反相流動(dòng)注射-紫外光還原-分光光度法測(cè)定飲用水中的硝酸鹽

1 引 言

硝酸鹽廣泛存在于各種環(huán)境水體中。當(dāng)飲用水中硝酸鹽濃度過(guò)高時(shí)，可能對(duì)人體健康造成危害；地表水中硝酸鹽大量積累，則可能引起藻類過(guò)度繁殖，溶解氧耗竭，水質(zhì)惡化。目前，檢測(cè)硝酸鹽的最常用方法是將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再經(jīng)重氮偶聯(lián)反應(yīng)后由分光光度法進(jìn)行測(cè)定［1］。此類方法已較好地與流動(dòng)分析技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于測(cè)定環(huán)境樣品中硝酸鹽［2～4］。硝酸鹽還原為亞硝酸鹽常用的方法有鎘柱還原法［2，3］、硫酸肼還原法［4］、鋅鎘還原法［5］，雖然這些方法的還原效率較高，但所用的還原試劑毒害大。紫外光還原法雖然是不完全還原法，但避免了有毒有害試劑的使用，且操作簡(jiǎn)便。在紫外光照射下，硝酸鹽可生成亞硝酸鹽，但反應(yīng)中產(chǎn)生的氧原子可與亞硝酸鹽再結(jié)合，將其氧化為硝酸鹽。有研究發(fā)現(xiàn)，加入適量二乙烯三胺五乙酸（DTPA）或乙二胺四乙酸（EDTA）可阻礙氧原子與亞硝酸鹽的再結(jié)合，提高光還原效率［6］。但在光還原方法中，硝酸鹽的定量分析易受亞硝酸鹽的干擾［6］。本實(shí)驗(yàn)采用紫外光還原法，將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，再由分光光度法檢測(cè)。采用反向流動(dòng)注射的流路，光還原試劑注入作為載流的樣品中。未混有光還原試劑的載流樣品與顯色試劑的混合液作為參比溶液，產(chǎn)生基線信號(hào)；混有光還原試劑的樣品區(qū)帶發(fā)生光還原反應(yīng)，所得信號(hào)峰相對(duì)于基線的峰高作為硝酸鹽濃度定量的依據(jù)。本方法不使用有毒有害還原試劑，光還原反應(yīng)器制作簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、方法靈敏度高、受亞硝酸鹽干擾小，適用于對(duì)飲用水源水進(jìn)行連續(xù)測(cè)定或發(fā)展為原位監(jiān)測(cè)方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑 LEAD-1型4通道蠕動(dòng)泵、硅橡膠泵管（保定蘭格恒流泵有限公司）；TUV 8W低壓汞燈（飛利浦公司）；六通進(jìn)樣閥、八位選擇閥（美國(guó)Vici 公司）；LS-1-LL鹵鎢燈光源、USB 2000微型光纖光譜儀（美國(guó)Ocean Optics公司）；2 cm流通池。光反應(yīng)器由全氟乙丙烯管（FEP，0.8 mm ID）纏繞在低壓汞燈上制作而成，其被塞入聚氯乙烯（PVC）管。各流路通道亦由FEP管連接。儀器控制及數(shù)據(jù)采集、處理軟件由LABVIEW（美國(guó)NI公司）程序語(yǔ)言編寫(xiě)。

標(biāo)準(zhǔn)溶液：將105 ℃下干燥至恒重的KNO3用純水配制成10 mmol/L的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，用時(shí)稀釋。顯色試劑：5 g磺胺溶于450 mL 10%（V/V）HCl中，加入0.25 g鹽酸萘乙二胺，定容至500 mL；光還原試劑：0.8 g 二乙烯三胺五乙酸（DTPA）與7.2 g十二水合磷酸氫二鈉溶于150 mL純水中，用1 mol/L NaOH調(diào)至pH 8.5，定容至200 mL。所用試劑均為分析純。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

