（分析化学专业论文）水体中有机污染物的快速检测方法和仪器的研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： ! i ! 叁竺 日期： 学位论文使用授权声明 】v i r o8 f 切 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：吁、复枷 导师签名： 日期：塑：! ：! ， 卜一 ) 和巳 日期：一鲨墨：! 汐 摘要 水体中有机污染物的快速检测方法和仪器的研究 摘要 关键词：水质，有机污染物，分光光度法，快速检测 随着世界人口和经济的发展及人民生活水平的提高，废水中污染物的种类和 数量越来越多，尤其是水中的有机污染物。在环境检测中对各种化学物质的快速、 灵敏的检测对于保护环境具有非常重要的意义。在水质常规监测中，分光光度法 仍然占有较大的比重，对多种有机物的检测非常成熟，应用广泛。分光光度法有 着检测成本低、线性范围广、操作简便、仪器价廉、响应快、灵敏度高、选择性 好等优点，但是由于仪器体积过大，携带不便，不便在现场实时检测中。 本论文提出了使用光电二极管作为分光光度计的光源，并以此为基础对分光 光度计微型化；考察了该仪器在分析水中的甲醛、阴离子表面活性剂、硝基苯等 典型的有机污染物的应用，发展了一种新型的便携式水体中有机污染物快速检测 仪。该仪器保留了分光光度计的传统优势，克服经典分光光度计体积大、携带不 便的缺点，从而实现对有机污染物快速、实时、准确的测定，为水质现场分析提 供了有效的手段。本论文还开发了一种新型水质分析仪的吸收池。利用光的反射 原理，通过特殊设计，使光束在吸收池所盛的被测溶液中发生反射，在不改变样 品用量和吸收池尺寸的同时增大光程长度，使吸光度的数值增大，使用这种新型 的吸收池进行水质检测，可以提高检测的灵敏度、降低最低检测限。论文共分为 六章。 第一章绪论 本章内容介绍了水污染的概况、水中有机污染物的现状和分析手段；对分光 光度法的原理及其应用于分析几种典型的水中有机物污染的进展、分光光度计的 原理及其发展现状作了综述；并对发光二极管的原理和特点以及它作为分光光度 计的光源的优势也作了详细的阐述。 第二章水体中有机污染物甲醛的快速检测研究 本章以经典的乙酰丙酮光度法为基础方法，使用自我研制的水体中有机污染 物快速检测仪对水中甲醛进行测定。我们考察了方法检出限、线性范围、样品加 华东师范大学申请硕士学位论文 l 摘要 标回收情况，并将标准曲线与传统分光光度计的标准曲线作了比较。该方法简便， 灵敏度高，重现性好，并且具备现场检测的能力，适合水中甲醛的快速、实时检 测。 第三章水体中有机污染物阴离子洗涤剂的快速检测研究 本章以检测水中阴离子表面活性剂的国家标准方法亚甲蓝光度法为基 础，使用自我研制的水体中有机污染物快速检测仪对水中阴离子表面活性剂进行 测定。该方法简便，灵敏度高，重现性好，并且具备现场检测的能力，适合水中 阴离子表面活性剂的快速、实时检测。 第四章水体中有机污染物硝基苯的检测方法研究 本章以还原一偶氮光度法为基础方法，使用自我研制的水体中有机污染物快 速检测仪对水中硝基苯进行测定。我们考察了方法检出限、线性范围、样品加标 回收情况，并将标准曲线与传统分光光度计的标准曲线作了比较。该方法简便， 灵敏度高，重现性好，并且具备现场检测的能力，适合水中硝基苯的快速、实时 检测。 第五章水体中有机污染物快速检测仪的研制 、 依据分光光度法检测有机污染物的原理，通过与电化学仪器公司合作，将分 光光度计微型化，设计了一种主要应用于快速检测水体中有机污染物的分光光度 计。仪器的微型化以光源的微型化为基础，继而实现对其他部分的微型化。该仪 器性能稳定、操作简单、便于携带。 第六章新型水质分析仪的吸收池的研究 本章描述了一种新型水质分析仪的吸收池。在传统l c m 比色皿的表面真空蒸 镀一层可使光束发生反射的金属膜，使光束在吸收池所盛的被测溶液中发生反 射，在不改变样品用量和吸收池尺寸的同时增大光程长度，使吸光度的数值增大， 使用这种新型的吸收池进行水质检测，可以提高检测的灵敏度、降低最低检测限。 华东师范大学申请硕士学位论文 2 d e v e l o p m e n to f at e c h n o l o g yf o rf l a s hd e t e c t i o n o f o r g a n i cp o l l u t a n t si nw a t e r a b s t r a c t k e yw o r d s ：w a t e rq u a l i t y ；o r g a n i cp o l l u t a n t s ；s p e c t r o p h o t o m e t r y ；f l a s hd e t e c t i o n p o l l u r a n t s ，e s p e c i a l l yo r g a n i cp o l l u t a n t s ，i n c r e a s e dr e m a r k a b l yi nw a s t e dw a t e r m t ht i l ef a s t i n c r e a