浅析搅拌对分光光度法测定水中溶解氧的影响

摘要：随着人们对科研探索的需求日益增加，对溶解氧的测定要求也越来越高。本文围绕分光光度测定海水中溶解氧的方法，探讨了试验过程中搅拌对测定溶解氧准确度可能存在的影响。实验室内制备的溶解氧平行水样的测定结果表明，搅拌转速宜控制在中等转速，沉淀完全溶解即可停止搅拌，这样既能提高测定效率，也能提高测定精密度。

关键词：溶解氧；分光光度法；搅拌

中图分类号：X324""""""""" 文献标志码：A

溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）是海洋生物地球化学过程中的重要生源要素，与海洋动植物生长密切相关，对维持海洋生态系统的稳定性有重要的作用[1]。

DO是指溶解在水中的氧气分子，通常用每千克海水中所溶解的氧气分子的微摩尔数（μmol/kg）表示。海水中的溶解氧测量比较简单。目前，国家标准检测方法是碘量法、膜电极法和便携式溶解氧仪法[2]。碘量法测定相对准确，但是操作麻烦，费时耗力，不适合快速测定大批量样品。膜电极法需要定期更换隔膜和电解液才能获得较为准确的数据，且比较适合测量高度浑浊的水体。需要定期对便携式溶解氧仪进行检定校准才能获得准确的数据。随着针对水体去氧过程的研究和现场大批样品量的需求日益增加，对溶解氧测定的速度和良好重现性也提出了更高的要求，分光光度法也逐渐应用于测量溶解氧[3]。

在分光光度法测定操作中，溶解氧会固定沉淀，因此需要加酸并搅拌溶解。测样过程中，样品瓶未能完全密闭，搅拌可能会影响I2向空气中的挥发情况影响测定结果，因而本文围绕不同转速以及不同搅拌时间对溶解氧测定可能存在的影响进行研究。

1试验材料与方法

1.1试验原理

本研究提到的的光度法是基于Winker法的改进[4-5]。其原理是：首先，在待测样品中加入MnCl2和NaOH-NaI，DO可以将Mn2+氧化成Mn4+，生成MnO（OH）2棕色沉淀。其次，加入H2SO4，将样品酸化，MnO（OH）2沉淀溶解，高价锰离子将I-氧化I2，I2与过量的I-结合，生成易溶于水的棕黄色的I3-络合物。用分光光度法定量棕黄色的I3-络合物浓度。

1.2主要仪器

日本岛津UV-1800紫外可见分光光度计、Hellma Analytics10mm流通池、60mL生化需氧量瓶（BOD瓶）、宁波某仪器厂THYD-0530W低温恒温槽（温度±0.05℃）、0mL～1mL定量加液器、磁力搅拌器、Tygon？管、三通阀。

1.3主要试剂

测定溶解氧所用的试剂主要参考Winker滴定法，试剂浓度和用量参照全球海洋通量联合研究（JGOFS）[6]计划的采样规范。本研究用到的水样均为去离子水，不需要加入为消除可能存在的亚硝酸盐对溶解氧测定影响的叠氮化钠[7]，也不需要加入校正样品浊度的过硫酸钠[4]。因此，在本研究用到的试剂中，KIO3为基准物质，其余试剂均为分析纯级别，浓度分别为3mol/L的MnCl2，4mol/L的碱性NaI，体积分数为28%的H2SO4，5mmol/L的KIO3标准溶液。

1.4溶解氧样品采集

溶解氧的采样方法参照JGOFS采样规范。采样时，用Tygon？管将水样引出，首先，将采样管内的气泡赶走，其次，将采样管伸入润洗过的生化需氧量瓶底部，使海水装满生化需氧量瓶后继续溢流至少1/2瓶子体积，再次，将采样管缓慢提起，冲洗瓶盖，并用定量加液器依次加入0.5mL的MnCl2和0.5mL的碱性NaI，使水样中的溶解氧在碱性条件下沉淀固定，最后，盖好瓶盖后立即将沉淀摇匀，上下颠倒至少20下后静置2h。

