氨氮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的研究進(jìn)展

董學(xué)志，蔣永榮

(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004)

大多數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括定期現(xiàn)場(chǎng)取樣(即收集離散水樣)、樣品保存、轉(zhuǎn)運(yùn)、實(shí)驗(yàn)室分析、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，消耗大量的人力、物力，耗費(fèi)時(shí)間，且樣品經(jīng)過(guò)保存、轉(zhuǎn)運(yùn)后，分析目標(biāo)物的濃度可能發(fā)生改變；另一方面，離散的采樣方式容易忽略偶發(fā)污染事件。因此，開(kāi)發(fā)氨氮的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法尤為重要。作者對(duì)近5年(2014～2019)來(lái)國(guó)內(nèi)外氨氮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法進(jìn)行總結(jié)，并加以分析比較，擬為氨氮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的發(fā)展提供幫助。

1 分光光度法

1.1 檢測(cè)試劑的改進(jìn)

氨氮在強(qiáng)堿條件下能迅速與鄰苯二甲醛(o-phthalaldehyde，OPA)和亞硫酸鈉反應(yīng)生成玫瑰紅物質(zhì)，該反應(yīng)常用于氨氮的熒光法檢測(cè)。Liang等[5]發(fā)現(xiàn)該玫瑰紅物質(zhì)在具有熒光性的同時(shí)也具有較好的吸光性。李曉瑜[6]基于該原理并結(jié)合順序注射技術(shù)，建立了一套氨氮的順序注射-熒光分光一體檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)程序控制，該系統(tǒng)可以在熒光、分光檢測(cè)模式間切換。

傳統(tǒng)的靛酚藍(lán)分光光度法檢測(cè)時(shí)需要用到苯酚，該試劑臭味大，具有腐蝕性，且易板結(jié)，稱(chēng)量時(shí)難以處理，因此有研究人員選擇毒性較小且穩(wěn)定的片狀晶體化合物鄰苯基苯酚(o-phenylphenol，OPP)來(lái)替代[7]。Ma等[8]、Li等[9]基于OPP改進(jìn)的靛酚藍(lán)分光光度法研制了一套基于注射泵的水環(huán)境分析儀，已成功應(yīng)用于河口和海岸表層水體中銨離子的測(cè)定，并實(shí)現(xiàn)了船載實(shí)時(shí)分析。Lin等[10]基于OPP改進(jìn)的靛酚藍(lán)分光光度法結(jié)合反相流動(dòng)注射技術(shù)，建立了一種測(cè)定天然水體中銨離子的自動(dòng)化方法。

為了更好地符合綠色分析化學(xué)的要求，Sukaram等[11]選擇對(duì)pH值響應(yīng)靈敏的蘭花提取物作為檢測(cè)試劑，與膜擴(kuò)散裝置聯(lián)用檢測(cè)氨氮。

1.2 分光光度法與分離富集方式的聯(lián)用

在氨氮檢測(cè)過(guò)程中，樣品基底效應(yīng)對(duì)檢測(cè)有較大影響。將氣體擴(kuò)散裝置引入流動(dòng)分析系統(tǒng)，能有效地將氣態(tài)氨從復(fù)雜的樣品基質(zhì)中分離。O′Connor等[12]通過(guò)加入強(qiáng)堿調(diào)節(jié)樣品的pH值，將其中的離子態(tài)銨轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氨，氣態(tài)氨通過(guò)多孔疏水膜進(jìn)入被檢測(cè)的樣品溶液中；但在堿性條件下，樣品中的二價(jià)金屬離子容易生成沉淀析出，從而造成膜堵塞。Timofeeva等[13]通過(guò)氮?dú)獯祾叩姆绞綄悠分械臍鈶B(tài)氨直接輸送至樣品溶液中，避免了樣品溶液與多孔疏水膜的直接接觸，從而減小膜堵塞的可能。

另一方面，現(xiàn)場(chǎng)分析要求樣品制備分離裝置微型化，從而促進(jìn)了微萃取方法的發(fā)展。Timofeeva等[14]研發(fā)了自動(dòng)分步進(jìn)樣的頂空單液滴微萃取(head-space single-drop microextraction,HS-SDME)系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化檢測(cè)步驟以及讓萃取液滴更好地富集氨氣，rámková等[15]引入了泵上實(shí)驗(yàn)室的概念，直接將注射器內(nèi)部空間改裝成微萃取和檢測(cè)一體池，簡(jiǎn)化了檢測(cè)步驟。Badiee等[16]設(shè)計(jì)了一種新的旋轉(zhuǎn)溶劑棒微萃取(solvent bar microextraction，SBME)裝置，并成功應(yīng)用于環(huán)境水樣中痕量氨的測(cè)定。

