分光光度计在环境监测中的应用

前  言：无锡建仪公司提醒您：汞对人类的健康危害极大，环境中任何形式的汞均可在一定的条件下，转化成剧毒的甲基汞，甲基汞进入人体后，不仅侵害人的神经系统，而且可导致心脏和高血压等心血管疾病，并影响人类的肝、甲状腺和皮肤功能。因此，建立快速测定微量汞的方法，对于环境保护和生命科学研究均有重要意义。微量汞的测定通常采用双硫腙光度法，该法需要使用三氯甲烷萃取，不仅手续繁琐，而且影响操作者的健康。近年来，许多新合成的光度试剂相继应用于汞的测定[1-6]，其灵敏度和选择性得到了较大的改善，无需萃取分离，可直接用于环境样品中微量汞的测定。本文研究了1-偶氮苯-3-（6-甲氧基-2-苯并噻唑）-三氮烯（ABMBTT）的合成及与汞的显色反应。结果表明，该试剂是汞的高灵敏、高选择性的光度试剂，直接应用于工业废水中微量汞的测定，结果满意。

1．紫外可见分光光度法

1.1 概述

    物质的吸收光谱本质上就是物质中的分子和原子吸收了入射光中的某些特定波长的光能量，相应地发生了分子振动能级跃迁和电子能级跃迁的结果。由于各种物质具有各自不同的分子、原子和不同的分子空间结构，其吸收光能量的情况也就不会相同，因此，每种物质就有其特有的、固定的吸收光谱曲线，可根据吸收光谱上的某些特征波长处的吸光度的高低判别或测定该物质的含量，这就是分光光度定性和定量分析的基础。分光光度分析就是根据物质的吸收光谱研究物质的成分、结构和物质间相互作用的有效手段。
    紫外可见分光光度法的定量分析基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律。即物质在一定波长的吸光度与它的吸收介质的厚度和吸光物质的浓度呈正比。
    当分子中含有一个或更多的生色基团（即具有不饱和键的原子基团），辐射就会引起分子中电子能量的改变。常见的生色团有：

    如果两个生色团之间只隔一个碳原子，则形成共轭基团，会使吸收带移向较长的波长处（即红移），且吸收带的强度显著增加。当分子中含有助色基团（有未共用电子对的基团）时，也会产生红移效应。常见的助色基团有：-OH, -NH2, -SH, -Cl, -Br, -I。
    紫外可见分光光度法从问世以来，在应用方面有了很大的发展，尤其是在相关学科发展的基础上，促使分光光度计仪器的不断创新，功能更加齐全，使得光度法的应用更拓宽了范围。目前，分光光度法已为工农业各个部门和科学研究的各个领域所广泛采用，成为人们从事生产和科研的有力测试手段。我国在分析化学领域有着坚实的基础，在分光光度分析方法和仪器的制造方面在国际上都已达到一定的水平。

1.2 特点

    分光光度法对于分析人员来说，可以说是最有用的工具之一。几乎每一个分析实验室都离不开紫外可见分光光度计。分光光度法的主要特点为：
    （1） 应用广泛
    由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收，因此均可借此法加以测定。到目前为止，几乎化学元素周期表上的所有元素（除少数放射性元素和惰性元素之外）均可采用此法。

    在国际上发表的有关分析的论文总数中，光度法约占28%，我国约占所发表论文总数的33%。由于各种各样的无机物和有机物在紫外-可见区域都有吸收，因此均可借此方法加以测定。到目前为止，几乎周期表上的所有元素（除少数放射性元素和惰性气体外）均可采用本法测定。美国水和废水标准检验方法中光度法占37.4%，我国水和废水监测分析方法中光度法占35.0%。上世纪六十年代初，分光光度分析在整个分析方法中所占比重约为45%，在我国1983-1992十年间发表的无机分析文献中光度分析论文占26-30%，在我国岩矿部门，光度法完成了约1/3的岩矿分析任务。在国际上，将1985-1989年分析仪器的世界销售额按31大类进行分类统计，其中UV – VIS分光光度计一直占有5 - 6%的份额，排名第五。由于光度计的价格相对比较低廉，故若以仪器销售的台数技术的话，则分光光度计将排在第二位。仪器的销售情况可以从侧面反映各类分析仪器在实际使用中的广泛和频繁程度。
    分光光度计作为检测器与其它分析仪器联机，以完成经前处理后的测量，这又扩充了光度计的应用范围。例如，在二十世纪七十年代以后兴起的流动注射分析法中，就有约2/3是和光度计联机进行检测的。流动注射分析具有反应时间和混合状态高度重现的特点，它并不要求化学反应达到平衡，即使试剂或化学反应不稳定仍能得到良好的效果。分光光度计又是高效液相色谱中应用最为广泛的检测器，八十年代出现的光二极管阵列检测器能在几毫秒的瞬间获得流动池中组分的的吸收光谱，可解决色谱技术中定性的困难。将光度计与积分球装置连接，可组成反射光谱测量系统，用于固体表面物理光学特征测试。光导纤维传感器与光度计联用，是由光度计引出两支光纤导管，一支将入射光送入，光束通过液池，透射光经第二支光纤送回到分光光度计进行光度分析。这类光导纤维- UV – VIS光度计的光纤探头可以做得很小，可直接插入活体组织作长时间连续监测，进行临床检验，光纤本身又是绝缘的，探头可置于高电压、强磁场、强放射性等恶劣环境中，进行遥测。

