紀(jì)曉娜，左 妍，艾勝書，劉 晶，張 田，邊德軍

（1.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春130012）

總氮（TN）是水質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)，可以表征水體富營(yíng)養(yǎng)化的程度，也是衡量和評(píng)價(jià)城市污水的水質(zhì)變化、監(jiān)控污水排放的主要指標(biāo)［1］?？偟侵杆w中所有形態(tài)氮元素的總和，檢測(cè)原理是將所有含氮化合物氧化為＋5價(jià)硝酸根離子的形式，再分析其中硝酸鹽的含量，結(jié)果以氮元素的質(zhì)量濃度來表達(dá)。

總氮的檢測(cè)方法很多，各種方法的不確定度分析也有相關(guān)報(bào)道，如國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的雙波長(zhǎng)紫外分光光度法分析飲用水［2－3］、氣相分子吸收光譜法分析地表水和自來水的總氮不確定分析［4］、連續(xù)流動(dòng)分析法檢測(cè)地表水［5－6］、TOC／TN 分析儀測(cè)地表水［7］和污水［8］中總氮的不確定度。比較不同方法檢測(cè)總氮結(jié)果的不確定度，可以表征其結(jié)果的分散性和可靠性［9］，從而為總氮檢測(cè)方法的選擇提供參考。

色譜分析方法逐漸普及，研究該方法的不確定度越來越多，可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)果更可靠［10－11］。本文采用的先高溫高壓消解［12］、再用液相色譜法（HPLC）檢測(cè)城市污水中的總氮，關(guān)于該方法的不確定度未見報(bào)道。通過該總氮檢測(cè)方法與其他方法的不確定度對(duì)比，可以確定該方法的可靠程度［13］。在比較時(shí)，應(yīng)同時(shí)考察相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度，以及樣品的質(zhì)量濃度，三者結(jié)合考量才更科學(xué)［14］。

本實(shí)驗(yàn)室前期研究了HPLC檢測(cè)城市污水中硝酸鹽的方法［15－16］，進(jìn)一步將該方法應(yīng)用到總氮的檢測(cè)中，經(jīng)過條件優(yōu)化，取得了較好的效果［17］，本文分析了優(yōu)化后的總氮檢測(cè)方法的不確定度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器、試劑和樣品

安捷倫HPLC 1100液相色譜儀（自動(dòng)進(jìn)樣器、DAD檢測(cè)器、C18柱）；上海光譜721型雙光束紫外光譜儀；醫(yī)用手提式蒸汽滅菌鍋；國(guó)藥總氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（100.00mg·mL－1），4℃保存；乙腈（色譜純），水（超純水），其他試劑為分析純；磷酸緩沖溶液：將2.381 6g磷酸二氫鉀加水溶解，加0.143mL濃磷酸，定容至250mL，即為0.70mol·L－1KH2PO4～0.08mol·L－1H3PO4溶液；堿性過硫酸鉀溶液：分別稱取40g過硫酸鉀和15g氫氧化鈉，溶于水中，冷卻至室溫，混合后，稀釋至1 000mL，溶液存放在聚乙烯瓶?jī)?nèi)，最長(zhǎng)可貯存一周；鹽酸（1＋9）：取10mL濃鹽酸慢慢加到90mL水中，邊加邊攪拌。

1.2 色譜分析

取“1.1”節(jié)中的磷酸緩沖溶液稀釋40倍得流動(dòng)相A（pH≈3.3）。

色譜條件：流動(dòng)相A∶乙腈＝92∶8（體積比）；流速0.8mL·min－1；柱溫30 ℃；DAD 檢測(cè)波長(zhǎng)208nm。按此條件分析城市污水樣品，保留時(shí)間為1.73min。

1.3 樣品前處理

取過濾的城市污水樣品（≤10mL）于25mL比色管中，不足10mL部分用超純水補(bǔ)足，加入堿性過硫酸鉀溶液5mL，塞緊磨口塞，并保證高溫高壓下密閉。將比色管置于高壓蒸汽鍋內(nèi)，在120～124℃下消解（相當(dāng)于壓力0.11～0.14MPa）30min，冷卻、開閥放氣，移去外蓋，取出比色管并放至室溫，待用。

液相色譜法：消解后的樣品經(jīng)0.45μm水系微孔濾膜過濾，HPLC分析。

分光光度法：消解后的樣品加入1mL鹽酸（1＋9），加水定容至25mL，使用721型雙光束紫外光譜儀分析。

2 建立數(shù)學(xué)模型

樣品中總氮的含量按式1計(jì)算：

式中：X表示水樣中含總氮的質(zhì)量濃度，mg·L－1；A為對(duì)應(yīng)色譜峰面積，mAU·min；F為進(jìn)樣體積，μL；

3 不確定度分析

不確定度的來源包括樣品前處理、標(biāo)準(zhǔn)曲線、樣品重復(fù)測(cè)量和儀器檢測(cè)4方面（如圖1），其中樣品前處理的不確定度由取樣、補(bǔ)水和加藥3個(gè)步驟引入，標(biāo)準(zhǔn)曲線的不確定度包括標(biāo)準(zhǔn)品本身的誤差和標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程引入的不確定度，儀器檢測(cè)包括進(jìn)樣量和DAD檢測(cè)波長(zhǎng)。

