改進(jìn)式水楊酸法的氨氮測試試紙浸漬研究

包新星 李浩東

（福州大學(xué)至誠學(xué)院 福建福州 350002）

氨氮普遍存在于各類地表水、地下水以及各種廢水中，它是指水中以NH3和NH4+形式存在的氮，氨氮是水質(zhì)監(jiān)測的基本指標(biāo)項(xiàng)目之一。氨氮的含量過高，會使水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化，從而對水生生物的生命活動造成影響。更為嚴(yán)重的是，氨氮會在水質(zhì)變化產(chǎn)生的生化過程中轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，對人體健康產(chǎn)生危害。目前，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氨氮測定方法有分光光度法、流動注射法、電化學(xué)法、儀器法等［1］，其中分光光度法是監(jiān)測站及各類實(shí)驗(yàn)室常用的經(jīng)典分析方法。分光光度法根據(jù)其選用的顯色劑等不同，又可分為水楊酸分光光度法、納氏試劑分光光度法、靛酚藍(lán)分光光度法和次溴酸鹽法等［2-3］。納氏試劑法測定上限高，時間短，顯色穩(wěn)定，是最常用的氨氮測定方法，然而納氏試劑中含有高濃度的汞，對環(huán)境危害嚴(yán)重，對實(shí)驗(yàn)室造成污染［4］；而水楊酸分光光度法具有準(zhǔn)確且無污染的特點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用到氨氮檢測中。因此，水楊酸分光光度法在快速檢測產(chǎn)品研究的應(yīng)用上得到了更多的關(guān)注［1］。

《水質(zhì) 氨氮的測定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）中氨氮檢測的缺點(diǎn)表現(xiàn)為試劑不穩(wěn)定、顯色時間長、測定上限低。在對行標(biāo)方法改進(jìn)過程中，鄧金花等［5］用二氯異氰尿酸鈉代替了不穩(wěn)定的次氯酸鈉，使有效儲備時間延長，緩釋時間久，性質(zhì)更穩(wěn)定；馬芮等［6］使用水楊酸鈉代替難溶解且放置易析出的水楊酸，并改變量程，提高了方法的測定上限；張衛(wèi)等［7］在布朗盧比氨氮在線分析儀試劑配方基礎(chǔ)上，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，大大縮短顯色時間。

鑒于實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測分析方法的繁瑣性，不能滿足現(xiàn)場快速簡便測定的需求，特別是當(dāng)突發(fā)事故和非固定排放等污染事故發(fā)生時，更需要快速的現(xiàn)場監(jiān)測條件。因此，安全且準(zhǔn)確度高的快速測試盒、監(jiān)測試紙等，由于具備易于攜帶、分析時間短、無需專業(yè)人士操作等優(yōu)點(diǎn)，受到市場歡迎。

市面上廣泛使用的快速測定產(chǎn)品多建立在納氏試劑分光光度法基礎(chǔ)上［8］，使用劇毒物質(zhì)碘化汞/氯化汞，容易對環(huán)境造成二次污染，對監(jiān)測人員造成健康傷害。在水楊酸法應(yīng)用到快速檢測的研究過程中，吳丹等［9］用水楊酸、亞硝基鐵氰化鈉、二氯異氰尿酸鈉、硼砂、碳酸鈉等研發(fā)出固體粉末試劑包，使實(shí)驗(yàn)操作更加簡便，藥品有效期更長，同時縮短了顯色反應(yīng)的時間，大大提高了氨氮分析效率；李紅巖等［10］基于基礎(chǔ)的水楊酸法研制了氨氮檢測試紙，將測定上限從1 mg/L 提高到2 mg/L，顯色時間從1 h 縮短到5 min，可方便應(yīng)用于各類應(yīng)急快速檢測和日常生活用水的檢測中，前景較為廣闊。目前基于改進(jìn)的水楊酸法進(jìn)行研制氨氮試紙的相關(guān)報道還較少。

