于專妮，王強(qiáng)

(1.中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山東青島 266100;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)院，山東青島 266109)

土壤是作物氮素營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源，土壤中的氮素包括無(wú)機(jī)態(tài)氮和有機(jī)態(tài)氮兩大類。其中有機(jī)態(tài)氮幾乎難以被作物直接吸收利用，而含量不到5%的無(wú)機(jī)態(tài)氮(主要是銨態(tài)氮和硝酸鹽)中的硝態(tài)氮是旱地植物可直接吸收的氮素［1-4］，因此土壤的現(xiàn)實(shí)肥力取決于硝態(tài)氮的含量。如何快速、簡(jiǎn)便的測(cè)定硝態(tài)氮一直制約著農(nóng)業(yè)的合理用肥。

當(dāng)前，大多實(shí)驗(yàn)是通過(guò)氯化鉀或硫酸鈣對(duì)土壤進(jìn)行離子交換，得到無(wú)機(jī)態(tài)氮;然后采用氨基苯磺酸比色法［5］、離子色譜法［6］、極譜法［7］、鎘柱法［8］等手段進(jìn)行分析檢測(cè)。這些測(cè)試方法精準(zhǔn)度很高，但昂貴的儀器和繁瑣的樣品前處理步驟限制了土壤的常規(guī)快速測(cè)定［9］。而試紙法既不依靠?jī)x器，也不需要繁瑣的操作，僅僅通過(guò)比對(duì)色階譜圖就可以直接得到土壤硝態(tài)氮的含量，實(shí)現(xiàn)了快速、便捷、廉價(jià)測(cè)定的預(yù)期目的。

實(shí)驗(yàn)擬自制淀粉碘化鉀試紙，通過(guò)確定還原模擬土壤中的硝態(tài)氮的反應(yīng)條件，制作出標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖;以紫外可見(jiàn)分光光度法為佐證手段，驗(yàn)證土壤中硝態(tài)氮含量測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

亞硝酸鈉、可溶性淀粉、碘化鉀、硫酸鎘、鋅粉、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨均為分析純;定性濾紙;定量濾紙;層析濾紙。

SHB-Ⅲ循環(huán)水式真空泵;DYG-9038A干燥烘箱;754型紫外分光可見(jiàn)光度計(jì)。

1.2 土樣采集及硝態(tài)氮的浸提

實(shí)驗(yàn)采集青島農(nóng)業(yè)大學(xué)種植蔬菜園的土壤，采用梅花點(diǎn)取樣法，取土的深度控制在20 cm以內(nèi)，把土樣混合均勻。90℃烘干24 h，研磨。取5 g實(shí)驗(yàn)土壤，加入25 mL濃度0.5 mol/L的硫酸鈣、適量活性炭，攪拌、靜置，抽濾，濾液是硝態(tài)氮的待測(cè)液［10-11］。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

1.4 碘化鉀淀粉試紙的制備

1 000 mL燒杯中加入250 mL蒸餾水，加熱至沸騰。把事先用少量水溶解的淀粉水溶液倒入沸水中，繼續(xù)加熱2～3 min至溶液變清為止。冷卻后，依次加入碘化鉀、無(wú)水碳酸鈉和去離子水250 mL［13］。將濾紙剪成 1.5 cm × 6.0 cm 的長(zhǎng)紙條，放入溶液中浸潤(rùn)30 min，鋪放在真空干燥箱中干燥。干燥后的試紙避免被空氣中氧氣氧化，應(yīng)保存在棕色瓶中備用。

1.5 亞硝酸根標(biāo)準(zhǔn)色卡制備

按照濃度梯度，用移液管分別準(zhǔn)確移取1 000 μg/mL亞硝酸鈉 0.00，0.10，0.20，0.30，0.50，1.00，5.00，10.00，50.00 mL 于 100 mL 容量瓶中，用去離子水定容。準(zhǔn)確移取5 mL的亞硝酸鈉的標(biāo)準(zhǔn)溶液于燒杯中，分別滴加3 mol/L硫酸溶液1滴，攪拌均勻后，用膠頭滴管依次滴加到碘化鉀試紙上，試紙不可浸潤(rùn)到溶液中，以免引起碘離子的擴(kuò)散;室溫條件5 min后觀察并拍照記錄試紙顏色深淺。

