一种现场测定水中亚铁浓度的显色管及检测方法

技术领域

本发明涉及一种现场测定水中亚铁浓度的显色管及现场检测方法，主要应用于水质检测及监测领域。

背景技术

铁元素是自然界中常见元素，水环境中铁离子主要以亚铁、三价铁两种形式存在，铁的不同价态决定着铁离子在生态系统中的环境行为、生物可利用性及生物毒性，因此准确测定水环境中铁离子价态具有十分重要的意义。水样采集、保存及运输过程中铁离子极易发生价态变化，水中亚铁与空气接触，易被氧化成三价铁；在微生物及其他氧化还原物质作用下，水样储存及运输过程中亚铁与三价铁之间也极易相互转化，从而影响水中亚铁浓度的准确测定。

目前已公开的期刊文献及标准规范中主要以实验室室内测定水中亚铁含量为主，各技术方法所用缓冲溶液、显色剂略有不同，但均需采集水样，并将水样运回实验室，同时需要在实验室配制液体显色剂及缓冲溶液，最后使用实验室台式仪器完成分析测试。但是液体显色剂由高纯固体药品与溶剂配制而成，浓度较低，且溶剂中含有水或酸碱试剂，容易使显色剂/缓冲溶液化学成分发生变化，影响正常显色反应，进而影响检测结果准确度。另外，一般液体试剂的有效期在一周左右，甚至有的液体试剂要求现用现配，个别的液体试剂还需避光储存，因此不易保存。因此，实验室检测水中亚铁含量的缺点是：①水样需运回实验室进行分析，样品采集、保存、运输过程中水中亚铁和三价铁之间容易发生价态变化，导致亚铁浓度难以准确测定；②实验室测试所用液体显色剂不易保存，需定期配制，试剂消耗量较大；样品采集、保存及运输需要取样瓶、保护剂、运输费等相关费用，实验室测试综合成本高；③样品采集后，运输时间及实验室派样分析周期较长，分析测试时效性较差。

部分期刊文献中报道了水中亚铁的现场快速检测方法，主要采用目视比色法，该方法不需要仪器设备、检测速度较快，但文献中建立的目视比色法色阶分度值为1/2个色标单位，方法的分辨率和准确度较差。

发明内容

为快速、准确测定水中亚铁离子含量，解决水中铁离子价态在取样、保存及运输过程中极易发生变化，亚铁含量很难准确测定的问题，本发明提供了一种测定水中亚铁浓度的显色管及现场检测方法。

本发明公开的含有固体混合显色剂的水中亚铁浓度现场测试用显色管，采用的固体混合显色剂为高纯固体药品，保质期在12个月以上。

一种现场测定水中亚铁浓度的显色管，该显色管主要包括玻璃显色管和显色管盖子，所述的盖子中设有试剂槽，试剂槽与盖子一体成型，试剂槽内装有固体混合显色剂，试剂槽口设有可撕开的塑料密封膜。

所述的玻璃显色管为透明硬质玻璃材质，横截面形状可为圆形、长方形或正方形等，具体视便携式分光光度计比色皿槽的形状而定。

所述的玻璃显色管直径为24mm，壁厚为1.2mm，高度为95mm。

所述的玻璃显色管的管口为螺旋口，便于盖子旋紧或打开。

所述的玻璃显色管螺旋口的直径小于玻璃显色管直径，玻璃显色管螺旋口高度为9mm。

所述的玻璃显色管上设置20mL刻度线。

所述的显色管盖子为圆形，材质为塑料，外直径与玻璃显色管直径一致，高度为10mm。

所述的显色管盖子内部中心位置设有圆柱形固体混合显色剂试剂槽，试剂槽与盖子一体成型，材质为塑料。

所述的试剂槽直径为5mm，高度为4mm，试剂槽口设有可撕开的塑料密封膜，试剂槽内装有固体混合显色剂。

所述的固体混合显色剂组成为：邻菲罗啉盐酸盐一水合物0.012g，甘氨酸0.075g，氨基三乙酸0.005g。

本发明还公开了采用上述现场测定水中亚铁浓度的显色管进行现场检测的技术方法。

一种水中亚铁浓度的现场检测方法，采用上述现场测定水中亚铁浓度的显色管，主要分为校准曲线制备(包括“检测方法建立”)、取样、显色反应、现场测试四个步骤，包括以下具体操作步骤：