1.3 分光光度法的改進(jìn)

Zhu等[17]結(jié)合流動(dòng)注射技術(shù)，并采用液芯波導(dǎo)毛細(xì)管(長(zhǎng)度為2.5 m)作為樣品比色池(liquid waveguide capillary cell，LWCC)，通過(guò)增加光程的方式提升靈敏度。為了克服毛細(xì)管內(nèi)徑小、易堵塞的缺點(diǎn)，Hashihama等[18]對(duì)基于OPP改進(jìn)的靛酚藍(lán)分光檢測(cè)系統(tǒng)換用內(nèi)徑較大(2 mm)的多路徑毛細(xì)管(ultra path)，更適合長(zhǎng)期使用。Kodama等[19]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)，將基于膜分離的氣體擴(kuò)散單元引入液芯波導(dǎo)流通池系統(tǒng)中，可在一定程度上消除由鹽度差產(chǎn)生的虛假信號(hào)峰。Zhu等[20]研究了一種新型微等離子體激發(fā)源，將分子發(fā)射光譜法與化學(xué)蒸汽發(fā)生法相結(jié)合測(cè)定銨離子。表1列舉了分光光度法檢測(cè)氨氮的改進(jìn)技術(shù)。

表1 分光光度法檢測(cè)氨氮的改進(jìn)技術(shù)

Tab.1 Improved techniques of spectrophotometric methods for determination of ammonia nitrogen

分離方法/自動(dòng)化技術(shù)檢測(cè)試劑檢測(cè)限/(μmol·L-1)線(xiàn)性范圍/(μmol·L-1)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差/%文獻(xiàn)流動(dòng)注射鄰苯二甲醛0.058100～700 2.3[5]泵上實(shí)驗(yàn)室鄰苯二甲醛1780～8000.21[6]—鄰苯二甲醛0.20～1000.64～1.71[7]氣體擴(kuò)散/流動(dòng)注射蘭花提取物(測(cè)定pH值)2120,7601000～50000.48,2.29[11]流動(dòng)注射鄰苯二甲醛0.15 0～2002.2, 0.33, 0.32[9]頂空單液滴微萃取/泵上實(shí)驗(yàn)室溴百里酚藍(lán)(測(cè)定pH值)1.80～256[16]反相流動(dòng)注射鄰苯基苯酚0.07(淡水)0.08(海水)0～50(淡水)0～35(海水)<1.3[10]氣體擴(kuò)散/流動(dòng)注射溴百里酚藍(lán)(測(cè)定pH值)8 μg·kg-1(固體)0.1～5.0 mg·kg-1(固體)2～6[13]波導(dǎo)毛細(xì)管/流動(dòng)注射苯酚0.00360.001～304.4[17]波導(dǎo)毛細(xì)管/流動(dòng)注射鄰苯二甲醛0.0040～0.2<4[18]

2 熒光法

2.1 檢測(cè)試劑的改進(jìn)

NH3-OPA-亞硫酸鹽的熒光反應(yīng)對(duì)pH值響應(yīng)非常靈敏。該反應(yīng)的最適pH值為11[21-22]，但在此pH值下，由于待測(cè)水樣中金屬離子的存在，極易生成氫氧化物沉淀。Hu等[23]發(fā)現(xiàn)用乙二胺四乙酸-氫氧化鈉緩沖液將pH值調(diào)至11時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沉淀，由此建立了一種新的鄰苯二甲醛熒光分析法。Liang等[24]合成了一種新的熒光試劑4-甲氧基鄰苯二甲醛(4-methoxyphthalaldehyde，MOPA)，在堿性、室溫條件下，MOPA能與銨離子快速反應(yīng)，由此開(kāi)發(fā)了便攜式熒光檢測(cè)系統(tǒng)。Zhang等[25]以一種新的熒光試劑4,5-二甲氧基鄰苯二甲醛(4,5-dimethoxyphthalaldehyde，M2OPA)作為探針，研制了一種手持便攜式激光二極管熒光檢測(cè)系統(tǒng)。