s eo fp o p u l a t i o na n dd e v e l o p m e n to f e c o n o m y i t i sv e 珂 i m p o 咖tt o rt h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt od e t e c tp o l l u t a n t sq u i c k l ya n d p r e c i s e l v s p e c 嘞o t o m e 时h a sb e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u e sf o rw a t e rq u a l i t y a 1 1 a l y s l sf o r t h ep a s th u n d r e dy e a r s ， f e a t u r i n gl o wc o s t ， e a s yo p e r a t i o n ，g o o d s e n s l t l v i t ya n dh i g hs e l e c t i v i t yf o rm a n yo r g a n i cp o l l u t a n t s h o w e v e r t h e l a r g e v o l 啪e o ft h er o u t i n es p e c t r o p h o t o m e t e r , t h u si m p o r t a b l e ，h a m p e r st h ea p p l i c a t i o n s o f s p e c t r o p h o t o m e t r yi nw a t e rq u a l i t ya n a l y s i si ns i t u i nt h i s t h e s i s ，an e wa n dp o r t a b l ew a t e r q u a l i t ya n a l y z e rb a s e do n s p e c t r o p h o t o m e t r yu s i n gp h o t o - d i o d ea st h el i g h ts o u r c ei sd e v e l o p e df o rm e a s u r i n g t y p i c a lo r g a m cp o l l u t a n t s ，f o r m a l d e h y d e ，a n i o n i cs u r f a c t a n t sa n d1 1 i t 芏o b e n z e n e i n w a t e rq u i c k l y t h em i n i a t u r i z a t i o no f s p e c t r o p h o t o m e t e rh a sb e e na c h i e v e db yu s i n ga n e w a b s o r p t i o nc e l lt a k i n ga d v a n t a g eo fl i g h tr e f e c t i o no nam e t a lf i l md e p o s i t e do n t h ei n t e r n a ls u r f a c eo f t h ec e l l t h e r e f o r e ，t h el i g h ta b s o r b e n c yi n c r e a s e ss i g n i f i c a n t l v t b rag l v e nt e s ts a m p l ew i t ht h i s r e f l e c t i n gc e l lo w i n gt oi n c r e a s eo ft h el i g h tp a t h ， w h i c h ，i nt u r n ，i m p r o v e st h ed e t e c t i o nl i m i t t h ef i r s tc h a p t e r t h i sc h a p t e rs u m m a r i z e st h ep o l l u t i o ni n w a t e r ，e s p e c i a l l yt h es o f t so fo r g a n i c p o l l u t a n t sa n dt h ec o r r e s p o n d i n ga n a l y s i sm e t h o d s ，f o c u s i n go nt h ep r i n c i p l eo f s p e c t r o p h o t o m e t r ya n di t sa p p l i c a t i o n si nt h ed e t e c t i o no fo r g a n i cp o l l u t a n t s t h