水楊酸鈉-次氯酸鈉法海水氨氮快速檢測(cè)方法研究

皇甫咪咪，曲建強(qiáng)，李 燕，徐 閣，石 軍，杜軍蘭，侯純揚(yáng)

1.天津大學(xué)理學(xué)院，天津 300072

水楊酸鈉-次氯酸鈉法海水氨氮快速檢測(cè)方法研究

皇甫咪咪1,2，曲建強(qiáng)1，李 燕2，徐 閣3，石 軍3，杜軍蘭2，侯純揚(yáng)2

1.天津大學(xué)理學(xué)院，天津 300072

2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300111

3.海口海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，海南 ?？?570311

對(duì)水楊酸鈉-次氯酸鈉法測(cè)量海水氨氮化學(xué)分析條件進(jìn)行了研究。通過正交實(shí)驗(yàn)對(duì)水楊酸鈉-次氯酸鈉法試劑配比進(jìn)行優(yōu)化，并確定了最佳試劑配比。同時(shí)，用水楊酸鈉-次氯酸鈉法和靛酚藍(lán)法測(cè)量24個(gè)海水水樣，測(cè)量結(jié)果無顯著差異。在反應(yīng)溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，用改進(jìn)后的方法分別測(cè)量60、120 μg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%。該方法試劑無毒、環(huán)保，操作簡單、快速，可滿足營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的要求，提高儀器的環(huán)境友好性。

水楊酸鈉-次氯酸鈉；氨氮；海水；環(huán)境友好

Abstract:The detection of ammonia nitrogen in seawater through the method of Sodium Salicylate and Sodium Hypochlorite was studied in this paper. The reagent ratios were optimized by the orthogonal experiment and the best reagent ratio was determined. Ammonia nitrogen in 24 seawater samples was determined with Sodium Salicylate and Sodium Hypochlorite method and indophenol blue method. The results showed that the two methods gave similar values and did not have significant difference. Under the reaction of 10 minutes at the temperature of 35 ℃, the standard ammonia nitrogen solution of 60 and 120 μg/L were detected by the optimized method, while the standard deviation were 4.0% and 2.8%, and recovery were 99.8% and 100.8%, respectively, which can reach the demands of auto-analyzing technology on the spot. The new method is convenient and environment-friendly.

Keywords:sodium salicylate and sodium hypochlorite;ammonia nitrogen;seawater;environmentally friendly

目前，海水中氨氮測(cè)量采用的方法主要有熒光法[4]、次溴酸鈉氧化法[5]、靛酚藍(lán)法[6-8]、水楊酸鈉法等。熒光法靈敏度高，主要用于大洋中nmol/L濃度水平氨氮的測(cè)量[9]。次溴酸鈉氧化法和靛酚藍(lán)法技術(shù)成熟，重現(xiàn)性好，準(zhǔn)確度高，是《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.4—2007)[10]規(guī)定的適用于大洋和近岸海水中氨氮測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法，但是次溴酸鈉氧化法容易受到氨基酸的干擾，所用試劑次溴酸鈉溶液穩(wěn)定性差，需要現(xiàn)用現(xiàn)配，使其在現(xiàn)場(chǎng)儀器測(cè)量中的應(yīng)用受到局限。水楊酸鈉分光光度法是測(cè)量水中氨氮常用分析方法，國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)氨氮的測(cè)定-水楊酸分光光度法》(HJ 536)[11]規(guī)定水楊酸分光光度法，可用于地表水、水源水、生活污水中氨氮的檢測(cè)，而《海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》(HY/T 147.1)[12]中規(guī)定的基于水楊酸鈉分光光度原理的流動(dòng)分析法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)近岸海水和入海排污口水中氨氮含量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)基于流動(dòng)注射法的水楊酸鈉法測(cè)量水中氨氮進(jìn)行了研究。朱敬萍等[13-14]根據(jù)進(jìn)樣流量大小對(duì)泵管進(jìn)行了選擇，研究了試劑濃度對(duì)氨氮檢測(cè)靈敏度的影響，方法檢出限為0.002 9 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.88%～5.79%，可滿足大批量海水樣品檢測(cè)的需求。曾愛娣[15]研究了運(yùn)用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定地表水中氨氮和總磷的分析方法；李萬霞[16]、黃振榮[17]等采用水楊酸鈉法在流動(dòng)注射分析儀上，對(duì)地表水和工業(yè)廢水中氨氮的測(cè)量進(jìn)行了研究。

