賀舒文，褚瑩倩，崔晗，曹文軍

（大連海關技術中心，遼寧大連 116400）

水中總氮包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、溶解態(tài)氨、無機銨鹽及有機含氮化合物中的氮，水中總氮超標，易造成浮游植物過度繁殖，水體富營養(yǎng)化[1]，嚴重時能夠引發(fā)赤潮[2-5]，因此總氮是評價水體污染[6]和自凈狀態(tài)的重要指標之一[7-8]，總氮的監(jiān)測已成為水體保護的重要研究課題[9]。由于目前總氮檢測設備存在體積大、檢出限高、檢測時間長和廢液排放量大等缺陷[10-11]，對于低檢出限、自動化程度高、廢液排量少和檢測效率高的總氮分析方法的開發(fā)和優(yōu)化具有很重要的現實意義。

總氮的分析方法主要有紫外可見分光光度法[9]、離子色譜法[12]、電極法[13]、氣相分子吸收光譜法[9]、流動注射法[8]等。分光光度法操作步驟繁瑣，耗時長，重復性差，而且不能滿足批量樣品的快速測定；離子色譜法和電極法的儀器操作簡單，且能夠進行連續(xù)測定，但樣品處理步驟較多，檢測靈敏度較低，檢測成本較高，檢測大批量樣品費時費力；氣相分子吸收光譜法需要用氮氣作為載氣進行檢測，而且試劑用量大[14]，相對增加了操作步驟和檢測成本。近年來流動注射在線分析技術被廣泛地應用于水質分析中，并得到推廣[15-19]。流動注射在線分析法是一種自動化程度高、分析速度快、準確度和精密度高的分析技術[20]；該方法減少了人為操作帶來的實驗誤差和環(huán)境污染，實現了實驗室檢測的自動化，提高了工作效率。

目前，系統(tǒng)的針對水源水中總氮檢測樣品處理中的水樣濁度干擾、實驗用水、試劑純度選擇、試劑配制及存放、氣泡的干擾、干擾物的消除、顯色劑濃度優(yōu)化等對實驗結果影響的研究較少，同時做到高回收率和精密度等結果的測定方法尚未見報道。筆者結合相關標準和研究成果，有針對性的對樣品處理的相關步驟進行探索和優(yōu)化，建立了流動注射在線分析法測定水源水中總氮的方法，測定結果滿足相關技術要求，該方法簡便快速，自動化程度高，試劑消耗少，精密度和準確度高，并且能夠滿足大批量水源水樣品的分析需求。

1 方法原理

樣品中的總氮于90 ℃高溫下被過硫酸鹽和紫外燈（UV-254 紫外燈）在線消解為硝酸根，再通過鎘柱還原為亞硝酸根，亞硝酸根與磺胺產生重氮化反應，生成重氮離子，重氮離子與萘乙二胺鹽酸鹽結合產生一種紫色物質，在波長540 nm 處測定，根據朗伯-比爾定律，經儀器處理后得到樣品峰面積，由標準曲線法計算目標物中的總氮含量。

2 實驗部分

2.1 主要儀器與試劑

流動注射分析儀：QC8500 型，帶UV-254 紫外燈的樣品預處理模塊，美國哈希公司。

超聲波水浴清洗器：KQ-700DV 型，頻率范圍為0～100 kHz，上海一恒科學儀器有限公司。

pH計：測量范圍為0.00～14.00，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

總氮標準溶液：質量濃度為1 000 mg/L，標準物質編號為GSB04-2837-2011 (b)，北京有色金屬研究總院。

氯化銨、磺胺、鹽酸萘乙二胺、磷酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、四硼酸鈉、焦亞硫酸鈉、硫酸、乙二胺四乙酸二鈉：優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司。

水性濾膜：孔徑為0.45 μm，美國哈希公司。實驗用水為GB/T 6682—2008 規(guī)定的一級水。

2.2 標準溶液配制

總氮標準工作溶液：用實驗用水作溶劑，采用逐級稀釋的方式將總氮標準溶液配制成質量濃度分別為0.000、0.050、0.200、1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L 的氮系列標準工作溶液。

