化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量

王 燕, 劉素美, 任景玲, 張桂玲

(中國(guó)海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量

王 燕, 劉素美, 任景玲, 張桂玲

(中國(guó)海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

傳統(tǒng)分光光度法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量時(shí)檢測(cè)限較高, 無法測(cè)定部分海洋表層及寡營(yíng)養(yǎng)鹽海域低含量的硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度, 急需采用一種新的測(cè)定低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的方法。化學(xué)發(fā)光法用于測(cè)定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量, 具有靈敏度高、檢測(cè)限低、樣品用量少, 不受懸浮顆粒物、有色物質(zhì)影響及樣品批量測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)。本文通過探索載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等關(guān)鍵因素對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響, 在實(shí)驗(yàn)室建立了用化學(xué)發(fā)光測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法, 并確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。該方法測(cè)定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度的檢測(cè)限為10 nmol/L, 當(dāng)樣品濃度為200、400 nmol/L時(shí), 精密度分別為5%和3%。

硝酸鹽; 亞硝酸鹽; 化學(xué)發(fā)光法; 低濃度; 天然水體

無機(jī)氮作為海洋浮游植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起著重要的作用。傳統(tǒng)的亞硝酸鹽的測(cè)定方法是重氮偶氮分光光度法,是通過鎘銅柱還原成后按照的方法測(cè)定。傳統(tǒng)的分光光度方法測(cè)定海水中和的檢測(cè)限分別為100 nmol/L和20 nmol/L[1]。而大洋中存在很多寡營(yíng)養(yǎng)鹽海區(qū), 這些海域的和濃度很低, 如西弗羅里達(dá)陸架海區(qū),和濃度總和僅為 60～110 nmol/L, 無法用傳統(tǒng)分光光度法測(cè)定[2-3]。

國(guó)外學(xué)者研究用化學(xué)發(fā)光法測(cè)定氮氧化物已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。1970年 Fontijin 等[4]首先用化學(xué)發(fā)光法測(cè)定空氣中的NO; 1980年Cox[5]首次用化學(xué)發(fā)光法測(cè)定水體中低濃度的硝酸鹽和亞硝酸鹽; 1982年 Garside[6]成功用此法測(cè)定海水中的和1989年Braman等[7]改進(jìn)了方法的還原劑, 實(shí)現(xiàn)了樣品的批量測(cè)定。

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定水體中 NO3-可選用的還原劑有(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合試劑[5-6]、VCl3[7]、TiCl3[8]等, 反應(yīng)需要較高的溫度(85～95℃)和較強(qiáng)的酸性條件(pH＜1); 此法測(cè)定時(shí)反應(yīng)條件較測(cè)定時(shí)溫和, 可選室溫及還原性較弱的還原劑, 如NaI[3,5,6]、Vc-HAc[9]等。對(duì)用 VCl3測(cè)定存在干擾, 不適合的測(cè)定。

還原劑VCl3與(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合試劑相比, 具有反應(yīng)酸度較低、可批量測(cè)定樣品的優(yōu)勢(shì); 而混合試劑反應(yīng)時(shí)酸度較高, 只能測(cè)定單個(gè)樣品[7]。兩者相比, 用 VCl3作反應(yīng)的還原劑比混合試劑更具優(yōu)勢(shì)。本研究基于文獻(xiàn)[5-7]等報(bào)道的化學(xué)發(fā)光法, 選VCl3作反應(yīng)的還原劑, 通過探索載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響, 建立了用化學(xué)發(fā)光測(cè)定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法, 并確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。