(1)取样：在玻璃显色管中加入4滴1:1盐酸(1体积浓盐酸(质量浓度36％～38％)与1体积水混合配制的盐酸)，然后将水样注入玻璃显色管至20mL刻度线位置；

(2)显色反应：撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜，将试剂槽内的固体混合显色剂倒入已取样的玻璃显色管中，旋紧盖子，反复振荡，使固体混合显色剂与水样充分混匀，溶解，然后静置4～6分钟，完成显色反应；

(3)现场测试：采用便携式分光光度计进行现场检测，得到水样中亚铁浓度。

步骤(1)中，所述的水样浑浊时，先将水样过0.45μm滤膜。

步骤(2)中，反复振荡的次数为3次以上，如3～5次，振荡过程中水样会将试剂槽中残留的固体混合显色剂充分溶解，每次振荡时间为8～15秒钟，使玻璃显色管中的水样与固体显色剂充分混匀，溶解，然后等待4～6分钟，完成显色反应。

步骤(3)中，采用便携式分光光度计进行现场检测的方法，包括如下步骤：

1)制备校准曲线，建立检测方法：

首先配制一系列亚铁标准溶液，按照上述方法中的步骤(1)和步骤(2)，取标准溶液样品，进行显色反应，然后采用便携式分光光度计进行测试，生成校准曲线和线性方程，保存测试程序，建立检测方法；

2)水样的现场检测：按照上述方法中的步骤(1)和步骤(2)，进行水样的取样和显色反应；采用便携式分光光度计中保存的检测方法，用空白试剂调零后，对完成显色反应的水样进行现场测试。

步骤1)中，制备校准曲线，建立现场检测方法，具体过程包括以下步骤：

第一步，配制标准溶液：采用六水合硫酸亚铁铵(优级纯)配制亚铁浓度分别为0.00、0.025、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00mg/L的系列标准溶液；

第二步，移取标准溶液：在玻璃显色管中加入4滴1:1盐酸，然后分别注入20mL不同浓度的标准溶液；

第三步，显色反应：撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜，将试剂槽中固体混合显色剂倒入已取样的玻璃显色管中，旋紧盖子，反复振荡，使固体混合显色剂与水样充分混匀，溶解，然后静置4～6分钟，完成显色反应；

第四步，现场测试：在便携式分光光度计中新建用户程序，模式选定单波长，分析波长为515nm，然后进入标准测量或读取步骤，以0.00mg/L的空白试样为参比溶液进行仪器调零，然后分别将亚铁浓度为0.00、0.025、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00mg/L的系列标准溶液试样依次置于比色孔中进行吸光度测定，每放置一个标准溶液试样前先将标准溶液浓度值输入到程序中，吸光度测试完成后用仪器自动生成校准曲线，并计算出线性方程，最后保存测试程序，仪器用户程序中会自动添加本次建立的水中亚铁浓度现场检测方法(包括校准曲线、根据校准曲线数据计算出的线性方程及分析波长)。

在建立检测方法后短时间内(一般为2天以内)进行水样测试时，只需直接调取便携式分光光度计中保存的检测方法，不需要再次进行校准曲线制备步骤。

首次测试或长时间不用(一般为3天以上)再次进行测试时，需要重新制备校准曲线，建立检测方法。

步骤2)中，水样的现场检测，包括以下具体步骤：

第一步，取样：在玻璃显色管中加入4滴1:1盐酸，然后注入20mL待测水样；

第二步，显色反应：撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜，将试剂槽中固体混合显色剂倒入已取样的玻璃显色管中，旋紧盖子，反复振荡，使固体混合显色剂与水样充分混匀，溶解，然后静置4～6分钟；

第三步，现场检测：从便携式分光光度计用户程序中调出新建立的检测方法，以空白试样(0.00mg/L的标准溶液试样)为参比进行仪器调零，然后将完成显色反应的待测水样玻璃显色管置于便携式分光光度计比色孔中，读取待测水样中亚铁浓度。

