李 琳，包俊金，潘 瑩

(1.云南省生態(tài)環(huán)境廳駐昆明市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650228；2.昆明市綠化工程質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，云南 昆明 650228)

1 研究背景

1.1 總氮測(cè)定的意義

總氮是指水體中的氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和各種有機(jī)態(tài)氮的總量。水中氮的來(lái)源是多方面的，如氮肥的使用、工業(yè)污水、垃圾堆放場(chǎng)、人畜糞便、天然有機(jī)氮或腐殖質(zhì)的降解和硝化。

總氮是衡量水體受污染程度和富營(yíng)養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)之一，水體中含氮量的增加不僅會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)下降，而且會(huì)使水體中浮游生物和藻類(lèi)大量繁殖，消耗水中的溶解氧，從而加速水體的富營(yíng)養(yǎng)化和水體質(zhì)量惡化，甚至可能進(jìn)一步暴發(fā)水華等自然災(zāi)害，給人類(lèi)帶來(lái)重大的損失[1]。因此，研究并掌握水體中總氮的檢測(cè)方法，具有重要的意義。

1.2 課題的提出及研究?jī)?nèi)容

目前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)HJ 636-2012中的總氮測(cè)定方法為堿性過(guò)硫酸鉀紫外分光光度法，該方法可測(cè)定水中亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氨、無(wú)機(jī)銨鹽、溶解態(tài)氨及大部分有機(jī)含氮化合物中氮的總和。

但是，在監(jiān)測(cè)分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于過(guò)硫酸鉀的溶解度較低，0℃時(shí)溶解度1.75g/10mL水，20℃時(shí)溶解度5.3g/100mL水，而實(shí)驗(yàn)中所需該試劑的濃度為4g/100mL，所以需要很長(zhǎng)時(shí)間對(duì)過(guò)硫酸鉀進(jìn)行溶解。并且在室溫比較低的冬天，過(guò)硫酸鉀很容易結(jié)晶析出。而過(guò)硫酸鈉易溶于水，用其配制堿性消解液比較容易，在幾分鐘內(nèi)即可溶解完全[2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較兩種試劑對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線、十二種含氮標(biāo)液的影響，探究使用過(guò)硫酸鈉代替過(guò)硫酸鉀的可行性。

2 儀器與試劑

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

高溫高壓滅菌鍋(型號(hào)：LDZX-50KBS，上海申安醫(yī)療器械廠)；可見(jiàn)分光光度計(jì)(型號(hào)：VIS-723N，北京瑞利儀器有限公司)；電子分析天平(型號(hào)：AE200S，瑞士Mettler Toledo 儀器公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)試劑(所有試劑均用無(wú)氨水配制)

堿性過(guò)硫酸鉀溶液：稱(chēng)取4.0g過(guò)硫酸鉀，溶于60mL 水中；另稱(chēng)取1.5g氫氧化鈉(玻璃燒杯稱(chēng)取)溶于10mL水中；待氫氧化鈉溶液溫度冷卻至室溫后，混合兩種溶液至容量瓶中，定容至 100mL，存放于聚乙烯試劑瓶中。

堿性過(guò)硫酸鈉溶液：配置方法同上。

鹽酸溶液(1+9)：濃鹽酸和無(wú)氨水的體積比為1∶9。用5mL移液管移取濃鹽酸5mL于試劑瓶中，再移取45mL超純水，混勻。

硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)貯備液：濃度為10nM。

硝酸鉀溶液：用10mL微量加樣器量取 10.00mL 標(biāo)準(zhǔn)貯備液至 100mL 容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線，混勻，得到1nM標(biāo)準(zhǔn)使用液。

12種含氮標(biāo)液原始濃度見(jiàn)表1。

表1 12種含氮標(biāo)液分子式及濃度

3 過(guò)硫酸鈉與過(guò)硫酸鉀消解的對(duì)比

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液的配制：分別量取0.00、0.20、0.50、1.00、3.00 和7.00mL 硝酸鉀標(biāo)準(zhǔn)使用液于6支棕色玻璃消解管中，加水稀釋至10.00mL，再加入5.00mL 堿性過(guò)硫酸鉀溶液，塞緊管塞(需做好標(biāo)記)。按以上的操作，再配制一組相同濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)曲線，加入5.00mL堿性過(guò)硫酸鈉溶液作為消解劑。