近年來，海水氨氮現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)分析技術(shù)得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，國家海洋技術(shù)中心在“十五”、“十一五”期間研制了應(yīng)用于水下和船上的營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀，其中氨氮的測(cè)量原理為基于非連續(xù)光度分析技術(shù)的靛酚藍(lán)分光光度法，該方法測(cè)量準(zhǔn)確、顯色穩(wěn)定、方法成熟，但其所用試劑苯酚具有刺激性氣味，易被氧化，且有腐蝕性和毒性，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，容易對(duì)環(huán)境造成二次污染，同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員也有一定危害。水楊酸鈉和苯酚均可與氨發(fā)生Berthelot[18-20]反應(yīng)，與苯酚相比，水楊酸鈉無毒且無刺激性氣味，對(duì)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)操作人員均友好。

本文在靛酚藍(lán)法的基礎(chǔ)上，研究采用無毒的水楊酸鈉代替苯酚進(jìn)行海水中氨氮的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)對(duì)水楊酸鈉-次氯酸鈉法進(jìn)行改進(jìn)，研究反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)顯色反應(yīng)的影響，利用正交實(shí)驗(yàn)確定最佳試劑配比，并對(duì)改進(jìn)后的方法進(jìn)行性能檢驗(yàn)，為營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀器提供了一種對(duì)環(huán)境友好的氨氮分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法原理

1.1儀器

實(shí)驗(yàn)所用儀器有紫外可見分光光度計(jì)、精密電子天平、超純水機(jī)和恒溫水浴鍋。

1.2試劑

實(shí)驗(yàn)所用氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 mg/L，國家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心)；EDTA二鈉鹽、檸檬酸鈉、硝普鈉鹽、水楊酸鈉、苯酚、氫氧化鈉、次氯酸鈉為國產(chǎn)分析純?cè)噭?/p>

1.3反應(yīng)原理及實(shí)驗(yàn)方法

堿性條件下，在亞硝基鐵氰化鈉催化的體系下，氨與水楊酸和次氯酸根反應(yīng)生成藍(lán)色的吲哚類物質(zhì)[21]。具體反應(yīng)可分為以下4步[22]：

首先氨與次氯酸鹽反應(yīng)生成氯胺。

NH3+ HClO=NH2Cl + H2O

(1)

生成的氯胺繼續(xù)與溶液中游離的水楊酸根離子反應(yīng)生成一個(gè)中間產(chǎn)物

(2)

第三步反應(yīng)為氨基水楊酸轉(zhuǎn)變?yōu)轷珌啺贰?/p>

(3)

最后，醌亞胺與水樣酸縮合生成靛酚藍(lán)。

(4)

生成的靛酚藍(lán)的吸光度A與氨氮濃度成正比，符合朗伯比爾定律。通過測(cè)定顯色后樣品的A，利用定標(biāo)曲線即可計(jì)算出氨氮濃度。因此，通過對(duì)比A大小，即可反映出氨氮濃度。

水楊酸鈉-次氯酸鈉法即在25 mL水樣內(nèi)依次加入試劑檸檬酸鈉混合溶液、水楊酸鈉溶液、NaClO溶液各1 mL，混勻，采用去離子水做參比，用1 cm比色皿于654 nm波長處測(cè)其吸光度Aw。吸光度An=Aw-Ab。其中，Ab為試劑空白值，將An代入線性回歸方程，計(jì)算得出水樣中氨氮含量。

1.4水樣采集及處理方法

將放置6個(gè)月的印度洋海水用0.45 μm的濾膜過濾后，轉(zhuǎn)移至聚乙烯試劑瓶中備用，該海水氨氮含量較低，用于配制工作曲線。

在天津市塘沽采集24個(gè)站位的表層海水水樣并冷凍保存，帶回實(shí)驗(yàn)室解凍后，用于測(cè)量氨氮濃度。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)氨氮測(cè)量效果的影響

