流動注射分析儀測定污水中總氮的方法

張 艷

（深圳市深水光明水務有限公司，廣東 深圳 518106）

隨著工業(yè)化和城市化的發(fā)展，城市污水排放問題日益突出，加重了水環(huán)境污染程度?？偟侵杆畼又兴行螒B(tài)的氮元素的總和，包括無機氮和有機氮。水體中總氮含量能在一定程度上反映水體富營養(yǎng)化和有機污染的問題，也是評估水體污染程度的重要指標之一[1]。傳統(tǒng)的總氮分析方法是很成熟的分析方法，例如高溫消解 - 紅外法以及Kjeldahl 法等，由于其分析過程費時費力且操作煩瑣，因此無法滿足日常檢測工作需求。流動注射分析（FIA）作為一種快速、高效、準確的分析方法，逐漸被應用于水環(huán)境監(jiān)測領域，尤其是污水中總氮的測定，不僅保證檢測的精密度和準確度高，還提高了工作效率，為環(huán)境保護和水質監(jiān)測提供技術支持。該文以總氮分析具體工作實踐為研究背景，對流動注射分析儀測定污水中總氮的方法進行分析。

1 方法原理

1.1 流動注射分析儀工作原理

流動注射分析主要是由進樣器、消解器空氣泵、冷凝機以及檢測器組成的。其工作原理是使用蠕動泵抽取待測樣品，通過進樣針進入進樣器（總氮測定時，通常采用2 號進樣針），在密閉的管路中樣品按特定的順序和比例進行混合，經過消解器空氣泵發(fā)生蒸餾、消解、萃取等反應，顯色完成后檢測液體中的吸光度，從而得到分析結果[2]。其核心原理是在連續(xù)流動的控制條件下，將樣品和試劑按一定比例混合，并通過檢測器對所生成的反應產物進行測量。

1.2 化學反應原理

將樣品與過硫酸鉀溶液混合加熱，當加熱至60℃以上時，過硫酸鉀被分解成氫離子和氧，加入氫氧化鈉來中和混合液中的氫離子，完全分解混合液中的過硫酸鉀。在高溫堿性介質條件下，以過硫酸鉀作為氧化劑，使其與樣品中的總氮和亞硝酸鹽發(fā)生氧化反應，生成產物，將樣品中的大部分有機氮化合物氧化成硝酸鹽（NO3-）。然后通過在線紫外消解器，在540nm 處測定其吸光度，從而確定樣品中總氮的含量。

1.3 儀器流程

標準溶液和樣品通過采樣器被蠕動泵吸出，流過整個系統(tǒng)，最終排出廢液。同時蠕動泵連續(xù)不斷地輸送各分析方法所需的試劑，并吸入空氣，將流體分割成片段。其工作流程如圖1 所示。

圖1 流動注射分析儀工作流程

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

在污水的總氮測定過程中，試驗中使用的水均為去離子水，具體步驟如下：1）過硫酸鉀溶液。將25g 過硫酸鉀和10g硼酸溶解在約800mL 的去離子水中。然后加入4mL5N 氫氧化鈉，用去離子水稀釋至1000mL。如果需要，將pH 值調節(jié)至8.0。在陰涼處穩(wěn)定1 個月。2）硫酸。慢慢加入12mL 硫酸到約150mL 去離子水中混合。冷卻至室溫，稀釋至200mL，穩(wěn)定1年。3）總氮標準使用液（100mg/L）。從總氮標準溶液500mg/L（BW20008-500W-50）中吸取10mL，加入適量的去離子水稀釋至50mL。4）50% TritonX-100。加入50mL 的 TritonX-100到50mL 的異丙醇。充分混合，直到溶液均勻。每6 個月準備新鮮。5）咪唑。將30g 咪唑溶于約800mL 去離子水中。然后加入4.0mL 的硫酸和充滿高達1000mL 的去離子水。加入1mL 50%Triton X-100 混合均勻。每個月都準備新鮮的。6）顯示劑。將5.0g 磺胺和0.25gN-1-萘基乙二胺二鹽酸鹽溶解在約400mL 去離子水中，加入50mL 鹽酸并混合均勻。用離子水稀釋至500mL。穩(wěn)定3 個月。