2.3 儀器工作條件

檢測光程：10 mm；檢測波長：540 nm；進樣體積：68 μL；蠕動泵轉速：35 r/min；超聲除氣時間：30 min；超聲頻率：40 kHz。

2.4 檢測流程

流動注射在線分析法測定水源中總氮流程圖如圖1所示。

2.5 樣品處理

樣品檢測前需用0.45 μm的水性濾膜過濾。如需將水樣保存24 h以上，則必須添加固定劑硫酸調節(jié)pH為1～2后冷藏保存于硬質玻璃瓶中，并在7日內完成檢測[21]，或者保存在聚乙烯瓶中，于-20 ℃冷凍，可保存1個月[22]。

添加固定劑保存的樣品在檢測前應該調節(jié)pH，即取100 g/L 氫氧化鈉溶液約0.55 mL 于100 mL 水樣中，使樣品pH保持在7左右。

2.6 標準曲線繪制

由自動進樣器依次從低濃度到高濃度取樣，測定總氮系列標準工作溶液，以總氮質量濃度（mg/L）為自變量、峰面積為因變量進行線性回歸，得標準曲線方程。

2.7 水樣測定

按照與制作校準曲線相同的實驗條件進行水樣測定，同時做空白試驗，以標準工作曲線外標法進行定量。

2.8 分析結果的表述

2.8.1 結果計算

水源水中總氮的含量 (以氮的質量濃度ρ計，mg/L)按照式(1)計算：

式中：y——信號值（峰面積）；

a——線性方程的截距；

b——線性方程的斜率；

f——樣品溶液稀釋倍數。

2.8.2 結果表示

當總氮的測定值小于1.00 mg/L時，測定值保留到小數點后第3位；當測定值大于或等于1.00 mg/L時，測定值保留到小數點后第2位。

3 結果與討論

3.1 水樣濁度的干擾

相關研究表明，水樣的濁度去除效率由高到低依次為離心、0.45 μm濾膜、定量濾紙[23]，而且三種處理方式都能保證檢測結果的準確性。在實際檢測工作中，為了簡化操作步驟和節(jié)約成本，選用0.45 μm的水性濾膜來去除水源水中濁度的干擾，該方法操作步驟簡單、所需時間較少、干擾較小，而且適用于大批量水源水樣品的分析。

3.2 實驗用水的選擇

水中總氮檢測的標準方法《水質 總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）中規(guī)定實驗用水須為無氨水或新制備的去離子水，考慮到實際工作的可操作性，以及無氨水在制備過程中容易被蒸餾裝置污染，且效率較低，在實際檢測中使用較少，所以選用去離子水作為實驗用水，去離子水的純度比較高，且隨用隨制，不易受到氨的污染，能夠在保證檢測結果準確性的同時兼顧工作效率。

3.3 試劑純度選擇

在水源水中總氮的檢測中，試劑的純度會影響檢測結果的準確性，其中過硫酸鉀試劑的純度是直接影響總氮測定結果準確度的關鍵因素。由于分析純試劑的空白值明顯高于優(yōu)級純試劑的空白值[24]，所以在進行水源水中總氮的檢測時應選用優(yōu)級純試劑，而且應該對新采購的試劑進行空白試驗。

3.4 試劑器皿的洗滌

水源水中總氮檢測用的容量瓶、燒杯等玻璃器皿的潔凈程度對檢測結果具有一定的影響，如果僅用水沖洗玻璃器皿的話，其空白值會相對較高，不能滿足標準方法對于空白值的要求，而采用鹽酸溶液(體積比為1∶9)浸泡24 h后用自來水沖洗，然后用去離子水沖洗干凈后立即使用，其空白值符合標準要求[25]。