在一定溫度范圍內(nèi)，反應(yīng)溫度越高，顯色速率越快；但是當(dāng)溫度高于一定值時(shí)，會(huì)引起有機(jī)氮化物的水解而帶來正干擾，也可能在高溫堿性條件下引起氨的揮發(fā)[22]，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合營養(yǎng)鹽分析儀測(cè)量的要求，選擇17.5、25、35 ℃ 3組溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。取過濾后的印度洋海水配制濃度為250 μg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定吸光度隨時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 溫度對(duì)氨氮測(cè)量效果的影響Fig.1 Effects of temperatures on ammonia nitrogen detection

由圖1可以看出，在不同溫度下，剛開始時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率很小，隨著時(shí)間的增加，化學(xué)反應(yīng)速率迅速增大，最后趨于平穩(wěn)。在同一反應(yīng)時(shí)間，隨著反應(yīng)體系溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率明顯增大。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)不同，在線儀器監(jiān)測(cè)需要兼顧最短反應(yīng)時(shí)間與最佳反應(yīng)效果，因此需要選取最優(yōu)的反應(yīng)時(shí)間。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬確定將氨氮測(cè)量溫度控制在35 ℃，在化學(xué)反應(yīng)時(shí)間10 min時(shí)開始測(cè)量。

2.2正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化試劑配比及用量

為確定最佳試劑配比，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)考察各試劑濃度對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。

表1 正交實(shí)驗(yàn)1計(jì)算結(jié)果Table 1 The result of orthogonal test 1

注：“—”表示無計(jì)算值。

由表1結(jié)果可知，水楊酸鈉、NaOH、硝普鈉鹽、NaClO對(duì)顯色反應(yīng)均有影響。其中，硝普鈉鹽的R為0.043，對(duì)顯色反應(yīng)影響最大，NaClO對(duì)顯色反應(yīng)的影響最小。

圖2 測(cè)量結(jié)果與水楊酸鈉濃度關(guān)系曲線Fig.2 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of Sodium Salicylate

圖3 測(cè)量結(jié)果與NaOH濃度關(guān)系曲線Fig.3 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

圖4 測(cè)量結(jié)果與硝普鈉鹽濃度關(guān)系曲線Fig.4 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium nitroprussiade

圖5 測(cè)量結(jié)果與NaClO濃度關(guān)系曲線Fig.5 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO results and the concentration of sodium nitroprussiade

正交實(shí)驗(yàn)2的實(shí)驗(yàn)方法為確定水楊酸鈉、硝普鈉鹽的濃度分別為50、5 g/L，檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaOH、NaClO 4個(gè)因素做正交實(shí)驗(yàn)。見表2。

表2 正交實(shí)驗(yàn)2計(jì)算結(jié)果Table 2 The result of orthogonal test 2

注：“—”表示無計(jì)算值。

由表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaOH、NaClO的極差R分別為0.008、0.017、0.086、0.011。當(dāng)確定水楊酸鈉和硝普鈉鹽的濃度時(shí)，NaOH對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響最大，其次為EDTA二鈉鹽、NaClO、檸檬酸鈉。

圖6 測(cè)量結(jié)果與檸檬酸鈉水平關(guān)系曲線Fig.6 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium citrate

圖7 測(cè)量結(jié)果與EDTA二鈉鹽濃度關(guān)系曲線Fig.7 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of EDTA-Na2

圖8 測(cè)量結(jié)果與NaOH濃度關(guān)系曲線Fig.8 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

圖9 測(cè)量結(jié)果與NaClO濃度關(guān)系曲線Fig.9 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO

綜合上述兩個(gè)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，選擇水楊酸鈉、硝普鈉鹽、NaOH、檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaClO有效氯的濃度分別為50、5、30、200、25、1.4 g/L。為減少試劑種類，簡化現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的操作步驟，采取試劑混合配制。將檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、硝普鈉鹽3種試劑混配，濃度分別為200、25、5 g/L；水楊酸鈉溶液中水楊酸鈉和NaOH的濃度為50、30 g/L；NaClO溶液中有效氯濃度為1.4 g/L。