e p r i n c i p l e ，p r o p e r t i e sa n da d v a n t a g e so f p h o t o d i o d ea st h el i g h ts o u r c eo f s p e c t r o p h o t o m e t r yi sa l s oi n t r o d u c e db r i e f l y t h es e c o n dc h a p t e r a n a l y s i so ff o r m a l d e h y d ei n a q u e o u ss a m p l e sw a si n v e s t i g a t e d u s i n go u r s p e c 们p h o t o m e 仃y b a s e dw a t e rq u a l i t ya n a l y z e r t h ed e t e c t i o nl i m i t ，l i n e a rr a n g ea n d 摘要 t h er a t eo fr e c o v e r yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y c o m p a r i n g 诚氇t h et r a d i t i o n a l s p e c t r o p h o t o m e t e r , t h et e c h n i q u ep r o v e dt ob es i m p l e ，s e n s i t i v ea n dr e p e a t a b l e ， s h o w i n gag r e a tp o t e n t i a lf o rd e t e r m i n a t i o no ff o r m a l d e h y d ei nt h ew a t e ri ns i t u 。 t h et h i r dc h a p t e r t h em e t h y l e n eb l u es p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o di st h en a t i o n a ls t a n d a r dt o d e t e r m i n et h ea n i o n i cs u r f a c t a n t si nw a t e r w i t ho u rp o r t a b l ew a t e rq u a l i t ya n a l y z e r , d e t e r m i n a t i o no ft h ea n i o n i cs u r f a c t a n t si nw a t e r b y t h e m e t h y l e n eb l u e s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o dh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t e st h a to u rt e c h n i q u e i sn o to n l ys a t i s f a c t o r yi np r e c i s i o na n da c c u r a c yb u ta l s of a s t ，m a k i n gi tp o s s i b l et o d e t e c tw a t e rp o l l u t i o ni ns i t u i h ef o r t hc h a p t e r d e t e r m i n a t i o no fn i t r o b e n z e n ei na q u e o u ss a m p l e sw i t ho u rn e wt e c h n i q u ei s d e s c r i b e d i nt h i s c h a p t e r b a s e do n t h e n - ( 1 n a p h t h y l ) e t h y l e n e d i a m i n e s p e c t r o p h o t o m e t r i cm e t h o d t h ed e t e c t i o nl i m i t ，l i n e a rr a n g ea n dt h er a t eo fr e c o v e r y w e r es t u d i e da n dg a v es a t i s f a c t o r y r e s u l t s ，p r o m i s i n g a ni n s i t ud e t e c t i o no f n i t r o b e n z e n ei nt h ew a t e r t h ef i f t hc h a p t e r d e s i g no fap o