2试验装置

光度法测定溶解氧的流通系统参考Pai等[4]方法。在进样品测定前，整个流动系统必须全部充满液体，管路内不能有气泡。当三通阀管路阀门切换至纯水时，在虹吸作用下，纯水流入流通池，仪器调零。当三通阀管路阀门切换至样品管路时，已经酸化后的棕黄色样品带入流通池，待数值稳定后在466nm波长处测定其吸光值。

3试验方法

在测定前，把样品放置在25°C的恒温槽。恒温至少0.5h后，取出生化需氧量瓶，用纸吸去瓶口多余的水。打开瓶塞后，放入洁净干燥的搅拌子，加入0.5mL体积分数为28%的H2SO4，搅拌均匀。待沉淀样品完全溶解后停止搅拌，将流通系统的进样管放入瓶子中下部，旋动三通阀使样品进入10mm流通池的分光光度计，待读数稳定后记下吸光值。

4结果与分析

4.1试剂空白

在装满纯水的生化需氧量瓶中，加入0.5mL体积分数为28%的H2SO4和0.5mL的碱性NaI，盖好瓶盖后，上下颠倒摇匀置于25℃恒温槽。恒温1h后，取出生化需氧量瓶，用纸吸去瓶口多余的水。打开瓶塞后，放入洁净干燥的搅拌子，加入0.5mL的MnCl2试剂，待溶液搅拌均匀后，马上停止搅拌。将流通系统的进样管放入瓶子中下部，旋动三通阀使样品进入流通池，待读数稳定后，记下吸光值。本次试验的试剂空白为0.001。

4.2标准曲线绘制以及样品浓度计算

标准曲线的配置方法以及溶解氧浓度计算主要参考Labasque等[5]。与试剂空白的操作步骤一样，不同的是在加入MnCl2试剂，搅拌均匀停止后，分别将1mL、2mL、3mL的标准碘酸钾加入生化需氧量瓶内，待搅拌均匀后，再次停止搅拌。然后将流通系统的进样管放入瓶子中下部，旋动三通阀使样品进入流通池，待读数稳定后记下吸光值。

测定标准曲线时不需要固定水中的溶解氧，而是通过将碘酸根离子氧化成棕黄色的I3-溶液。其反应如公式（1）、公式（2）所示。

IO3-+5I-+6H+=3I2+3H2O（1）

I2+I-=I3-（2）

I3-浓度的计算过程如公式（3）所示。

CI3-=（3）

式中：CI3-为棕黄色的I3-的浓度，μmol/L；CKIO3为KIO3的浓度，μmol/L；VKIO3为加入的KIO3的准确体积，mL；VBottle为生化需氧量瓶的准确体积，mL；VMnCl2为加入的0.5mL的MnCl2试剂的准确体积，mL。

用光度法测定CI3-的标准系列可得其吸光值A-CI3-工作曲线，如图1所示。在本次试验中，吸光值A与CI3-工作曲线测定3条，且呈现良好的线性关系，相关系数均能达到gt;0.9999以上，工作曲线的率的相对标准偏差小于0.3%。

测得样品的吸光度值，对照标准曲线查出CI3-含量，根据溶解氧样品中CDO-1/2CI3-关系、体积和密度换算，间接得出样品的溶解氧含量。其计算过程如公式（4）所示。

式中：CDO为溶解氧的浓度，μmol/kg；ASample为样品的吸光值；ABlank为流通池空白的吸光值；ε为吸光值A与CI3-工作曲线的斜率；VNaI为加入的0.5mLNaI试剂的准确体积，mL；

VH2SO4为加入的0.5mL的H2SO4试剂的准确体积，mL；ρ为样品的密度，可根据温度和盐度，通过公式（5）计算。

ρ=999.842594+0.06793952×t-0.00909529×t2+0.0001001685×t3-0.000001120083×t4+0.000000006536332×t5+（0.824493-0.0040899×t+0.000076438×t2-0.00000082467×t3+0.0000000053875×t4）×S+（-0.00572466+0.00010227×t-0.0000016546×t2）×S1.5+0.00048314×S2（5）

