分子熒光法對水中氨氮含量的測定

余渤 許星星 毛博

摘要：采用分子熒光法對水中氨氮含量進(jìn)行了測定，在硼酸緩沖液作用下，鄰苯二甲醛（OPA）與氨氮反應(yīng)，生成具有熒光性的物質(zhì)，在一定的pH、反應(yīng)溫度和靜置時間條件下，以362 nm為激發(fā)波長，在425 nm發(fā)射波長處測定熒光物質(zhì)的熒光強(qiáng)度，探究了四硼酸鈉、亞硫酸鈉和OPA混合溶液配比、反應(yīng)溫度、靜置時間對衍生物熒光值的影響。結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)，衍生物的量與熒光強(qiáng)度有良好的線性關(guān)系，該方法靈敏度高，適用于氨氮濃度較低水樣的測定，對于高濃度水樣也可進(jìn)行簡單稀釋后測定。

關(guān)鍵詞：氨氮;分子熒光;鄰苯二甲醛（OPA）

中圖分類號：O657.3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）10-0131-003

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.031 ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Ammonia nitrogen in water was determined by molecular fluorescence method. Fluorescent substances were formed based on the reaction of phthalaldehyde （OPA） with ammonia nitrogen in boric acid buffer. Under certain pH value， suitable temperature and static time， fluorescence of fluorescent substances was were determined at 425 nm with 362 nm as excitation wavelength. The effects of the ratio of sodium tetraborate， sodium sulfite and OPA， temperature and time on the fluorescence value of the derivatives were investigated. The results showed that there was a good linear relationship between the amount of derivatives and the fluorescence intensity in a certain concentration range. This method has high sensitivity and is suitable for the determination of ammonia nitrogen in low concentration water samples. It could also be used for the determination of high concentration water samples after simple dilution.

Key words： ammonia nitrogen; molecular fluorescence; phthalaldehyde（OPA）

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的不斷加快，人們用水的總量持續(xù)增長，廢水排放總量也隨之升高，廢水中化學(xué)物質(zhì)氨氮的污染早已成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的焦點[1-4]。氨氮是水中的一種營養(yǎng)素，可導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，水體生物無法完全轉(zhuǎn)化吸收，而且氨氮的分解需要氧氣的參與，必然會導(dǎo)致水中氧含量降低，造成缺氧的情況，繼而威脅水生生物的生存[5-7]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氨氮分析方法層出不窮，主要有蒸餾-中和滴定法、分光光度法、離子色譜法、熒光分析法等[8-10]。蒸餾-中和滴定法屬于傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，這種手工常量分析方法逐漸被自動化程度較高的儀器分析所代替。離子色譜法分析速度快，樣品消耗少，但受離子強(qiáng)度的限制[11]，目前研究較多的是熒光分析法和分光光度法。熒光分析法檢測時，熒光與入射光呈90°，即在檢測熒光的發(fā)射時背景是黑暗的，而分光光度法檢測透過或吸收時有入射光的背景干擾，因此分子熒光分析法的靈敏度通常比分光光度法高出2～4個數(shù)量級。熒光分析法相較于其他分析方法具有設(shè)備簡單、分析靈敏度高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)勢，能對傳統(tǒng)方法不能檢測的痕量氨氮進(jìn)行測量，對于常量組分也可進(jìn)行簡單稀釋后定量測定。因此，本試驗采用分子熒光分析法測定水中氨氮含量，探討影響熒光測定的各個因素的最佳條件，旨在為水質(zhì)中氨氮高靈敏度監(jiān)測提供一定的依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?儀器與試劑

F-2700型熒光分光光度計（配1 cm石英測定池，日本日立集團(tuán)），優(yōu)級純氯化銨（NH4Cl，GR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），分析純亞硫酸鈉（Na2SO3，AR，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司），四硼酸鈉（Na2B4O7·10H2O， AR，天津凱通化學(xué)試劑有限公司），鄰苯二甲醛（C8H6O2，AR，天津市大茂化學(xué)試劑廠），測試水樣來自武漢東湖學(xué)院蓮藕池。

1.2 ?方法

1.2.1 溶液的配制 ? ?準(zhǔn)確稱取0.267 5 g經(jīng)100 ℃干燥過的優(yōu)級純氯化銨溶于水中，移入500 mL棕色容量瓶中，用水稀釋混勻至標(biāo)線，即為氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液（10 mmol/L）。準(zhǔn)確吸取1.0 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲備液轉(zhuǎn)移到100 mL棕色容量瓶中加水稀釋至刻度，即為氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液（0.10 mmol/L）。將0.126 g Na2SO3溶于水中并轉(zhuǎn)移定容至100 mL棕色容量瓶中，得到亞硫酸鈉溶液（10 mmol/L）。準(zhǔn)確稱取1.000 0 g四硼酸鈉溶于水，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中， 加水稀釋至刻度即可得四硼酸鈉溶液（10 g/L）。將0.335 g鄰苯二甲醛溶解在水中并轉(zhuǎn)移到100 mL棕色容量瓶中，并將體積調(diào)節(jié)至刻度可得OPA溶液（25 mmol/L），試驗用水均為無氨水。四硼酸鈉、亞硫酸鈉和OPA溶液以1∶1∶1混合成混合試劑備用。