2.3水楊酸鈉-次氯酸鈉法與靛酚藍(lán)法比對(duì)結(jié)果

采用優(yōu)化后的水楊酸鈉-次氯酸鈉法和《海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范》(GB 17378.4—2007)規(guī)定的靛酚藍(lán)法，同時(shí)測(cè)定24個(gè)塘沽海水水樣。圖10為2種方法測(cè)定結(jié)果比較圖。圖11為測(cè)量濃度的變化趨勢(shì)圖。

圖10 2種方法測(cè)定結(jié)果比較Fig.10 Contrasts of ammonium concentration determined by the two methods

圖11 2種方法測(cè)定結(jié)果變化趨勢(shì)Fig.11 The tendency chart of the ammonium determined by the two methods

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，靛酚藍(lán)法和水楊酸鈉-次氯酸鈉法測(cè)定結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)，2種方法測(cè)定結(jié)果線性相關(guān)系數(shù)R=0.991，具有良好的相關(guān)性。同時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，計(jì)算得t=1.08，查t值表P(2)，t(0.05，23)=2.07，1.08<2.07，所以2種測(cè)試方法差異不顯著。

2.4方法適用性范圍研究

使用印度洋海水配制濃度為 0、50、100、200、400、600 μg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，在35 ℃下測(cè)量其反應(yīng)10 min時(shí)的吸光度，并對(duì)測(cè)量結(jié)果做工作曲線，結(jié)果見圖12。

圖12 工作曲線Fig.12 Woking curve

由圖12可知，方法線性度為0.999 1，說明研究所確定的水楊酸鈉-次氯酸鈉法在氨氮濃度為0～600 μg/L時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性。

2.5準(zhǔn)確度與精密度實(shí)驗(yàn)

用印度洋海水配制濃度為60、120 μg/L的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，分別取6組標(biāo)液水浴恒溫穩(wěn)定于35 ℃，加入試劑反應(yīng)10 min后分別平行測(cè)量6組標(biāo)液的吸光度，并計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和回收率。標(biāo)液的測(cè)量濃度值見表3。測(cè)量濃度的精密度和回收率計(jì)算結(jié)果見表4。

表3 測(cè)量濃度值Table 3 The measured concentration value

表4 精密度和回收率計(jì)算結(jié)果Table 4 The result of accuracy and precision detection

由表4可知，用優(yōu)化后的方法測(cè)量濃度為60、120 μg/L的樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%，可滿足營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀的要求[16]。

3 結(jié)論

1)通過正交實(shí)驗(yàn)確定最佳試劑配比，檸檬酸鈉混合溶液中EDTA二鈉鹽、檸檬酸鈉、硝普鈉鹽濃度分別為25、200、5 g/L；水楊酸鈉溶液中水楊酸鈉、NaOH濃度分別為50、30 g/L；NaClO有效氯濃度為1.4 g/L。

2)用水楊酸鈉-次氯酸鈉法和靛酚藍(lán)法同時(shí)測(cè)定24個(gè)現(xiàn)場(chǎng)海水樣品，兩種方法測(cè)量結(jié)果線性相關(guān)性良好且變化趨勢(shì)相同，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)，2種方法測(cè)試結(jié)果無顯著差異。

3)采用優(yōu)化后的水楊酸鈉-次氯酸鈉法，在溫度為35 ℃，反應(yīng)時(shí)間為10 min時(shí)，測(cè)量氨氮濃度分別為60、120 μg/L的水樣的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%，可滿足儀器現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)量的要求。該方法試劑無毒，為營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀氨氮測(cè)量提供一種環(huán)?？尚械姆治龇椒?。

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StudyontheRapidDetectionofAmmoniaNitrogeninSeawaterUsingSodiumSalicylateandSodiumHypochloriteMethod

HUANGFU Mimi1,2, QU Jianqiang1, LI Yan2, XU Ge3, SHI Jun3, DU Junlan2, HOU Chunyang2

1.School of Science, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2.National Ocean Technology Centre, Tianjin 300111, China 3.Haikou Ocean Environmental Monitoring Centre Station, Haikou 570311, China

X830.2

A

1002-6002(2017)03- 0126- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.19

2016-02-23;

2016-03-08

國家海洋局海洋公益性項(xiàng)目(201505007)

皇甫咪咪(1991-)，女，河南焦作人，碩士，助理工程師。

曲建強(qiáng)