按圖1所示連接流路。進(jìn)行樣品測(cè)定時(shí)，由八位選擇閥（SV）選擇樣品或標(biāo)準(zhǔn)溶液作為載流， 圖1 r-FIA流路圖

Fig.1 Schematic diagram of r-FIA system

SV，八位選擇閥（8-Ｐosition selection valve）；S 1～3，樣品（Sample）；St 1～5，標(biāo)準(zhǔn)溶液（Standard solution）；P，蠕動(dòng)泵（Ｐeristaltic pump）；V，六通進(jìn)樣閥（6-Ｐort valve）；R1，顯色試劑（Ｃolor-forming reagent）；R2，光還原試劑（Ｐhoto-reaction reagent）；UV lamp，8 W紫外燈；D，檢測(cè)器（Ｄetector）。 光還原試劑由六通進(jìn)樣閥（V）注入載流中，經(jīng)過(guò)光反應(yīng)器中的盤(pán)管C1，硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，然后再與顯色試劑混合，在混合盤(pán)管C2中發(fā)生顯色反應(yīng)，流經(jīng)檢測(cè)器后排出系統(tǒng)。選擇偶氮化合物的最大吸收波長(zhǎng)（540 nm）為檢測(cè)器測(cè)定波長(zhǎng)，無(wú)吸收的700 nm作為校正波長(zhǎng)，以消除試劑和樣品的界面因折射率差異產(chǎn)生的信號(hào)。測(cè)定時(shí)，用尚未注入光還原試劑的樣品與顯色試劑的混合液作為參比溶液（獲得基線），用注入光還原試劑后所得到的吸收峰相對(duì)于基線的峰高作為硝酸鹽濃度定量的依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 光還原試劑注入體積的影響 各條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中均以20

SymbolmA@ mol/L硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液作為考察對(duì)象，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定3次。研究了光還原試劑注入體積為45～190

SymbolmA@ L時(shí)，試劑量不足，光還原反應(yīng)不完全；光還原試劑注入體積為190～315

SymbolmA@ L時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度無(wú)顯著變化，但所得峰型展寬，樣品分析時(shí)間增長(zhǎng)。因此注入體積選擇為190

SymbolmA@ L。

3.2 樣品及試劑流速的影響

樣品和試劑流速增加，反應(yīng)時(shí)間減少，信號(hào)值降低，分析速度加快；流速降低，反應(yīng)時(shí)間增加，信號(hào)值升高，分析速度減慢。綜合考慮靈敏度和分析速度，樣品流速選擇為0.4 mL/min；顯色試劑流速為0.2 mL/min。

3.3 光反應(yīng)盤(pán)管與顯色反應(yīng)盤(pán)管長(zhǎng)度的影響 考察了光反應(yīng)盤(pán)管（C1）長(zhǎng)度在1.5～3.5 m之間對(duì)信號(hào)值的影響，隨C1長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，光還原反應(yīng)越充分，信號(hào)值升高；但C1過(guò)長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)峰展寬也隨之增大，所以C1長(zhǎng)度選擇為3 m。顯色反應(yīng)盤(pán)管（C2）長(zhǎng)度在73～230 cm之間對(duì)信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯的影響，故C2長(zhǎng)度選擇為73 cm。

3.4 光還原試劑pH值和Na2HPO4濃度的影響

光還原試劑pH值影響信號(hào)強(qiáng)度。紫外光還原反應(yīng)易在堿性條件下發(fā)生，在酸性條件下光還原效率極低。在pH 7.0～9.1之間考察pH值對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。當(dāng)pH＝8.5時(shí)，本方法最為靈敏?？疾炝薔a2HPO4濃度（0～150 mmol/L）對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。當(dāng)Na2HPO4濃度高于100 mmol/L時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

第6期張 敏等: 反相流動(dòng)注射-紫外光還原-分光光度法測(cè)定飲用水中的硝酸鹽

3.5 DTPA濃度的影響 當(dāng)光還原試劑中DTPA濃度過(guò)低時(shí)，光反應(yīng)過(guò)程中生成的亞硝酸鹽與氧原子再結(jié)合，不利于亞硝酸鹽的形成；當(dāng)DTPA濃度過(guò)高，可能造成硝酸鹽的光還原效率下降?？疾炝薉TPA濃度（0～25 mmol/L）對(duì)信號(hào)強(qiáng)度的影響。DTPA濃度在10～20 mmol/L時(shí)，亞硝酸鹽的生成量較穩(wěn)定。濃度較高的DTPA在酸性顯色試劑中可能析出，堵塞管路。本實(shí)驗(yàn)中緩沖溶液DTPA濃度選擇10 mmol/L。

3.6 工作曲線、精密度與檢出限 在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，硝酸鹽濃度在0.2～40

