CN110487765A - 一种稀土荧光探针作为预制试剂的cod快速检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种稀土荧光探针作预制试剂的COD快速检测方法。本发明根据配制预制试剂检测COD的原理，用Ce(SO4)2作为氧化剂替代传统方法中的氧化剂重铬酸钾，配制不同量程的预制试剂用于化学需氧量的测定，提高了氧化率的同时降低了检测的成本，具有很好的灵敏度且相对绿色安全。它同时可作为“turn on”荧光探针实现COD的检测，且高量程的检测限低至0.04mg/L，量子产率由1.3％增加到7.8％，荧光寿命由9.4μs增加到29.7μs；低量程的检测限低至0.035mg/L，量子产率由0.5％增加到4.3％，荧光寿命由3.8μs增加到14.1μs。此方法用于COD的检测，具有更高的准确度和精密度。

Description

一种稀土荧光探针作为预制试剂的COD快速检测方法
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，特别涉及一种稀土荧光探针作预制试剂的COD快速检测方法。
背景技术
化学需氧量(COD)是水质评估中使用最广泛的参数之一，是我国实施排放总量控制的重要指标之一。因此分析测定水和废水中的COD对水质评估和污染控制至关重要。而预制试剂作为快速检测试剂具有方便、快捷、绿色环保等优势，越来越受到人们的关注，并且在水质的快速检测中具有越来越广泛的作用。目前预制试剂已广泛应用于水质、食品、医疗卫生等各个领域，在COD的检测中更是有着至关重要的地位。
目前，常规方法通过用强氧化剂如高锰酸盐或重铬酸盐氧化降解存在于水或废水中的有机化合物来评估COD。实验原理是经过高温消解、重铬酸钾氧化水中还原物质，并测定反应生成的Cr(Ⅲ)和溶液中剩余的Cr(Ⅵ)的吸光度。利用反应后溶液COD浓度与吸光度的线性关系，测得化学需氧量(COD)。参照国家标准(GB 11914-1989)方法，在该反应体系中消解液的成分应含：氧化剂重铬酸钾K2Cr2O7，催化剂Ag2SO4，酸介质通常为H2SO4，干扰消除剂HgSO4。遗憾的是，国标方法虽然应用广泛却经常受到若干缺点的限制，例如耗时的回流过程，操作复杂，灵敏度低，精度低等。此外，它还有着消耗昂贵(Ag2SO4)，高腐蚀性(H2SO4)和有毒(K2Cr2O7和HgSO4)试剂的缺陷。因此，它不可避免地增加了成本和二次污染的风险。针对上述重铬酸钾法存在的缺陷,以及重铬酸钾法的测定方法自身存在的环境污染等问题。近年来，国内外许多环境工作者都在研究氧化剂，掩蔽剂，催化剂的替代物，以求降低分析费用，减小对环境的危害，并且更加安全可靠。目前,国内外研究者提出的替代催化剂有MnSO4、KAl(SO4)2、NiSO4、CuO、Mn(H2PO4)2、Ag2SO4-MgSO4、CuSO4-KAl(SO4)2-Na2MoO4、Ag2SO4-Al2(SO4)3-MgSO4混合物等,同时，以O3，Ce(SO4)2等为氧化剂COD值测定新方法也为COD测定方法开辟了改进的新思路。
发明内容
本发明提出使用Ce(SO4)2作氧化剂替代试剂，同时利用Ce(Ⅲ)发射荧光的特性，通过测定生成的Ce(Ⅲ)的荧光强度，来间接协同测定水样的COD。通过进行标准样品和实际样品检测，与HACH原装试剂、国标方法相比较，取得了令人满意的分析结果。该替代试剂测定结果准确可靠，操作简便、快捷且具有高灵敏度的准确度。
本发明的目的在于研制出一种稀土荧光探针作为预制试剂，将其用于COD的高灵敏度快速检测。
根据本发明的一个实施方案，提供一种稀土荧光探针作为预制试剂的COD快速检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备低量程预制试剂(LR-COD消解液)
低量程预制试剂中，Ce(SO4)2浓度范围可以是0.08-0.12mol/L，例如0.1mol/L，硫酸锰可以是0.05-0.4mol/L(例如0.08-0.12mol/L)，浓硫酸的浓度范围可以是5-15vol％，例如10vol％；
任选的(2)使用低量程预制试剂，在预热(例如在100-110℃下干燥1-3h)的消解器中加入待测样品，进行消解处理，消解处理后的样品用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值；
(3)绘制COD标准曲线：配制0mg/L～150mg/L范围内(例如0mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L、140mg/L)的一系列不同浓度的标准COD溶液，分别加入低量程预制试剂处理，然后用荧光光度法测定高量程预制试剂加入不同浓度COD标准液的荧光光谱，绘制荧光强度值对COD的浓度关系曲线，
