流動(dòng)注射在線分析法測(cè)定水源水中的總氮

賀舒文，褚瑩倩，崔晗，曹文軍

（大連海關(guān)技術(shù)中心，遼寧大連 116400）

水中總氮包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、溶解態(tài)氨、無(wú)機(jī)銨鹽及有機(jī)含氮化合物中的氮，水中總氮超標(biāo)，易造成浮游植物過(guò)度繁殖，水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]，嚴(yán)重時(shí)能夠引發(fā)赤潮[2-5]，因此總氮是評(píng)價(jià)水體污染[6]和自凈狀態(tài)的重要指標(biāo)之一[7-8]，總氮的監(jiān)測(cè)已成為水體保護(hù)的重要研究課題[9]。由于目前總氮檢測(cè)設(shè)備存在體積大、檢出限高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和廢液排放量大等缺陷[10-11]，對(duì)于低檢出限、自動(dòng)化程度高、廢液排量少和檢測(cè)效率高的總氮分析方法的開(kāi)發(fā)和優(yōu)化具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

總氮的分析方法主要有紫外可見(jiàn)分光光度法[9]、離子色譜法[12]、電極法[13]、氣相分子吸收光譜法[9]、流動(dòng)注射法[8]等。分光光度法操作步驟繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，重復(fù)性差，而且不能滿足批量樣品的快速測(cè)定；離子色譜法和電極法的儀器操作簡(jiǎn)單，且能夠進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，但樣品處理步驟較多，檢測(cè)靈敏度較低，檢測(cè)成本較高，檢測(cè)大批量樣品費(fèi)時(shí)費(fèi)力；氣相分子吸收光譜法需要用氮?dú)庾鳛檩d氣進(jìn)行檢測(cè)，而且試劑用量大[14]，相對(duì)增加了操作步驟和檢測(cè)成本。近年來(lái)流動(dòng)注射在線分析技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于水質(zhì)分析中，并得到推廣[15-19]。流動(dòng)注射在線分析法是一種自動(dòng)化程度高、分析速度快、準(zhǔn)確度和精密度高的分析技術(shù)[20]；該方法減少了人為操作帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差和環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的自動(dòng)化，提高了工作效率。

目前，系統(tǒng)的針對(duì)水源水中總氮檢測(cè)樣品處理中的水樣濁度干擾、實(shí)驗(yàn)用水、試劑純度選擇、試劑配制及存放、氣泡的干擾、干擾物的消除、顯色劑濃度優(yōu)化等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的研究較少，同時(shí)做到高回收率和精密度等結(jié)果的測(cè)定方法尚未見(jiàn)報(bào)道。筆者結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究成果，有針對(duì)性的對(duì)樣品處理的相關(guān)步驟進(jìn)行探索和優(yōu)化，建立了流動(dòng)注射在線分析法測(cè)定水源水中總氮的方法，測(cè)定結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求，該方法簡(jiǎn)便快速，自動(dòng)化程度高，試劑消耗少，精密度和準(zhǔn)確度高，并且能夠滿足大批量水源水樣品的分析需求。

1 方法原理

樣品中的總氮于90 ℃高溫下被過(guò)硫酸鹽和紫外燈（UV-254 紫外燈）在線消解為硝酸根，再通過(guò)鎘柱還原為亞硝酸根，亞硝酸根與磺胺產(chǎn)生重氮化反應(yīng)，生成重氮離子，重氮離子與萘乙二胺鹽酸鹽結(jié)合產(chǎn)生一種紫色物質(zhì)，在波長(zhǎng)540 nm 處測(cè)定，根據(jù)朗伯-比爾定律，經(jīng)儀器處理后得到樣品峰面積，由標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算目標(biāo)物中的總氮含量。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要儀器與試劑

流動(dòng)注射分析儀：QC8500 型，帶UV-254 紫外燈的樣品預(yù)處理模塊，美國(guó)哈希公司。

超聲波水浴清洗器：KQ-700DV 型，頻率范圍為0～100 kHz，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

pH計(jì)：測(cè)量范圍為0.00～14.00，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液：質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GSB04-2837-2011 (b)，北京有色金屬研究總院。

氯化銨、磺胺、鹽酸萘乙二胺、磷酸、氫氧化鈉、過(guò)硫酸鉀、四硼酸鈉、焦亞硫酸鈉、硫酸、乙二胺四乙酸二鈉：優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

水性濾膜：孔徑為0.45 μm，美國(guó)哈希公司。實(shí)驗(yàn)用水為GB/T 6682—2008 規(guī)定的一級(jí)水。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

總氮標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：用實(shí)驗(yàn)用水作溶劑，采用逐級(jí)稀釋的方式將總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成質(zhì)量濃度分別為0.000、0.050、0.200、1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L 的氮系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