1.6 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液配制及顯色反應(yīng)

準(zhǔn)確稱取磷酸二氫鉀 0.439 07 g、硝酸鉀0.722 06 g、氯化銨 0.382 02 g、硫酸鉀 1.324 79 g于250 mL的燒杯中，用少量去離子水溶解，然后定容于1 000 mL容量瓶中，即得含有硝態(tài)氮100 μg/mL的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以模擬自然界土壤的基本組成。加入稍過(guò)量的鋅粉和催化量的硫酸鎘，20 min抽濾，所得濾液按照1.5節(jié)進(jìn)行測(cè)試。

1.7 樣品測(cè)定

1.7.1 硝態(tài)氮處理 實(shí)驗(yàn)采用鋅粉還原的方法，把高價(jià)態(tài)的氮還原為亞硝酸根，進(jìn)行半定量測(cè)定。

1.7.2 比色 用膠頭滴管或玻璃棒蘸取少量待測(cè)液于制備的試紙上，顯色后與比色卡目測(cè)對(duì)比，對(duì)試樣進(jìn)行不低于3次的讀數(shù)，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 試紙的選擇

實(shí)驗(yàn)分別用層析濾紙、定性濾紙和定量濾紙做成淀粉碘化鉀試紙。試紙完全干燥后，在室溫條件下，用不同濃度的亞硝酸鈉含量溶液進(jìn)行顯色實(shí)驗(yàn)，觀察并記錄試紙顏色變化快慢以及顏色深淺的差距。結(jié)果顯示，定量濾紙顯色較為明顯，本實(shí)驗(yàn)選定量濾紙為試紙材料。

2.2 亞硝酸根標(biāo)準(zhǔn)色卡的制備

制作淀粉碘化鉀試紙時(shí)，按照濃度梯度為0.015 0，0.030 0，0.060 0，0.300 0 mol/L，準(zhǔn)確稱取碘化鉀?？疾齑郎y(cè)離子濃度按照梯度變化時(shí)，試紙顏色的規(guī)律性變化，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 碘化鉀含量對(duì)顯色的影響Table 1 The quantity of KI on chromogenic

由表1可知，當(dāng)亞硝酸根濃度低至1 μg/mL時(shí)，試紙顯示出肉眼可以直接觀察到的淺藍(lán)色;隨著待測(cè)離子濃度的繼續(xù)增加，顏色由淺藍(lán)增至黑藍(lán)色;KI含量為0.06 mol/L時(shí)，試紙顏色隨亞硝酸根濃度同步的特性。因此，效果最佳的碘化鉀含量為0.06 mol/L，并以此得到待測(cè)亞硝酸濃度從1～100 μg/mL變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的色階譜圖(見(jiàn)圖 1)，實(shí)現(xiàn)了待測(cè)離子濃度與顏色同步變化的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

圖1 亞硝酸根濃度改變對(duì)應(yīng)試紙顏色的變化Fig.1 The color development with the quantity of N

2.3 模擬土壤浸提液的還原及顯色反應(yīng)

2.3.1 氯化鈉用量對(duì)硝酸鹽還原的影響 根據(jù)方程(1)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鋅粉在還原硝酸鹽的過(guò)程中需要一定的離子強(qiáng)度。為了不改變土壤的基本組成，加速還原反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)選用強(qiáng)電解質(zhì)氯化鈉來(lái)增強(qiáng)溶液離子強(qiáng)度。以試紙顯色深淺為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著氯化鈉用量的增加，硝酸鹽的還原率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，試紙顯色明顯加深。當(dāng)氯化鈉的質(zhì)量濃度超過(guò)10 g/L時(shí)，反應(yīng)時(shí)間20 min，試紙顯色沒(méi)有較為明顯的變化，實(shí)驗(yàn)選定強(qiáng)電解質(zhì)氯化鈉的濃度為10 g/L。