用待测水样加入低量程预制试剂处理，根据以上制备的荧光强度值对COD的浓度关系曲线，获得待测水样的COD值。
该实施方案用于测量COD值低(小于150mg·L-1)的样品，例如COD值3-150mg/L的样品。
在本发明的另一个实施方案中，提供一种稀土荧光探针作为预制试剂的COD快速检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备高量程预制试剂(HR-COD消解液)
高量程预制试剂中，Ce(SO4)2浓度范围可以是0.4-0.6mol/L，例如0.5mol/L，硫酸锰浓度范围可以是0.1-0.4mol/L，优选0.1-0.2mol/L，浓硫酸的浓度范围可以是5-15vol％，例如10vol％；
任选的(2)使用高量程预制试剂，在预热(例如在100-110℃下干燥1-3h)的消解器中加入待测样品，进行消解处理，消解处理后的样品用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值；
(3)绘制COD标准曲线：配制0-1500mg/L范围内(例如0mg/L、200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L)的一系列不同浓度的标准COD溶液，分别加入高量程预制试剂处理，然后用荧光光度法测定高量程预制试剂加入不同浓度COD标准液的荧光光谱，绘制荧光强度值对COD的浓度关系曲线，
用待测水样加入高量程预制试剂处理，根据以上制备的荧光强度值对COD的浓度关系曲线，获得待测水样的COD值。
其中，上述方案的高量程预制试剂可用于测量COD值为20-1500mg/L的样品，尤其用于测量COD值高(200-1500mg·L-1)的样品。
在本发明中，“任选的”表示可以进行或不进行后续的步骤，即上述两个实施方案中，步骤(2)可进行或不进行，优选进行步骤(2)，步骤(2)与步骤(3)结合具有更高的准确度和精密度。
在一个具体实施方案中，高量程预制试剂(HR-COD消解液)如下配制：取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(硫酸锰浓度0.4mol/L)、0.5mL的浓硫酸(浓硫酸浓度98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
在一个具体实施方案中，低量程预制试剂(LR-COD消解液)如下配制：取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液0.5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(硫酸锰浓度0.1mol/L)、0.5mL的浓硫酸(98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
COD值低(小于150mg·L-1)的样品(使用低量程预制试剂)例如是雨水、处理后的生活污水。COD值高(200-1500mg·L-1)的样品(使用高量程预制试剂)例如是处理前工厂废水等。
本发明的有益效果表现为：本发明对实验的精密度和准确度进行了探究，并进行标准样品和实际样品的检测，取得的测定结果准确可靠。相比之下，重铬酸钾法测定化学反应自身存在的严重的环境污染等问题，改用Ce(SO4)2作为氧化剂避免了重铬酸钾对环境和分析人员的危害且相对更加绿色安全。本发明在提高了氧化率的同时又具有降低检测成本、操作简便、快捷等突出的优点。更重要的是，它同时可作为“turn on”荧光探针实现COD的检测，且高量程的检测限低至0.04mg/L，量子产率由1.3％增加到6.8％；低量程的检测限低至0.035mg/L，量子产率由1.3％增加到4.3％。此方法用于COD的检测，具有更高的准确度和精密度。因此，我们提出的这种稀土荧光探针作为预制试剂高灵敏度检测COD的新方法可以作为经典重铬酸钾法的替代方法，很好的应用于实际水质监测中。
附图说明
图1为HR-COD标准曲线。
图2为LR-COD标准曲线。
图3为HR-COD消解液加入不同浓度COD标准液的荧光光谱。
图4为荧光强度与高浓度标准COD溶液的关系曲线。
图5为LR-COD消解液加入不同浓度COD标准液的荧光光谱。
图6为荧光强度与低浓度标准COD溶液的关系曲线。
具体实施方式
制备例1：高量程预制试剂的配制
取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(硫酸锰的浓度0.4mol/L)、0.5mL的浓硫酸(98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
制备例2：低量程预制试剂的配制