本发明的技术设计特点及其作用：

①玻璃显色管盖子结构具有独特的设计。本发明盖子内部设计了一个直径5mm、高4mm的固体试剂储存槽，试剂槽口有一个可撕开的塑料密封膜，可将固体混合显色剂有效保存，并且在使用时方便释放固体混合显色剂。

②本发明采用了合适的固体混合显色剂成分及配比。不同的显色剂对水中亚铁离子的显色灵敏度不同，受水中其他元素的影响程度也不同；固体混合显色剂的不同比例影响水中亚铁离子测定的准确度和灵敏度。本发明的固体混合显色剂成分及各成分比例对水中亚铁离子响应十分灵敏，显色后4小时内颜色稳定，显色过程中能够有效掩蔽水中其他常见元素干扰，且固体混合显色剂封存在显色管盖子内部试剂槽中，能够长期保存，十分适用于现场快速定量测定水中亚铁浓度。

③本发明水中亚铁浓度现场检测方法中固体混合显色剂释放方式(显色反应)为本发明的技术关键点。本发明需要撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜，将试剂槽中固体混合显色剂倒入已完成取样的玻璃显色管中，旋紧盖子，用力反复振荡3～5次，每次振荡8～15秒钟，振荡过程中水样会将试剂槽中残留的固体混合显色剂充分溶解，确保显色效果。如果振荡不充分，可能导致固体混合显色剂在试剂槽中残留，或固体混合显色剂显色反应不充分，影响水中亚铁浓度检测的准确度。

如果不使用显色管盖子内置的固体混合显色剂试剂槽释放固体混合显色剂，改为粉枕包方式释放固体混合显色剂，即将配制好的固体混合显色剂装入粉枕包内，使用时将粉枕包撕开，将粉枕包内的固体混合显色剂倒入玻璃显色管中；缺点是撕开粉枕包释放固体混合显色剂时很难将固体混合显色剂全部倒入玻璃显色管中，一部分固体混合显色剂会残留在粉枕包内，导致固体混合显色剂释放不完全，影响待测水样的显色效果及检测结果的准确度。

④本发明水中亚铁浓度现场检测步骤中样品预处理方法为本发明的独创设计。在水样注入玻璃显色管前需预先在玻璃显色管中加入4滴1:1盐酸，如不加盐酸，则混合显色剂不能有效掩蔽水中其他常见元素的干扰。水样浑浊，应先将水样过0.45μm滤膜，如浑浊样品未过滤，则无法准确测定水样中亚铁浓度。

⑤本发明采用便携式分光光度计进行现场检测，灵敏度和准确度高，测定水样中亚铁浓度误差小。如果不使用便携式分光光度计，改用标准比色卡，即：将系列标准溶液进行显色反应，然后将标准溶液浓度与显色后溶液颜色深浅制作成标准比色卡，从而完成水中亚铁浓度的现场测定；缺点是灵敏度和准确度不够，目视比色判定水样中亚铁浓度误差较大。

现有实验室检测技术的缺点主要为成本高、检测周期长、准确性难以保证。本发明无需将水样运回实验室，现场将水样显色后，几分钟即可出具测试结果，检测效率高、准确度高。本发明将各种固体药剂按照比例直接预装在试剂槽中，使用时无需二次配制，且每支显色管内预装固体混合显色剂合计0.092g，预装量十分少，使用的药剂成本十分低。

已公开的现场检测技术主要为目视比色法，对照标准色阶管，用肉眼主观判断水样中亚铁浓度，误差较大，灵敏度也较低。本发明的现场检测方法在0.02～1.00mg/L范围内，校准方程的线性相关系数为0.9998，检出限为0.007mg/L，不同浓度加标回收率为93.33％～104.76％，本发明方法灵敏度高、准确性好，能够用于水中亚铁浓度的现场快速定量检测。

本发明技术方案的有益效果：

(1)本发明建立的水中亚铁浓度现场检测方法准确度高、稳定性好(方法回收率、精密度均满足相关标准规范要求)，不需要进行水样采集保护(添加保护剂)、储存及运输，有效避免了水中铁的价态(二价、三价)在取样保存及运输过程中的转化。