2.2 儀器與設備

該方法主要用到以下儀器與設備：1）主體設備。連續(xù)流動分析儀包括樣品分析單元、自動進樣器、多通道蠕動泵、泵管、混合反應圈、紫外消解裝置、比色檢測器、數(shù)據處理系統(tǒng)以及打印機等。2）特殊設備。微波爐、PVC 泵管、紫外可見光分光光度計、660nm 濾光片、pH 計、精度為0.0001g 的天平等。3）其他設備。其他實驗室常用儀器和設備。

2.3 試驗方法

按照操作說明在儀器上設置樣品數(shù)、進樣速率及時間、清洗時間等。

2.3.2 參數(shù)設置

流動注射分析儀的參數(shù)設置見表1。

表1 流動注射分析儀參數(shù)設置

2.4 操作步驟

2.4.1 開機

正確打開所有儀器的開關（消解器需等到水進入側面的三通管時才開），卡好蠕動泵上的泵管，泵管不能錯位，必須上下對應，連接2 號進樣針的進樣管，打開電腦，打開操作軟件，確保連機正常。

2.4.2 走純水

卡好泵管后，將總氮所需用到的試劑管插進裝有去離子水的瓶子里，檢查流路是否通暢，打開System，點擊圖表選擇總氮對話框，選定后，進樣器的進樣針開始運作，待窗口內開始出現(xiàn)橫線時關掉除總氮外的窗口。調快泵速，25min 就能打開消解器開始走藥劑。同時將試驗所需藥劑進行解凍。

在試驗蛋白水平下，大刺鰍幼魚胃蛋白酶活性范圍為10.56～14.49 U/mg prot.。隨著飼料蛋白水平增加呈現(xiàn)先上升后平穩(wěn)的趨勢，胃蛋白酶活性在P6組達到最大值，其中P6、P7處理組胃蛋白酶活性顯著高于P1～P4處理組（P＜0.05），與P5處理組差異不顯著（P＞0.05）。

2.4.3 走試劑

開啟消解器后，換上各試劑對應專用瓶蓋，將所需試劑管插入對應試劑內，走大約40 min。待基線穩(wěn)定后，在窗口內點擊右鍵選擇建立基線。

2.4.4 取樣

有明顯渾濁的水樣必須用針管過濾處理后才能用于檢測，總氮的樣品管在樣品架里的擺放為豎排偶數(shù)位。做曲線時，曲線管放前7 個位，7 號位固定為最高濃度點，最多可做59 個樣品，如果超過，就從1 號位開始依次替換，7 號位除外。需要注意，在取樣過程中，必須專管專用，不可以混用，以免影響檢測結果。

2.4.5 設立運行程序

關閉System，進入儀器分析界面，選擇總氮方法，編輯方法樣品表，啟動分析。

2.4.6 清洗

分析完成后，關掉消解器，將試劑管拔出，用紙巾擦凈后放入純水中，重新打開圖表用以調快泵速走純水，走20min左右后，將試劑管拿出純水瓶清洗流路70min～80min，排空管路。排空完畢后，將分析儀跟空氣泵關掉，打開黑色壓蓋，將泵管從泵上松開，關閉電源。

2.4.7 找回曲線

測量完畢后，點擊曲線按鈕，選擇當天的程序，即可看到結果表格、標準曲線和譜圖。

3 結果與分析

3.1 樣品采集與預處理

從污水處理系統(tǒng)中采集樣品，為避免采集的污水樣品受到其他因素影響，試驗中所用聚乙烯瓶需用洗滌劑洗凈，依次采用自來水、去離子水將其沖洗干凈，然后再用采集的污水樣品清洗3～4 次，確保樣品具有代表性，蓋嚴瓶塞，以保證檢測結果的準確性。根據樣品的特性，對污水樣品進行預處理，去除樣品中的懸浮物、顆粒物和有機物等干擾物。常用的預處理方法包括過濾、沉淀以及稀釋等，這樣可以保證樣品進入流動注射分析儀時的穩(wěn)定性和準確性。采集的污水樣品需要盡快進行分析。如果沒有及時進行分析，可在樣品中加入濃硫酸，使樣品pH 值小于2，并冷藏于5℃以下的環(huán)境中。但是酸化的樣品在分析前應將pH 調節(jié)至中性，才可以使用。

3.2 繪制標準曲線

從上述準備的試驗材料中，分別吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液0.0mL、0.5mL、0.7mL、1.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL 于同系列100mL 的聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將溶液配制成濃度分別為0.0mg/L、0.5mg/L、0.7mg/L、1.0mg/L、3.0 mg/L、5.0mg/L、7.0mg/L 的標準溶液。通過2 號進樣針按程序設定順序進入進樣器，分2 次測得不同濃度下總氮的峰高信號值，試驗結果見表2。