(2)消解：將消解管置于高溫高壓滅菌鍋中，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，加熱消解 50min。取出消解管冷卻至室溫，按住管塞將比色管中的液體顛倒混勻2～3次。

(3)比色：每個(gè)消解管分別加入 1.0mL 鹽酸溶液，用水稀釋至 25mL 標(biāo)線，蓋塞混勻。使用10mm石英比色皿，在紫外分光光度計(jì)上，以水作參比，分別于波長(zhǎng)220nm和275nm處測(cè)定吸光度，并進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比、分析

本次實(shí)驗(yàn)分別消解測(cè)定使用過(guò)硫酸鉀和過(guò)硫酸鈉作為消解劑的標(biāo)準(zhǔn)曲線各4組，共計(jì)8組標(biāo)準(zhǔn)曲線。消解的各組標(biāo)準(zhǔn)曲線吸光值以及斜率、方程見(jiàn)表2。

表2 消解結(jié)果對(duì)比

對(duì)表2數(shù)據(jù)的斜率與截距分別進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩者斜率的單因素方差分析結(jié)果

假設(shè)H0為兩者斜率均值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(α=0.05)。由上述結(jié)果可知，統(tǒng)計(jì)量F=8.901907，P=0.024522<0.05, 則拒絕H0，認(rèn)為兩個(gè)組總體斜率均值的差別是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的。

同理，對(duì)截距進(jìn)行單因素方差分析結(jié)果見(jiàn)表4。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，統(tǒng)計(jì)量F=70.19018，P=0.000157<0.05, 則拒絕H0(α=0.05)，認(rèn)為兩個(gè)組總體截距均值的差別是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的[3]。

表4 兩者截距的單因素方差分析結(jié)果

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比小結(jié)

使用過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀消解總氮時(shí)，所得標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距、斜率都有差異。而0.000157<0.245, 截距的差異不如斜率顯著。但并未進(jìn)一步探究這種差異性對(duì)總氮測(cè)定結(jié)果的實(shí)質(zhì)性影響。

3.2 消解率對(duì)比

3.2.1 過(guò)硫酸鈉消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用過(guò)硫酸鈉對(duì)12種含氮標(biāo)液進(jìn)行消解實(shí)驗(yàn)，每組3個(gè)平行樣，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 過(guò)硫酸鈉消解率 (%)

3.2.2 過(guò)硫酸鉀消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

同樣使用過(guò)硫酸鈉消解，所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 過(guò)硫酸鉀消解率 (%)

3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由下面的柱形圖可以明顯看出，過(guò)硫酸鈉與過(guò)硫酸鉀在消解12種含氮標(biāo)液時(shí)，針對(duì)個(gè)體而言，是有差異的，兩者不能完全等同，但這種差異針對(duì)整體而言是否顯著還需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性差異檢驗(yàn)。

圖1 兩者消解結(jié)果對(duì)比圖

3.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)

3.2.4.1F檢驗(yàn)

在對(duì)各組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)之前，先要對(duì)各組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，采用F檢驗(yàn)來(lái)完成。由下述檢驗(yàn)結(jié)果可知，表中P值等于0.100039(α=0.01)>0.05，所以，兩兩配對(duì)的樣本數(shù)據(jù)方差是齊性的，即各兩組數(shù)據(jù)的方差不存在顯著性差異，可以進(jìn)行t檢驗(yàn)。

表7 F-檢驗(yàn) 雙樣本方差分析結(jié)果

3.2.4.2 顯著性差異t檢驗(yàn)

對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩配對(duì)的顯著性差異檢驗(yàn)，結(jié)果如下：t檢驗(yàn)的計(jì)量結(jié)果表明，P(單尾)等于0.318973，P(雙尾)等于0.637945，均>0.05，所以，樣本各兩組數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)學(xué)上沒(méi)有顯著性差異，即兩組數(shù)據(jù)的均值在統(tǒng)計(jì)意義上是相等的。因此，過(guò)硫酸鉀與過(guò)硫酸鈉在消解12種含氮標(biāo)液時(shí)，雖然針對(duì)個(gè)體會(huì)有消解率的差異，但是總體上未發(fā)現(xiàn)存在顯著性差異。

3.2.5 消解率對(duì)比小結(jié)

由上述結(jié)果可知，過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀在消解12種含氮標(biāo)液時(shí)雖然不是完全等同的，但是本次實(shí)驗(yàn)在整體上未發(fā)現(xiàn)兩者之間存在顯著性差異，也未能發(fā)現(xiàn)這種針對(duì)個(gè)體的差異具有規(guī)律性。因此，可以使用過(guò)硫酸鈉代替過(guò)硫酸鉀。