(2)本发明测试水中亚铁浓度的时效性远远高于实验室分析方法。本发明现场检测分析只需要6～7分钟/每样，而将水样野外采集保护、储存并运输到实验室，实验室再完成接样-派样-分析测试等步骤一般需要两天左右。相比较而言，本发明的时效性非常高。

(3)本发明设计的亚铁浓度现场测试显色管可批量生产，且具有完整的商品属性，操作人员只需按测试步骤注入待测样品、显色、现场测试即可。测试步骤简便易懂，无需进行二次试剂配制，操作人员无需专业资质，操作十分简便，非常适合在水质及环境现场监测领域推广应用。

(4)本发明建立的水中亚铁浓度现场检测方法测试成本低。本发明只需现场注入20ml水样，无需采集大量样品并添加保护剂，水中亚铁浓度测试显色管只需预装极少量化学药剂(0.092g)，单个显色管预装药剂成本不足1元，且没有储存、运输成本，无须使用实验室大型分析仪器，整体而言测试成本很低。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明水中亚铁显色管的整体结构示意图(含参数)。

图2为本发明水中亚铁显色管中玻璃显色管的结构示意图(含参数)。

图3为本发明水中亚铁显色管中显色管盖子的侧面剖视图。

图4为本发明水中亚铁显色管中显色管盖子的正面俯视图。

主要附图标记说明：

1 玻璃显色管 2 显色管盖子

3 20mL刻度线 4 螺旋口

5 试剂槽 6 塑料密封膜

具体实施方式

本发明的现场测定水中亚铁浓度的显色管，具体结构及参数见图1-4。亚铁显色管主要包括玻璃显色管1、显色管盖子2(盖子中含有固体混合显色剂试剂槽)。显色管盖子2中设有试剂槽5，试剂槽5与显色管盖子2一体成型，试剂槽5内装有固体混合显色剂，试剂槽口设有可撕开的塑料密封膜6。

现场测定水中亚铁浓度的显色管各部分参数及固体显色剂组成详述如下：

如图1-2所示，玻璃显色管1为透明硬质玻璃材质，圆形、长方形或正方形；具体视便携式分光光度计比色皿槽而定，如便携式分光光度计比色皿槽为圆形，则玻璃显色管1为圆形；如便携式分光光度计比色皿槽为正方形或长方形条带，则玻璃显色管1为正方形或长方形。玻璃显色管1直径为24mm，设置该参数主要因为一般便携式分光光度计的比色孔直径最大约为25mm左右，因此显色管直径应小于等于便携式分光光度计的比色孔直径，同时为提高方法检出限，将显色管直径设计为接近比色孔直径最大值；其中玻璃显色管1壁厚1.2mm，壁厚不能太薄，容易碎，也不能太厚，影响吸光度，因此本发明选择了常用的1.2mm厚。具体直径视便携式分光光度计比色皿槽尺寸而定，图1中所示玻璃显色管1直径适用于圆形比色孔的便携式分光光度计，如美国哈希DR2800便携式分光光度计。玻璃显色管1高为95mm，该管体高度既保证了管体中样品液面高于光源光路，又保证了有一定距离露在比色孔外边，方便插入和取出比色管；具体高度视便携式分光光度计比色孔结构而定，图1所示玻璃显色管1高度适用于美国哈希DR2800便携式分光光度计。玻璃显色管1的管口为螺旋口4，玻璃显色管螺旋口4的高度为9mm，该高度为常规高度，太长了无必要、成本高；太短了会导致盖子旋不牢固。玻璃显色管1设有20mL刻度线3。

如图3-4所示，显色管盖子2为圆形塑料材质，外直径与玻璃显色管1直径一致，高10mm，可保证盖子便于旋紧及打开。盖子内部中心位置有一个圆形塑料固体混合显色剂试剂槽5，试剂槽5与盖子一体成型，试剂槽5直径5mm、高4mm，试剂槽口有一个可撕开的塑料密封膜6，试剂槽5内装有配制好的固体混合显色剂，固体混合显色剂组成为：邻菲罗啉盐酸盐一水合物0.012g，甘氨酸0.075g，氨基三乙酸0.005g。

