便携式室内甲醛分析盒设计★

石 柳，霍雨卉，侯向东

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030009；2.东北财经大学，辽宁 大连 116025）

0 引言

近年来，随着大众健康、环保意识的提高，室（车）内空气污染备受关注。甲醛是一种无色有刺激性气味的气体，是室（车）内环境中来源广、危害大的主要污染物之一[1]。室（车）内甲醛主要来源于装修装饰材料如油漆、胶黏剂、复合木制品、窗帘、墙纸等[2]。短期吸入高浓度的甲醛会刺激呼吸系统不适，引发咳嗽胸闷、哮喘甚至头痛、恶心、肺水肿等症状[3]。长期吸入低浓度的甲醛可能导致儿童生长发育畸形、白血病和癌症[4]。因此，甲醛浓度是评价室（车）内空气质量的重要指标之一。在《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）[5]和乘用车内空气质量评价指南（GB/T 27630—2011）[6]中规定室（车）内甲醛浓度限值为0.1 mg/m3，这是基于人体健康考量的最低标准。大众希望通过专业检测确认室（车）内环境是否安全。

关于室（车）内甲醛检测从操作方式上有两类：第一类是找具有CMA 资质的专业机构上门检测。用气体吸收装置在在室（车）内采集气体样品后带回实验室，利用分光光度计、气相色谱或液相色谱等分析仪器进行实验分析。这类方法测定结果准确，但是耗时长，费用高，不能有效普及至普通家庭。第二类是在市场上购买手持类甲醛检测仪或甲醛试剂盒自主检测。手持类甲醛检测仪在测定时候不需要借助化学试剂和其他设备，读数方便、操作便捷。检测原理通常分为电化学传感器法和半导体式检测法[7]。电化学甲醛测定仪由电解液、两根惰性金属电极、采气系统组成。当采气系统将甲醛吸收进入传感器时，根据甲醛浓度，设备会产生相应的电压值，转换元件输出电信号表征甲醛浓度。该方法的测定结果可能受到环境中湿度、温度等因素的影响。半导体式检测法原理是检测仪中的金属氧化物半导体材料的电导率会随环境中气体成分或浓度的变化而发生改变，该变化量会被转换器按一定程序转换为电信号输出，从而获得检测结果。有研究表明，由于半导体材料对甲醛气体灵敏度低，可能受到环境中其他气体干扰，受检验的10 个不同品牌型号的半导体式检测仪均未在设定的检测环境中显示准确的测定结果，只能反映出甲醛浓度的变化趋势，不适用于室内环境中甲醛浓度的准确检测[7]。甲醛试剂盒是利用酚试剂法原理[5]，通过甲醛与酚试剂进行化学反应，通过显色后检测盒显示的颜色与色卡进行对比，从而确定室内甲醛浓度。具体操作步骤是在圆白色吸收盒中倒入粉末药剂和透明试剂摇匀，将吸收盒放在被检测空间中放置30 min 吸收气体，然后在吸收盒中加入棕色瓶药剂，摇匀静置10 min。将吸收盒中溶液颜色与比色卡进行对比，读出被测空间中的甲醛浓度值。这种方式优点是试剂盒便携，操作方法简单。缺点是待测空气和吸收盒接触面积小，容易造成气体吸收量小，显色不完全的现象，测定结果不准确。因此，如何科学、准确、便捷、价廉的检测室（车）内甲醛浓度，已成为社会痛点问题。

本研究以国家标准方法《公共场所空气中甲醛测定方法》（GB/T 18204.26—2000）[8]为依据，对传统试剂盒进行了产品升级，研制了便携式甲醛精准分析盒。分析盒由药品试剂、采气系统和比色卡三部分组成。其中，选择合适稳定的药品试剂及包装，确保测定结果的稳定和快递物流运输。自动化气体采集装置，缩短采气时间，增加采气效率，从而增强检测效率，这是本产品优于传统试剂盒的地方。根据肉眼识别角度设计比色卡，提高测定结果的灵敏度、准确度。本产品测定结果准确、结构简单、易于操作、成本低廉，更适用于家庭、车内、公共场所等场合的自主检测。

1 材料与方法

1.1 实验试剂

实验中所用水都为纯水，所用试剂有硫酸铁铵、碘化钾、氢氧化钠、硫酸、硫代硫酸钠、淀粉甲醛等均为分析纯试剂。

吸收液的配制：用天平准确称取酚试剂（3-甲基-2-苯并噻唑啉酮腙盐酸盐水合物）0.1 g，溶解在100 mL 水中。该溶液可在冰箱稳定保存3 d。

甲醛标准贮备溶液配制：量取2.8 mL 甲醛溶液（甲醛质量分数为37%左右），加水定容至1 L。临用前需根据国家标准标定。

甲醛标准溶液①配制：临用时，将甲醛标准贮备溶液用水稀释成10.00 μg/mL，用于配制标准色列管。此标准溶液可稳定24 h。

甲醛标准溶液②配制：实验时，将①的质量浓度用水稀释成1.00 μg/mL，用于配制标准色列管。此标准溶液可稳定24 h。

1.2 实验仪器

实验仪器有分光光度计、10 mL 具塞比色管、15 mL离心管、电子天平、烧杯、量筒、电烙铁、塑料板、塑料瓶、气泵等工具。

1.3 实验原理

国家标准方法《公共场所空气中甲醛测定方法》：空气中的甲醛气体和酚试剂反应生成中间产物嗪，在酸性条件下嗪和高铁离子发生氧化还原反应，最终生成蓝绿色络合物。根据朗伯比尔定律，溶液颜色越深，表明甲醛含量越高，可以用分光光度法比色定量。