1.2.2 熒光強(qiáng)度的測定 ? ?準(zhǔn)確移取一定量的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液或水樣于25 mL棕色容量瓶中，加入一定量的混合試劑，調(diào)節(jié)pH，用無氨水稀釋至刻度，在適當(dāng)溫度下靜置一定時間后，在最佳激發(fā)波長和最佳發(fā)射波長下用分子熒光光譜儀測試其熒光強(qiáng)度。

2 ?結(jié)果與分析

2.1最佳波長的選擇

設(shè)定激發(fā)光波長范圍為300～420 nm，發(fā)射光波長范圍為360～500 nm，掃描氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的激發(fā)光譜和發(fā)射光譜，掃描結(jié)果如圖1所示。由圖1a可知，最大激發(fā)波長為362 nm，由圖1b可知，最大發(fā)射波長是425 nm。

2.2 ?混合劑最佳配比

熒光光度法檢測出氨氮含量原理是在水樣中加入鄰苯二甲醛后，氨氮與鄰苯二甲醛在堿性條件下發(fā)生配位反應(yīng)，生成的異吲哚配位衍生物具有熒光特性，可以被分子熒光儀檢測到熒光信號。其主要反應(yīng)試劑鄰苯二甲醛（OPA）溶液作為顯色劑，四硼酸鈉溶液為緩沖劑提供堿性環(huán)境，亞硫酸鈉溶液為增穩(wěn)增敏劑。分別研究了這3種試劑的使用量對熒光值的影響，繪制熒光強(qiáng)度關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，四硼酸鈉加入量為1.0 mL時，pH為10，熒光強(qiáng)度達(dá)到最高并且趨于穩(wěn)定，加入1.0 mL OPA時，熒光強(qiáng)度達(dá)到最高，加入1.0 mL亞硫酸鈉溶液時， 熒光強(qiáng)度達(dá)到最高。結(jié)果表明， 總量為3 mL的混合試劑最佳成分比例為四硼酸鈉（10 g/L）、亞硫酸鈉（10 mmol/L）和OPA（25 mmol/L）分別1 mL，此時溶液pH為10。

2.3 ?熒光強(qiáng)度與反應(yīng)溫度、靜置時間的關(guān)系

取4個25 mL的容量瓶，分別加入2.0 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)使用液，用無氨水定容，調(diào)節(jié)pH至10，分別以反應(yīng)溫度、靜置時間為因變量，檢測其熒光強(qiáng)度，檢測結(jié)果如圖3、圖4所示。結(jié)果表明，在30 ℃下靜置30.0 min時，其熒光強(qiáng)度最大。

2.4 ?標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mL（2.00、 4.00、 6.00、8.00、10.00 μmol/L）氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液于容量瓶中，用無氨水定容至25.00 mL，加入3.0 mL混合試劑，混勻靜置30 min。在激發(fā)波長為362 nm和發(fā)射波長425 nm下檢測標(biāo)準(zhǔn)溶液的熒光值，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，衍生物濃度與熒光強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系，回歸方程為y=15.56x+71.16，相關(guān)系數(shù)為0.999 6。

2.5 ?加標(biāo)回收率測定

對稀釋5倍的水樣進(jìn)行測定，對每個平行水樣測定3次。同時，為檢驗準(zhǔn)確程度，對平行水樣進(jìn)行加標(biāo)回收試驗，加標(biāo)量為8 μmol/L，水樣測定和加標(biāo)回收率結(jié)果如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線方程，將水樣的熒光強(qiáng)度代入線性回歸方程，即可得待測水樣中氨氮的濃度，分別為6.67、6.90和7.06 μmol/L，計算出水樣中氨氮濃度分別為33.5、34.7、35.5μmol/L，平均濃度為為34.6 μmol/L。待測水樣加標(biāo)回收率為93.5%～98.3%，說明該分析方法準(zhǔn)確可靠，可用于水中氨氮含量的測定。

3 ?結(jié)論

通過對含氨氮溶液熒光光譜的分析，確立了氨氮的最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長分別為362和425 nm。在最大激發(fā)波長和最大發(fā)射波長條件下，對標(biāo)準(zhǔn)溶液及待測樣品進(jìn)行了分析，pH、OPA溶液用量、亞硫酸鈉溶液用量、靜置時間、反應(yīng)溫度對檢測結(jié)果都有一定影響。結(jié)果表明， 在30 ℃時pH10、3 mL混合試劑、靜置30 min條件下測定水中物質(zhì)的熒光強(qiáng)度力最佳條件，此條件下熒光物質(zhì)的濃度與熒光強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)0.999 6。

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