r t a b l es p e c t r o p h o t o m e t e rf o rd e t e c t i n go r g a n i cp o l l u t a n t si nw a t e r w a sd e s c r i b e di n t h i sc h a p t e r t h ek e yf o rm i n i a t u r i z a t i o no fi n s t r u m e n ti st h e a d o p t i o no fr e f l e c t i n ga b s o r p t i o nc e l la n dp h o t o d i o d el i g h ts o u r c e t h en e w m i c r o - s p e c t r o p h o t o m e t e ri ss t a b l ea n dp o r t a b l e 4 薹h es i x t hc h a p t e r a na b s o r p t i o nc e l lf o ro u rp o r t a b l e s p e c t r o p h o t o m e t r y - b a s e dw a t e rq u a l i t y a n a l y z e ri sd e s c r i b e d 殇os u r f a c eo ft h ec o l o r i m e t r i cp l a t ew a sd e p o s i t e dam e t a l l i c f i l mb yv a c u u mv a p o r l i g h tr e f l e c t sw h e np a s s i n gt h r o u g ht h et e s ts o l u t i o n ，l e a d i n g t oag r e a ti n c r e a s eo fa b s o r b e n c yf o rag i v e ns a m p l e ，t h u si n c r e a s i n gt h es e n s i t i v i t y a n di m p r o v i n gt h ed e t e c t i o nl i m i t 华东师范大学申请硕士学位论文 4 第一章绪论 第一章绪论 第一节水中有机物污染的现状及其分析概述 1 1 水污染的现状 人类的活动会使大量的工业、农业和生活废弃物排入水体中，使水体受到污 染。目前，全世界每年约有4 2 0 0 多亿立方米的污水排入江河湖库，污染了5 5 万 亿立方米的淡水( 相当于全球径流总量的1 4 以上) “。水污染现象日趋严重、水 体水质同益恶化，这使得原本十分紧缺的水资源问题更加突出，己对人类的生存 安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。每年因 饮用不卫生水至少造成全球2 0 0 0 万人死亡。因此，水污染被称作“世界头号杀手 。 现在我国每年约有1 3 的工业废水和9 0 以上的生活污水未经处理就排入水域，使 得江河湖库水域普遍受到不同程度的污染“。1 9 9 6 年，根据全国2 2 2 2 个监测站的 监测结果，我国七大水系污染程度由重到轻次序为辽河、海河、淮河、黄河、松 花江、珠江、长江。对七大水系重点河段进行的评价，符合地面水环境质量标 准i ，i i 类标准的占3 2 2 ，符合i i 类标准的占2 8 9 ，属于，v 类标准的 占3 8 9 。与上一年相比，七大水系的水质状态没有好转，水污染程度在加剧， 范围在扩大”。根据1 9 9 8 年对全国1 2 0 0 多条河流( 长约1 0 9 7 0 0 公里) 进行的评价， 符合地面水环境质量标准i 、i i 类的只占2 9 4 ( 河段统计) ，符合w 类标准的 占3 3 4 ，属于，v 类标准的占2 0 3 ，超v 类标准的占1 6 9 。如果将符合i i i 类 标准也归作污染范围统计，则我国河流长度有7 0 6 被污染，约占监测河流长度 的2 3 以上u 划。可见，我国地表水污染严重。同时污染也正在由浅层向深层发展， 地下水和近海域海水也受到污染，我们能够饮用和使用的安全水源正以惊人的速 度减少。对中国主要河流的水质污染进行评价，结果表明：c o d 年平均值超过3 级 水质标准( 虽g c o d 大于6m g l ) 的河流，占受污染总数的5 8 5 ”。即有近6 0 河流 的污染问题是由于有机物污染的原因所致。因此，有机物污染的控制和改善，是 中国河流污染亟待解决的主要问题之一，对有机污染物的深入调查与研究己是刻 不容缓的事情。 华东师范大学申请硕士学位论文 第一章绪论 1 2 水中有机污染物及其危害 随着人类文明发展，近代化工、石油、农药、杀虫剂、除草剂以及化肥等 工业得到了迅猛发展，人工制造的有机化合物的种类逐年增加，在这些化学品 中，有毒化学品的年产量已达4x1 0 。吨“。