硬度快速测定试纸的研究及应用

【核心介绍】建立了一种快速、简单、特异性强、稳定性好的试纸目视比色法现场快速测定水中总硬度。探讨了显色剂、助色剂、增敏剂等影响因素。在最佳实验条件下，总硬度含量在25～425mg/L 有明显的色阶。该方法可应用于现场水样中总硬度的快速测定，加标回收率为87.5～100%，结果与哈希试纸无明显差异。 　

硬度快速测定试纸的研究及应用

黄报亮 吴清平^1,2 李方方¹ 秦惠¹

（1.广东环凯微生物科技有限公司,广州,510633；2.广东微生物研究所, 广州,510070）

摘  要 建立了一种快速、简单、特异性强、稳定性好的试纸目视比色法现场快速测定水中总硬度。探讨了显色剂、助色剂、增敏剂等影响因素。在最佳实验条件下，总硬度含量在25～425mg/L 有明显的色阶。该方法可应用于现场水样中总硬度的快速测定，加标回收率为87.5～100%，结果与哈希试纸无明显差异。

关键字 硬度；试纸；快速检测

中图分类号 O661.1

Research and Application of Total Hardness Rapid Test Strips

Huang Bao-liang¹，Wu Qing-ping^1,2，Li Fang-fang¹，Qin Hui¹

(1.Guandong Huankai Microbial Sci.&Tech.Co., ltd., Guanzhou 510663，China; 2.Guangdong Institute of Microbiology Guangzhou 510070，China)

Abstract A new visual colorimetry of test strips was proposed for rapid，simple, accurate, specific and stable determination of total hardness in water solution on site. The influencing factors such as the color developing agent, sensitizer and dyeing assistant agent of total hardness test strips were investigated in detail. Under optimal conditions, the concentration for total hardness has obvious color in the range from 25 mg/L to 425mg/L. The developed approach was applied to on-site rapid determination of total hardness in the water with the recoveries in the range from 87.5% to 100%, and the result of the method has not significant difference from hach total hardness test strips.

Key words Total Hardness; Rapid test strips; Research and application

水质硬度是水质的一个重要监测指标，水质硬度过高，对人体健康、日常生活、工业生产等都带来一定的危害。工业锅炉用水和冷凝水、生活饮用水、地下水等各种水质标准中都对水质总硬度有一定的规定要求，除此之外，医院血透室用水对水质总硬度也有严格的要求。水硬度是形成锅垢和影响产品质量的主要因素。水的总硬度即水中钙、镁总量的测定，为确定用水质量和进行水的处理提供依据^[1-3]。

水硬度的测定方法以实验室测定为多，如：EDTA络合滴定方法、分光光度法、原子吸收法、色谱分析法、电化学法等^[4-9]，现场在线分析较少，同时测定多种元素的分析方法没有普及应用。随着现代分析化学的发展，传统的水硬度分析方法在分析效率，分析能力上具有一些局限性，在复杂水体体系分析中的应用仍受到一定的限制。将传统而成熟的分析方法微型化、集成化、自动化和商品化可进一步提升方法的分析性能，有利于分析技术的推广普及，也是当前分析科学中极具发展潜力的一个研究方向。目前水质总硬度快速测试产品在现场快速分析中具有极大的竞争优势，其中总硬度快速检测试纸在国外研究较早，默克和MN等水质快速分析领域的国际知名品牌公司均有几款以上的产品（包括高量程和低量程）。国外的产品结构设计合理，产品种类丰富，性能可靠，与国外的先进技术、产品相比，国内产品差距十分明显。国内滴定类的快速测试产品较多，试纸类产品较少，且一般只设置一个量程，试纸类产品的质量还难以达到进口产品的水平。