（2） 灵敏度高
    由于相应学科的发展，使新的有机显色剂的合成和研究取得可喜的进展，从而对元素测定的灵敏度大大提高了一步。特别是由于多元络合物和各种表面活性剂的应用研究，使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到几十万。相对于其它痕量分析方法而言，光度法的精密度和准确度一致公认是比较高的。不但在实际工作中光度法被广泛采用，在标准参考物质的研制中，它更受重视，很多光度分析法已制定成为标准方法。

（3） 选择性好
    目前已有些元素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定，如钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定，已有比较满意的方法了。

（4） 准确度高
    对于一般的分光光度法来说，其浓度测量的相对误差在1-3%范围内，如采用示差分光度法测量，则误差往往可减少到千分之几。

（5） 适用浓度范围广
    可从常量（1-50%）（尤其是使用示差法）到痕量（10-6-10-8%）（经预富集后）。

（6） 分析成本低、操作简便、快速
    由于分光光度法具有以上优点，因此目前仍广泛地应用于化工、冶金、地质、医学、食品、制药等部门及环境监测系统。单在水质分析中的应用就很广，目前能用直接法和间接法测定的金属和非金属元素就有七十多种。所涉及的水样包括雨水、泉水、井水、饮用水、江水、湖水、河水、海水以及各种废水等。光度法比较成熟，可测元素多，灵活性强。有些大型仪器不易解决的分析问题，光度法可以发挥作用。在有机分析中，紫外-可见光谱(UV-VIS)可作定量测定外，在定性分析和结构分析方面，它可作为红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)、质谱(MS)等方法的辅助手段。

2. 光度法在环境监测的应用

2.1水和废水监测

    对于一个水系的监测分析和综合评价，一般包括水相（溶液本身）、固相（悬浮物、底质）、生物相（水生生物）。在水质的常规监测中，紫外可见分光光度法占有较大的比重。由于水和废水的成分复杂多变，待测物的浓度和干扰物的浓度差别很大，在具体分析时必须选择好分析方法。
    许多分析方法受试样中可能存在的干扰物的影响，这是在水环境监测中需要重视的问题。
    1）当干扰物质与被测物质直接结合，可使结果偏低。例如，用酚二璜酸法测定硝酸盐氮时，有浓硫酸存在时，氯化物会和一部分硝酸盐生成硝酰氯，从而使结果偏低。
    2）当干扰物质具有与被测物质相同反应时，可使结果偏高。
    3）当干扰物质与分析用的试剂化合，会阻碍此试剂和欲测物质起反应。例如，游离氯可使有机试剂显色减弱、改变或消失。
    4）在进行光度分析时，由于浊度的干扰，可使吸光度增加。
    针对以上所说的干扰，应采取措施消除或减弱干扰的影响。
    1）可采用物理方法来分离被测物质或去除干扰物质。如蒸馏法可将氟化物、氰化物、酚、氨等蒸出，而干扰物质留在溶液中。
    2）调节pH值，使得只有被测物质才能起反应。例如，双硫腙可与20多种金属离子起反应，但只要调整好pH值，就可以分别萃取分离和分光光度测定有关元素。
    3）利用氧化还原反应，使试液中的干扰物质转化为不干扰的价态。例如，用硫代硫酸钠还原游离氯成为氯化物，利用盐酸羟胺将高锰酸钾还原成二价锰等。
    4）加入络合剂掩蔽干扰离子。
    5）采用有机溶剂的萃取或反萃取的方法消除干扰。
    6）利用沉淀反应进行分离。
    7）利用湿法消解或干法灰化以消除颜色、浊度及有机物的干扰。
    如果上述处理方法不能消除干扰时，可采用一些补偿法。
    1）在光度法中，如试样中本来就有颜色和浊度，可以用光度补偿法。
    2）先测出干扰物的浓度，在向绘制标准曲线的标准溶液中加入同量的干扰物进行基体补偿。
    3）如果在干扰物浓度增加时，干扰作用并不同步增加，而是趋于一定，这是可向所有试样和所有标准液内加入大大过量的干扰物，此法叫做“掩没法”。例如，用光度法测定镁时，加入过量的钙。
    4）在化学试剂中含有被测物质时，可做一个空白来加以校正。
    水和废水应用光度法测定的项目见表1。

2.2 空气和废气

    对于空气和废气一般需要用吸收液吸收后，再用各种方法测定其组分。
    空气污染监测工作一般分三类：
    污染源监测——如烟囱、汽车排放口的监测。
    环境污染监测——监测对象是大气。
    特定目的监测——选定某一种或多种污染物进行特种目的的监测。
    在进行空气污染各项监测时，一个十分重要的问题是如何取得能反映实际情况并且有代表性的测定结果。这就需要对采样点、采样时间、采样频率、气象条件、地理特点、工业布局、采样方法、监测分析方法、监测仪器等方面进行综合考虑。表2为空气和废气中污染物采用光度法测定的项目。