据统计，n - ：十世纪末美国化学文 摘登录的化学品种已达1 8 0 0 万种之多，每年约有2 5 万种新的化合物问世，又 约有3 0 0 5 0 0 种投入生产。目前各类有机物世界年总产量已近5x1 0 6 吨。进入 环境的估计己1 0 种，其中不少是对环境或人体有害或有毒的旧。 随着微量分析技术的发展，应用气相色谱( g c ) 和质谱( m s ) 分析技术在水体 中检测出越来越多的有机、有毒化合物。据美国资料报道，在世界各种水体中已 检出有机化合物2 2 2 1 种，其中1 1 7 种被认为或被怀疑为致癌物旧。2 0 世纪7 0 年代一 些发达国家先后提出用于水质监测中经常出现的、对人体危害极大的有毒化学品 的控制的优先检测方法，并相继公布有毒化学物质优先控制名单。美国环境保护 局( u se p a ) 于1 9 7 7 年从7 万余种有机化合物中筛选出6 5 类，1 2 9 种优先控制的污染 物名单。其中有毒有机化合物有1 1 4 种，占总数的8 8 4 。包括2 1 种杀虫剂、8 种 多氯联苯及有关化合物、2 6 种卤代脂肪烃、7 种卤代醚、1 2 种单环芳烃、1 1 种苯 酚类、6 种邻苯二甲酸酷、1 6 种多环芳烃、7 种亚硝胺及其他化合物。这些有毒有 机物对人类生存构成潜在威胁。因此，被视为阶段优先控制的对象。2 0 世纪8 0 年代，中国环境监测总站周文敏等根据国内有机化合物的污染特征，并结合国外 的文献资料，提出了反映我国环境特征的中国环境优先污染物6 8 种“黑名单 。 该黑名单中共有1 4 类，其中优先控制的有毒有机化合物有1 2 类5 8 种，占总数的 8 5 2 9 ，包括1 0 种卤代烃、6 种苯系物、4 种氯代苯类、1 种多氯联苯、7 种酚类、 6 种硝基苯、4 种苯胺、7 种多环芳烃、3 种酞酸酷、8 种农药、丙烯腈和2 种亚硝胺 口1 。这个黑名单的特点是：( 1 ) 突出了污染物的三致毒性，强调其长效性和不 可逆性：( 2 ) 以有毒有机污染物为主。 虽然大多数有机污染物在水中含量甚微，但对人类的危害却极大。生态毒理 学的研究表明，这类污染物有些极难被生物分解，对化学氧化和吸附也有阻抗作 用，在急性及慢性毒性实验中往往表现出很弱毒性效应，在水生生物、农作物和其 它生物体中迁移和富集，有的具有三致( 致癌、致畸、致突变) 效应，在长周期、 低剂量条件下，往往可以对生态环境和人体健康造成严重的甚至是不可逆的影 响。随着科学发展，人们认识到许多化学物质，具有潜在性危害，对环境与人体健 康造成严重威胁。各国学者在对环境水中有机污染物系统测试分析的基础上，对 有机污染物的危害及其与致癌危险性之间的关系进行了深入研究。美国从7 0 年代 开始，对全国8 0 多个城市环境水质进行了普查，鉴定出7 6 7 种有机污染物，对 华东师范大学申请硕士学位论文6 第一章绪论 4 6 0 多种进行了监测，并对3 5 0 种有机污染物的毒性进行了鉴定，然后根据科学 标准对每个化合物的致癌和致突变进行分类u 。分类如下： 第一类：确认致癌物( r e c o g n i z e dc a r c i n o g e n s ) 。其致癌作用已经生物学论 证，并符合下列标准：( 1 ) 流行病学研究证实这些化合物为人类致癌原；( 2 ) 在 动物致癌实验研究中，动物肿瘤发生率增加或肿瘤潜隐期缩短在统计学上有显著 意义，所引发肿瘤有剂量反应关系，其致癌作用可在二个或更多不同实验室得 到证实的化合物；( 3 ) 化学制剂方面科学家认为其对人类或实验动物有致癌作用 的化合物。属于这一类致癌物的有机化合物有2 0 种：其中卤代脂肪烃类6 种，氯 仿、四氯化碳、d d t 、二氯乙基醚、1 ，2 一二氯乙烷、碘代甲烷；卤代脂环烃类有 狄氏剂；卤代芳香烃2 种：六氯苯、2 ，4 ，6 一三氯苯酚；含氮有机化合物3 种： 二苯肼、乙酰胺、丙烯腈；多环芳烃3 种：苯并( a ) 芘、苯并荧葸、茚并( 1 ，2 ， 3 - c d ) 芘；乙基化合物3 种：氯乙烯、4 ，4 - d d e 、亚乙烯基氯；还有1 ，4 一二恶烷。 第二类：可疑致癌物( s u s p e c t e dc a r c i n o g e n s ) 。属于这一类的有机化合物 说服力的证据比第一类确认致癌物少，仅在有限的动物研究中发现有致癌作用， 而在另外一种以上种类动物的实验中或不同实验中未能得到进一步证实。属于可 疑致癌物的有2 4 种：如苯胺、偶氯苯、对一氯硝基苯、二甲基苯胺、溴仿、艾氏 剂、六氯乙烷、六六六等。 第三类：促癌物或助癌物( t u m o rp r o m o t e ro rc o c a r c i n o g e n s ) 。这一类 有机化合物本身没有致癌作用，但能增强，有时能相当显著增强致癌作用。促癌 物能使肿瘤发病率显著增加，或使肿瘤潜隐期明显缩短，在肿瘤形成两阶段的 过程中促癌物必须在起动后( 单次或少数几次用致癌剂亚致癌量) 多次反复地给 予才能引起肿瘤的形成。助癌剂与致癌物共同使用时就显示其潜在活性。 属于 这一类的有机化合物有1 8 种。如：正葵烷、1 一葵醇、正十八烷、油酸、邻甲酚、 邻氯酚、酚、荧蒽、芘等。 第四类：致癌不明的化合物( c h e m i c a l so fu n k n o w nc a r c i n o g e n i c i t y ) 。