矿泉水中偏硅酸含量快速检验试剂的研制及应用

【核心介绍】研制出一种矿泉水中偏硅酸含量快速测定试剂。探讨了反应时间及温度、磷酸盐干扰、水样pH等影响因素。快速检测试剂结合分光光度计在450nm波长处测试的最佳线性范围为：2.0～390mg/L，相关系数R2为0.9992；结合比色卡测试的最佳测试范围为：5 mg/L～200mg/L。快速检测试剂法与国标法比较测试效果无明显差异，应用于矿泉水水样的测定，效果满意，加标回收率为99.0%～105.0%。 　

矿泉水中偏硅酸含量快速检验试剂的研制及应用

秦惠¹ 邓金花^1,2 李方方¹ 黄报亮¹

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

摘 要 研制出一种矿泉水中偏硅酸含量快速测定试剂。探讨了反应时间及温度、磷酸盐干扰、水样pH等影响因素。快速检测试剂结合分光光度计在450nm波长处测试的最佳线性范围为：2.0～390mg/L，相关系数R²为0.9992；结合比色卡测试的最佳测试范围为：5 mg/L～200mg/L。快速检测试剂法与国标法比较测试效果无明显差异，应用于矿泉水水样的测定，效果满意，加标回收率为99.0%～105.0%。

关键词 偏硅酸；快速检测；研制及应用

中图分类号 O661.1

Research and Application of Rapid Test Reagent for Metasilicate

Qin Hui¹，Deng Jin-hua^1,2，Li Fang-fang¹，Huang Bao-liang¹

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

Abstract A new rapid test reagent was developed for rapid determination of metasilicate content in mineral water. The influencing factors such as the reaction temperature and time, phosphate influence and the pH value influence of sample were investigated in detail. It combines with spectrophotometer to determine metasilicate under 450nm wavelength, the best linear concentration was in the range from 2.0 to 390mg/L, with a correlation coefficient R² of 0.9992. It combines with  color card to determine metasilicate, the best linear concentration was in the range from 5 to 200mg/L. Those rapid methods have no significant difference with standard method in test effects, and were applied to determination of metasilicate content in mineral water satisfactorily with the recoveries in the range from 99.0% to 105.0%.

Key words metasilicate; Rapid test; Research and application

硅（Si）是人体所必需的微量元素，它一般以偏硅酸（H₂SiO₃）的形态存在于水中。偏硅酸易被人体吸收，能有效地维持人体的电解质平衡和生理机能，具有恢复血管弹性、增加皮肤弹性、促进骨骼发育等作用。在GB8537-2008中明确规定偏硅酸型饮用天然矿泉水中偏硅酸的含量必须≥25mg/L^[1]。国内外偏硅酸含量的测定方法有很多，主要有光度法^[2,3]、流动注射分析法^[4-6]、色谱法^[7-9]、电感耦合等离子体发射光谱法^[10]、毛细管电泳-非接触式电导率法^[11]等，现在国内对水质现场快速检测的需求越来越多^[12]，而这些方法大多需要用到大型的分析仪器，不适用于偏硅酸的快速检测。

本文在国标法^[13]（硅钼黄光度法）的基础上进行了改良，并利用试剂固体化定量包装技术在国内率先研制出一种偏硅酸快速检测试剂，该试剂由偏硅酸 （Ⅰ）、偏硅酸 （Ⅱ）和偏硅酸 （Ⅲ）组成。将此快速检测试剂结合比色管和标准比色卡，便可通过目视比色进行偏硅酸含量半定量测定，结合分光光度计或含有内置曲线的便携式比色计（本实验室对类似便携式比色计的研究已积累了丰富的经验 ^[14,15]），可进行偏硅酸含量的定量测定，具有便于携带，操作简便、测试结果准确、快速，价格低廉等特点，适合于水中偏硅酸的现场快速检测。

1 实验材料

1.1 仪器

紫外可见分光光度计（岛津UV-1800），EUTECH台式酸度计（pH510）、岛津分析天平（AUY220）、实验室超纯水机（Master-S）、15mL比色管。