本研究選用水楊酸鈉配制顯色劑，研究試劑優(yōu)化配比，以達(dá)到延長保質(zhì)期限，增加顯色穩(wěn)定性、縮短顯色時間和提高測定上限的目的，并以此優(yōu)化配比進(jìn)行氨氮快速試紙的浸漬研究。研究內(nèi)容包含2 個部分：①對行標(biāo)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行試劑配比改進(jìn)研究；②試紙浸漬液配比研究。

1 行標(biāo)實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)

1.1 氨氮校準(zhǔn)曲線繪制

1.1.1 氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

本實(shí)驗(yàn)按照以下方法配制氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液（實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純，試劑配制所用純水均應(yīng)為無氨水）：110 ℃下烘干NH4Cl 晶體2 h，冷卻后稱取3.8 g 并溶于無氨水中，定容至1 000 mL，該法配制的氨氮濃度為1 000 mg/L（貯備液），使用時將貯備液稀釋為1 μg/mL（使用液）。

1.1.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在10 mL 具塞比色管中，分別吸取0.00、1.00、2.00、4.00、6.00、8.00 mL 使用液并加無氨水稀釋至約8 mL。加入1.0 mL水楊酸顯色液和0.20 mL 亞硝基鐵氰化鈉溶液，混勻。后移入0.10 mL 次氯酸鈉溶液，稀釋至10 mL 標(biāo)線，充分搖勻并靜置30 min，以無氨水為參比在波長為697 nm 處測定其吸光度。

1.2 水樣測定

取經(jīng)絮凝預(yù)處理的稀釋水樣（氨氮含量低于8 μg）于10 mL比色管中，調(diào)整水樣pH 值為中性，加無氨水稀釋至8 mL，與校準(zhǔn)曲線相同操作，進(jìn)行顯色、靜置和吸光度測量。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1 亞硝基鐵氰化鈉溶液用量對顯色的影響

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法，固定次氯酸鈉含量為0.10 mL，將不同量的亞硝基鐵氰化鈉溶液加入至含4.00、8.00 μg 氨氮的使用液中，測定其吸光度，結(jié)果見圖1。

圖1 亞硝基鐵氰化鈉溶液用量對吸光度的影響

由圖1 可看出，實(shí)驗(yàn)使用亞硝基鐵氰化鈉溶液的用量從0.10 mL 增加到0.30 mL，曲線中部的吸光度值有明顯的增加。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)亞硝基鐵氰化鈉溶液的用量低于0.15 mL 時，溶液顯黃綠色；而當(dāng)用量高于0.20 mL 時，溶液吸光度值無明顯變化，溶液顯色由藍(lán)色變?yōu)榫G色，與變色現(xiàn)象不符。按《水和廢水監(jiān)測分析方法》 中規(guī)定，亞硝基鐵氰化鈉溶液的用量在0.15～0.20 mL 符合要求，因此本實(shí)驗(yàn)選定0.20 mL 亞硝基鐵氰化鈉為其最佳用量。

1.3.2 次氯酸鈉溶液用量對顯色的影響

固定亞硝基鐵氰化鈉的含量（此時亞硝基鐵氰化鈉溶液量為0.20 mL），將不同量的次氯酸鈉溶液加入含4.00、8.00 μg氨氮使用液中，測定其吸光度，結(jié)果見圖2。

圖2 次氯酸鈉溶液用量對吸光度的影響

由圖2 可看出，實(shí)驗(yàn)使用次氯酸鈉溶液用量從0.05 mL 增加到0.20 mL，曲線中部吸光度值有明顯增加。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)次氯酸鈉溶液用量高于0.10 mL 時，溶液吸光度值無明顯變化，且溶液顯色由藍(lán)色變?yōu)榫G色。按《水和廢水監(jiān)測分析方法》中規(guī)定，次氯酸鈉溶液的加入量在0.05～0.10 mL 符合要求，故本實(shí)驗(yàn)選定0.10 mL 次氯酸鈉為其最佳用量。

