也是不同的，如苯酚法、品红法、硫酸法等等，但是其在各个领域进行具体使用时还是存在一定的局限性的。（1）乙酰丙酮法乙酰丙酮法[3~5]——这是针对铵盐存在过量情况下的一种检测方法。其操作为：1、在45到60℃水浴中反应班小时，2、在室温放置两个半小时，3、特定波长下检测吸光度。其优点是：1、反应的特异性突出，2、基本不受其他物质干扰，3、显色稳定，4、检出限高，5、检测范围宽。其通常使用在一些含甲醛量比较大的检验。和人们最为贴近的包括家具和水发食物。然而在进行水发食物检测时其检测操作比较繁琐，被测样品必须先经蒸馏提取和水吸收以后才能进行检测。（2）酚试剂法MBTH法，其原理是甲醛和酚酞进行化学反应，进而生成嗪类化合物，再于酸性的环境中和Fe3+反应生成蓝色的物质，再此之后在25摄氏度下静置显色十五分钟，最后进行吸光度测定即可。这种方法在具体进行操作时非常的简便且灵敏度极高，其检测限低到2个M，常用于极其微量的甲醛检验。但是，使用这种方法的时候有几类物质需要极为留意，1、脂肪族，2、醛类，3、二氧化硫，他们会导致检测的结果下移，因此，特别是在对吊白块进行相关的检测时选择这种方法必须进行全面的考虑和细致的操作。在反应物方面，有几点也是需要注意的：1、酚试剂本身在稳定性方面很差，2、显色剂在低温下保存的时间也不长（3d）；3、测定吸光度时形成的显色物的稳定性也不高，4、显色还受制于时间和温度。本方法最常用于室内甲醛的检测。在纺织品中也会偶尔使用。（3）AHMT法是甲醛和AHMT，于碱性环境中发生缩合反应的产物，再和高碘酸钾发生氧化反应，生成紫红色的物质，再后就可以进行吸光度的测定，从而获得甲醛的量。这种方法尤其明显的优势：1、此方法常温就可以显色，2、抗干扰性强，3、灵敏度更高，4、特性选择性极佳，不受到甲醛类似物的干扰（乙、丙、丁醛），5、检测限低至4个ppm。但该方法也有其几点需要特别注意的：1、标液显色和样品显色时间统一（因为颜色的深度和显色时间成正比），2、重现性差，3、操作难。现在这种方面再室内的甲醛检测比较多。（4）品红-亚硫酸法品红——亚硫酸法是当今社会被广泛使用的，因为这种方法主要是检测食品中的甲醛含量，众所周知当今中国社会的食品安全问题非常严重。甲醛和这种混合液在酸性环境下，会呈现出蓝紫色，后再测出吸光度并计算出甲醛含量。本方法的抗干扰是所有测甲醛方法中最为强的，因为这是甲醛自身的所具有的特异性反应，不会受到任何醛、酚的影响。本方法具有易操作、检测范围广的有点，但是其伴随的缺点也比较明显：1、比色液稳定性差，2、重现差，3、低甲醛含量时，差异大，4、精确度不是很高，5、温度对检测的影响很大，6、过程中需要使用到易制毒品——硫酸。（5）变色酸法此方法是在硫酸中甲醛被氧化成甲酸，再和铬变酸进一步反应，并在沸水浴条件下形成紫红色的物质，然后再以生存的紫红色物质测定其吸光度。此方法具有较为灵敏其检测限为10个ppm，并且获得的比色液很稳定。但是本方法会受到酚类和一些其它金属离子的影响，所有在具体应用时其不太适用于甲醛含量较高的样品的检测。从原理上讲这种方法就具有一定的缺陷：1、大量的甲醛其本身在酸性环境中就比较发生自身聚合产生共聚物，2、因本方法需要用到硫酸所以其操作比较麻烦，3、本方法通常用于研究的相关工作，在实际应用中基本不会使用。（6）间苯三酚法本方法是一种比较经典的方法，其原理是：在碱性环境中，甲醛与间苯三酚会发生一种缩合反应，并且其获得的产物是一种橘红色的物质，只需使用这种物质在制定的波长下进行吸光度的测试即可在计算后获得样品中甲醛的含量。