1.2试剂

四水合钼酸铵、氨基磺酸、无水柠檬酸、五水偏硅酸钠，以上均为分析纯。

偏硅酸标准溶液[1000mg/L标准溶液（以H₂SiO₃计）]：用万分之一的分析天平准确称取0.5433g五水偏硅酸钠，再用二次去离子水于200mL容量瓶中溶解定容。实验用水为二次去离子水。

偏硅酸(Ⅰ)试剂：称取100g氨基磺酸，按0.10g每包在自动包装机上分装。

偏硅酸(Ⅱ)试剂：称取100g四水合钼酸铵，按0.20g每包在自动包装机上分装。

偏硅酸(Ⅲ)试剂：称取100g无水柠檬酸，按 0.10g每包在自动包装机上分装。

2 实验方法

2.1 测试原理

在酸性条件下，偏硅酸与钼酸铵反应生成硅钼黄杂多酸，该显色体系在一定浓度范围内，其黄色的深浅与偏硅酸的浓度成正比。

2.2 标准曲线测试方法

于15mL比色管中配制一系列不同浓度的偏硅酸标准溶液，依次各加入0.10g氨基磺酸、0.20g钼酸铵、0.10g柠檬酸，每加一包试剂后均需摇匀溶解，放置2min，以试剂空白为参比，于450nm处测定吸光度。

2.3标准比色卡的制作

分别配制浓度为5，10，15，25，50，80，120，200mg/L的偏硅酸标准溶液。按照2.2的显色方法对每个浓度点进行显色，对照标准溶液的颜色调制比色卡。

2.4比色卡使用方法

取一洁净比色管加待测水样至15mL刻度，依次各加入一包偏硅酸（Ⅰ）、偏硅酸（Ⅱ）、偏硅酸（Ⅲ），每加一包试剂均需摇匀溶解。静置2min后，于光线充足处，开盖，将管垂直提高至距比色卡空白区约1cm，自管口向下目视比色，与管中溶液色调相同的标准色阶即为水样中偏硅酸的含量（mg/L）。

3 实验过程与结果分析

3.1 分析波长的选择

采用10mg/L的偏硅酸标准溶液，按2.2方法显色完毕后，采用石英比色皿，以试剂空白为参比，于200~600nm测定黄色硅钼杂多酸的吸收曲线，如图1所示。

图1硅钼杂多酸吸收光谱图

Fig.1 UV absorption spectra of the silicon molybdenum heteropoly acid

实验结果表明：偏硅酸与钼酸铵生成的黄色硅钼杂多酸的最大吸收波长在340nm，由于波长越靠近紫外区，仪器噪声就越大，若选用紫外区的波长作为分析波长，就会导致测试数据不稳定，且紫外区波长测试灵敏度太高也会导致测试量程太窄，而达不到矿泉水偏硅酸含量快速检测的要求，因此，需将测试波长红移至灵敏度较低的可见光区。国标法中选择分析波长为420nm～430nm^[13]，进一步的实验证明，分析波长红移至440nm～453nm测量，测试稳定性更好，且测试量程更宽，本文选择分析波长为450nm。

3.2氨基磺酸用量的选择

硅钼黄显色反应需要在酸性条件下进行，为了便于包装和储存，本实验选择固体状的氨基磺酸代替国标方法中的液体酸。

采用10mg/L偏硅酸标准溶液按照2.2的方法显色，只是改变氨基磺酸的用量，测定体系显色后吸光度值。实验结果表明：吸光度随着氨基磺酸用量的增加而增大，当用量达到0.06g以上时，吸光度不再增加，考虑到用量太少包装误差大，本实验选择氨基磺酸用量为0.10g。

3.3 钼酸铵用量的选择

配制高低两种浓度的偏硅酸溶液，按照2.2的显色方法，只是改变钼酸铵的用量，测定体系显色后吸光度值。实验结果表明：对于较低浓度偏硅酸溶液，当钼酸铵的用量达到0.05g以上时，吸光度不再增加；而对于高浓度偏硅酸溶液，当钼酸铵的用量需达到0.15g以上时，吸光度不再增加。综合考虑，选择钼酸铵用量为0.2g。