式中：ρ为样品的浓度，kg/L；t为样品测定时的温度，25℃;S为样品的盐度。由于本次试验用的是去离子水，因此S为0。

4.3平行水样的制备

海水中的DO含量与分布可以提供较多的信息，例如，利用DO的分布可揭示海洋生物的光合作用以及海洋有机物质的氧化降解作用等。在实际环境样品中，比较难采集到大批量浓度均一的水样，为了保证试验结果的准确性，试验需要采集稳定性好，浓度单一的水样作为测定水样，因而选择在实验室内用制备平行水样。准备方法：用10L底部有出水口的水桶（聚碳酸酯材质）装去离子水，加入气泡石均匀爆气3h以上，静置30min后备用。当采样时，需要避免水样扰动引入空气而影响结果，采样过程中不能晃动水桶，用60mL的生化需氧量瓶在水桶的底部出水口进行采样。按照图2，制备3批平行水样，每次共采集15～24个平行样测定。由于每批平行水样的曝气条件（曝气时间、水温以及曝气室温）不一致，因而每批的平行样测定结果之间存在略小差异。从结果上看，同一批平行水样的测定结果偏差lt;2μmol/kg，相对标准偏差≤0.13%，验证了该制备平行水样方法的可行性。。

4.4搅拌转速的影响

在不同转速情况下，样品液面的状态以及沉淀完成溶解的时间不同，见表1。当转速偏大时，形成的凹液面过大，会产生漩涡、引起气泡，加快了I2向空气中挥发的速度。当转速偏小时，沉淀完全溶解时间过长，会使I2向空气中不断挥发，影响测定效率。选择三批不同时间段制备的平行水样，测定在不同搅拌转速（400r/min、700r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min）下DO浓度变化。如图3所示，随着搅拌转速的增加，其DO浓度有呈现略微下降的趋势，平行水样的测定结果相对标准偏差均大于0.13%。用斯皮尔曼方法进行显著性检验，P值均小于0.05，表明转速对测定结果的影响显著。因此，为了提高DO测定的精密度，测定过程中应该选择中等转速，且全程保持在相同的搅拌速度。

4.5搅拌时间的影响

选择三批不同时间段制备的平行水样，在中等转速700r/min、1000r/min、1500r/min情况下，测定不同搅拌时间（15s、30s、60s、120s、180s、240s、300s）下DO浓度变化。如图4所示，随着搅拌时间增加，DO浓度变化相对标准偏差接近0.13%。用斯皮尔曼方法进行显著性检验，P值均大于0.05，表明搅拌时间对测定结果的影响不显著。因此，为了提高DO测定的效率，加酸溶解锰氧化物后溶液搅拌均匀即可停止搅拌。。

5结论

海洋中的溶解氧对整个海洋生态系统具有重要意义，是维持海洋生态系统稳态的关键环境因子。本文针对分光光度法测定溶解氧，测试了不同转速以及搅拌时间对平行水样的吸光值，通过标准曲线计算了不同试验组的溶解氧浓度变化，讨论了不同转速以及搅拌时间对准确值的影响。研究结果表明，研究结果表明，加酸溶解锰氧化物后搅拌转速控制在相同的中等转速，待沉淀完全溶解即可马上停止搅拌，这样既能提高测定效率，也能提高测定精密度。

参考文献

[1]刘烨，邢小罡. Argo浮标观测溶解氧数据的原理与质量控制[J]. 海洋科学，2019，43（1）：28-37.

[2]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法（增补法）[M].4版. 北京：中国环境科学出版社，2002：200-210.

[3]刘桥阳，刘俊，郭建林. 分光光度法测定水中溶解氧[J]. 环境工程，2008，26（5）：92-94.

[4]PAI SC，GONG GC，LIU KK.Determination of dissolved oxygen in seawater by direct spectrophotometry of total iodine. Marine Chemistry[J]. 1993，41（4）：343-351.

[5]LABASQUE T，CHAUMERY C，AMINOT A，et al.Spectro-photometric Winkler determination of dissolved oxygen：re-examination of critical factors and reliability. Marine Chemistry[J].2004，88（1）：53-60.

[6]KNOPA，MICHAELS A，CLOSE A，et al. Protocols for the Jo int Global Carbon Flux Study（JGOFS）Core Measurements. JGOFS Report No.19[R].Paris：UNESCO，1996.

[7]郭香会. 珠江与密西西比河口碳酸盐系统的比较研究[D]. 厦门：厦门大学，2009.