表2 不同濃度下總氮峰高信號值

由表2 的試驗結果可知，本次試驗中總氮標準曲線工作的相關系數(shù)r=0.9996。在第一次總氮測定中，采用紫外可見光分光光度計測定其吸光度值，測定的吸光度值見表3[3]。以橫坐標為總氮標準溶液濃度，縱坐標為吸光度，繪制標準工作曲線如圖2 所示，線性回歸方程y=-1.055467+1.492342×104x，相關系數(shù)r=0.9996。

表3 測定的吸光度值

圖2 第一次測定總氮標準曲線繪制

在第二次總氮測定中，吸光度值測定方法與第一次相同，本次測定的吸光度值見表4。同樣，以橫坐標為總氮標準溶液濃度，縱坐標為吸光度，繪制標準工作曲線如圖3 所示，線性回歸方程y=-1.201981+1.665954×104x，相關系數(shù)r=0.9996。

表4 測定的吸光度值

圖3 第二次測定總氮標準曲線繪制

結論：由圖2 和圖3 的曲線趨勢綜合分析可知，在兩次總氮測定中，相關系數(shù)r=0.9996，且總氮標準溶液濃度在0mg/L～8mg/L，與吸光度表現(xiàn)良好的線性關系。綜上所述，采用流動注射分析儀測定總氮具有良好的線性關系。

3.3 檢出限

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于100mL 的聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將其配制成與空白濃度比較接近的0.04mg/L 標準溶液，連續(xù)測定7 次，總氮含量測定結果見表5。

表5 總氮的最低檢出限（單位：mg/L）

根據表5 中測定的數(shù)據結果可知，總氮的標準偏差S為0.0010 mg /L，t（6，0.9）值為3.143。按照方法檢出限MDL=t（n-1，0.9）×S計算公式，最終計算總氮的方法檢出限為0.003mg/L[4]。

結論：由表5 計算結果可知，當標準溶液濃度接近空白濃度時，采用流動注射分析儀，能夠測定總氮的最低檢出限。

3.4 方法精密度

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于3 個同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將總氮標準使用液分別配制成濃度為0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 的標準溶液，連續(xù)測定6 次，測定結果見表6。

表6 總氮精密度測定結果

結論：由表6 測定結果可知，0.25mg /L、1.0mg /L、2.5mg /L三種濃度的標準溶液的平均值分別為0.245mg /L、1.00mg/L、2.54mg /L；標準偏差S分別為0.0082mg/L、0.0097mg/L、0.0258mg/L。根據相對標準偏差公式計算公式，可以計算3 種不同濃度下總氮的相對標準偏差，分別為3.3%、1.0%、1.0%[5]。測定結果表明，總氮的相對標準偏差均在規(guī)定范圍內。由此可見，采用流動注射分析儀測定總氮的精密度更高。

3.5 加標回收率

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于3 個同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將總氮標準使用液配制成濃度為0.10mg/L的標準溶液。將污水樣品分成6 份，加入濃度為0.10mg/L 的標準溶液，進行加標測定，6 次加標測定結果見表7。

表7 總氮加標回收率的測定結果

結論：由表7 測定結果可知，加標量濃度為0.10mg /L 污水加標樣品的加標回收率范圍在91.0%～104%。由此可見，采用流動注射分析儀測定總氮的加標回收率結果較為滿意[6]。

4 結論

通過上述試驗，采用流動注射分析儀測定污水中的總氮，標準曲線相關性、檢出限、精密度以及加標回收率結果令人滿意，試驗操作方便、高效、快速、自動化程度高。通過該試驗得到以下4 個結論：1）流動注射分析儀測定總氮，根據不同濃度下總氮峰高信號值，得出相關系數(shù)r=0.9996，并且當溶液濃度0～8mg/L 時，與吸光度表現(xiàn)為良好的線性關系。2）流動注射分析儀測定總氮方法檢出限為0.003mg/L，與傳統(tǒng)分光光度法相比，檢出限更低。3）對0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 3 個濃度不同的標準溶液進行精密度測定，相對標準偏差分別為3.3%、1.0%以及1.0%，具有較高的精密度。4）在污水樣品中加入濃度為0.10mg/L 的標準溶液進行加標測定，加標回收率范圍在91.0%～106%，加標回收率較高。