这 一类有机化合物包括未曾按照公认准则进行完善致癌试验的有机化合物，一般 认为仅在实验条件范围内无致癌作用，但作为非致癌物没有被鉴定过的无活性 有机化合物。 第五类：a m e s 试验致突变性物质( a m e st e s tm u t a g e n i c i t y ) 。对每个化学 物质的沙门氏突变菌株阳性资料和各种试验条件进行了评价。属于这一类物质有 4 7 种，如：丙烯腈、苯胺、偶氯苯、溴仿、溴代甲烷、二氯甲烷、苯并( a ) 芘、碘 代甲烷、氯代甲烷、氯乙烯、溴氯甲烷、糠醛等。 总之，这些有机污染物在水体中不易降解，难于被常规净水工艺去除，在 环境中有一定的生物积累性，大部分本身具有毒性，部分具有“三致作用，构 华东师范大学申请硕士学位论文 7 第一章绪论 成了对人类的潜在威胁。 1 3 水体中有机污染物分析的概述 随着科学的发展，人们已清楚地认识到有机污染物对生态环境及人体健康 所带来的危害，从而促使科学家去寻找有效的分析测定方法和采取有利于防止 水体污染的措施来保护生态环境。水中有机污染物的种类繁多，成分复杂，环境 激素类污染物及其它各种有机污染物在水中往往以ug l 浓度级和l jg l 浓度 级存在，这都给环境分析监测提出了很高的要求。美国和日本已经在研究超微量 环境监测分析技术，我国正处在起步阶段，痕量环境监测技术的开发和研究是摆 在我国环境科学工作者面前的一个艰巨的任务。 目前水中有机污染物的较为成熟的分析技术手段“： 1 3 1 气相色谱质谱( g c m s ) 联用法 气相色谱一质谱( g c - m s ) 联用法：超微量监测分析仪器气相色谱一质谱联用 仪是目前国内外使用最广泛、发展最快的环境污染物分析仪器尤其在水质监 测领域，g c - m s 联用法已被广泛作为基本分析方法。近年来，g c m s 联用仪的 相关技术取得了很大进展，对以环境激素类污染物为主的有机污染物的监测，各 国更是以g c - m s 法为标准方法。 1 3 2 液相色谱质谱( l c m s ) 联用法 液相色谱一质谱( l c m s ) 联用法：l c - m s 法是通过l c 分离出的成分用m s 检 测，除灵敏度高、选择性好外，还能得到有关结构的信息，是目前对环境污染物质 定性和定量测定的有效方法之一。用液相色谱一质谱( l c - m s ) 联用法测定某些 样品时，在进行试样的前处理时勿须进行衍生化，也可同样地进行测定，通过质 谱定性或定量。l c m s 法目前已成为监测分析农药、除草剂及多氯联苯的重要 方法。 1 3 3 生物传感器测定法 生物传感器测定法：生物传感器测定法是利用生物分子优良的分子识别功 能，结合转换功能进行测定的检测方法。如果使用g c m s 法测定二恶英类物质时 必须进行复杂的前处理，花费时间长，耗资也较大：而使用生物传感器测定法则 华东师范大学申请硕士学位论文 8 第一章绪论 无须进行前处理，具有操作简便、快速、耗资较少等特点，且在测定时能够做到 安全、精密的检测。 1 3 4 红外光谱法 红外光谱法：红外光谱法是有机化合物最主要的定性分析方法之一，主要原 理是每一种化合物都有特征的红外吸收光谱，其谱带的数目、位置、形态及强度 均随化合物及物理状态的不同而不同，因而可以根据化合物的光谱确定该化合 物或其官能团是否存在。红外光谱技术目前已发展成为环境监测中微量污染物 定性和定量分析的重要工具，也是近年来发展最快的水质监测方法之一。 有机污染物监测分析方法的系统化、规范化我国有机污染物标准分析方法 还不够完善，有机污染物还未纳入常规监测体系，适时、全面、系统地开展水 中有毒有害有机物的监测已经刻不容缓。美国e p a 对有毒有机物均有相应的标 准分析方法，但这些方法不适合我国国情，突出表现在：仪器设备昂贵，操作 步骤复杂，质控程序烦琐。我们应采取有效措施，扬长避短，将美国e p a 的有 机物标准分析方法比较系统的引入国内消化吸收，建立适合我国国情的测试方 法。我国国情是指：( 1 ) 尽可能使用国产仪器；( 2 ) 尽可能使用国产有机标样和 化学试剂；( 3 ) 操作步骤尽可能适应基层监测人员的素质；( 4 ) 尽可能使用国产 的玻璃器具和消耗品；( 5 ) 质量控制尽可能使用符合我们自己的程序。总之，我 们要根据我国国情，为有毒有机污染物监测开创新的途径，建立我国完整的分 析测试体系。 华东师范大学申请硕士学位论文 9 第一章绪论 第二节分光光度法及其在有机污染物检测中的应用 分析化学是研究和进行物质化学成分鉴定、组分含量测定的有关原理及技术 的科学，是化学领域中一个重要的分支。分光光度法是分析化学中一种有效手段， 这类方法是根据物质对特定波长的辐射能的吸收1 2 州3 ，来进行分子结构的确定、 品体结构的分析及物质含量的测定1 5 ，16 j 。 2 1 分光光度法的用途及意义 分光光度法是获得物质光吸收特性及定性、定量信息的重要手段，分光光度 法在冶金、地质、生物、医学、制药、农业、半导体生产、环境监测、食品卫生 等部门得到极其广泛的应用一“。