1.3.3 溶液pH 值對顯色影響

以上述數(shù)據(jù)結(jié)果為基準(zhǔn)，使用0.20 mL 亞硝基鐵氰化鈉溶液和0.10 mL 次氯酸鈉溶液進(jìn)行pH 篩選實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在加入上述試劑后，溶液的pH 值在11.45～11.70 之間，溶液顯色為藍(lán)色并且穩(wěn)定。

綜上所述，在使用改良式水楊酸—次氯酸鹽分光光度法測定水中的氨氮含量時，①在溶液中加入0.20 mL 亞硝基鐵氰化鈉溶液和0.10 mL 次氯酸鈉溶液可得到明顯的顯色效果，顏色根據(jù)氨氮濃度呈現(xiàn)分明的變化現(xiàn)象；②多次實(shí)驗(yàn)表明，顯色時間30 min 即可穩(wěn)定，比行標(biāo)法1 h 縮短了30 min；③測定上限從1 mg/L 提升至2 mg/L，適用廢水氨氮濃度范圍更廣。

2 試紙浸漬

2.1 試紙制備的材料與試劑

（1）試劑：次氯酸鈉、水楊酸鈉、氫氧化鈉，亞硝基鐵氰化鈉、酒石酸鉀鈉、氯化銨。材料：定量中速濾紙。

（2）氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取于110 ℃下烘干2 h 的NH4Cl 3.8 g，用無氨水溶解并定容至1 000 mL，此NH4Cl 溶液濃度為1 000 mg/L，將該NH4Cl 溶液分別稀釋為濃度2、5、10、20、50 mg/L 的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液［6］。

（3）顯色劑溶液：稱取50 g 酒石酸鉀鈉、140 g 水楊酸鈉，用無氨水溶解并定容至1 000 mL，得到顯色劑溶液Ⅰ［4］（水楊酸鈉的濃度為140 g/L、酒石酸鉀鈉的濃度為50 g/L）。用相同方法配制一系列顯色劑溶液，如表1 所示。

表1 顯色劑溶液一覽表 單位：g/L

（4）亞硝基鐵氰化鈉溶液：稱取亞硝基鐵氰化鈉0.1 g，溶解并定容至10 mL，此亞硝基鐵氰化鈉溶液為10 g/L。

（5）試紙浸漬液：取試劑顯色劑溶液和亞硝基鐵氰化鈉溶液按照不同比例配制浸漬液，分別按36∶1、24∶1、12∶1、6∶1 的體積比進(jìn)行混合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 試紙浸漬液一覽表

（6）激活劑：用無氨水和氫氧化鈉溶液（2 mol/L）將次氯酸鈉溶液稀釋為含有效氯濃度為3.5 g/L，游離堿濃度為0.75 mol/L（以NaOH 計(jì)）的次氯酸鈉使用液。

2.2 試紙浸漬方法

（1）將不同編號的浸漬液盛放于大燒杯中并置于恒溫振蕩器內(nèi)，將適量定量中速濾紙全部沒入浸漬液中，振蕩90 min。

（2）振蕩結(jié)束后，取出濾紙，于室溫懸掛晾干。

（3）將晾干的試紙裁剪為10 mm×5 mm 規(guī)格的測試試紙，放于避光盒中，低溫保存。

3 試紙比選實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

配制一系列不同氨氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品，取2 mL 樣品于10 mL比色管中，加入激活劑并搖勻，放入1 片試紙，待顯色5 min后將試紙所示顏色進(jìn)行對比。從而確定浸漬液中不同成分及其含量對顯色效果的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 水楊酸鈉的濃度影響

取表2 浸漬液混合效果中的批次2 進(jìn)行試紙浸漬實(shí)驗(yàn)得到的試紙，經(jīng)與不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液反應(yīng)進(jìn)行觀察得到水楊酸鈉的最佳濃度，結(jié)果如表3 所示。