生活饮用水标准检验方法（GB/T5750.4-2006）^[10]及锅炉用水和冷却水分析方法（GB 6909.1-86）^[10]均规定总硬度测定方法为以铬黑T为指示剂的乙二胺四乙酸二钠（EDTA）络合滴定法。这一方法需要配制EDTA标准溶液、铬黑T指示剂溶液、氨-氯化氨缓冲溶液，需要专门的分析实验室和专业分析化验人员，无法达到现场快速检测的要求。环凯公司在此方法原理的基础上构建了总硬度快速检测试剂盒，将所有试剂均定量化包装，通过微型滴定管滴定来检测水质总硬度，该产品在国标法的基础上省去了配制溶液的时间，但仍需要取样滴定等过程。

为了进一步缩短分析时间和操作步骤，本文基于快速检测试剂盒的原理，通过加入助色剂与增敏剂，研制出一种总硬度检测试纸，只需要将试纸浸入样品中后2s后取出，15s后即可根据显色结果完成测试，对于工业用水及生活饮用水等水质总硬度的现场半定量测定有着重要的意义。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

PHS-3C酸度计(Sartorius)、DZF真空干燥箱(上海一恒)、ZQ2400自动裁切机（上海金标）等。

钙镁试剂、甲基橙、乙二胺四乙酸二钠镁盐、硼砂、氢氧化锂等，所有试剂均为分析纯，甲基橙指示剂，水为二次蒸馏水。硬度标准溶液（50mg/L）购自国家计量局。HKM水质硬度测定试纸，包括试纸条和比色标签。

1.2 测定原理

在碱性条件下，样品中的钙、镁离子与钙镁试剂络合，生成的红色络合物与钙镁离子的浓度成正比，目视比色。

1.3 实验方法

1.3.1试纸制作方法 将试纸块浸渍于含有显色剂、助色剂等物质的浸泡液中10min取出，将试纸置于75℃条件下真空干燥，烘干成形，将此滤纸裁切成25mm²的小块，用胶粘在长条状的底板一端，即制得用于测定水质总硬度的试纸；其中底板的宽度为5mm，长度为80mm，底板由不吸水的塑料板制成。

1.3.2标准比色卡的制作 分别配制浓度为0mg/L、25mg/L、50mg/L、120mg/L、250 mg/L、425mg/L的总硬度标准溶液，按照试纸使用方法的操作步骤对每个浓度点进行显色，对照标准显色液的颜色调制比色卡，见图1。

图1 标准比色卡图

Fig.1 The standard color card

1.3.3 使用方法 将水质总硬度快速测定试纸浸入溶液中，2s后取出，甩去多余的溶液，待15s后与标准色比对，与试纸上色调相同的色阶指示浓度即为样品中总硬度的含量（mg/L），若测试值在两个色阶之间时取色阶间的中间值。

2 结果与讨论

2.1 甲基橙浓度的优化 按照1.3.1的方法制作试纸，改变浸泡液中甲基橙的浓度，用一系列标液验证试纸的显色效果，结果如表1所示。

表1 甲基橙浓度对试纸的影响

Tab.1 Effect of concentration of methyl orange on the test strips

序号	甲基橙浓度（g/L）	显色情况描述
1	0.16	在0、25、50、120、250、425mg/L的标液中显色有色阶，但是总体偏绿
2	0.18	在0、25、50、120、250、425mg/L的标液中显色，色阶明显
3	0.20	在0、25、50、120、250mg/L的标液中显色有色阶
4	0.22	在0、25、50、120、250mg/L的标液中显色有色阶
5	0.24	在0、25、50、120mg/L的标液中显色有色阶

由上述现象可知：随着甲基橙浓度升高，试纸测试量程反而变窄，因此浸泡液中甲基橙的最佳浓度为0.18g/L。

2.2 乙二胺四乙酸二钠镁盐浓度的优化 按照1.3.1的方法制作试纸，改变浸泡液中乙二胺四乙酸二钠镁盐（EDTANa₂Mg）的浓度，用一系列标液验证试纸的显色效果，结果如表2所示。