此方法有其独到的优势：1、操作简便，2、稳定性好，3、检出限可达10ppm。但是因为这个反应后获得产品其本身颜色稳定性不太好，因此会造成较大的结果偏差，所以这种方法通常都是甲醛的定性分析，在日常应用在水发食物的甲醛检验中。（7）亚硝基亚铁氰化钠法此方法的基本原理为：甲醛与该氰化钠反应获得蓝色溶液，这种方法已经得到较为广泛的使用，特别是在农产品中，因此被农业部制定为部级的标准。这种方法既可以定性也可以定量进行相关的分析，通过颜色深浅、有无就可进行判断。蓝色/灰蓝色——有较高含量甲醛，浅蓝色——甲醛含量不高，淡黄色——无甲醛。1.3.2电化学法电化学分析法[6,7]是一种根据在各种物质发生化学反应时的电路、电压、点位、电势
、电量等的变化。从而获得发生反应样品中相对应物质的浓度的定量分析法。而针对甲醛包含极谱、电位两种。（1）示波极谱测定法该方法简称极谱法，是对化学反应中电流/电压的对应关系，以曲线的方式表达出来进而进行分析的方法。具体到甲醛，是其与苯肼一Nacl中获得一个非常明显的极谱波，在这个里面电流与甲醛含量正相关，因此就可以根据电流的情况进行甲醛含量的定量检验；当然，也可以找pH=5的HAC-NaAC环境中，HCHO和硫酸肼发生化学反应获得一个极为敏感的还原波，其波峰值和甲醛浓度在一定程度是具有线性相关的，由此可以实现甲醛的定量检验。此法选择性和操作性都非常的好，但是有很高的前处理要求，并且对电极有损害，现在通常在食品及其包材的检验中使用的比较多。（2）电位法即是对离子的一种电相关的检测方法，这主要是含样品膜电极两边电位变化的检测。具体到甲醛，使用的是在硫酸环境中，其对卤族化合物中的溴化合物有利于其碘化合物的特性，并应用对碘离子有追踪性能电极进行相关的跟踪，使用这种方法可以将微量的甲醛以电位的方式进行反应，可以建成一种较好的对应关系，在线性的范围和检测限方面都有很好的表现，但现在还没有进行大量的实际应用。1.3.3色谱法色谱法[8]本身就有很好的将各个物质分离的性能，因此这种方法是基本不受到样品的理化性质影响的，尤其适用于组成复杂的样品，并且其灵敏性和精确性也是毋庸置疑的，在纺织业中对甲醛的检验是可以直接使用的。其在家装、食品、环境等领域的检测已经在大量的使用了，它同样可以检测样品的衍生剂处理后的衍生物。在现在的实际使用中常用的衍生剂有DNPH[9]、吡唑、巯基乙醇等等。在隋雪燕等研究发现，经过几个步骤可以很好的对甲醛进行检测：1、甲醛和DNPH反应，2、电子捕获检测，3、获得T1/2及峰高值。这样可以实现甲醛的定性/定量检测。其检测限可达1.5个ppm，并且一般的醇、酮、NO化合物、SO2都不会影响其检测。陈笑梅等同样适用DNPH对样品进行处理后，再进行萃取，最后使用HPLC对样品进行分离，在使用UV检测器检测，由样品的T1/2及峰面积可以进行甲醛的定性/量检验，其检测限为50ppm[11]。在现实生活中的室内、衣物、食物、环境进行检测时，因其组成复杂，且甲醛的实际含量都不高，如果使用常规的方法来检测甲醛势必花费大量的时间和精力对样品进行前处理，且精确度和灵敏度无法保证。因此，色谱法因其独特的优势就成为了这些方面甲醛检测的首选方法。然而，色谱法的不足之处在于，1、设备要求高，且价格高，2、衍化花费时间，3、检测时间长，4、操作繁杂，5、无法满足快速检测的需求。因此，这个方法还是有一定的应用局限性。
