氣相分子吸收光譜法測定海水中的硝酸鹽氮

何 平，周侶艷，周 姍

杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站，浙江 杭州 310007

環(huán)境水體中的氮主要是離子態(tài)氮，其中以硝酸鹽氮為主，還有氨氮、亞硝酸鹽氮和少量溶解氣體形式的氮以及有機(jī)氮［1］。硝酸鹽氮作為氮的最高氧化態(tài)，是有機(jī)物經(jīng)無機(jī)化作用最終階段的分解產(chǎn)物，亞硝酸鹽氮、氨氮可經(jīng)硝化作用氧化為硝酸鹽氮，硝酸鹽氮在無氧環(huán)境中受反硝化細(xì)菌作用可還原為亞硝酸鹽，是致癌物質(zhì)。海水中的硝酸鹽氮來自海洋動植物新陳代謝物質(zhì)的分解氧化及陸源徑流的補(bǔ)給，硝酸鹽氮的含量反映了海水的水質(zhì)，水質(zhì)狀況將影響海生生物的生長和繁殖［2］。海水中硝酸鹽氮的測定是海洋環(huán)境監(jiān)測的必測項(xiàng)目之一，也是海水養(yǎng)殖本底調(diào)查的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

目前測定海水中的硝酸鹽氮主要采用鎘柱還原法［3-5］，《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378.4—2007)將其列為仲裁方法［6］，鎘柱還原法測定硝酸鹽氮具有靈敏度高、干擾因素少、顯色穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但該方法步驟繁瑣、檢測周期長、試劑消耗量大，急需尋找快速簡便的替代技術(shù)，以應(yīng)對應(yīng)急事故等特定情況下的監(jiān)測。氣相分子吸收光譜法作為一種新型的分析手段，已被國家環(huán)境保護(hù)部定為水質(zhì)硝酸鹽氮測定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［7］，較成熟地應(yīng)用于地表水和工業(yè)廢水中硝酸鹽氮的測定［8-11］，但將其應(yīng)用于海水中硝酸鹽氮的測定尚未見報(bào)道。該文采用氣相分子吸收光譜法測定海水中硝酸鹽氮，取得了較好的精密度及準(zhǔn)確度，分析結(jié)果與鎘柱還原法具可比性，分析速度快、操作簡便、試劑耗量少，適合大批量樣品的測定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

在(70±2)℃溫度下，三氯化鈦可將硝酸鹽迅速還原分解，產(chǎn)生的NO用載氣載入氣相分子吸收光譜儀的吸光管中，在214.4 nm波長處測得的吸光度與硝酸鹽氮濃度遵守比爾定律。

1.2 適用范圍

方法的檢出限為0.004 mg/L，測定下限0.02 mg/L，測定上限20 mg/L。該法適用于地表水、地下水、海水、飲用水、生活污水及工業(yè)污水中硝酸鹽氮的測定。

1.3 主要試劑

硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，編號102108，環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，質(zhì)量濃度為500 mg/L，用去離子水稀釋至10.00 mg/L備用;氨基磺酸，10%水溶液，分析純;三氯化鈦，分析純;去離子水，RO-MB-10反滲透高純水機(jī)(杭州)。

1.4 儀器及工作條件

GMA3212型氣相分子吸收光譜儀(上海)，包括進(jìn)樣器、加熱系統(tǒng)、反應(yīng)分離器、鎘空心陰極燈、檢測器、除水系統(tǒng)、GMA3212軟件處理系統(tǒng)和硝酸鹽氮分析模塊。儀器的工作條件:鎘空心陰極燈電流2.5 mA，工作波長214.4 nm，狹縫1.0，載入氮?dú)鈮毫?.2 MPa，測峰高。氣相分子吸收光譜儀結(jié)構(gòu)示意及工作流程見圖1。

圖1 儀器結(jié)構(gòu)示意及工作流程圖

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

啟動GMA3212型氣相分子吸收光譜儀進(jìn)入自檢，完畢后預(yù)熱40～60 min。將配制好的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列依次放在自動進(jìn)樣裝置上，在軟件上設(shè)置好標(biāo)準(zhǔn)溶液各濃度值和對應(yīng)的位置號，將試劑管插入三氯化鈦溶液中，樣品管插入溶液中，儀器自動進(jìn)樣，依次進(jìn)行測定，自動繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在空白和樣品(先行調(diào)節(jié)至中性或弱酸性)中加入1～2滴氨基磺酸溶液去除亞硝酸鹽干擾，操作步驟與標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制相同，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線儀器自動計(jì)算出樣品的濃度。測試完畢后，先關(guān)閉加熱，再將試劑管放入去離子水中，清洗系統(tǒng)5 min后關(guān)閉。

