李美容

（廣西壯族自治區(qū)海洋地質(zhì)調(diào)查院，廣西 南寧 536000）

1 鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮的原理及意義

1.1 鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮的基本原理

在一定條件下，鎘還原劑能將水中的硝酸鹽氮定量還原為亞硝酸鹽氮。在此基礎(chǔ)上，先用對(duì)氨基苯磺酰胺對(duì)水中的亞硝酸鹽氮實(shí)施重氮化處理，再與鹽酸萘乙二胺進(jìn)行耦合，從而得到玫紅色的偶氮染料。其后，用分光光度法測(cè)水中亞硝酸鹽氮總量的測(cè)定，再減去水中原有亞硝酸鹽氮的含量，即可得到海水中硝酸鹽氮的實(shí)際含量[1]。

1.2 鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮的應(yīng)用意義

海水富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)嚴(yán)重地影響海水水質(zhì)、破壞海水生態(tài)，而以硝酸鹽氮為代表的含氮化合物正是引發(fā)海水富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的主要元兇之一。所以，做好海水中硝酸鹽氮的檢測(cè)工作，既是構(gòu)建海水質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，也是治理海水污染、保護(hù)海水生態(tài)的必要前端舉措?，F(xiàn)階段，可用于測(cè)定海水硝酸鹽氮含量的技術(shù)工藝較為多樣，主要包括鋅-鎘還原法、連續(xù)流動(dòng)注射法、鎘柱還原法等。從實(shí)踐角度來(lái)看，氣相光譜法、連續(xù)流動(dòng)注射法均有一定的應(yīng)用缺陷，前者缺乏具體的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，后者則存在設(shè)備昂貴、周期過(guò)長(zhǎng)等操作性問(wèn)題。相比之下，鎘柱還原法設(shè)備簡(jiǎn)單，如圖1所示，設(shè)備成本低、還原率高等優(yōu)勢(shì)，且測(cè)定結(jié)果通常能表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)范性與可靠性。所以，將鎘柱還原法應(yīng)用到海水硝酸鹽氮測(cè)定當(dāng)中，有著可觀的實(shí)用意義。

圖1 鎘柱還原裝置

2 鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮的實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

應(yīng)用鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮時(shí)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備主要涉及兩個(gè)部分。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配備。①紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，島津儀器（蘇州）有限公司，型號(hào)UV-2600，波長(zhǎng)范190～900nm，波長(zhǎng)最大示值誤差-0.2nm，波長(zhǎng)重復(fù)性-0.3nm，透射比重復(fù)性≤0.3%，波長(zhǎng)允差為±0.5nm，透射比允差為±0.5%，設(shè)備基本性能及運(yùn)行穩(wěn)定性均滿足實(shí)驗(yàn)需求。②鎘柱還原裝置，自制備鎘柱，還原率測(cè)定R≥95%，滿足試驗(yàn)要求。③電子分析天平，由島津制作所試驗(yàn)計(jì)測(cè)事業(yè)部生產(chǎn)，型號(hào)為AUW-220，最大量程220g，分度值0.1mg，可滿足實(shí)驗(yàn)稱量需求。

（2）實(shí)驗(yàn)試劑的準(zhǔn)備。①40g 鍍銅鎘粒，直徑1mm。②硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，濃度為100μg/mL，國(guó)家有色金屬及分析電子材料分析測(cè)試中心（23D40725）。③亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，濃度為100μg/mL，國(guó)家有色金屬及分析電子材料分析測(cè)試中心（23D60001）。④硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，由標(biāo)準(zhǔn)溶液臨用稀釋，濃度為10μg/mL。⑤磺胺溶液，使用分析天平稱取1.0g 磺胺，先置于酸水比1:6 的70mL 鹽酸溶液中充分溶解，再用純水定容至100mL 刻度處，混勻待用。⑥氯化銨緩沖溶液，濃度為10g/L，用氨水調(diào)節(jié)pH 至8.5（用精密pH 試紙檢驗(yàn)）。⑦鹽酸萘乙二胺溶液，濃度為1g/L，取0.1g 鹽酸萘乙二胺溶于100mL 純水中，混勻待用。⑧活化液，取硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（100μg/mL）3.5mL 置于250mL 容量瓶中，再用氯化銨緩沖溶液定容至250mL刻度處，混勻待用[2]。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