本发明还公开了现场检测技术方法，包含了药品试剂配制(配方)、检测装置制备、仪器参数及分析步骤等全部要素。

采用本发明显色管建立的水中亚铁浓度现场检测方法，主要分为校准曲线制备(包括“检测方法建立”)、取样、显色反应、现场测试四个步骤。每个步骤的具体操作方法详述如下：首次建立方法时(或长时间不用，再次进行水中亚铁浓度测试时)，需首先进行标准溶液配制，然后取样(取标准溶液)，然后显色反应，然后现场测试，从而完成校准曲线制备，保存校准曲线，完成建立“水中亚铁浓度现场检测方法”。短时间内进行水样测试时，只需调取仪器中已保存的“水中亚铁浓度现场检测方法”即可，并不需要再次进行校准曲线制备步骤，即制备一次校准曲线可以连续用1-2天，不需要每测一个样品就进行一次“校准曲线制备”，然后用试剂空白调零后，直接进行实际样品取样、显色反应、现场测试步骤即完成一个样品测试。下一个样品仍然是重复“取样-显色反应-现场测试”步骤。连续测定样品时，“调零”一次即可。

①取样：在玻璃显色管1中加入4滴1:1盐酸，然后直接将水样注入玻璃显色管1至20mL刻度线3位置。如水样浑浊，应先将水样过0.45μm滤膜。

②显色反应：用手撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜6，将试剂槽5中固体混合显色剂倒入已完成取样的玻璃显色管1中，旋紧盖子，用力反复振荡3次，振荡过程中水样会将试剂槽5中残留的固体混合显色剂充分溶解，每次振荡10秒钟，使玻璃显色管1中的水样与固体显色剂充分混匀，溶解，然后等待5分钟，完成显色反应。

③校准曲线制备，包括“现场检测方法建立”：该过程包括标准溶液配制、移取标准溶液、显色反应、现场测试四个步骤。

第一步，配制标准溶液：采用优级纯六水合硫酸亚铁铵逐级配制成亚铁浓度为0.00、0.025、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00mg/L的系列标准溶液。

第二步，移取标准溶液：在已加入4滴1:1盐酸的玻璃显色管1中分别注入20mL各浓度标准溶液(至玻璃显色管20mL刻度线3处)。

第三步，显色反应：用手撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜6，将试剂槽5中固体混合显色剂倒入已完成取样的玻璃显色管1中，旋紧盖子，用力振荡，振荡过程中水样会将试剂槽5中残留的固体混合显色剂充分溶解，使玻璃显色管1中的水样与固体显色剂充分混匀，溶解，然后等待5分钟。

第四步，现场测试：显色反应5分钟后，在便携式分光光度计中新建用户程序，模式选定单波长，分析波长为515nm，设置完成后进入标准测量或读取步骤，以0.00mg/L的空白试样为参比溶液进行仪器调零，然后分别将亚铁浓度为0.00、0.025、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00mg/L的系列标准溶液试样依次置于比色孔中进行吸光度测定，每放置一个标准溶液试样时需先将标准溶液浓度值输入到程序中，吸光度测试完成后仪器会自动绘制校准曲线，建立的水中亚铁浓度现场检测方法校准曲线数据请参见表1，并计算出线性方程，最后保存测试程序。保存完成后，仪器用户程序中会自动添加本次建立的水中亚铁浓度现场检测方法，包括校准曲线、根据校准曲线数据计算出的线性方程及分析波长。

表1本发明建立的水中亚铁浓度现场检测方法校准曲线数据

当天完成现场测试后，如间隔时间较长(一般三天以上就应该重新制备校准曲线)，再次使用水中亚铁浓度现场检测方法时，需重新配置系列标准溶液，并更新校准曲线(即重新从“标准测量(或读取)步骤”开始进行操作)，完成校准曲线校准后才能够继续进行样品测试。