1 試劑與方法

1.1 儀器和試劑

氮氧化物化學(xué)發(fā)光儀(美國(guó) Teledyne公司);N2000色譜工作站(浙江大學(xué)智達(dá)信息工程有限公司); 高純氮?dú)?99.9999%); 濾膜(0.45μm); VCl3(美國(guó) Alfa Aescar公司); HCl(優(yōu)級(jí)純); NaOH (優(yōu)級(jí)純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽的原理是： 將硝酸鹽和亞硝酸鹽選擇性地還原為 NO后,NO與臭氧反應(yīng)生成激發(fā)態(tài) NO2*, 激發(fā)態(tài) NO2*在返回基態(tài)的過程中放出光子, 產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。當(dāng)臭氧過量時(shí), 反應(yīng)放出的光子數(shù)與NO濃度呈正比[5], 即反應(yīng)信號(hào)值與硝酸鹽和亞硝酸鹽含量成正比。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在反應(yīng)器中加入 10 mL VCl3, 調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度,通過進(jìn)樣閥將樣品注入反應(yīng)器中, 反應(yīng)生成的 NO在高純氮?dú)獾妮d帶下先后經(jīng)冷凝管(冷凝水蒸氣)、NaOH溶液(除酸性氣體)、微孔過濾器(0.45 μm濾膜)后進(jìn)入氮氧化物化學(xué)發(fā)光儀, 與 O3反應(yīng), 產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光, 記錄信號(hào)值(圖1)。

圖1 化學(xué)發(fā)光法測(cè)定硝酸鹽、亞硝酸鹽實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Apparatus arrangement

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳實(shí)驗(yàn)條件探索

2.1.1 反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了從80～200℃選擇的13個(gè)溫度下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào))隨溫度的變化趨勢(shì)(圖2)。積分峰高信號(hào)值隨反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)先增加后基本保持不變的變化趨勢(shì)。積分峰面積信號(hào)值則受溫度影響較小, 當(dāng)反應(yīng)溫度高于120℃時(shí), 積分峰面積信號(hào)值基本保持不變, 各信號(hào)值之間相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.94%。選反應(yīng)過程中信號(hào)較穩(wěn)定的積分峰面積作反應(yīng)信號(hào), 同時(shí)選150℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.1.2 還原劑VCl3濃度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響

通過改變還原劑濃度, 實(shí)驗(yàn)測(cè)定了 0.01 ～0.175 mol/L濃度范圍內(nèi), 12組不同濃度下反應(yīng)信號(hào)隨還原劑濃度的變化趨勢(shì)。反應(yīng)信號(hào)(積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào))隨 VCl3濃度的變化趨勢(shì)與反應(yīng)溫度相似(圖3)。積分峰高信號(hào)值隨VCl3濃度的增加先增大,當(dāng)VCl3濃度大于0.03 mol/L時(shí)積分峰高信號(hào)值緩慢增加。積分峰面積信號(hào)值隨VCl3濃度的增加基本保持不變, 僅當(dāng) VCl3濃度小于 0.03 mol/L時(shí), 積分峰面積信號(hào)值稍大。選反應(yīng)過程中信號(hào)較穩(wěn)定的積分峰面積作反應(yīng)信號(hào), 同時(shí)選 VCl3最佳反應(yīng)濃度為0.1 mol/L。

圖2 溫度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響(數(shù)據(jù)均為3次平行測(cè)定結(jié)果)Fig.2 The effect of temperature on nitrate response signals(The values are the mean of 3 determinations for each experimental condition)

圖3 還原劑 VCl3濃度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測(cè)定的結(jié)果)Fig. 3 The effect of VCl3 concentration on nitrate response signals

2.1.3 HCl濃度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響

通過改變HCl濃度, 測(cè)得12組不同濃度下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高、峰面積信號(hào)值)(圖 4)。本組實(shí)驗(yàn)中, 積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào)變化相似, 均隨 HCl濃度的增加先增加后基本保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 當(dāng)HCl濃度大于0.5 mol/L時(shí), 積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào)基本保持不變。為確保樣品的批量測(cè)定, 選 HCl最佳反應(yīng)濃度為2 mol/L。

圖4 HCl濃度對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測(cè)定的結(jié)果)Fig. 4 The effect of the HCl concentration on nitrate response signals

