分光光度法在线钴水质分析仪的开发及应用*

邹雄伟，李 刚，邹春香，黄海萍

(力合科技(湖南)股份有限公司，湖南 长沙 410205)

钴的测定方法有很多，如分光光度法[1]、原子吸收光度法[2-3]、发射光谱法[4]、电感耦合等离子体质谱法[5]等，目前这些仪器均为实验室仪器，需要将样品运输到实验室进行检测，分析检测过程中也是需要专业技术人员参与的，本文研究开发了一种基于钴的5-Cl-PADAB分光光度法原理的在线水质分析仪，可直接用于地表水、地下水、污染源等不同水质钴的在线监测。

钴的生物学作用及生理功能以及在天然水及各类工业废水中的含量情况在《水和废水监测分析方法指南(中册)》[6]中有详细的描述，并对钴的5-Cl-PADAB分光光度法实验室分析原理与步骤进行了详细的论述。

5-Cl-PADAB分光光度法测钴这一水质指标当前也是实验室分析的国家标准方法[1]；北京市环境监测中心陆皓昀等[7]对这一方法的直接取样及富集后的实验室分析都进行了深入研究；西安市环境监测站袁挺侠等[8]对这一方法与石墨炉原子吸收法、电感耦合等离子体质谱法的方法精度及加标回收实验都进行了比较，证明了这一方法的正确与适应性；中南大学李竹英[9]选取1-亚硝基-2-萘酚-3,6-二磺酸盐作为显色剂，采用流动注射原理，实现钴的自动分析仪器，但由于原理非国标、流动注射的特点等，难以进行在线应用。本文对5-Cl-PADAB分光光度法国家标准方法进一步深入研究，实现钴水质在线分析仪将能很好地应用于环境水体、污染物排放各类水体水质钴的监测。

1 在线监测设备的研制

图1 LFS-2002水质分析仪组成

LFS-2002水质分析仪平台是力合科技(湖南)股份有限公司在线水质分析仪基于比色法检测原理的平台，可实现近50多个水质指标的检测。分析仪由计量、消解检测、流路控制、数据处理及存储、电源、人机交互等几个单元组成，如图1所示。其中计量单元实现水样与试剂的精准抽取；消解检测单元可将不同类型样品在强酸性下程序加温消解，并可进一步反应显色，进行比色检测；流路控制单元对水样、标样、蒸馏水、废液等进行程序化加入或排空，保证反应的自动性；数据经处理和存储后，可本机应用或远程传输实现在线监测。

2 实 验

2.1 仪 器

LFS-2002水质分析仪(消解检测池光程为30 mm)，力合科技；Evolution 300紫外可见分光光度计，赛默飞世尔；iCAP RQ 电感耦合等离子质谱联用仪，赛默飞世尔。

2.2 试剂及材料

2.2.1 去离子水

电阻率≥18 MΩ·cm。

2.2.2 高纯氩

纯度：≥99.999%。

2.2.3 消解液

(1+2)硝酸，量取100 mL优级纯浓硝酸缓慢加入到200 mL水中。

2.2.4 缓冲液

pH=5～6的乙酸-乙酸钠(HAC-NaAC)缓冲溶液，称取10.5 g无水乙酸钠，溶解于少量的水中，加入乙酸调节pH至5～6，用水稀释至500 mL。

2.2.5 掩蔽剂

5%焦磷酸钠(Na4P2O7·10H2O)溶液，称取25.0 g焦磷酸钠，溶解于一定量水中，稀释至500 mL。

2.2.6 调节液

20%氢氧化钠溶液，称取100.0 g，溶解于500 mL水中。

2.2.7 显色剂

0.1% 5-Cl-PADAB的乙醇溶液，称取0.25 g 5-Cl-PADAB溶于250 mL 95%乙醇中，再加水稀释至500 mL。

2.2.8 钴标准贮备液

CCo=1000 mg/L。

2.2.9 钴标准使用液

CCo=10 mg/L，吸取1.0 mL钴标准贮备液(2.2.8)，移入100 mL容量瓶中，用水稀释至标线。

2.3 检测流程

参考标准方法[1]并对LFS-2002水质分析仪平台，进行在线流程编辑。取10 mL水样于消解检测池中，加入1.0 mL消解液(2.2.3)，在60 ℃下消解1 min；冷却至常温后加入1.0 mL调节液(2.2.6)将溶液pH调至中性；读取池内液体570 nm波长基线值；再顺序加入0.5 mL掩蔽剂(2.2.5)，1.0 mL缓冲液(2.2.4)，以及1.0 mL 显色剂(2.2.7)，在70 ℃下反应2 min，冷却至常温后加入3.0 mL消解液(2.2.3)，混合均匀后于570 nm波长读取样品值，计算吸光度值，由吸光度折算钴的浓度。

2.4 实验条件优化

以基本测试流程(2.3)出发，按消解温度和时间、显色的时间和温度、显色剂用量、酸度调节用消解液用量、干扰及消除的反应条件顺序逐一对测试流程进行优化。以优化后的条件对分析仪标定工作曲线，对钴水质分析仪的性能进行系统地评价。

2.5 仪器性能验证

根据环境监测仪器标准对同类在线分析仪器的要求，如《六价铬水质自动在线监测仪技术要求》(HJ609-2011)[10]进行了性能评价。包括工作曲线、精密度和准确度、检出限、加标回收率和仪器间比对。