2.3 儀器工作條件

檢測(cè)光程：10 mm；檢測(cè)波長(zhǎng)：540 nm；進(jìn)樣體積：68 μL；蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速：35 r/min；超聲除氣時(shí)間：30 min；超聲頻率：40 kHz。

2.4 檢測(cè)流程

流動(dòng)注射在線分析法測(cè)定水源中總氮流程圖如圖1所示。

2.5 樣品處理

樣品檢測(cè)前需用0.45 μm的水性濾膜過(guò)濾。如需將水樣保存24 h以上，則必須添加固定劑硫酸調(diào)節(jié)pH為1～2后冷藏保存于硬質(zhì)玻璃瓶中，并在7日內(nèi)完成檢測(cè)[21]，或者保存在聚乙烯瓶中，于-20 ℃冷凍，可保存1個(gè)月[22]。

添加固定劑保存的樣品在檢測(cè)前應(yīng)該調(diào)節(jié)pH，即取100 g/L 氫氧化鈉溶液約0.55 mL 于100 mL 水樣中，使樣品pH保持在7左右。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

由自動(dòng)進(jìn)樣器依次從低濃度到高濃度取樣，測(cè)定總氮系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，以總氮質(zhì)量濃度（mg/L）為自變量、峰面積為因變量進(jìn)行線性回歸，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。

2.7 水樣測(cè)定

按照與制作校準(zhǔn)曲線相同的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行水樣測(cè)定，同時(shí)做空白試驗(yàn)，以標(biāo)準(zhǔn)工作曲線外標(biāo)法進(jìn)行定量。

2.8 分析結(jié)果的表述

2.8.1 結(jié)果計(jì)算

水源水中總氮的含量 (以氮的質(zhì)量濃度ρ計(jì)，mg/L)按照式(1)計(jì)算：

式中：y——信號(hào)值（峰面積）；

a——線性方程的截距；

b——線性方程的斜率；

f——樣品溶液稀釋倍數(shù)。

2.8.2 結(jié)果表示

當(dāng)總氮的測(cè)定值小于1.00 mg/L時(shí)，測(cè)定值保留到小數(shù)點(diǎn)后第3位；當(dāng)測(cè)定值大于或等于1.00 mg/L時(shí)，測(cè)定值保留到小數(shù)點(diǎn)后第2位。

3 結(jié)果與討論

3.1 水樣濁度的干擾

相關(guān)研究表明，水樣的濁度去除效率由高到低依次為離心、0.45 μm濾膜、定量濾紙[23]，而且三種處理方式都能保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在實(shí)際檢測(cè)工作中，為了簡(jiǎn)化操作步驟和節(jié)約成本，選用0.45 μm的水性濾膜來(lái)去除水源水中濁度的干擾，該方法操作步驟簡(jiǎn)單、所需時(shí)間較少、干擾較小，而且適用于大批量水源水樣品的分析。

3.2 實(shí)驗(yàn)用水的選擇

水中總氮檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法《水質(zhì) 總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）中規(guī)定實(shí)驗(yàn)用水須為無(wú)氨水或新制備的去離子水，考慮到實(shí)際工作的可操作性，以及無(wú)氨水在制備過(guò)程中容易被蒸餾裝置污染，且效率較低，在實(shí)際檢測(cè)中使用較少，所以選用去離子水作為實(shí)驗(yàn)用水，去離子水的純度比較高，且隨用隨制，不易受到氨的污染，能夠在保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)兼顧工作效率。

3.3 試劑純度選擇

在水源水中總氮的檢測(cè)中，試劑的純度會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，其中過(guò)硫酸鉀試劑的純度是直接影響總氮測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。由于分析純?cè)噭┑目瞻字得黠@高于優(yōu)級(jí)純?cè)噭┑目瞻字礫24]，所以在進(jìn)行水源水中總氮的檢測(cè)時(shí)應(yīng)選用優(yōu)級(jí)純?cè)噭?，而且?yīng)該對(duì)新采購(gòu)的試劑進(jìn)行空白試驗(yàn)。

3.4 試劑器皿的洗滌

水源水中總氮檢測(cè)用的容量瓶、燒杯等玻璃器皿的潔凈程度對(duì)檢測(cè)結(jié)果具有一定的影響，如果僅用水沖洗玻璃器皿的話，其空白值會(huì)相對(duì)較高，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)于空白值的要求，而采用鹽酸溶液(體積比為1∶9)浸泡24 h后用自來(lái)水沖洗，然后用去離子水沖洗干凈后立即使用，其空白值符合標(biāo)準(zhǔn)要求[25]。