2.1.4 載氣流速對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了7組載氣流速下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高及峰面積信號(hào)值), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明積分峰高信號(hào)及積分峰面積信號(hào)值隨載氣流速的增加不存在較穩(wěn)定的信號(hào)值(圖 5)。載氣流速增加, 積分峰高信號(hào)值先增加后降低, 當(dāng)流速為480 mL/min時(shí)積分峰高信號(hào)值最大。積分峰面積信號(hào)值則隨載氣流速的增加而逐漸降低。參照儀器測(cè)定空氣時(shí)的流速, 選 480 mL/min為最佳流速。

綜合載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響, 選較穩(wěn)定的積分峰面積信號(hào)作反應(yīng)信號(hào)值, 同時(shí)選0.1 mol/L VCl3、2 mol/L HCl、150℃和480 mL/min載氣流速作為臭氧化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的最佳反應(yīng)條件。

2.2 化學(xué)發(fā)光法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的鹽效應(yīng)

配制8組已知濃度、鹽度不同的樣品, 用化學(xué)發(fā)光法測(cè)定樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量, 反應(yīng)的回收率在97%～103%之間(表1), 表明鹽度對(duì)化學(xué)發(fā)光法測(cè)定水體中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量沒有影響。

2.3 化學(xué)發(fā)光法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率

選取12組不同濃度的天然海水、雨水及河水樣品, 向其中加入硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(表 2)。此法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率在 88.9%～111.1%之間, 大多在95%～105%之間。

圖5 載氣流速對(duì)反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測(cè)定的結(jié)果)Fig. 5 The effect of flow rate on nitrate response signals

表1 鹽度對(duì)化學(xué)發(fā)光法的影響Tab. 1 The Effect of salt concentration on the measured values

表2 天然水體加標(biāo)實(shí)驗(yàn)Tab. 2 Natural waters spiked with stardard materials

2.4 化學(xué)發(fā)光法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的檢測(cè)限、精密度

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定硝酸鹽和亞硝酸鹽主要是測(cè)定NO氣體的物質(zhì)的量, 與反應(yīng)中的樣品濃度沒有直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中測(cè)定了200 μL和1 mL兩種進(jìn)樣體積下的工作曲線, 如表3所示。

表3 工作曲線Tab. 3 Calibration curves

平行測(cè)定5組超純水樣品, 根據(jù)檢測(cè)限等于3倍樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義, 測(cè)得化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽及亞硝酸鹽含量的檢測(cè)限為 10 nmol/L;當(dāng)樣品濃度為200 nmol/L、400 nmol/L時(shí), 精密度分別為5%和3%。

2.5 方法優(yōu)缺點(diǎn)

化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量, 具有靈敏度高、檢出限低、樣品用量少、樣品批量測(cè)定、不受懸浮顆粒物及有色物質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí), 此法干擾雜質(zhì)少, 亞硝基化合物中, 只有亞硝基二苯胺產(chǎn)生NO, 烷基類硝酸鹽和亞硝酸鹽在酸性條件下可分解生成和生干擾[4-7]。但與營(yíng)養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀相比, 此法測(cè)定樣品時(shí)間稍長(zhǎng), 每個(gè)樣品需3 min, 測(cè)樣速度稍慢。離子, 對(duì)反應(yīng)產(chǎn)

3 化學(xué)發(fā)光法與傳統(tǒng)分光光度法結(jié)果對(duì)比

分別用分光光度法和化學(xué)發(fā)光法測(cè)定中國(guó)近海、高隆灣、海南萬泉河等50組樣品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量(圖 6)。兩組數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差為3.65%, 呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用兩種方法測(cè)定天然水體中硝酸鹽與亞硝酸鹽含量方法具有一致性, 不存在顯著差異。