表3 水楊酸鈉濃度對顯色效果的影響

由表3 的顯色結(jié)果可知：①當(dāng)水楊酸鈉濃度為280 g/L，顯色時間為5 min 時，溶液的顏色變化根據(jù)溶液濃度呈現(xiàn)出從淺到深的色階，即呈現(xiàn)“無色——淡黃——淺黃——黃色——綠色——藍(lán)色”變化，可以明顯區(qū)別出濃度為“0、2、5、10、20、50 mg/L”的氨氮樣品，2 mg/L 氨氮濃度即可分辨，檢出限較低；②當(dāng)水楊酸鈉濃度為140 g/L 以及210 g/L 時，5 mg/L 氨氮濃度以上顯色可區(qū)分，檢出限較高；③當(dāng)水楊酸鈉濃度為350 g/L 時，雖然有顏色區(qū)別，但均為藍(lán)色，區(qū)分效果比較差。

綜上可得，顯色劑溶液中水楊酸鈉的最適濃度為280 g/L。

3.2.2 亞硝基鐵氰化鈉的濃度影響

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選?、筇栵@色劑溶液，將其與濃度為10 g/L 的亞硝基鐵氰化鈉溶液按浸漬批次（表2）的混合比例制得的氨氮檢測試紙，再與不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行顯色觀察，結(jié)果如表4 所示。

表4 亞硝基鐵氰化鈉濃度對顯色效果的影響

由表4 的顯色結(jié)果可以得出：①顯色劑溶液和亞硝基鐵氰化鈉溶液的體積比為24∶1 時，試紙顯色效果最佳，檢出限為2 mg/L；②配比為36∶1 的試紙，雖有顏色變化，但顯色均為黃色，不容易分辨；③配比為12∶1 及6∶1 的試紙，顏色均為藍(lán)色，且區(qū)分不夠明顯。

綜上可得，顯色劑和亞硝基鐵氰化鈉溶液的體積比以24∶1為宜。

3.2.3 激活劑用量的影響

選擇上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的最佳試紙進(jìn)行激活劑的使用量實(shí)驗(yàn)。量取2 mL 不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別加入不同量的激活劑，試紙反應(yīng)5 min 后觀察顯色，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 次氯酸鈉用量對顯色效果的影響

由表5 結(jié)果可得：①加入激活劑8 滴時，不同氨氮濃度的試劑顏色呈現(xiàn)色階變化，且檢出限為2 mg/L；②加入激活劑4 滴時，顯色均為藍(lán)色，雖有變化，主觀難以確定；③激活劑加入量為6 滴或10 滴時，呈現(xiàn)不同的顏色變化，但5 號與6 號樣品的藍(lán)色難辨別。

綜上可得，激活劑加入量為8 滴時效果最佳。

3 結(jié)論

基于水質(zhì)中氨氮測定的行標(biāo)方法（《水質(zhì) 氨氮的測定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009））進(jìn)行試劑配比改進(jìn)，并按照改進(jìn)配比研制了氨氮檢測試紙。

（1）改進(jìn)后的試紙浸漬液包括水楊酸鈉、酒石酸鉀鈉和亞硝基鐵氰化鈉，三者最佳濃度為280、48、0.5 g/L；在使用試紙測定時需加入激活劑（有效氯濃度3.5 g/L），每2 mL 水樣用量8 滴。比行標(biāo)法浸漬的試紙顏色更分明，顯色顏色類別（深淺）與溶液中的氨氮濃度成正比，顏色呈現(xiàn)出從無色——淡黃——淺黃——黃色——綠色——藍(lán)色的變化。

（2）試紙顯色時間為5 min。與行標(biāo)分光光度法顯色時間1 h 相比，大大縮短了顯色時間。

（3）可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液的顏色變化進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，擬定比色卡顏色標(biāo)準(zhǔn)。