④现场测试：在已完成“③校准曲线制备”，并在仪器内保存现场检测方法后，接“②显色反应”步骤进行现场测试。

第一步，取样：在已加入4滴1:1盐酸的玻璃显色管1中注入20mL待测水样。

第二步，显色反应：用手撕开显色管盖子内试剂槽口的塑料密封膜6，将试剂槽5中固体混合显色剂倒入已完成取样的玻璃显色管1中，旋紧盖子，用力振荡，振荡过程中水样会将试剂槽5中残留的固体混合显色剂充分溶解，使玻璃显色管1中的水样与固体显色剂充分混匀，溶解，然后等待4～6分钟。

第三步，待测水样显色反应4～6分钟后，从便携式分光光度计用户程序中调出新建立(或新校准)的水中亚铁浓度现场检测方法，以试剂空白(0.00mg/L的标准溶液试样)为参比进行仪器调零，然后将完成显色反应的待测水样玻璃显色管置于便携式分光光度计比色孔中，读取待测水样中亚铁浓度(单位为mg/L)。仪器已保存的水中亚铁浓度现场检测方法中含有校准曲线和线性方程，因此样品测试时仪器会根据测定的吸光度自动计算待测水样中亚铁浓度值，并将亚铁浓度值显示到屏幕上。应用本发明方法对代表性实际水样(WSY01～WSY04)和模拟水样(模拟水样1、模拟水样2)进行试验研究，本发明方法精密度试验结果参见表2，样品加标回收率试验结果参见表3。

表2本发明方法测定代表性水样中亚铁浓度的精密度试验结果(n＝7)

注：ND-表示检测结果小于检出限。

表3本发明方法样品加标回收率试验结果

本发明如果不使用便携式分光光度计，改用目视比色法。即：将系列标准溶液进行显色反应，然后将标准溶液浓度与显色后溶液颜色深浅制作成标准比色管，采用目视比色主观完成水中亚铁浓度的现场测定。缺点是灵敏度和准确度不够，目视比色判定水样中亚铁浓度误差较大。

本发明如果不使用显色管盖子内置的固体混合显色剂试剂槽释放固体混合显色剂，改为粉枕包方式释放固体混合显色剂，即将配制好的固体混合显色剂装入粉枕包内，使用时将粉枕包撕开，将粉枕包内的固体混合显色剂倒入玻璃显色管中。缺点是撕开粉枕包释放固体混合显色剂时很难将固体混合显色剂全部倒入玻璃显色管中，一部分固体混合显色剂会残留在粉枕包内，导致固体混合显色剂释放不完全，影响待测水样的显色效果及检测结果的准确度。

本发明现场测定水中亚铁浓度的显色管及检测方法的应用范围很广，可应用于以下领域：

①地表水、地下水水质监测、评价领域：水科学、生态学及环境科学研究工作中经常需要准确测定水中亚铁含量，用以评估水化学演化、水环境或水质状况，本发明可以为该领域提供大量快速、准确的现场检测、监测数据。

②生态环境修复及治理领域：国内外水土介质中有机、无机重金属污染常采用纳米零价铁材料进行修复治理，纳米零价铁在还原修复环境污染物的同时自身会发生氧化还原反应，一般会生成亚铁或三价铁，此时需实时监测水环境中亚铁含量，实时分析评价水化学环境、修复治理进展及反应材料有效性，本发明能够有效应用于该领域的现场检测/监测，在野外现场为生态环境监测及修复治理过程提供实时监测数据。

③管道供水、排水、循环水及突发事件应急监测领域：化工、能源及机械制造等企业有大量的金属给排水管道，需经常进行管道给排水中亚铁浓度检测，本发明操作简单、结果准确，普通员工经简单培训后即可进行现场分析监测。此外，本发明还可用于与铁元素相关的环境及安全应急突发事件处置工作，能够现场快速监测水环境中亚铁浓度，为环境影响评价及铁离子迁移转化行为提供实时数据支撑。

本发明的亚铁浓度测试显色管成本低，可批量生产，且操作简便，非常适合在水质及环境现场监测领域推广应用。采用本发明显色管现场检测水中亚铁浓度的方法，准确度高、稳定性好，时效性强。