但兩者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的含氮標(biāo)液存在不同的消解效率，可能與含氮標(biāo)液的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)，即或是由于其他因素導(dǎo)致兩者的差異，還有待進(jìn)一步探究。

表8 t-檢驗(yàn): 成對(duì)雙樣本均值分析

3.3 光譜掃描結(jié)果對(duì)比

過(guò)硫酸鉀與過(guò)硫酸鈉在消解12種含氮標(biāo)液時(shí)，并不存在顯著性差異，但兩者的標(biāo)準(zhǔn)曲線存在斜率和截距的差異，過(guò)硫酸鉀空白值偏高，因此，通過(guò)對(duì)消解前和未消解的過(guò)硫酸鉀和過(guò)硫酸鈉進(jìn)行光譜掃描，初步探究過(guò)硫酸鉀空白值偏高的原因。

3.3.1 未消解的過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀

未消解的過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀光譜掃描結(jié)果如圖2所示：兩者在未進(jìn)行消解前，在200nm到800nm的吸收光譜幾乎重合，并不存在顯著的差異性。

圖2 光譜掃描結(jié)果

3.3.2 消解后的過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀

消解50min的過(guò)硫酸鈉和過(guò)硫酸鉀光譜結(jié)果如圖3所示：過(guò)硫酸鈉消解之后，在紫外光區(qū)的最高吸收峰有所轉(zhuǎn)移，220nm處過(guò)硫酸鉀吸光度為1.541，過(guò)硫酸鈉為0.5504。故使用過(guò)硫酸鈉能夠有較低的空白值。

圖3 消解后光譜掃描結(jié)果

3.3.3 光譜掃描小結(jié)

過(guò)硫酸鉀消解后相較于過(guò)硫酸鈉有更大的空白值，這是由于在消解后，過(guò)硫酸鈉的最大吸收峰有所轉(zhuǎn)移，其在220nm并不存在最大的吸收，造成實(shí)驗(yàn)空白值的降低。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

紫外可見(jiàn)分光光度法測(cè)定水樣中總氮時(shí)，出現(xiàn)空白值偏高的現(xiàn)象，這將直接加大分析系統(tǒng)的測(cè)試誤差，更低的空白值會(huì)使總氮測(cè)定的結(jié)果更準(zhǔn)確[4]。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，過(guò)硫酸鉀消解總氮時(shí)，空白值高于過(guò)硫酸鈉。從降低空白值的意義上來(lái)說(shuō)，過(guò)硫酸鈉優(yōu)于過(guò)硫酸鉀。

兩者的斜率以及截距均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。但并未進(jìn)一步探究這種差異性對(duì)總氮測(cè)定結(jié)果的實(shí)質(zhì)性影響。本次實(shí)驗(yàn)在整體上也未發(fā)現(xiàn)兩者之間存在顯著性差異。在消解12種含氮標(biāo)液時(shí)未發(fā)現(xiàn)兩者之間存在顯著性差異。

過(guò)硫酸鈉相較過(guò)硫酸鉀配制更為簡(jiǎn)單，保存也更為方便[5]。所以，使用過(guò)硫酸鈉作為消解劑，不僅方便試劑的保存與配制，而且降低了總氮測(cè)定的空白值，保證了總氮測(cè)定分析的準(zhǔn)確度和精密度，滿(mǎn)足總氮測(cè)定的技術(shù)要求[6]，認(rèn)為使用過(guò)硫酸鈉代替過(guò)硫酸鉀具有可行性。

4.2 展望

本文在使用兩種不同的消解劑消解標(biāo)準(zhǔn)曲線的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)兩者的斜率以及截距均存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，差異是否存在一定的規(guī)律和影響因素，會(huì)不會(huì)對(duì)總氮測(cè)定產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，還需要后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

消解后的過(guò)硫酸鈉發(fā)生最大吸收峰的轉(zhuǎn)移，也有待進(jìn)一步探究。

在兩者的消解對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，兩者不是完全等同的，針對(duì)個(gè)體還是具有差異，而這種差異是由于實(shí)驗(yàn)誤差引起的偶然現(xiàn)象，還是與含氮標(biāo)液的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)有關(guān)，即兩者對(duì)不同結(jié)構(gòu)的含氮標(biāo)液是否存在不同的消解效率，還未可知。