2.2 熒光法與新型分離富集方式的聯(lián)用

Valente等[26]將氣體擴(kuò)散微萃取(gas-diffusion microextraction，GDME)與熒光法相結(jié)合，應(yīng)用于固體樣品中氨氮的檢測(cè)，省略了常規(guī)方法中的固液萃取步驟，從而使固體樣品中氨氮的提取與標(biāo)記可以同時(shí)進(jìn)行。Zhu等[27]利用吹掃-捕集系統(tǒng)分離并富集樣品中的氨氣，并用熒光檢測(cè)器測(cè)定，相比于氣體擴(kuò)散技術(shù)，該方法具有更高的檢測(cè)靈敏度，氨氣的富集效率更高。Giakisikli等[28]將兩個(gè)注射泵的頂部空間相連接，構(gòu)建了一套新型的頂空微萃取系統(tǒng)，通過(guò)向兩個(gè)泵中施加正壓或負(fù)壓來(lái)控制樣品中氨氣的析出、轉(zhuǎn)移和富集，最后用OPA熒光法檢測(cè)氨氮。

2.3 熒光傳感器的改進(jìn)

Zhu等[29]開(kāi)發(fā)了一種新型的便攜式熒光檢測(cè)器，并對(duì)流通池進(jìn)行改進(jìn)，可以避免熒光信號(hào)中氣泡的干擾。Wang等[30]對(duì)熒光檢測(cè)器的電路設(shè)計(jì)與軟件算法進(jìn)行改進(jìn)，將偽隨機(jī)序列首次引入到熒光測(cè)量中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱熒光信號(hào)的提取，該檢測(cè)器還可以實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。Dong等[31]根據(jù)氨氣的揮發(fā)性和銀納米粒子引入所致酸堿度變化的敏感性，以銀納米簇為探針，結(jié)合溫度梯度HS-SDME技術(shù)研制了一種新的氨氮檢測(cè)方法。表2列舉了熒光法檢測(cè)氨氮的改進(jìn)技術(shù)。

表2 熒光法檢測(cè)氨氮的改進(jìn)技術(shù)

Tab.2 Improved techniques of fluorescence methods for determination of ammonia nitrogen

分離方法/自動(dòng)化技術(shù)檢測(cè)試劑檢出限/(μmol·L-1)線(xiàn)性范圍/(μmol·L-1)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差/%文獻(xiàn)—鄰苯二甲醛0.00990.032～0.5003.2[23]—4-甲氧基鄰苯二甲醛0.0580.025～0.3002.35[24]—4,5-二甲氧基鄰苯二甲醛0.00650.0030～50～23[25]氣體擴(kuò)散鄰苯二甲醛0.22 mg·L-1(固體)0.38～6.27 mg·L-14.5[26]吹掃-捕集/流動(dòng)注射鄰苯二甲醛0.00740.01～0.24.4[27]頂空微萃取/泵上實(shí)驗(yàn)室鄰苯二甲醛0.05 μg·L-10.15～10.0 μg·L-13.6[28]流動(dòng)分析鄰苯二甲醛0.00210～0.30.8[29]

3 電化學(xué)法

3.1 電導(dǎo)法

將電導(dǎo)法與流動(dòng)注射氣體分離裝置相結(jié)合，根據(jù)樣品溶液電導(dǎo)率變化來(lái)檢測(cè)氨氮，靈敏度高且無(wú)需使用有毒試劑，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。Jaikang等[32]研制了一套經(jīng)濟(jì)且容易搭建的氨氮電導(dǎo)檢測(cè)平臺(tái)，通過(guò)電導(dǎo)率下降速率來(lái)判斷氨氣的含量。

由于接觸型電導(dǎo)的檢測(cè)電極易被試液腐蝕，Chaneam等[33]通過(guò)基于膜的氣體擴(kuò)散裝置將樣品中的氨氮轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，并使其通過(guò)多孔疏水膜進(jìn)入流經(jīng)氣體擴(kuò)散裝置的受體流中，通過(guò)非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器來(lái)監(jiān)測(cè)受體流的電導(dǎo)率變化。但疏水膜在處理雜質(zhì)較多的樣品時(shí)可能被堵塞或損壞，為此，Alahmad等[34]開(kāi)發(fā)了一套由無(wú)膜氣體擴(kuò)散(membraneless vaporization，MBL-VP)裝置和電容耦合非接觸電導(dǎo)檢測(cè)器(capacitively coupled contactless conductivity detector，C4D)組成的流動(dòng)分析系統(tǒng)，用于分析運(yùn)河水樣，結(jié)果與現(xiàn)有方法無(wú)明顯差異。