分光光度测量是分析溶液中某种物质的浓度 和物质结构的有效手段，分光光度仪是很多科研院所、大中专学校进行科研教学 活动时必不可少的实验室仪器。在工厂和实验室中经常需要分析产品中某种成分 的含量，作为产品检验的标准。农产品中的农药残存量一直是人们非常关注的一 项指标，可以通过分光光度测量获得准确的检验结果。运动员服用兴奋剂的问题 在体育界愈来愈引人注目，我们也可通过分光光度法进行尿样分析，判断该人是 否服用兴奋剂。近年来，随着电子学、激光和微型计算机技术的发展和应用“。， 新的高灵敏、超高灵敏有机试剂的合成、多元配合物显色体系的不断进展，分光 光度分析法得到蓬勃的发展，在基础理论、仪器装置、测量方法和应用等方面都 有长足的进步。 分光光度测定的方法很多，并且随着科学技术日新月异的发展，还会出现更 多更新的方法，从不同的角度提高分光光度测定的灵敏度、选择性、精密度和准 确度，并且更加简化测定操作，提高分析效率，以适应各个领域对分光光度分析 的要求。 2 2 分光光度法的基本原理 2 2 1 紫外与可见光吸收光谱的形成 原子光谱是不连续的线状光谱。这是由于谱线的频率( v ) 或波长( 入) 与跃迁 前后两个能级的能量差( e ) 之间的关系服从普朗克( p 1 a n c k ) 1 2 1 条件，即 a e - - e 2 一e l = hv = h c 入 ( 1 1 ) 两个能级之间的能量差一般为1 一i 0 电子伏，因此各条谱线的频率或波长差别较 华东师范大学申请硕士学位论文 1 0 第一章绪论 大，呈线形分开。分子吸收光谱形成的机理与原子光谱形成的机理是相似的，也 是由于能级之间的跃迁所引起的。但是由于分子内部运动所牵涉到的能级变化比 较复杂，分子吸收光谱也就比较复杂。一个分子的总能量e 可以写成内在能量e o 、 平动能e 平、振动能e 振、转动能e 转以及电子运动能量e 电子之总和，即 e = e o + e 平+ e 振+ e 转+ e 电子( 1 2 ) 一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化a e 为其振动能变化e 振、转动能 变化e 转以及电子运动能量变化e 电子之总和，即 e = x e 振+ e 转+ e 电子 ( 1 3 ) 在式( 1 3 ) 右边的三项中，a e 电子最大，一般在1 - 1 0 电子伏之间。分子的振动能 级间隔e 振大约比a e 电子小十倍，一般在0 0 5 - 1 电子伏之间。分子的转动能级间 隔a e 转，大约比e 振小十倍或百倍，一般小于0 0 5 电子伏。 一切物质都会对不同波长的光线表现出不同的吸收能力，这一性质称为选择 吸收“一“驯。物质只能选择性地吸收那些能量相当于该分子振动能量变化 e 振、转动能变化e 转、以及电子运动能量变化e 电子之总和的辐射。各种物 质对光线的选择吸收性质，反映了它们分子内部结构的差异。即各种物质的内部 结构决定了它们对不同光线的选择吸收。 我们可以缓慢地改变通过某一吸收物质的入射光的波长，记录该物质在每一 波长处的吸光度( a ) ，以波长为横坐标，以吸光度为纵坐标作图，这样得到的谱 图称为该物质的吸收光谱。从某物质的吸收光谱可以看出它在不同的光谱区域内 吸收能力的分布情况。物质吸收光谱的形状与它的内部结构紧密相关，研究各种 物质的吸收光谱，可以为研究它们的内部结构提供重要的信息。 2 2 2 有机化合物分子中的几种电子及其可能的跃迁形式 有机化合物的紫外与可见光吸收光谱与它们的电子跃迁有关，即决定于分子 的结构。一般来说，某有机化合物分子中含有某种基团，在它的吸收光谱中就会 呈现某种标志性的特征吸收带。一个有机化合物分子对紫外光或可见光的特征吸 收，可以用吸收峰的波长表示，记为入最大。入最大决定于分子的激发态于基态之 间的能量差。从化学键的性质来看，与吸收光谱有关的电子主要有三种：( 1 ) 形 成单键的。电子；( 2 ) 形成复键的电子：( 3 ) 未共享的电子，或称非键1 1 电子。 根据分子轨道理论，分子中这三种电子的能级高低次序是： ( o )( 丌)( n )( 木) 0 1 m ) 时吸收成分之间的平均距离缩小到一定程度，邻近质点彼此的电荷分 布都会相互受到影响，这种影响能改变它们对特定辐射的吸收能力。相互影响的 程度取决于浓度，这个现象的存在致使吸光度与浓度之间的线性关系发生偏差。 比耳定律适用于均匀、单一、无散射光的物质溶液，也适用于其他均匀非散射的 物质，如气体或固体。因此，比耳定律是各类吸光物质光度法测定的定量依据。 2 3 分光光度法检测水中有机污染物的应用进展 分光光度法应用于物质的含量分析的特点是：( 1 ) 广泛应用于被测物中已 知组分的定量分析。可以用作常量( 克数量级) 的，也可作痕量( 1 0 0pg c m 一3 ) 华东师范大学申请硕士学位论文 第一章绪论 的反超痕量( l 1 tg c m 。) 组分的定量测定。还可同时测量混合物中多种组 分。常规检出限量可低达1 0 。克。( 2 ) 灵敏度与准确度高，仪器设备较简单、 操作简便。( 3 ) 适用于有机物分子部分结构及官能团的分析与鉴定，尤其是含 有生色基团和共轭键体系的有机物的鉴定。 