3.4 掩蔽剂柠檬酸用量的选择

实验结果表明：用来消除水体中磷钼黄干扰的柠檬酸也可促使硅钼黄显色体系缓慢分解，可以说柠檬酸的加入直接影响到显色体系的稳定性。若不加柠檬酸，体系可在40min内基本保持稳定；若加入0.10g柠檬酸，显色体系15min内基本保持稳定，且加入柠檬酸的量越多，体系稳定时间越短。因此本实验选择加入0.10g柠檬酸（可以掩蔽20mg/L以下的磷），若已知水样中磷含量很低不产生干扰的情况下，可选择不加柠檬酸。

3.5 快速检测试剂的性能研究

3.5.1 标准工作曲线及目视比色测试量程

按照2.3的实验方法绘制标准曲线，得到线性回归方程为：A=0.0147+0.0039X（mg/L），相关系数R²=0.9992。线性范围：2.0 mg/L～390mg/L。

标准系列显色液随着浓度的提高黄色逐渐加深，但高于200mg/L时人眼难以准确辨别，因此最佳目视比色范围为：5 mg/L～200mg/L，本实验中色阶点设置为：5-10-15-25-50-80-120-200mg/L。

3.5.2 显色反应时间和反应温度的影响 钼酸铵与偏硅酸可立即反应完全，但该显色体系不稳定^[15]，15min后开始明显下降，选择显色时间为2min；且水样温度在5℃～45℃范围内对显色吸光度几乎没有影响，说明该快速检测试剂可以在室温环境下可正常使用。

3.5.3 干扰

在最佳实验条件下，考察了其他物质对偏硅酸测定的干扰。结果表明，任何类型的还原剂对测定都会有干扰。低于20mg/L的磷不干扰测定。

3. 5.4 水样pH的影响

当水样本身不含强缓冲体系时，pH在0.64～12.0的范围内均不干扰测定，即无需对其pH进行调整。但当水样中含有较强缓冲体系时会干扰测定，测试前需用（1+4）HCl调节水样pH至2.0左右。

3.5.5准确度和重复性

3.5.5.1 方法的对比实验

对同一水样，分别用三种方法进行偏硅酸含量的测定，结果如表1。

表1三种测试方法的比较

Tab. 1 The comparison of three test methods

方法	单次测得值（mg/L，n=5）	平均值（mg/L）	SD（%）	RSD（%）
方法1	52.4、51.6、51.6、52.4、52.0	52.0	0.32	0.16
方法2	51.1、51.9、51.1、51.4、50.8	51.3	0.32	0.14
方法3	50、50、50、50、50	50	0	0

注：方法1为国标硅钼黄光度法；方法2为快速检测试剂结合分光光度计法；方法3为快速检测试剂结合比色卡的目视比色法

由表1可知，快速测定试剂法与国标法比较测试结果无明显差异，且方法2和方法3的RSD均﹤0.16，说明快速检测试剂法具有较好的准确性和重复性。

3.5.5.2样品测定及方法回收率 从市场上购买五种不同品牌的矿泉水，直接取样后采用快速检测试剂结合分光光度计法测定其中偏硅酸的含量，同时做加标回收实验，见表2。由表2结果可知，快速检测试剂结合分光光度计法测试偏硅酸回收率为98.0%~105%，说明该快速检测方法可靠。

表2 样品中偏硅酸含量的测定结果

Tab. 2  Analytical results and recovery tests of metasilicate

样品名称	测定量(mg/L)	加入量(mg/L)	检出量(mg/L)	回收率(%)
样品1	38.7	30.0	70.2	105
		50.0	88.2	99.0
样品2	41.2	30.0	71.8	102
		50.0	92.0	102
样品3	55.9	30.0	86.3	101
		50.0	106	100
样品4	27.4	30.0	56.8	98.0
		50.0	77.9	101
样品5	35.5	30.0	65.1	98.7
		50.0	85.9	101

4 结论

本文研制的偏硅酸快速检测试剂既可结合比色管和标准比色卡进行偏硅酸含量半定量测定，也可结合分光光度计（或含有内置曲线的配套便携式比色计）进行偏硅酸含量的定量测定，具有便于携带，操作简便、结果准确可靠、快速，价格低廉等特点，可实现饮用矿泉水水质的实时监控及源水水质快速筛查，具有很好的实用价值。

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