3.5 試劑配制及存放

在配制試劑時(shí)，載液、緩沖溶液和顯色劑等溶液按照常規(guī)步驟配制即可，而過(guò)硫酸鉀和硼酸鹽溶液的配制則需要注意溫度的控制，因?yàn)樵诔叵逻^(guò)硫酸鉀的溶解度比較低，溶解非常慢，所以在配制過(guò)程中可以將其置于水浴中加熱溶解，溫度一定要控制在60 ℃以內(nèi)[26]，因?yàn)檫^(guò)硫酸鉀容易在60 ℃以上發(fā)生氧化分解反應(yīng)，導(dǎo)致其氧化能力慢慢降低，從而影響檢測(cè)結(jié)果。

對(duì)于試劑存放的條件和時(shí)間，《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)-鹽酸萘乙二胺 分光光度法》（HJ 667—2013）中給出了相關(guān)的參考信息，但是考慮到本方法使用的載液是去離子水，應(yīng)該現(xiàn)用現(xiàn)取，而緩沖溶液在使用前需要檢查其pH值，顯色劑需要通過(guò)觀察其顏色變化來(lái)確定是否可用，因此，為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，建議顯色劑、緩沖溶液應(yīng)該現(xiàn)用現(xiàn)配。另外，相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)于過(guò)硫酸鉀溶液的存放時(shí)間有不同的觀點(diǎn)[22，27]，針對(duì)過(guò)硫酸鉀和硼酸鹽溶液的存放時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)，當(dāng)過(guò)硫酸鉀和硼酸鹽溶液存放于25 ℃、樣品中總氮的含量為0.10 mg/L 時(shí)，考察不同存放時(shí)間對(duì)總氮測(cè)定值的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 過(guò)硫酸鉀和硼酸鹽溶液不同存放時(shí)間下總氮測(cè)定結(jié)果

從表1 測(cè)定結(jié)果來(lái)看，總氮測(cè)定值隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸變小，且測(cè)定結(jié)果在第1天到第7天時(shí)波動(dòng)較小，從第8 天開(kāi)始波動(dòng)較大，因此，為了保證檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，過(guò)硫酸鉀和硼酸鹽溶液的存放時(shí)間應(yīng)該控制在7天之內(nèi)。

3.6 氣泡的干擾

試劑配制過(guò)程中通常會(huì)有氣泡存在，這會(huì)導(dǎo)致分析譜圖基線不平穩(wěn)，并出現(xiàn)雜峰，所以配制好的試劑溶液在使用前要進(jìn)行脫氣處理，以免造成信號(hào)波動(dòng)，影響檢測(cè)結(jié)果。試驗(yàn)對(duì)比了氦氣脫氣、超聲波脫氣和超聲波結(jié)合氦氣脫氣三種脫氣方法，以開(kāi)機(jī)預(yù)熱30 min后監(jiān)測(cè)儀器基線狀態(tài)30 min，同時(shí)進(jìn)行10次純水空白檢測(cè)結(jié)果為判定依據(jù)，研究不同脫氣方法的效果。結(jié)果表明：氦氣脫氣在 35 min后效果良好，基線平穩(wěn)無(wú)氣泡峰；超聲波脫氣在30 min 后效果良好，基線平穩(wěn)無(wú)氣泡峰；超聲波結(jié)合氦氣脫氣在20 min 后效果良好，基線平穩(wěn)無(wú)氣泡峰?？紤]到檢測(cè)時(shí)間、成本等因素，選擇超聲波脫氣30 min 為試劑溶液脫氣方法。

3.7 干擾物的消除

水樣中含有氯化銀和硫代硫酸鹽時(shí)會(huì)降低鎘柱的功能，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低，因此可以通過(guò)對(duì)質(zhì)控樣品的檢測(cè)來(lái)檢驗(yàn)鎘柱的有效性。

當(dāng)水源水中3價(jià)鐵離子、6價(jià)鉻離子和氯離子的質(zhì)量濃度分別大于180、50、5 000 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)干擾；水源水中含有高濃度的有機(jī)物或其它還原性物質(zhì)時(shí)，會(huì)與過(guò)硫酸鉀發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致總氮的測(cè)定結(jié)果偏低；此時(shí)，可以通過(guò)稀釋水樣來(lái)減少以上干擾，同時(shí)做加標(biāo)回收來(lái)確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[22]。

3.8 顯色劑濃度的優(yōu)化

當(dāng)樣品中總氮含量為0.10 mg/L，考察不同濃度顯色劑磺胺和鹽酸萘乙二胺對(duì)總氮測(cè)定值的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，當(dāng)磺胺和鹽酸萘乙二胺溶液的質(zhì)量濃度分別為35、1 g/L 時(shí)，總氮測(cè)定值最大，因此選用此濃度組合進(jìn)行檢測(cè)。