分光光度法应用于测定物质的含量需要同时测定标准溶液( 浓度已知的溶 液) 和未知液( 浓度待测定的溶液) 的吸光度，进行比较，由于所用吸收池的厚度 是一样的。也可以先测出不同浓度的标准液的吸光度，绘制标准曲线，在选定的 浓度范围内标准曲线应该是一条直线，然后测定出未知液的吸光度，即可从标准 曲线上查到其相对应的浓度。含量测定时所用波长通常要选择被测物质的最大 吸收波长，这样做有两个好处：( 1 ) 灵敏度大，物质在含量上的稍许变化将引起 较大的吸光度差异；( 2 ) 可以避免其它物质的干扰。 在水质分析中，用分光光度法测定一些特定有机化合物，经过多年的研究 积累了许多较为成熟、高效的分析方法。这里我们重点介绍一下分光光度法测 定甲醛、阴离子表面活性剂及硝基苯等几种典型的有机污染物质的方法。 2 3 1 甲醛 甲醛的分析方法一般采用色谱法或分光光度法，色谱法具有准确、灵敏等特 点，但仪器昂贵，不易推广；而分光光度法作为一种经典的方法，可不受外界 ( 经济条件，人员水平等) 因素的限制，其设备简单、投资少、测量准确，因而 在生产中得到广泛应用。 分光光度法主要有乙酰丙酮法、变色酸法、付品红法、m b t h 法等数十种： ( 1 ) 乙酰丙酮分光光度法 乙酰丙酮法是测定甲醛较为理想的分析方法，目前在各个领域已得到了广 泛的应用。在酸性条件下，乙酸一乙酸铵缓冲溶液中，与乙酰丙酮( 2 ，4 一戊二酮) 作用，在沸水浴条件下，迅速生成稳定的黄色化合物( 2 ，5 一二乙酰基一1 ，4 一二氢 吡啶) ，其颜色深度与含量成正比，在波长1 3r i m 处测定其吸光度值。此法的 优点是不受乙醛的干扰，而且方法简便，稳定性好，误差小，比色液可稳定1 2 h 不变。检出限为0 2 5m g l 。缺点是生成稳定的生色物质需要约6 0m i n 的诱 导期，另外，该法在含s 0 2 的环境中测定有一定的影响，使用n a h s o a 作为保护 剂则可以消除，四氯络汞酸胺为吸收液也可以消除忙引。最近，r o d r i g u e z 等h w 发展了乙酰丙酮法，采用停流技术，将其诱导期缩短为3m i n ，可以快速完成 测定。所用的乙酰丙酮显色剂不但有良好的选择性，准确度高，操作安全简便， 价格也便宜，还能保持在较长时间内连续使用。 华东师范大学申请硕士学位论文 1 4 第一章绪论 ( 2 ) 变色酸( c t a ) 分光光度法 又称铬边色酸法。变色酸法是测定甲醛较为成熟的分析方法，美国职业安全 卫生研究所( n i o s h ) 把其列为标准的分析方法( n i o s h 方法3 5 0 0 ) 。其反应原理是 甲醛在浓硫酸介质中与变色酸( 1 ，8 一二羟基一3 ，6 一二磺酸) 作用，生成紫色化合 物，在5 8 0n m 处比色定量。检出限为o 1m g l 川。该法的优点是操作简便、快速 灵敏，缺点是在浓硫酸介质中进行，不易掌握，且不同的醛类、烯类化合物及 n 0 2 等对测定呈正干扰或负干扰。 ( 3 ) 酚试剂分光光度法 酚试剂学名3 一甲基一苯并噻唑酮腙( m b t h ) 。该法原理是甲醛与酚试剂( m b t h ) 反应生成嗪，嗪在酸性溶液中被高铁离子氧化成蓝色化合物，该物质的最大吸收 波长为6 3 0 n m ，其颜色的深浅与甲醛含量成正比，与标准比较定量。本法测定范 围为0 0 2 - - 0 3m g l 。优点是灵敏度高，干扰少，操作简便，但易受其它醛的干 扰。在溶液中存在二氧化硫时会使结果偏低。该法操作过程中须注意显色温度， 室温低于1 5 时，显色不完全，2 0 3 5 时1 5m i n 显色达最完全，放置时间4 h 稳定不变。当甲醛含量为o 3 ug m l ，2 5m g 的酚、1 0m g 的乙醇不干扰 测定。另外，采用停流技术的改良m b t h 法能使反应的诱导期由原来的3 0m i n 缩短 为3 s ，检测限为1 4ug l ，相对偏差为5 1 “。 ( 4 ) 间苯三酚法 g a y a t h r i 等“利用甲醛在酸性条件与间苯三酚反应生成黄色化合物，最大 吸收波长为4 3 5n m ，在较长时间内保持稳定。其测定的标准曲线的相关系数为 0 9 9 9 ，相对偏差为2 。生成的化合物在较长时间内保持稳定，具有操作方便、 干扰物影响较小等特点。r a l n a c h a n d r a n 。等将甲醛与间苯二酚在碱性溶液中生 成桔红色物质来进行分光光度测定。最大吸收波长为4 7 0n m ，摩尔吸光系数为2 1 1 x 1 0 l ( m o l c m ) ，线性工作范围为0 i - - - - 2m g m 1 ，具有操作方便、醛类化合 物对测定无干扰等优点。 ( 5 ) 品红亚硫酸法 品红亚硫酸法早在1 8 6 6 年由希夫氏提出。原理是亚硫酸与品红生成无色的 希夫试剂，再与醛作用生成紫红色络合物，为总醛反应，加硫酸生成蓝色化合 物，是甲醛的特有反应，在5 7 0n m 处比色定量，检测限为5 0 ug l 。醛类均能 与品红亚硫酸反应，但在硫酸存在下，只有甲醛所产生的颜色不退。因此该方 法测甲醛的特异性很好，操作方便，测定范围广，简便，其它醛和酚不干扰测 华东师范大学申请硕士学位论文 第一章绪论 定。缺点是褪色快，重现性差，灵敏度不高，易受温度影响，使