3.5 試劑配制及存放

在配制試劑時，載液、緩沖溶液和顯色劑等溶液按照常規(guī)步驟配制即可，而過硫酸鉀和硼酸鹽溶液的配制則需要注意溫度的控制，因為在常溫下過硫酸鉀的溶解度比較低，溶解非常慢，所以在配制過程中可以將其置于水浴中加熱溶解，溫度一定要控制在60 ℃以內[26]，因為過硫酸鉀容易在60 ℃以上發(fā)生氧化分解反應，導致其氧化能力慢慢降低，從而影響檢測結果。

對于試劑存放的條件和時間，《水質 總氮的測定 連續(xù)流動-鹽酸萘乙二胺 分光光度法》（HJ 667—2013）中給出了相關的參考信息，但是考慮到本方法使用的載液是去離子水，應該現用現取，而緩沖溶液在使用前需要檢查其pH值，顯色劑需要通過觀察其顏色變化來確定是否可用，因此，為了保證檢測結果的準確性，建議顯色劑、緩沖溶液應該現用現配。另外，相關研究和標準方法對于過硫酸鉀溶液的存放時間有不同的觀點[22，27]，針對過硫酸鉀和硼酸鹽溶液的存放時間進行了試驗，當過硫酸鉀和硼酸鹽溶液存放于25 ℃、樣品中總氮的含量為0.10 mg/L 時，考察不同存放時間對總氮測定值的影響，試驗結果見表1。

表1 過硫酸鉀和硼酸鹽溶液不同存放時間下總氮測定結果

從表1 測定結果來看，總氮測定值隨著存放時間的延長而逐漸變小，且測定結果在第1天到第7天時波動較小，從第8 天開始波動較大，因此，為了保證檢測結果的穩(wěn)定性和準確性，過硫酸鉀和硼酸鹽溶液的存放時間應該控制在7天之內。

3.6 氣泡的干擾

試劑配制過程中通常會有氣泡存在，這會導致分析譜圖基線不平穩(wěn)，并出現雜峰，所以配制好的試劑溶液在使用前要進行脫氣處理，以免造成信號波動，影響檢測結果。試驗對比了氦氣脫氣、超聲波脫氣和超聲波結合氦氣脫氣三種脫氣方法，以開機預熱30 min后監(jiān)測儀器基線狀態(tài)30 min，同時進行10次純水空白檢測結果為判定依據，研究不同脫氣方法的效果。結果表明：氦氣脫氣在 35 min后效果良好，基線平穩(wěn)無氣泡峰；超聲波脫氣在30 min 后效果良好，基線平穩(wěn)無氣泡峰；超聲波結合氦氣脫氣在20 min 后效果良好，基線平穩(wěn)無氣泡峰?？紤]到檢測時間、成本等因素，選擇超聲波脫氣30 min 為試劑溶液脫氣方法。

3.7 干擾物的消除

水樣中含有氯化銀和硫代硫酸鹽時會降低鎘柱的功能，導致檢測結果偏低，因此可以通過對質控樣品的檢測來檢驗鎘柱的有效性。

當水源水中3價鐵離子、6價鉻離子和氯離子的質量濃度分別大于180、50、5 000 mg/L時，會對檢測結果產生負干擾；水源水中含有高濃度的有機物或其它還原性物質時，會與過硫酸鉀發(fā)生反應，導致總氮的測定結果偏低；此時，可以通過稀釋水樣來減少以上干擾，同時做加標回收來確認檢測結果的準確性[22]。

3.8 顯色劑濃度的優(yōu)化

當樣品中總氮含量為0.10 mg/L，考察不同濃度顯色劑磺胺和鹽酸萘乙二胺對總氮測定值的影響，試驗結果見表2。由表2可知，當磺胺和鹽酸萘乙二胺溶液的質量濃度分別為35、1 g/L 時，總氮測定值最大，因此選用此濃度組合進行檢測。