取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液0.5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(硫酸锰的浓度0.1mol/L)、0.5mL的浓硫酸(98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
实施例1
绘制HR-COD标准曲线
配制系列标准COD溶液，0mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L。取8支装有自配消解液的反应管(所用消解液为HR-COD消解液)，如前所述的实验方法进行操作，将其放入消解器中进行消解。在合适的吸收波长处测量吸光度，在分光光度计中创建COD工作曲线(图1)，COD浓度与吸光度呈良好线性关系。
高量程预制试剂(HR-COD消解液)用于实际水样的COD检测
取COD测定管，选择高量程的预制试剂(HR-COD消解液)加3mL到测定管中，然后向其加入2mL待测水样，添加0.02g硫酸汞试剂，盖上试管盖，摇匀，然后将玻璃试管放置于COD消解器中，于150℃加热2h，恒温消解，消解结束后待其冷却至室温，然后用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值。实验结果记录于表1中。
表1高量程预制试剂(HR-COD消解液)用于实际样品的COD测定结果
实施例2
绘制LR-COD标准曲线
配制系列标准COD溶液，0mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L。取8支装有自配消解液的反应管(所用消解液为HR-COD消解液)，如前所述的实验方法进行操作，将其放入消解器中进行消解。在合适的吸收波长处测量吸光度，在分光光度计中创建COD工作曲线(图2)，COD浓度与吸光度呈良好线性关系。
低量程预制试剂(LR-COD消解液)用于实际水样的COD检测
取COD测定管，选择低量程的预制试剂(LR-COD消解液)加3mL到测定管中，然后向其加入2mL待测水样，添加0.02g硫酸汞试剂，盖上试管盖，摇匀，然后将玻璃试管放置于COD消解器中，于150℃加热2h，恒温消解，消解结束后待其冷却至室温，然后用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值。实验结果记录于表2中。
表1低量程预制试剂(LR-COD)用于实际样品的COD测定结果
实施例3
稀土荧光探针用于COD的检测
首先移取1mL上述配制好的HR-COD消解液，再分别移取50μL配制好的一系列不同浓度的标准COD溶液0mg/L、200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L，用蒸馏水定容至5mL，在水浴70℃下加热1h。冷却至室温后每组溶液取出1mL加入到的比色皿中，在激发波长为268nm，发射波长为362nm的条件下，用荧光光度法测定其荧光光谱。所得荧光光谱如图3所示。
将荧光强度值对COD的浓度关系做出线性关系曲线，绘制得图4，最后用待测的水样(绢织厂废水、处理前污水1、处理前污水2)进行荧光强度的测定，对应得到COD的值分别为928mg·L-1、1145mg·L-1、1318mg·L-1，所得的结果与HACH预制试剂测得的结果基本上完全吻合。且COD浓度与荧光强度呈良好线性关系，根据方程：检测限＝3*空白样品的标准偏差/斜率，精确计算COD的检测限为0.04mg/L。通过使用0.1M硫酸溶液(QY 0.54)中的硫酸奎宁作为标准，计算使用或不使用COD处理的预制试剂的荧光量子产率，与单独的预制试剂相比，在COD存在下预制试剂的荧光量子产率从1.3％增加到6.8％，寿命测量由爱丁堡FLS920进行。通过积分球在爱丁堡FLS920中记录量子产率。
实施例4
稀土荧光探针用于低浓度标准COD溶液的检测
首先移取1mL上述配制好的LR-COD消解液，再分别移取50μL配制好的一系列不同浓度的标准COD溶液0mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L、140mg/L，用蒸馏水定容至5mL，在水浴70℃下加热1h。冷却至室温后每组溶液取出1mL加入到的比色皿中，在激发波长为268nm，发射波长为362nm的条件下，用荧光光度法测定其荧光光谱。所得荧光光谱如图5所示。