2 結(jié)果與討論

2.1 校準(zhǔn)曲線繪制

配制質(zhì)量濃度分別為 0、0.25、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00 mg/L 的一系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，以空白校正后的吸光度為縱坐標(biāo)，對應(yīng)的硝酸鹽氮濃度為橫坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線，見圖2。從圖2可見，硝酸鹽氮校準(zhǔn)曲線線性良好，線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 9，滿足測試要求。

圖2 校準(zhǔn)曲線

2.2 檢出限

對空白水樣進(jìn)行了l1次重復(fù)測定，吸光度分別為 0.000 7、0.000 8、0.000 7、0.000 8、0.000 8、0.000 6、0.000 7、0.000 8、0.000 8、0.000 8、0.000 7，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 068 8，計(jì)算得檢出限為0.004 mg/L。

2.3 精密度測定

配制質(zhì)量濃度分別為0.800、2.00、3.20 mg/L的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)樣品，每個(gè)樣品重復(fù)測定6次，分別計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表1。

表1 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品6次測定的平均值分別為0.810、2.02、3.19 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.011 0～0.042 2 mg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.54%～1.44%?？梢姡瑲庀喾肿游展庾V法有良好的精密度。

2.4 準(zhǔn)確度測定

用環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品所提供的編號為200828的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)樣品作為水樣，平行測定6 次，測定值分別為 1.53、1.53、1.47、1.52、1.52、1.54 mg/L，平均值為 1.52 mg/L，相對誤差為1.33%，滿足檢測準(zhǔn)確度的要求。

在某一海水樣品中加入一定量的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行回收率分析，加標(biāo)量為1.50 mg/L，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)測定結(jié)果，海水樣品的加標(biāo)回收率為96.0% ～102%，滿足水質(zhì)監(jiān)測的質(zhì)量控制要求，方法適合海水樣品的分析。

表2 實(shí)樣加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

2.5 干擾及去除

對NO2－的正干擾，可加2滴10%氨基磺酸使之分解生成N2而消除;對及的正干擾，用稀H2SO4調(diào)成弱酸性，加入0.1%高錳酸鉀氧化生成直至產(chǎn)生二氧化錳沉淀，取上清液測定;含高價(jià)態(tài)陽離子，應(yīng)增加三氯化鈦用量至溶液紫紅色不褪，取上清液測定;水樣中含有產(chǎn)生吸收的有機(jī)物時(shí)，加入活性碳攪拌吸附，30 min后取樣測定。

2.6 與國標(biāo)方法的比對

將氣相分子吸收光譜法與標(biāo)準(zhǔn)方法鎘柱還原法進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)。由于鎘柱還原法繪制校準(zhǔn)曲線的最高質(zhì)量濃度為0.20 mg/L，而氣相分子吸收光譜法則高達(dá)4.00 mg/L，為了能準(zhǔn)確地進(jìn)行方法的比對，減少稀釋等帶來的實(shí)驗(yàn)誤差，將兩者校準(zhǔn)曲線繪制的最高質(zhì)量濃度均定為1.00 mg/L，將鎘柱還原法中比色皿的規(guī)格由50 mm長改為10 mm長進(jìn)行吸光度的測定。因此對氣相分子吸收光譜法來說，比對實(shí)驗(yàn)均在較低濃度中進(jìn)行。

2.6.1 校準(zhǔn)曲線

配制 0、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 mg/L的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，分別用氣相分子吸收光譜法與鎘柱還原法繪制校準(zhǔn)曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可見，2種分析方法的校準(zhǔn)曲線均線性良好，水樣測定結(jié)果無顯著性差異。結(jié)合圖2可知，氣相分子吸收光譜法在測定低、高濃度硝酸鹽氮時(shí)均有較好的線性關(guān)系。

圖3 校準(zhǔn)曲線比對結(jié)果

2.6.2 精密度

配制0.150、0.500、0.850 mg/L 的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)6次平行測定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果見表3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:鎘柱還原法3種濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品測定標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.002 68～0.009 22 mg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.10% ～1.83%;氣相分子吸收光譜法3個(gè)濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.001 98～0.009 03 mg/L，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.04%～1.77%?？梢姡?種分析方法測得的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均無顯著性差異，說明精密度是可靠的，能滿足檢測的要求。

表3 精密度比對結(jié)果

2.6.3 準(zhǔn)確度

將已知濃度的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)樣品(0.060、0.240 mg/L)分別用2種方法進(jìn)行加標(biāo)回收率分析，加標(biāo)量分別為原含量的0.6～2.5倍，確保各濃度均勻分布在標(biāo)準(zhǔn)曲線的低、中、高濃度范圍區(qū)段。分別測定3個(gè)平行樣，取均值，結(jié)果如表4所示。

表4 加標(biāo)回收率比對結(jié)果

根據(jù)測定結(jié)果，鎘柱還原法測定標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)回收率為96.7% ～102%，氣相分子吸收光譜法測定標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)回收率為98.0%～106%。2種分析方法無顯著性差異，均符合水質(zhì)監(jiān)測的質(zhì)量控制要求。