3.2 電位法

傳統(tǒng)的氨氣敏電極法需要用氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)溶液的pH值，陳曉東[37]設(shè)計(jì)了一種無(wú)需氫氧化鈉的新方法(電滲析離子轉(zhuǎn)型)，該法在0.1～10 mg·L-1濃度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2為0.997。

3.3 伏安法

電化學(xué)傳感器的電極材料及結(jié)構(gòu)是影響伏安法檢測(cè)結(jié)果的主要因素。電流型氣體傳感器近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于氨氮檢測(cè)。研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于基于離子液體電解質(zhì)的氣體電極需要增大電極的表面積來(lái)提高氨氮檢測(cè)的靈敏度。Hussain等[38]研制了一種新型的電流型氣體傳感器，通過(guò)電沉積技術(shù)對(duì)鉑電極的表面構(gòu)造進(jìn)行納米級(jí)改進(jìn)，增大了氣體與電極表面的接觸面積，電極電流響應(yīng)是線(xiàn)性?huà)呙璺卜ǖ?倍。

4 被動(dòng)采樣技術(shù)

被動(dòng)采樣技術(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的有效方法，不僅能有效監(jiān)測(cè)污染事件，而且可以將取樣、污染物分離、累積和保存等多個(gè)步驟結(jié)合起來(lái)，簡(jiǎn)化了分析過(guò)程[39]。Almeida等[40-41]發(fā)現(xiàn)，以二壬基萘磺酸為載體的聚合物包合膜作為被動(dòng)采樣器半透膜時(shí)，對(duì)銨離子有著較好的富集效果，并首次在此聚合物包合膜的基礎(chǔ)上研制了一種用于測(cè)定水中氨氮的被動(dòng)采樣器，但只適用于低鹽度水樣中的氨氮檢測(cè)。有研究[42]將氣體擴(kuò)散膜作為被動(dòng)采樣器的選擇性半透膜，并成功應(yīng)用于海洋、沿海和河口等高鹽度水域的氨氮檢測(cè)。

5 微流控紙芯片技術(shù)

微流控紙芯片技術(shù)(microfluidic paper-based analytical device，μPAD)以紙制材料作為液體樣品和試劑流動(dòng)的基底，基底中的親水纖維素載體充當(dāng)毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)，使液體在不需外部驅(qū)動(dòng)力的情況下沿著毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)輸送，通過(guò)在基底上印制疏水化合物圖案的方式限定流動(dòng)的路徑。微流控紙芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于成本低、攜帶方便、環(huán)境友好，適合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。Phansi等[43]將基于膜的氣體擴(kuò)散分離技術(shù)首次應(yīng)用在微流控紙芯片技術(shù)中，通過(guò)使用聚四氟乙烯膜隔斷紙芯片的供體與受體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣態(tài)氨的高選擇性檢測(cè)。Jayawardane等[44]將無(wú)膜氣體擴(kuò)散的概念引入微流控紙芯片技術(shù)中，對(duì)廢水和肥料中的銨離子進(jìn)行定量分析。

6 結(jié)語(yǔ)

氨氮檢測(cè)的方法多種多樣，每種方法都有其特點(diǎn)及適用范圍。傳統(tǒng)檢測(cè)方法在對(duì)低濃度、高鹽度、復(fù)雜基質(zhì)的環(huán)境樣品進(jìn)行分析時(shí)表現(xiàn)不佳，且無(wú)法做到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。流動(dòng)分析技術(shù)、被動(dòng)采樣技術(shù)、微流控紙芯片技術(shù)以及各種新型分離技術(shù)的出現(xiàn)使得這一問(wèn)題得到一定程度的解決。探尋適用于現(xiàn)場(chǎng)、自動(dòng)化、微型化、便攜化且靈敏度高、選擇性好的檢測(cè)技術(shù)是未來(lái)的發(fā)展方向。