表2 不同濃度磺胺和鹽酸萘乙二胺溶液時(shí)水源水中總氮測(cè)定值

3.9 鎘柱活化

正常情況下鎘柱的顏色為深灰色或暗黑色，鎘柱的還原能力下降時(shí)，其顏色往往都會(huì)變白、變淺。鎘柱顏色變淺主要是因?yàn)榉磻?yīng)管路中存在著氧化性的物質(zhì)，這些氧化性物質(zhì)隨流路進(jìn)入鎘柱中會(huì)緩慢氧化鎘粒表層，進(jìn)而阻擋硝酸鹽與鎘粒有效接觸，阻斷還原反應(yīng)。這些氧化性物質(zhì)來(lái)自于水樣和試劑中，或者鎘柱兩端密封性不好導(dǎo)致空氣進(jìn)入或在管路排氣泡過(guò)程中氣泡沒(méi)排凈。此外，鎘柱中的還原反應(yīng)環(huán)境為弱堿性，在堿性溶液中，硝酸鹽還原產(chǎn)生的Cd2+與OH-反應(yīng)生成的Cd（OH）2沉淀也會(huì)阻斷還原反應(yīng)的進(jìn)行，所以鎘柱需要定期活化，以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

鎘柱活化：首先用玻璃棒將鎘粒與足量的4 mol/L的鹽酸溶液攪拌混合，充分?jǐn)嚢? min（清除鎘粒表面氧化層）后用去離子水將鹽酸溶液沖洗干凈，直至清洗鎘粒的去離子水的pH 呈中性。然后在鎘粒中加入足量的2%的硫酸銅溶液，用玻璃棒充分?jǐn)嚢瑁ㄏ蜴k粒表面鍍銅促進(jìn)還原反應(yīng)）至鎘柱的顏色變?yōu)樯罨疑虬岛谏?，再用去離子水沖去鎘粒之間的紅色絮狀被還原的銅，最后用濾紙干燥鎘粒。鎘粒具有毒性，操作時(shí)應(yīng)避免與眼睛和皮膚等部位接觸。

鎘柱的填充：將鎘粒裝入干燥的鎘柱內(nèi)，填充鎘柱時(shí)應(yīng)不停振搖鎘柱兩端以使鎘粒間緊密接觸，鎘粒填充好后封好鎘柱兩端，再用注射器將氯化銨緩沖溶液注入鎘柱，同時(shí)保證鎘柱內(nèi)不得有氣泡，最后將鎘柱裝入分析模塊，備用。

3.10 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境

在進(jìn)行水源水中總氮的檢測(cè)時(shí)，由于檢測(cè)對(duì)象是總氮，所以在試驗(yàn)期間，相同區(qū)域內(nèi)應(yīng)該禁止開(kāi)展涉及氨水、硝酸和其它氨鹽類(lèi)的檢測(cè)項(xiàng)目，否則會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果偏高。

3.11 線性關(guān)系、檢出限和定量限

按照2.6 方法測(cè)定0.040～10.0 mg/L 系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液線性方程為y=0.380x2+245x-237，相關(guān)系數(shù)為0.999 9。

根據(jù)GB/T 32465—2015《化學(xué)分析方法驗(yàn)證確認(rèn)和內(nèi)部質(zhì)量控制要求》中關(guān)于分析方法檢出限的要求進(jìn)行驗(yàn)證[28]。按照分析步驟，對(duì)檢出限的2～5倍樣品進(jìn)行重復(fù)測(cè)定7次以上，對(duì)n次平行測(cè)定結(jié)果計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差S，按照LD=t(n-1，0.99)×S計(jì)算方法檢出限[29]，以t(7，0.99)=2.998，計(jì)算8 次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)HJ 168—2010《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》的要求以4 倍檢出限作為方法的定量限，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 水源水中總氮測(cè)定方法檢出限數(shù)據(jù)mg/L

3.12 方法精密度與準(zhǔn)確度

本方法采用水源水樣品進(jìn)行檢測(cè)，并以1 倍定量限、10 倍定量限、與實(shí)際樣品同水平濃度及其10倍濃度進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，按全程序每個(gè)樣品平行測(cè)定6 次，分別計(jì)算平均值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和回收率, 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 數(shù)據(jù)可知，本方法加標(biāo)回收率為92.5%～105%，測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22%～1.10%（n=6），測(cè)量精密度和準(zhǔn)確度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[22,30]。

表4 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

建立流動(dòng)注射在線分析法測(cè)定水源水中總氮的含量。該方法靈敏度和準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，重現(xiàn)性好，操作簡(jiǎn)便，試劑消耗少，自動(dòng)化程度高，分析周期短，極大地節(jié)約了檢測(cè)時(shí)間、節(jié)省了人力物力，能夠滿足水源水監(jiān)測(cè)需求，對(duì)提高水源水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警工作具有重要意義。