1.4 研究思路

1）对市面在售的甲醛浓度测定装置进行充分调研，从测定原理、可操作性、性价比等方面进行对比，结合国家标准和实验室现有条件，提出研究方案。

2）以国家标准为基础，对试剂盒中所需药品的名称、纯度、质量、浓度进行探究，选择抗干扰试剂，检测结果稳定，不受其他气体的干扰；选择合适稳定的药品试剂包装，防止药品与包装反应变质，提高密封抗摔能力，满足快递物流运输。

3）设计组装有自动化气体采集系统，大大缩短采气时间，同时，通过气泵功率选择控制气体流量，使气体与吸收液充分反应，加快甲醛的吸收，从而增强检测效率；其中自动化气体采集系统的组装是本研究的关键技术。

4）基于国家标准研发了标准比色卡，根据肉眼识别角度设计比色卡，提高测定结果的准确度。其中，色卡颜色的选取是本作品的关键技术指标。

1.5 实验流程

1.5.1 药品试剂

以国家标准方法《公共场所空气中甲醛测定方法》为依据，确定分析盒所用药品试剂和用量。

1.5.2 气体采集系统

选用气泵进行采气实验，采集气体量为10 L，并进行甲醛浓度测定，检验采气效率。

1.5.3 标准比色卡

1）取12 支10 mL 具塞比色管，用已知浓度甲醛标准溶液按表1 依次加入到比色管中，用甲醛吸收液定容至5 mL，摇匀静置10 min。

表1 甲醛标准溶液添加量

2）各管中加入质量分数为1%的硫酸铁铵溶液0.4 mL，摇匀，放置10 min。溶液显色后，用分光光度计测定吸光度绘制标准曲线。

3）用电脑取色器对比取色，确定比色卡色阶。

2 分析盒设计

2.1 分析盒构造

便携式甲醛精准分析盒由药品试剂（粉末试剂、试剂1、试剂2）、采气系统（气体泵、吸收管、导气软管及底座）、比色卡三部分组成（见图1 和图2）。

图1 产品实物图

图2 产品构造图

2.1.1 药品试剂

试剂选择以国家标准方法《公共场所空气中甲醛测定方法》为基础，本项目所用试剂为酚试剂、离子交换水、硫酸铁铵等。为了保证测定结果的稳定和快递物流运输，所用试剂纯度均为分析纯，并选择稳定的密封包装。

2.1.2 采气系统

为了实现自动化采集气体，增加室内空气和吸收液的接触程度，缩短检测时间，设计气体泵、导气软管、吸收瓶和瓶盖等结构形成了自动化气体采集系统（见图2）。

吸收瓶为尖底螺口离心管，内部装有甲醛吸收液，甲醛吸收液能够吸收空气中的甲醛。瓶盖上开设有进气孔和出气孔，进气孔对导气软管起到固定作用，出气孔用于排出吸收瓶内发生化学反应后剩余气体，同时，瓶盖可以防止瓶内液体飞溅。导气软管为硅胶软管，导气软管的一端插入吸收瓶中的甲醛吸收液里，气体泵的出气端与导气软管的另一端连通，气体泵通电工作后，能将被测空间内空气鼓入吸收瓶中，使被测空间内空气中的甲醛被甲醛吸收液充分吸收。

以国家标准方法《公共场所空气中甲醛测定方法》为依据，本装置采集气体体积为10 L。通过气体采集实验，气体泵采用型号为EDLP600-D12B 的微型隔膜泵，其额定电流为0.3 A，额定功率为5 W，气流量为1 L/min。气体泵的工作时间为10 min，缩短了采气的时间，提高检测效率。

2.1.3 标准比色卡

甲醛质量浓度分别为0.00、0.01、0.02、0.04、0.08、0.10、0.2、0.4、0.6、0.80、1.00、1.50 mg/m3，用分光光度计测定溶液的吸光度并绘制标准曲线（见图3）。标准曲线方程为y=0.126 7x+0.034 9（R2=0.999 5）。

图3 标准曲线

比色卡设计12 个色阶，从人肉眼识别角度电脑取色，并设计比色卡外观（见图4）。比色卡更容易比色，测定结果更准确。

图4 比色卡

2.2 分析盒使用步骤

1）检测前先将待测空间封闭12 h，打开吸收瓶，将橡胶管一端穿过吸收瓶盖进气孔并插入瓶底；

2）将粉末药品倒入吸收瓶中，然后倒入试剂1，与粉末混合，轻轻晃动使粉末充分溶解，盖上瓶盖；

3）将橡胶管另一端与气泵相连，打开电源采气10 min；

4）取下吸收管加入8 滴试剂2，轻轻摇匀，放置10 min；

5）将试剂瓶内颜色与比色卡进行对比，读出被测空间内空气中的甲醛浓度值。

2.3 分析盒性能检测

在同等实验条件下，第三方检测机构实验室研究、传统试剂盒分析法、本装置测定结果对比见表2。表2 中数据表明，本装置测定结果的准确度高于传统试剂盒法，与CMA 检测机构测定结果更为接近。

表2 实验结果对比

3 结语

本研究以国家标准方法为依据，从药品试剂、气体采集系统、标准比色卡三方面进行探究，制作了便携式甲醛精准分析盒。气体采集系统增加了室内空气和吸收液的接触程度，缩短采气时间，提高了检测的效率和准确度。同时，本分析盒结构简单、易于操作、便于携带，为普通家庭提供科学、专业、高效、便捷的室内空气甲醛检测手段。