圖1 總氮不確定度的來源和分析

3.1 樣品前處理引入的不確定度

分別用5mL移液管吸取5mL水樣、5mL超純水和5mL堿性過硫酸鉀至25mL比色管。

3.1.1 移取水樣引入的不確定度

5mL移液管的最大允許誤差為±0.015mL，視為矩形分布，取分布因子k＝。移取水樣時(shí)容積引起的不確定度為：

相對(duì)不確定度為：

溫度波動(dòng)設(shè)為±4℃時(shí)，溫度引起的不確定度為0.002 425mL，相對(duì)不確定度為：

移取水樣引入的相對(duì)不確定度合成為：

urel（取 樣）

3.1.2 樣品前處理引入的其他不確定度

移取超純水5mL，補(bǔ)充至10mL時(shí)，引入的相對(duì)不確定度的計(jì)算方法同3.1.1。

加入堿性過硫酸鉀5mL，引入的相對(duì)不確定度的計(jì)算方法也同3.1.1。

由樣品前處理引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的不確定度

取總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液放入100mL的容量瓶中，用超純水定容至刻度，搖勻得一系列總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，按1.3方法處理后，按進(jìn)樣體積F＝10μL進(jìn)行HPLC分析（見表1）。

表1 總氮的標(biāo)準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)

以峰面積對(duì)總氮標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)量濃度做標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線方程為A＝241.0 X＋311.4，線性最小二乘法擬合的相關(guān)系數(shù)為0.997 1。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)品引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)品的說明書中顯示，總氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度為±0.1mg·L－1，視為矩形分布，取分布因子標(biāo)準(zhǔn)品引入的不確定度為：

標(biāo)準(zhǔn)品引入的相對(duì)不確定度為：

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程引入的不確定度

容量瓶的定容最大允許誤差為±0.10mL，視為矩形分布，取分布因子標(biāo)準(zhǔn)稀釋過程中由定容引入的不確定度為：

標(biāo)準(zhǔn)稀釋引入的相對(duì)不確定度為：

由標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.3 樣品重復(fù)測(cè)量引入的不確定度

本實(shí)驗(yàn)取城市污水水樣5mL（即f＝2），進(jìn)行6個(gè)平行樣品的總氮分析，進(jìn)樣體積F＝10μL，將檢測(cè)的峰面積（A）帶入公式（1），結(jié)果分別為：25.01，24.84，24.66，25.13，25.95和25.78mg·L－1。平均值＝25.23mg·L－1。

單次檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)差為：

平均質(zhì)量濃度的不確定度為：

由重復(fù)測(cè)量引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.4 儀器檢測(cè)引入的不確定度

3.4.1 進(jìn)樣量引入的不確定度

安捷倫HPLC 1100的自動(dòng)進(jìn)樣器定量環(huán)誤差為±0.10μL，按矩形分布處理，由進(jìn)樣體積引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

進(jìn)樣體積F＝10μL時(shí)的相對(duì)不確定度為：

3.4.2 DAD檢測(cè)器引入的不確定度

DAD檢測(cè)器的波長(zhǎng)精度為±1nm，按矩形分布處理，由檢測(cè)波長(zhǎng)引入的不確定度為：

DAD在208nm檢測(cè)的相對(duì)不確定度為：

由儀器檢測(cè)引入的相對(duì)不確定度分量為：

3.5 合成相對(duì)不確定度計(jì)算

由上述各相對(duì)不確定度分量合成城市污水總氮含量的不確定度為：

3.6 擴(kuò)展不確定度

按置信概率P＝95%時(shí)，取k＝2。則城市污水水樣總氮含量測(cè)定的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

故其擴(kuò)展不確定度為：

圖2 城市污水總氮結(jié)果的不確定度來源

該污水樣品中的總氮含量表示為：

3.7 HPLC與分光光度法［12］檢測(cè)總氮的簡(jiǎn)單對(duì)比

影響HPLC分析總氮的不確定的4個(gè)方面中，與分光光度法有較大差別的因素，主要體現(xiàn)在樣品的前處理和儀器檢測(cè)2個(gè)方面，下面就這2個(gè)方面的不確定度做簡(jiǎn)單的對(duì)比分析。

3.7.1 樣品前處理的對(duì)比

樣品的消解過程與HPLC的樣品前處理引入的相對(duì)不確定度相等：

加鹽酸中和消解液中剩余的堿時(shí)，使用1mL移液管，引入的相對(duì)不確定度（包括容積和溫度）為：

25mL具塞比色管的誤差為±0.25mL，因此定容時(shí)引入的相對(duì)不確定度為：

分光光度法的樣品前處理引入的相對(duì)不確定度合稱為：

由于分光光度法比HPLC增加了中和和定容的步驟，因此樣品前處理的相對(duì)不確定由0.31%增加至0.77%。

3.7.2 儀器檢測(cè)的對(duì)比

721型雙光束紫外光譜儀波長(zhǎng)的誤差為±2nm，因此由儀器的波長(zhǎng)引入的相對(duì)不確定度為：

光譜儀在220nm和275nm兩個(gè)波長(zhǎng)處檢測(cè)。雙光束分光光度法的儀器檢測(cè)引入的相對(duì)不確定度合稱為：

雖然分光光度法不涉及進(jìn)樣量引入的誤差，但是檢測(cè)中涉及2個(gè)波長(zhǎng)，與HPLC儀器檢測(cè)引入誤差相比，還是略有增加，由0.64%增至0.67%。