SymbolmA@ mol/L范圍內(nèi)與信號(hào)峰值呈良好線性關(guān)系，工作曲線回歸方程為A＝0.0086＋0.02479C（

SymbolmA@ mol/L， n＝8， R2＝0.9987）。對(duì)空白溶液連續(xù)測(cè)定20次，以3倍信噪比計(jì)算方法檢出限為0.053

SymbolmA@ mol/L。對(duì)20

SymbolmA@ mol/L硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)測(cè)定48次，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.2%。樣品分析速率為13樣/h。經(jīng)計(jì)算硝酸鹽紫外光還原效率高于80%。

3.7 共存離子的影響 以±5%偏差為限，取20

SymbolmA@ mol/L硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行干擾實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，100倍的Na＋；80倍的Cl－， Br－和K＋；50倍的SO2－4、SO2－3和NH＋4；30倍的CO2－3， PO3－４， F－和Mn2+；20倍的I－；10倍的Mg2+；5倍的Fe2+， Fe3+和Ca2+對(duì)測(cè)定無(wú)干擾。亞硝酸濃度為20

SymbolmA@ mol/L時(shí)，對(duì)20

SymbolmA@ mol/L硝酸鹽測(cè)定無(wú)影響；但亞硝酸鹽濃度過(guò)高時(shí)，基線信號(hào)吸光值較高，影響硝酸鹽測(cè)定。綜上可知，本方法較易受水中部分常見(jiàn)離子干擾，可使用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂在線去除金屬離子的干擾。但對(duì)基底較為簡(jiǎn)單的水樣（如飲用水和清潔地表水）則可直接測(cè)定。

應(yīng)用本方法對(duì)市售飲用純凈水、去離子水、廈門(mén)大學(xué)凌云水庫(kù)的水樣進(jìn)行了測(cè)定，加標(biāo)回收率為90.9%～100.6%。

References

1 Moorcroft M J， Davis J， Compton R G.Talanta， 2001， 54（5）: 785～803

2 Zhang M， Yuan D， Chen G， Li Q， Zhang Z， Liang Y. Microchim. Acta， 2009， 165（3-4）: 427～435

3 HAN Bin， CAO Lei， ZHENG Li， SONG Zhuan-Ling， JIANG Feng-Hua， ZANG Jia-Ye， WANG Xiao-Ru（韓 彬， 曹 磊，鄭 立，宋轉(zhuǎn)玲，蔣鳳華，臧家業(yè)，王小如）. Chinese J. Anal. Chem.（分析化學(xué)）， 2010， 38（12）: 1832～1837

4 Pons C， Santos J L M， Lima J L F G. Microchim. Acta， 2007， 161（1-2）： 73～79

5 JIN Ming-Ming， TANG Ren-You（金明明，唐仁友）. Marine Environmental Science （海洋環(huán)境科學(xué)）， 2002， 21（2）: 50～56

6 Takeda K， Fujiwara K. Anal. Chim. Acta， 1993， 276（1）: 25～32

Reversed Flow Injection Analysis of Nitrate in Drinking Water with

UV-induced Reduction to Nitrite and Spectrophotometric Detection

ZHANG Min， YUAN Dong-Xing*， FENG Si-Chao， HUANG Yong-Ming

（State Key Laboratory of Marine Environmental Science，

Environmental Science Research Center， Xiamen University， Xiamen 361005）

Abstract An environmental friendly method was developed based on reversed flow injection （r-FIA） with UV-induced reduction of nitrate to nitrite and spectrophotometric detection. Sample or standard solutions were mixed with a phosphate buffer solution containing diethylenetriaminepentaacetate （DTPA）， and then passed through a UV reduction reactor equipped with an 8 W low pressure mercury lamp， where the nitrate was reduced to nitrite. The formed nitrite was detected with spectrophotometric method through Griess reaction. Less than 20

SymbolmA@ mol/L of nitrite showed no effect on the nitrate analysis. Reduction efficiency over 80% was obtained. The detection limit of the proposed method was 0.053

SymbolmA@ mol/L and linear range was 0.2－40

SymbolmA@ mol/L. A sample of 20

SymbolmA@ mol/L nitrate was continually measured for 48 times， and a RSD of 2.22% was obtained. The recoveries of drinking waters were between 90.9%－100.6%.

Keywords Nitrate; ultraviolet-induced reduction; Flow injection; Spectrophotometry

（Received 27 November 2010; accepted 29 December 2010）