2.6.4 實(shí)樣比對

選取不同區(qū)域的海水樣品8份，分別用氣相分子吸收光譜法和鎘柱還原法同時(shí)對水樣進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表5所示。根據(jù)比對結(jié)果，2種方法測定海水樣品的相對偏差為0.00%～3.35%，差異較小，說明儀器測定與標(biāo)準(zhǔn)方法測得的硝酸鹽氮結(jié)果有良好的一致性。

表5 實(shí)樣分析比對結(jié)果

2.6.5 方法比較

比較氣相分子吸收光譜法和鎘柱還原法的前處理、實(shí)驗(yàn)條件、干擾及適用范圍等方面的差異，結(jié)果見表6。

3 結(jié)論

1)氣相分子吸收光譜法適用范圍廣，方法檢出限低，校準(zhǔn)曲線具有較好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 9;曲線工作范圍寬，為0.25～4.00 mg/L，能滿足一般海水樣品的測定要求，無需稀釋;精密度和準(zhǔn)確性均較好，標(biāo)準(zhǔn)溶液平行測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于或等于1.44%，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)控樣品相對誤差小于或等于1.33%，實(shí)際水樣加標(biāo)回收率為96.0%～102%。操作過程全部通過計(jì)算機(jī)完成，效率高，在最佳條件下分析樣品的速度超過30個(gè)/h，能滿足大批量樣品連續(xù)測定的要求。

2)鎘柱還原法作為海水測定的經(jīng)典方法和仲裁方法，具有儀器設(shè)備簡單、方法易于推廣、精密度和準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，但該方法操作步驟繁瑣，鎘柱需要進(jìn)行活化和清洗等前處理。曲線和樣品過鎘柱耗時(shí)較長，測試一個(gè)樣品，僅過柱就需20 min，根本無法滿足應(yīng)急監(jiān)測的需求。鎘柱還原法的曲線范圍為0.025～0.20 mg/L，不能滿足一般海水樣品的測定要求，基本都是稀釋后再取樣分析。因此，容易造成較大誤差。

表6 方法比較

3)在0.10～1.00 mg/L范圍內(nèi)，氣相分子吸收光譜法與鎘柱還原法的校準(zhǔn)曲線均線性良好，2種方法測定標(biāo)準(zhǔn)溶液相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.10% ～1.83%、1.04% ～1.77%，測定結(jié)果無顯著性差異;比對測定實(shí)際樣品，相對偏差為0.00%～3.35%;標(biāo)準(zhǔn)樣品加標(biāo)回收率均控制在96.7% ～106%，符合水質(zhì)監(jiān)測的質(zhì)量控制要求。

4)相較于傳統(tǒng)鎘柱還原法，氣相分子吸收光譜法分析速度更快，樣品和試劑用量更少，節(jié)省人力、物力，提高分析的時(shí)效性，是為一種良好的替代方法，對環(huán)境監(jiān)測工作有重要的意義，值得在實(shí)驗(yàn)室推廣應(yīng)用。

［1］胡筱敏，葉舒帆，和英滇，等．電解催化還原-氯氧化無害化去除水中硝酸鹽氮［J］．環(huán)境科學(xué)研究，2011，24(5):533-539．

［2］劉海英．淺談鎘柱還原法測定硝酸鹽氮［J］．福建環(huán)境，1996，13(3):34．

［3］夏炳，宋曉麗，姜軍成．鎘柱還原法測定海水中硝酸鹽氮有關(guān)問題的探討［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2012，28(4):105-106．

［4］魏福祥，傅曉文，馬曉珍．鎘柱還原光度法測定海水中的硝酸鹽氮［J］．分析試驗(yàn)室，2011，30(7):10-13．

［5］孫會芳，劉占廣，張瑞華，等．海水中硝酸根的檢測與分析［J］．鹽業(yè)與化工，2011，40(4):13-15．

［6］GB 17378.4—2007 海洋監(jiān)測規(guī)范 第4部分:海水分析［S］．

［7］HJ/T 198—2005 水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 氣相分子吸收光譜法［S］．

［8］莫怡玉．氣相分子吸收光譜法測定硝酸鹽氮時(shí)還原時(shí)間的影響［J］．中國環(huán)境監(jiān)測，2005，21(4):36．

［9］吳卓智，莫怡玉，吳銀笑．氣相分子吸收光譜法測定硝酸鹽氮的改進(jìn)方法［J］．現(xiàn)代儀器，2003，(5):23-24，32．

［10］余海霞，葉旭紅，何紀(jì)平．氣相分子吸收光譜法測定水中硝酸鹽氮濃度不確定度評定［J］．現(xiàn)代儀器，2012，18(4):28-30，35．

［11］臧平安．氣相分子吸收光譜法測定硝酸根離子的研究［J］．寶鋼技術(shù)，1995，(3):24-30．