通過HPLC與雙光束分光光度法檢測(cè)總氮的不確定度對(duì)比，主要分析了4個(gè)不確定度分量中2個(gè)變化較大的分析步驟——樣品前處理和消解液的檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)HPLC的檢測(cè)結(jié)果的可靠性明顯優(yōu)于分光光度法，主要體現(xiàn)在樣品前處理引入的相對(duì)不確定度較低?？梢娫诓淮_定度的影響因素中，減化操作步驟是有效的。

4 結(jié)語

本文以城市污水為例，評(píng)定了采用高溫消解和液相色譜法聯(lián)合使用測(cè)定總氮的不確定度，相對(duì)不確定度和擴(kuò)展不確定度的結(jié)果表明本方法可靠。

（1）該方法檢測(cè)總氮的不確定度主要來源于儀器和樣品的高溫消解；

（2）同樣采用高溫消解處理樣品，本文采用的HPLC檢測(cè)比傳統(tǒng)的雙光束分光光度法的結(jié)果更可靠；

（3）本文采用的方法與文獻(xiàn)中其他水質(zhì)分析的總氮檢測(cè)方法相比，相對(duì)不確定 度較低［6，7，8］，對(duì)于城市污水的總氮檢測(cè)可以滿足要求，且具有較高的精確度。

［1］Lu J，Gong D，Shen Y，etc.An inversed bayesian modeling approach for estimating nitrogen export coefficients and uncertainty assessment in an agricultural watershed in eastern China［J］.Agricultural Water Management，2013，116（1）：79－88.

［2］郭立軍，李世榮，文新宇.水質(zhì)分析中總氮測(cè)定的不確定度評(píng)定［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24（3）：86－88.

［3］李鐘瑋.水質(zhì)總氮測(cè)定不確定度的評(píng)定［J］.黑龍江環(huán)境通報(bào)，2012，36（1）：42－45.

［4］莫怡玉，茅麗秋，吳卓智.堿性過硫酸鉀氧化—?dú)庀喾肿游展庾V法測(cè)定水中總氮［J］.環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2010，22（4）：47－49.

［5］潘玲.流動(dòng)注射法測(cè)定水中總氮的不確定度［J］.廣東化工，2010，37（11）：219－220.

［6］陸慧慧，陸茸.連續(xù)流動(dòng)分析法測(cè)定水中總氮的不確定度評(píng)定［J］.四川環(huán)境，2012，31（4）：25－28.

［7］李志梅，劉曉棠，劉亦峰，等.水中總有機(jī)碳及總氮測(cè)量不確定度的評(píng)定［J］.現(xiàn)代測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室管理，2009（3）：24－27.

［8］趙莉，郭晶晶，楊虹.TOC／TN分析儀法測(cè)定水質(zhì)總氮的不確定度評(píng)定［J］.綠色科技，2013（7）：204－206.

［9］韓家森，姚軍，郝琳.高效液相色譜法測(cè)定果汁飲料中糖精鈉含量的不確定度評(píng)定［J］.職業(yè)與健康，2010，26（21）：2430－2432.

［10］鄭晨，鄭利，楊天宇，等.LC－MS檢測(cè)化妝品中糖皮質(zhì)激素的不確定度研究［J］.檢驗(yàn)檢疫科學(xué)，2009，19（6）：45－48.

［11］孫宇霞.氣相色譜法測(cè)定白酒中乙酸乙酯的不確定度評(píng)定［J］.化學(xué)分析計(jì)量，2010，19（4）：14－16.

［12］GB 11894—89水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法［S］.

［13］袁玉靜，錢紹圣.擴(kuò)展不確定度分析與評(píng)定［J］.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，15（3）：181－185.

［14］葛福玲，陳前芳.原子熒光法測(cè)定水中砷含量的不確定度評(píng)定［J］.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，28（4）：127－130.

［15］Liu Jing，Ji Xiaona，Ren Qingkai，etc.Determination of Nitrate in Water by HPLC［J］.Applied Mechanics and Materials，2014，448：406－408.

［16］紀(jì)曉娜，劉晶，左妍，等.RP－HPLC和麝香草酚法檢測(cè)硝酸鹽氮的比較［J］.長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，15（1）：1－4.

［17］Ji Xiaona，Liu Jing，Ai Shengshu，etc.Study of Pretreatment and Analysis Method in Detecting TN in Waste Water By HPLC［J］.Advanced Materials Research，2014，866：1750－1754.