圖6 傳統(tǒng)分光光度法與化學(xué)發(fā)光法分別測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的對(duì)比Fig. 6 Correlation between the chemiluminescent technique and the conventional spectrophotometric method

4 小結(jié)

(1) 通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件探索, 建立了化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法,并確定了實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件, 即： VCl3濃度 0.1 mol/L、HCl 濃度2 mol/L、反應(yīng)溫度150℃和載氣流速 480 mL/min。

(2) 化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率在95%～105%之間, 檢測(cè)限為10 nmol/L, 當(dāng)樣品濃度為200 nmol/L、400 nmol/L時(shí),精密度分別為5%和3%。

(3) 同傳統(tǒng)分光光度法一樣, 鹽度對(duì)化學(xué)發(fā)光法測(cè)定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量也沒有影響。

[1]Grasshoff K, Kremling K, Ehrhardt M. Methods of Seawater Analysis (Third edition)[M]. Weinheim： Verlag Chemie, 1999.

[2]Masserini R T, Fanning K A. A sensor package for the simultaneous determination of nanomolar concentrations of nitrite, nitrate, and ammonia in seawater by fluorescence detection[J]. Marine Chemistry, 2000, 68： 323-333.

[3]朱炳德, 劉素美, 張經(jīng), 等. 海水中低濃度亞硝酸鹽和硝酸鹽測(cè)定方法綜述[J]. 海洋學(xué)研究, 2007, 25(2)：36-45.

[4]Fontijin A, Sabadell A J, Ronco R J. Homogeneous chemiluminescent measurement of nitric oxide with ozone[J]. Analytical Chemistry, 1970, 42(6)： 575-579.

[5]Cox R D. Determination of nitrate and nitrite at the parts per billion level by chemiluminescence[J]. Anal Chem, 1980, 52： 332-335.

[6]Garside C. A chemiluminescent technique for the determination of nanomolar concentration of nitrate and nitrite in seawater[J]. Marine Chemistry, 1982, 11：59-167.

[7]Braman R S, Hendrix S A. Nanogram nitrite and nitrate determination in environmental and biological materials by vanadium(III) Reduction with chemiluminescence detection[J]. Anal Chem, 1989, 61： 2715-2718.

[8]Zafiriou O C, Ball L A, Hanley Q. Trace nitrite in oxic water[J]. Deep-Sea Research, 1992, 39： 1329-1347.

[9]Nagababu E, Rifkind J M. Measurement of plasma nitrite by chemiluminescence without interference of S-,N-nitroso and nitrated species[J]. Free Radical Biology & Medicine, 2007, 42： 1146-1154.

[10]Dore J E, Karl D M. Nitrite distributions and dynamics at Station ALOHA[J]. Deep-Sea Research II, 1996,43(2-3)： 385-402.

Chemiluminescent measurement of low concentrations of nitrate and nitrite

WANG Yan, LIU Su-mei, REN Jing-ling, ZHANG Gui-ling
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Jun., 20, 2009

nitrate; nitrite; low concentration; natural water; chemiluminescence

Chemiluminescent technique was applied for the determination of nanomolar quantities of nitrate and nitrite. Suspended particles and chromaphores did not interfere and were hence not necessary to be removed. The optimal experimental conditions with detection limit of 10 nmol/L were set up in the laboratory. The relative standard deviation was 5% at the 200 nmol/L level and 3% at the 400 nmol/L level. At wider detected range, greater accuracy and precision were obtained for this technique comparing to the conventional spectrophotometric methods.Consistent results were obtained when the concentrations of nitrate and nitrite in seawater and river water samples were measured using these two methods.

P734.4+4

A

1000-3096(2011)05-0095-05

2009-06-20;

2009-09-30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40876054, 40730847); 教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(108081); 科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB4006)

王燕(1984-), 女, 山東泰安人, 碩士研究生, 主要從事海洋中無機(jī)氮的研究,電話： 15140545384, E-mail： wyzplforever@163.com

康亦兼)