1.4主要研究内容
本文主要是研究以ACW-S法在检测甲醛在地表水中的含量的相关可行性研究，作出甲醛标准曲线，制备浊度模拟水样，筛选了拟合波长段。以浊度模拟水样及对应空白水样的准确度作为考量因素，筛选出(445～454)、(440～454)、(445～464)nm等3组波长段，校准曲线线性范围介于0.160～4.00mg/L，方法检出限在0.026～0.052mg/L范围，直接测定实际样品所得加标回收率为96.7%～103.0%(加标浓度为0.200和0.400mg/L)。实验结果表明，ACW-S法有利于减小样品浊度对甲醛检测结果的正干扰，与标准检测方法所用的单波长法相比，具有更高的准确度和精密度，且无需进行样品前处理。
第2章实验部分
2.1实验仪器及耗材
具有光谱扫面功能的紫外/可见分光光度计，磁力搅拌器，滤纸，25mL比色管，1cm石英比色皿。2.2实验所用试剂乙酸铵（AR），冰乙酸（AR），乙酰丙酮(AR)，甲醛标准溶液（100mg/L）（AR），超纯水。显色液的配置：将50.0g的乙酸铵、6.0mL冰乙酸和0.5mL乙酰丙酮试剂溶于100mL超纯水中，并混匀。配置好的显色液可放入4℃冰箱保存。甲醛工作液的配置：移取10mL甲醛标准溶液至100mL定容瓶中，用超纯水定容至100mL，配置成10mg/L的甲醛工作液。实验所用试剂均为分析纯，水为超纯水。
2.3实验方法
标准曲线的测定：准确移取0.0、0.4、0.5、1.0、2.0、5.0、7.0、8.0、9.0、10.0mL的甲醛工作液于25mL比色管内，用超纯水定容至刻度，得到甲醛浓度分别为0.000、0.160、0.200、0.400、0.800、2.00、2.80、3.20、3.60、4.00mg/L的标准曲线浓度系利，加入2.5mL显色液，混匀后放入1000mL装有水的大烧杯中，用磁力搅拌器水浴加热，水浴温度为（60±2℃）。水浴结束后即刻放入自来水中冷却至室温，混匀后检测吸收度（414nm）或吸收光谱（350～600nm），采用1cm石英比色皿，参比溶液为超纯水。水样处理：其步骤包括：1、检测水样中是否有大悬浮物，2、若无直取，若有则需沉淀，3、取适量上清液，4、混匀后取25毫升至比色皿，5、接下来操作见标曲的制备。
2.4不同浊度模拟样品的配置及检测
制备一定浊度的参比液进行实际污水的模拟，从而达到选择拟合波段的目的[12]。步骤如下：随机取自然晾干的黄色土壤样品，经研磨并过100目筛网，取适量此样品至适量超纯水中，并进行充分搅拌形成浑浊的水样。此水样经1h静置后，明显的沙粒和较大颗粒沉淀后弃掉，并得到较大浊度的模拟水样。做4个不同浊度的模拟水样。分别准确移取1mL、5mL、10mL和15mL的母液至25mL比色管中，用超纯水定容至25mL。加入显色液2.5mL后混匀放入60℃（±2℃）的水中加热15min。浊度以水样在750nm时的吸光度来判断大小。每个浊度水样为一组。每组做3个空白样，4个甲醛加标为0.200mg/L和4个甲醛加标为0.400mg/L的模拟水样。
2.5定量方法
单波长法[13,14]：通过分光光度计，检测波长为414nm，吸光度为A414，样品未经任何前处理过程且A414没有经过任何校准而直接用于定量分析。显色——过滤—单波长法：其操作步骤为：1、显色，2、过滤，3、单波长检测，4、定量分析。在本文中此种方法被用作是一张参比的方法，进而与其他方法进行精确性的比较。单位波长吸光度改变量-分光光度法（ACW-S法）[15]：显色样品的吸光度测定。其步骤为：1、取既定吸收波长的峰后面的波长和相应吸光值，2、以1中的波长和吸光值拟合线性函数，3、获得具有一定斜率的线性函数，4、从而对甲醛进行定量分析。