将荧光强度值对COD的浓度关系做出线性关系曲线，绘制得图6，最后用待测的水样(雨水、处理后污水1、处理后污水2)进行荧光强度的测定，对应得到COD的值分别为138mg·L-1、85mg·L-1、98mg·L-1，所得的结果与HACH预制试剂测得的结果基本上完全吻合，且COD浓度与荧光强度呈良好线性关系，根据方程：检测限＝3*空白样品的标准偏差/斜率，精确计算COD的检测限为0.035mg/L。通过使用0.1M硫酸溶液(QY 0.54)中的硫酸奎宁作为标准，计算使用或不使用COD处理的预制试剂的荧光量子产率，与单独的预制试剂相比，在COD存在下预制试剂的荧光量子产率从1.3％增加到4.3％，寿命测量由爱丁堡FLS920进行。通过积分球在爱丁堡FLS920中记录量子产率。
本发明的测定结果表明了本发明可以准确可靠的应用于实际水质的监测中。

Claims (8)

1.一种稀土荧光探针作为预制试剂的COD快速检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备低量程预制试剂(LR-COD消解液)
低量程预制试剂中，Ce(SO4)2浓度范围是0.08-0.12mol/L，例如0.1mol/L，硫酸锰浓度是0.05-0.4mol/L，浓硫酸的浓度范围是5-15vol％，例如10vol％；
任选的(2)使用低量程预制试剂，在预热的消解器中加入待测样品，进行消解处理，消解处理后的样品用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值；
(3)绘制COD标准曲线：配制0mg/L～150mg/L范围内(例如0mg/L、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、120mg/L、140mg/L)的一系列不同浓度的标准COD溶液，分别加入低量程预制试剂处理，然后用荧光光度法测定高量程预制试剂加入不同浓度COD标准液的荧光光谱，绘制荧光强度值对COD的浓度关系曲线，
用待测水样加入低量程预制试剂处理，根据以上制备的荧光强度值对COD的浓度关系曲线，获得待测水样的COD值。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其中，所述检测方法用于测量COD值为3-150mg/L的样品。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其中，低量程预制试剂(LR-COD消解液)如下配制：取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液0.5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(0.1mol/L)、0.5mL的浓硫酸(98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
4.根据权利要求2所述的检测方法，其中所述样品是雨水、或处理后的生活污水。
5.一种稀土荧光探针作为预制试剂的COD快速检测方法，该方法包括如下步骤：
(1)制备高量程预制试剂(HR-COD消解液)
高量程预制试剂中，Ce(SO4)2浓度范围是0.4-0.6mol/L，例如0.5mol/L，硫酸锰是0.1-0.2mol/L，浓硫酸的浓度范围是5-15vol％，例如10vol％；
任选的(2)使用高量程预制试剂，在预热(例如在100-110℃下干燥1-3h)的消解器中加入待测样品，进行消解处理，消解处理后的样品用分光光度计并选择相应波长进行测定，读取为水样的COD值；
(3)绘制COD标准曲线：配制0-1500mg/L范围内(例如0mg/L、200mg/L、400mg/L、600mg/L、800mg/L、1000mg/L、1200mg/L、1400mg/L)的一系列不同浓度的标准COD溶液，分别加入高量程预制试剂处理，然后用荧光光度法测定高量程预制试剂加入不同浓度COD标准液的荧光光谱，绘制荧光强度值对COD的浓度关系曲线，
用待测水样加入高量程预制试剂处理，根据以上制备的荧光强度值对COD的浓度关系曲线，获得待测水样的COD值。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其中，所述检测方法用于测量COD值高为20-1500mg/L的样品。
7.根据权利要求5所述的检测方法，其中，高量程预制试剂(HR-COD消解液)如下配制：取浓度为1.00mol/L的Ce(SO4)2标准溶液5mL于100mL烧杯中，开启通风厨，在通风厨台面上进行操作。在不断搅拌下，向烧杯中缓缓加入4.5mL的硫酸锰(硫酸锰浓度0.4mol/L)、0.5mL的浓硫酸(98％)，盖上表面皿，冷却至低温，用玻璃棒搅拌均匀后冷却至室温，用移液管移取其溶液3mL于消解管内，拧上盖子，待使用。
8.根据权利要求6所述的检测方法，其中，所述样品是处理前工厂废水。
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