表2 不同濃度磺胺和鹽酸萘乙二胺溶液時水源水中總氮測定值

3.9 鎘柱活化

正常情況下鎘柱的顏色為深灰色或暗黑色，鎘柱的還原能力下降時，其顏色往往都會變白、變淺。鎘柱顏色變淺主要是因為反應管路中存在著氧化性的物質，這些氧化性物質隨流路進入鎘柱中會緩慢氧化鎘粒表層，進而阻擋硝酸鹽與鎘粒有效接觸，阻斷還原反應。這些氧化性物質來自于水樣和試劑中，或者鎘柱兩端密封性不好導致空氣進入或在管路排氣泡過程中氣泡沒排凈。此外，鎘柱中的還原反應環(huán)境為弱堿性，在堿性溶液中，硝酸鹽還原產生的Cd2+與OH-反應生成的Cd（OH）2沉淀也會阻斷還原反應的進行，所以鎘柱需要定期活化，以保證檢測的準確性。

鎘柱活化：首先用玻璃棒將鎘粒與足量的4 mol/L的鹽酸溶液攪拌混合，充分攪拌1 min（清除鎘粒表面氧化層）后用去離子水將鹽酸溶液沖洗干凈，直至清洗鎘粒的去離子水的pH 呈中性。然后在鎘粒中加入足量的2%的硫酸銅溶液，用玻璃棒充分攪拌（向鎘粒表面鍍銅促進還原反應）至鎘柱的顏色變?yōu)樯罨疑虬岛谏?，再用去離子水沖去鎘粒之間的紅色絮狀被還原的銅，最后用濾紙干燥鎘粒。鎘粒具有毒性，操作時應避免與眼睛和皮膚等部位接觸。

鎘柱的填充：將鎘粒裝入干燥的鎘柱內，填充鎘柱時應不停振搖鎘柱兩端以使鎘粒間緊密接觸，鎘粒填充好后封好鎘柱兩端，再用注射器將氯化銨緩沖溶液注入鎘柱，同時保證鎘柱內不得有氣泡，最后將鎘柱裝入分析模塊，備用。

3.10 實驗室環(huán)境

在進行水源水中總氮的檢測時，由于檢測對象是總氮，所以在試驗期間，相同區(qū)域內應該禁止開展涉及氨水、硝酸和其它氨鹽類的檢測項目，否則會造成檢測結果偏高。

3.11 線性關系、檢出限和定量限

按照2.6 方法測定0.040～10.0 mg/L 系列標準工作溶液線性方程為y=0.380x2+245x-237，相關系數為0.999 9。

根據GB/T 32465—2015《化學分析方法驗證確認和內部質量控制要求》中關于分析方法檢出限的要求進行驗證[28]。按照分析步驟，對檢出限的2～5倍樣品進行重復測定7次以上，對n次平行測定結果計算標準偏差S，按照LD=t(n-1，0.99)×S計算方法檢出限[29]，以t(7，0.99)=2.998，計算8 次平行測定的標準偏差。根據HJ 168—2010《環(huán)境監(jiān)測分析方法標準制修訂技術導則》的要求以4 倍檢出限作為方法的定量限，試驗數據見表3。

表3 水源水中總氮測定方法檢出限數據mg/L

3.12 方法精密度與準確度

本方法采用水源水樣品進行檢測，并以1 倍定量限、10 倍定量限、與實際樣品同水平濃度及其10倍濃度進行加標回收試驗，按全程序每個樣品平行測定6 次，分別計算平均值、相對標準偏差和回收率, 試驗結果見表4。由表4 數據可知，本方法加標回收率為92.5%～105%，測定值的相對標準偏差為0.22%～1.10%（n=6），測量精密度和準確度滿足相關標準的要求[22,30]。

表4 精密度和準確度試驗結果

4 結語

建立流動注射在線分析法測定水源水中總氮的含量。該方法靈敏度和準確度高，穩(wěn)定性好，重現性好，操作簡便，試劑消耗少，自動化程度高，分析周期短，極大地節(jié)約了檢測時間、節(jié)省了人力物力，能夠滿足水源水監(jiān)測需求，對提高水源水質監(jiān)測預警工作具有重要意義。