3 结果与讨论

3.1 显色体系吸收光谱

参照基本测试流程(2.3)，以钴离子浓度为0.4 mg/L的标准溶液代替水样，以蒸馏水为参比，10 mm光程比色皿，在Evolution 300 紫外可见分光光度计上进行光谱扫描，测试450～650 nm的吸收光谱，结果如图2所示，在波长560 nm处有最大吸收峰。后续试验以560 nm为检测波长。

图2 显色体系吸收光谱

3.2 消解温度和时间

消解温度的高低以及维持时间的长短对实际水样中的钴元素是否能完全转成离子态至关重要。先以5 ℃为步距，试验从50 ℃至95 ℃温度范围，对一较典型的工业废水消解显色后测试吸光度，结果如图3所示，最终取70 ℃是作为消解温度。确定消解温度后，试验消解时间，共试验了6个点，吸光度测试结果如图4所示，最终确定70 ℃消解2 min作为优化消解条件。

图3 消解温度影响

图4 消解时间影响

3.3 显色的时间和温度

在室温下，钴离子与显色剂(2.2.7)反应，显色需要15 min以上才能达到最大吸光度，但是在沸水加热中2～5 min即可显色完全，但是显色时间不宜过长，时间太长吸光度反而会降低，溶液浓度越大，吸光度值降低越多。

采用优化了的消解条件，试验先选取70 ℃为显色温度，为确定最佳的显色时间，以钴离子浓度为0.5 mg/L的标准溶液代替水样，实验取1.0 min、2.0 min、3.0 min、5.0 min、7.5 min、10 min这6个时长为显色时间，显色后测试吸光度条件实验，结果如图5所示。显色时间为3 min，体系吸光度最大且趋于平稳。

图5 显色时间影响

同样，固定显色时间为3 min，再试验显色温度从50 ℃升至90 ℃不同显色温度显色后的吸光度，结果如图6所示，吸光度没有显著的升高或降低。最终确定显色温度条件为70 ℃下显色3 min。

图6 显色温度影响

3.4 显色剂用量

以优化了的消解、显色条件，参照标准流程加入显色剂为1.0 mL，试验了几种不同体积用量显色剂，吸光度测试结果如图7所示。表明显色剂用量在试验到的几种体积用量对吸光度无显著影响，仍用标准流程的1.0 mL。

图7 显色剂用量影响

3.5 酸度调节用消解液用量

试验中发现，对显色后体系加入不同体积的消解液以调节显色环境，将提升吸光度。同样在1.0 mL加入量附近改变体积，结果如图8所示。发现加至2.0 mL消解液后，显色体系吸光度稳定增至0.9左右。确定酸度调节用消解液用量为2.0 mL。

图8 酸度调节用消解液用量影响

3.6 干扰及消除

针对钴测试，三价铁、三价铬为最普遍的干扰离子情况，配制钴目标浓度为0.4 mg/L，其它干扰元素先三价铁、后三价铬、最后两种干扰离子进行试验，比较无干扰离子，5倍干扰离子、10倍干扰离子情况下的吸光度变化，发现出现了明显的负干扰；后去掉用蒸馏水代替掩蔽剂(2.2.5)，发现干扰不再存在，吸光度恢复正常，最后结论是在前述优化条件下，为了消除实际水样中的三价铁、三价铬离子干扰，不再需要掩蔽剂这一试剂。

3.7 工作曲线及测量范围

钴的浓度依次为0.0 mg/L、0.1 mg/L、0.2 mg/L、0.3 mg/L、0.4 mg/L、0.5 mg/L，再按照(3.3)测试步骤，优化后的条件，以扣除试剂空白的吸光度对应的钴浓度绘制标准曲线，如图9所示。

图9 钴标准工作曲线

3.8 精密度及准确度

对3种不同浓度(0.10 mg/L、0.20 mg/L和0.40 mg/L)的钴标准溶液，分别平行测定6次，计算不同浓度样品的平均值、相对标准偏差、相对误差，具体结果见表1。

表1 精密度及准确度测试

3.9 检出限

采用浓度为0.05 mg/L的钴标准样品，进行7次平行测定，根据7次测定结果计算其标准偏差S，检出限MDL=S×3.143。结果见表2。

表2 检出限测试

3.10 加标回收率

测试两种不同的实际水样，生活污水与工业废水，并根据测试结果向生活污水中加标0.04 mg/L，向工业废水中加标0.2 mg/L，计算其加标回收率，具体结果见表3。

表3 加标回收率测试

3.11 实际水样比对

为考察仪器测试数据的可比性，采用国家标准方法[5]，用Thermal Fisher 的iCAP RQ ICPMS进行了比对测试，结果如表4所示。

表4 实际水样比对

4 结 论

通过系列的条件实验。最终在LFS-2002水质分析仪平台上测试钴的优化流程为：10 mL水样于消解检测池中，加入1.0 mL消解液(2.2.3)，在70 ℃下消解2 min；冷却至常温后加入1.0 mL调节液(2.2.6)将溶液pH调至近中性；读取池内液体560 nm波长基线值；再顺序加1.0 mL缓冲液(2.2.4)，以及1.0 mL 显色剂(2.2.7)，在70 ℃下反应3 min，冷却至常温后加入2.0 mL消解液(2.2.3)，混合均匀后于560 nm波长读取样品值，计算吸光度值，由吸光度折算钴的浓度。

由优化后的条件对分析仪进行工作曲线标定，基本量程可测至0.5 mg/L，线性相关系数R2大于0.999。性能上，精密度、准确度都能在5%以内，检出限0.0054 mg/L，加标回收率满足85%～115%，实际水样比对相对偏差小于15%。

采用优化条件的钴水质分析仪可用于一般地表水、地下水及废水等的监测。