表2 乙二胺四乙酸二钠镁盐浓度对试纸的影响

Tab.2 Effect of concentration of methyl orange EDTANa₂Mg the test strips

序号	EDTANa2Mg浓度（g/L）	显色情况
1	0.30	在0、25、50、120、250、425mg/L的标液中显色有色阶，但是总体偏绿
2	0.32	在0、25、50、120、250、425mg/L的标液中显色，色阶明显
3	0.34	在0、25、50、120、250mg/L的标液中显色有色阶
4	0.36	在0、25、50、120、250mg/L的标液中显色有色阶
5	0.38	在0、50、120、250mg/L的标液中显色有色阶

由上述现象可知：随着EDTANa₂Mg含量增大，试纸灵敏度越来越高，测试量程变窄；其中1-3最后一点显色逐渐加深，2号试纸色阶最好，因此浸泡液中乙二胺四乙酸二钠镁盐的最佳浓度为0.32g/L。

2.3钙镁指示剂浓度的优化 按照1.3.1的方法制作试纸，改变浸泡液中钙镁试剂的浓度，用一系列标液验证试纸的显色效果，结果如表3所示。

表3 钙镁试剂浓度对试纸的影响

Tab.3 Effect of concentration of Calmagite on the test strips

序号	钙镁试剂浓度（g/L）	显色情况
1	1.0	在25，50, 120，250，250，425 mg/L的标液中显色有色阶
2	1.2	在25，50, 120，250，250，425 mg/L的标液中显色有色阶，后两个点色阶不明显
3	1.4	在25，50, 120，250 mg/L的标液中显色有色阶
4	1.6	在25，50, 120，250 mg/L的标液中显色有色阶
5	1.8	在25，50, 120 mg/L的标液中显色有色阶

由上述现象可知：随着钙镁试剂浓度升高，测试量程变窄，综合考虑，浸泡液中钙镁试剂的最佳浓度为1.0g/L。

2.4干扰 经试验验证，样品中含10mg/L的Fe³⁺、Al³⁺、Co²⁺、Cu²⁺、Ni²⁺、Zn²⁺对试纸显色无干扰，含5mg/L的Mn²⁺对试纸显色无干扰，含强氧化剂时产生正干扰，pH小于3时产生负干扰，可通过加入碱，调节其pH值达到测定所需的碱度便可消除干扰。

2.5试纸的稳定性实验 将总硬度试纸置于密实袋中，放置37℃烘箱中，每隔30d观察试纸及进行显色效果测试。测试方法：配制0mg/L、25mg/L、50mg/L、120mg/L、250mg/L、425mg/L、系列总硬度标准溶液，按照1.3.3步骤依次进行显色，显色完全后观察显色效果，与标准色卡比对。测试结果如表4所示。

表4总硬度测定试剂的稳定性

Tab. 4 The stability of total hardness strips

测试指标	放置30d后	放置60d后	放置90d后
外观	不变	不变	不变
色阶	明显	明显	明显
显色速度	15s显色完全	15s显色完全	15s显色完全
检测下限	25mg/L	25mg/L	25mg/L

2.6样品分析 分别采集广州市区自来水、佛山市区自来水、池塘水、广州市区生活废水、某水厂排放污水，对于浑浊的水样过滤后再按1.3进行测定，同时进行加标回收实验，对比该法与国标法^[18]、哈希试纸法，发现结果与哈希试纸无明显差异，如表5所示。

表5水样中总硬度的加标回收测定

Tab. 5 Determination results and recovery of total hardness in water samples

样品号	HKM试纸 mg/L	哈希试纸 mg/L	国标法 mg/L	加标量 mg/L	HKM测得值 mg/L	哈希测得值 mg/L	国标法测得值 mg/L	回收率%
样品1	50	50	54	200	250	250	254	100%
样品2	50	50	60	200	250	250	261	100%
样品3	250	250	245	200	425	425	446	87.5%
样品4	250	250	221	200	425	425	420	87.5%
样品5	120	120	136	200	340	340	340	110％

3 结论

本研究建立的试纸法应用于水中总硬度的快速检验，准确率较高、特异性强、稳定性好，方便快捷，无需专业人员，特别适用于水中总硬度的现场检测，结果与哈希试纸无明显差异，因此该试纸具有良好的应用前景。

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