2.2.1 鎘還原柱預(yù)處理

首先，對(duì)鎘柱還原裝置進(jìn)行性能檢查與清潔處理。其次，先在還原柱底部填塞少量玻璃纖維，將實(shí)驗(yàn)用水注入柱內(nèi)，再將鍍銅鎘粒放入還原柱中，并將纖維材料填塞至柱頂。該步驟中，還原柱內(nèi)液面高于鎘粒頂部，以免因外部空氣進(jìn)入而影響實(shí)驗(yàn)效果。再次，將裝置還原速度設(shè)定為7mL/min，使用活化液對(duì)還原柱實(shí)施活化處理。最后，使用氯化銨緩沖溶液洗滌還原柱，洗滌次數(shù)為3 次。為保證實(shí)驗(yàn)效果，需要對(duì)還原柱的還原率進(jìn)行核驗(yàn)。具體試驗(yàn)時(shí)，分別配制濃度為100μg/L 的硝酸鹽氮溶液、亞硝酸鹽氮溶液，硝酸鹽氮溶液通過(guò)鎘柱還原處理，并依據(jù)以下公式分別測(cè)其吸光度：

式中：R——還原率；A硝——硝酸鹽氮的吸光度值；A0硝——硝酸鹽氮空白吸光度值；A亞硝——亞硝酸鹽氮的吸光度值；A0亞硝——亞硝酸鹽氮空白吸光度值。

若R 值達(dá)到95%，則表明鎘柱還原率達(dá)標(biāo)，可用于海水檢測(cè)。反之，若R 值小于95%，則需要重復(fù)預(yù)處理操作，直至鎘柱還原率達(dá)到海水檢測(cè)要求[3]。

此外，需要注意的是，每次檢測(cè)完成后，需要做好還原柱的保存工作。首先，應(yīng)使用氯化銨緩沖溶液，對(duì)已用完的還原柱進(jìn)行洗滌處理，洗滌次數(shù)不應(yīng)少于2次。其次，再將洗滌后的還原柱置于氯化銨緩沖溶液中，并保證充分浸沒(méi)。最后，應(yīng)做好相關(guān)儀器、設(shè)備使用記錄，如檢測(cè)用途、使用時(shí)間、保存時(shí)間等[4]。

2.2.2 工作曲線繪制

首先，分別移取0.0mL、0.25mL、0.5mL、0.7mL、1.0mL、2.0mL、2.5mL 的標(biāo)準(zhǔn)溶液硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)工作溶液加入純水中混勻，定容至100mL，濃度分別為0.00μg/mL、0.025μg/mL、0.05μg/mL、0.07μg/mL、0.10μg/mL、0.20μg/mL、0.25μg/mL。其次，先分別取上述標(biāo)準(zhǔn)溶液各50mL，分別置于100mL 容量瓶中，再用氯化銨緩沖溶液（10g/L、pH=8.5）定容至標(biāo)線處，并充分混勻。再次，濃度由小至大依次將定容混合后的標(biāo)準(zhǔn)溶液倒入鎘柱還原裝置進(jìn)行還原處理。在7mL/min 還原速率下，當(dāng)柱內(nèi)溶液還原體積達(dá)到65mL 時(shí)，在裝置的溶液流出端用50mL 比色管接取液25mL 流出液，并用純水定容至50mL 刻度處。然后向比色管中加入1.0mL 磺胺溶液，充分混勻后靜置2min。再加入1.0mL 鹽酸萘乙二胺溶液，混勻靜置20min，圖2 為標(biāo)準(zhǔn)曲線系列溶液。最后，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，在543nm 波長(zhǎng)下，5cm 比色皿，測(cè)各標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的吸光值。檢測(cè)完成后，以溶液濃度為橫坐標(biāo)、吸光度值（Ai-A0）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖3 所示，得出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)曲線系列溶液

圖3 標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.3 海水樣品測(cè)定

首先，先使用0.45μm 的濾膜對(duì)待測(cè)海水樣品進(jìn)行過(guò)濾處理，再取50mL 樣品置于100mL 比色管中，用氯化銨緩沖溶液定容至100mL 刻度處混勻待用。其次，按照2.2.2 工作曲線繪制的方法，用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)以純水作參比，分別測(cè)分析空白、海水樣品的吸光值，海水樣品吸光值減分析空白吸光值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線算得海水中的總氮濃度，單位為mg/L。最后，將總氮濃度減去樣品中原有亞硝酸鹽氮濃度，便可得到硝酸鹽氮濃度：