2.3.2 pH對(duì)還原的影響 根據(jù)方程(1)、(2)，整個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行均需要在酸性條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，溶液的pH控制在3～10，還原得以穩(wěn)定進(jìn)行;當(dāng)pH ＜2和pH ＞12時(shí)，由于存在鋅和強(qiáng)酸、強(qiáng)堿反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)，硝酸根得不到有效地還原。

圖2 混合液中硝態(tài)氮濃度改變對(duì)應(yīng)試紙顏色的變化Fig.2 The color development with the nitrate in solution

實(shí)驗(yàn)確定了混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中氯化鈉的濃度為10 g/L、反應(yīng)pH=3～10，反應(yīng)時(shí)間20 min的條件下，隨著模擬土壤浸提液中的硝態(tài)氮濃度由1～100 μg/mL變化時(shí)，試紙上呈現(xiàn)出藍(lán)色不斷加深的趨勢(shì);與圖1比對(duì)來(lái)看，其它共存離子對(duì)試紙顯色幾乎沒(méi)有影響，滿足了測(cè)試的基本要求。

實(shí)驗(yàn)采用Photoshop軟件根據(jù)顏色梯度，對(duì)比試紙顏色制作的標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖，標(biāo)出的硝態(tài)氮濃度是以1 kg土壤作為考察標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到肉眼對(duì)顏色的敏感程度的差異，實(shí)驗(yàn)制備的標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖可以測(cè)量硝態(tài)氮含量范圍從5～400 mg/kg。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖Fig.3 The standard color spectrum

2.4 土壤中硝態(tài)氮的測(cè)定及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

2.4.1 待測(cè)土壤的測(cè)量 土壤樣品取自蔬菜試驗(yàn)田;按照實(shí)驗(yàn)步驟1.2節(jié)和1.6節(jié)對(duì)土壤中的硝態(tài)氮進(jìn)行處理，采用自制的試紙顯色后，與圖2色階譜圖進(jìn)行比對(duì)，可以直觀的看出所測(cè)土壤提取液中硝態(tài)氮的濃度為5 μg/mL左右;與圖3標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖對(duì)比可以更直觀的看出土壤中硝態(tài)氮含量為25 mg/kg。

圖4 土壤中硝態(tài)氮的測(cè)定Fig.4 The detecting nitrate in soil

2.4.2 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 參照文獻(xiàn)［14-15］，對(duì)同一份土壤浸提液測(cè)量硝態(tài)氮含量測(cè)定，結(jié)果為27.4 mg/kg，高于試紙法的25 mg/kg。這可能是由于鋅粉還原不完全或肉眼對(duì)顏色的敏感程度存在差異造成的;但從半定量測(cè)試的角度來(lái)說(shuō)，所測(cè)量結(jié)果與試紙測(cè)量數(shù)據(jù)近乎一樣，滿足了室外進(jìn)行土壤硝態(tài)氮測(cè)定的要求。

3 結(jié)論

制備出能夠測(cè)量土壤硝態(tài)氮的淀粉碘化鉀試紙和標(biāo)準(zhǔn)色階譜圖。測(cè)量范圍為5～500 mg/kg(若濃度較大，可對(duì)溶液稀釋后測(cè)量)，滿足了對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的要求。與其它測(cè)量方法相比，試紙法憑其受外界干擾因素小、方便攜帶、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，滿足了在室外進(jìn)行土壤硝態(tài)氮含量的測(cè)定的實(shí)際要求。但試紙測(cè)量存在靈敏度低和準(zhǔn)確度不高等缺陷，本實(shí)驗(yàn)所制的試紙對(duì)硝態(tài)氮含量低于5 mg/kg的土壤，顯色不明顯;另外本試紙自身穩(wěn)定性差，必須防止被氧化。因此，研發(fā)精準(zhǔn)度更高的試紙已成為檢測(cè)技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急。

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