第3章结果与讨论
3.1原理讨论
使用ACW-S法测量甲醛标准溶液的结果如图3-1所示。在图中，随着甲醛浓度的增加，吸收峰特定波段光谱曲线的线性拟合曲线斜率绝对值呈递增趋势。当测量环境水体中甲醛含量时，因为吸收峰左侧受到浊度的影响较为严重，因此只在吸收峰右侧的波段范围内，筛选合适的拟合波段，从而有效的探讨ACW-S法的可行性以及对消除实际样品中浊度对甲醛检测结果影响的效果。1、2、3、4、5、6、7、8和9曲线为不同浓度甲醛吸收光谱，其分别对应的甲醛浓度为：0.16、0.20、0.40、0.80、2.0、2.8、3.2、3.6、4.0mg/L
图3-1甲醛吸收曲线
3.2拟合波段的筛选
在甲醛标准溶液的测定中，甲醛与乙酰丙酮发生反应，其反应产物的可见光波段在400～480nm之间。其最大吸收峰在414nm。因吸收峰左侧受浊度影响较严重，故甲醛的拟合波段筛选在最大吸收峰的右侧（415～480nm）的范围内进行分析。拟合波段筛选以5的整数倍波长作为拟合波段的起始波长和结束波长。每个波长的跨度均为5的倍数。例如拟合波段范围为：415～419nm、415～424nm、415～429nm、420～424nm、420～429nm和420～434nm。上述6个波段的起始波段和终止波段均为5的整数倍，且跨度均为5的倍数。
以415～424nm为例的数据处理见表3-1
图3-2为415～424nm时，ACW-S法的定量方程图
图3-2415～424nm时ACW-S定量方程图
拟合波段筛选实验的对象为含不同浊度梯度的模拟水样。此模拟水样在显色后，吸光度应在750nm时介于0.037～0.371。对模拟水样的检测结果均值（n=4）以及对应空白样品检测结果均值（n=3）进行统计。统计表明，当其不超过某指定值的一半时，则此结果需要在开展下一浊度模拟前舍弃。筛选顺序根据浊度模拟水样由低到高的顺序。研究表明，在不同模拟样品的试验后，满足筛选条件的有（440～449）、（440～454）、（445～459）nm等3段波长。
3.3标准曲线、方法检出限和标准样品检测
甲醛标准曲线浓度配制范围0.160～4.00mg/L，拟合波长段为440～449nm、440～454nm、445～459nm等3个波长段。方法的检出限经过7个相互没有关联的标准水样检验，并通过计算标准偏差获得相关结果[16]，表3-2。对应ACW-S法所得拟合曲线均有非常好的线性关系（r的绝对值＞0.9999），ACW-S法所得方法检出限介于0.026～0.052mg/L，单波长法的方法检出限为0.027mg/L，0.100mg/L的标准点水样检测结果RSD为7.7%~9.9%；在单波长法时，0.100mg/L的标准点水样检测结果RSD为8.8%项目 拟合波长范围/nm 线性拟合曲线斜率 方法检出限(3.143s)/(mg·L-1) 0.100mg/L标准点a b r 均值/(mg·L-1) RSD/%ACW-S法 440～449 -0.000139 -0.00463 -0.9999
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