3 鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮的實(shí)驗(yàn)分析

3.1 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的分析

基于2.2.2 的實(shí)驗(yàn)步驟，對(duì)同一濃度的硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行多次吸光度測(cè)定。溶液濃度為0.00μg/mL、0.025μg/mL、0.05μg/mL、0.07μg/mL、0.10μg/mL、0.20μg/mL、0.25μg/mL 時(shí)，其吸光度分別為0.010、0.090、0.165、0.230、0.315、0.610、0.765。以溶液濃度為橫坐標(biāo)、吸光度值（Ai-A0）為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。線性回歸方程如下：

式中：y——吸光度；x——標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度；相關(guān)系數(shù)r=0.9999。

可見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度與吸光度之間表現(xiàn)有良好的相關(guān)性。

3.2 對(duì)方法的精密度分析

參照《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 168—2020）要求，使用低、中、高3 種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)液，溶液濃度分別為0.025mg/L，0.10mg/L，0.20mg/L。分別依照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試步驟連續(xù)測(cè)試7 次，平均值分別為0.0248mg/L、0.101mg/L、0.201mg/L，標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出低、中、高3 個(gè)濃度的最大相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別是1.12%、0.87%、0.32%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均不超±5%，表明該方法具備良好的精密度。

3.3 對(duì)加標(biāo)回收率的分析

取實(shí)測(cè)濃度分別為0.023mg/L、0.726mg/L、0.136mg/L的海水溶液進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，加標(biāo)量分別是5μg、10μg、10μg，加標(biāo)溶液濃度分別為0.05mg/L、0.10mg/L、0.10mg/L。加標(biāo)回收率測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 加標(biāo)回收率測(cè)試數(shù)據(jù)（連續(xù)測(cè)試7 次）

由此可見(jiàn)，應(yīng)用鎘柱還原法測(cè)定海水硝酸鹽氮時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得回收率為90%～105%，滿足現(xiàn)行海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范的相關(guān)要求，表明該方法具備良好的準(zhǔn)確度與可用性[5]。

3.4 對(duì)方法檢出限的分析

依據(jù)《環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 168—2020）方法要求，制作并且檢測(cè)7 個(gè)樣本溶液，計(jì)算7 次平行樣的樣本溶液測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD），計(jì)算樣本檢出限MDL=3.143×SD。以硝酸鹽氮濃度為0.025mg/L的海水樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用鎘柱還原法在相同條件下檢測(cè)7 次，結(jié)果依次為0.0255mg/L、0.0246mg/L、0.0244mg/L、0.0250mg/L、0.0252mg/L、0.0245mg/L、0.0244mg/L。平均值0.0248mg/L，標(biāo)準(zhǔn)偏差S=0.0004，t 值為3.143，根據(jù)公式MDL=3.143×SD 進(jìn)行方法檢出限的運(yùn)算。得出MDL 值為0.001mg/L。由中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站2017 年3 月發(fā)布的《國(guó)家近岸海域海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)操作技術(shù)規(guī)程》可知，我國(guó)相關(guān)現(xiàn)行規(guī)定的方法檢出限標(biāo)準(zhǔn)為0.012mg/L。鎘柱還原法實(shí)驗(yàn)所得的MDL 值低于這一標(biāo)準(zhǔn)，即表明該方法滿足相關(guān)技術(shù)要求，可有效應(yīng)用于海水的硝酸鹽氮檢測(cè)工作。

3.5 對(duì)還原柱中鍍銅鎘粒填充量的分析

在保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變的前提下，對(duì)還原柱中鍍銅鎘粒的填充量進(jìn)行調(diào)整，具體變量為20g、30g、40g、50g。多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)鎘粒填充量為20g、30g時(shí)，還原柱的還原率均低于95%，難以滿足檢測(cè)要求。當(dāng)鎘粒填充量為40g、50g 時(shí)，還原柱的還原率均在95%以上。由此，為了避免鎘粒填充量對(duì)檢測(cè)效果產(chǎn)生負(fù)面影響，將鎘粒填充量確定為40g。

4 結(jié)論

綜上所述，將鎘柱還原法應(yīng)用到海水硝酸鹽氮的檢測(cè)中，具有高度的可行性和實(shí)效性。由實(shí)驗(yàn)分析可知，鎘柱還原法的方法檢出限、加標(biāo)回收率均滿足相關(guān)規(guī)范要求，能夠簡(jiǎn)捷高效、準(zhǔn)確可靠地實(shí)現(xiàn)海水中硝酸鹽氮濃度、含量的檢出。為了保證該工藝方法的應(yīng)用質(zhì)量，具體實(shí)踐時(shí)既要合理調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)、規(guī)范執(zhí)行檢測(cè)流程，也要做好鎘粒填充量、溶液還原體積等方面的把控。