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紫外分光光度法和流动注射法测定水样中总氮的比对研究

2024-10-30 57 上传者：管理员

摘要：针对实际样品总氮的测定，于实验室内对采用流动注射法代替紫外分光光度法进行测定的可靠性进行评估。分为两个实验：两种方法的质量控制实验与两种方法的比对实验。对于质量控制实验，测定结果均符合标准方法质控要求：曲线相关系数R≥0.999；计算检出限与计算测定下限分别小于方法检出限与测定下限；空白值、重复多次测定的相对标准偏差、加标回收率、有证标准样品测定均符合方法与证书要求。对于方法比对实验，采用两种方法对22组工业废水进行总氮测定，对其差异性进行t检验评估，其p值为0.054(大于0.05)。证明采用两种方法进行总氮测定无显著性差异，采用流动注射法代替紫外分光光度法是可靠的。此外，对影响总氮测定结果的可能因素(试剂品质与纯度、流动注射系统、pH、金属离子与非金属离子)也进行了探讨，得出干扰因素对此次实验的总氮测定影响较小的结论。

关键词：
总氮
比对实验
流动注射
碱性过硫酸钾消解紫外分光光度
质量控制
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1、引言

分光光度法作为一项重要分析方法，广泛应用于环境监测。另一方面，水中的总氮含量是衡量水质的重要指标之一，一定程度反映水体被污染和自净状况。然而，现今环境监测测定总氮采用最多的碱性过硫酸钾紫外分光光度法存在着前处理操作繁琐、测定干扰因素多、测定流程时间长、易出现空白样品吸光度过高的情况等诸多缺点。相比而言，由于在线消解的特性，采用流动注射仪可以大大减少测定时间。特别是遇到样品浓度过高的情况，采用手工法的实验人员需要将样品稀释后重新进行前处理操作，同时要再次制作空白样、曲线校准点等一系列质控样品，费时费力。而流动注射分析人员只需在操作软件上简单地点击几次鼠标即可完成，新增样品的数据也将在数分钟内得到。

考虑这一现实意义，本文将围绕采用流动注射法代替紫外分光光度法进行总氮分析的可靠性进行研究。

2、总氮测定方法与理论概述

2.1 总氮测定标准方法

对于两种总氮分析方法，现有对应的国家环境标准方法：碱性过硫酸钾紫外分光光度法[1]，以及流动注射——盐酸萘乙二胺分光光度法[2]。

在本文涉及的实验过程中，样品的采集与保存、相关试剂的配制与实验操作均严格按照上述对应标准或仪器指导手册执行。

2.2 总氮测定方法对比

表1为采用两种方法测定总氮的原理与其他基本情况的对比。与紫外分光光度法相比，流动注射法虽然需要配制更多的试剂，但测样过程耗时显著缩短，操作更简便。在实验人员熟悉仪器使用操作的前提下，可大大提高效率。

表1 流动注射法与紫外分光光度法基本情况对比

3、流动注射分析基本原理

1975年丹麦化学家J.Ruzicka和E.H.Hansen提出了流动注射分析(Flow injection analysis,FIA)的概念，提出了化学分析可以在非平衡的动态条件下进行的观点[3]。由于其快捷、操作简便、精确度高、分析效率与自动化程度高等优点，现今已被广泛应用于环境监测领域[4]。

流动注射分析主要构成部分可分为自动进样器(S)、蠕动泵驱动系统(p)、反应器(RC)、检测器(D)及管路与废液收集系统[5]，见图1。

图1 FIA基本流程图

载流利用蠕动泵以恒定流速流入管路，再加入试样与一系列所需的特定比例的反应试剂(消解剂、缓冲剂、显色剂等)，试样在反应器与管路中与试剂按顺序发生不完全反应，最后于检测器(分光光度计、原子吸光光度计、荧光计等)中测量对应信号值。针对总氮测定的流动注射仪采用分光光度计作为其检测器，试样通过蠕动泵流入管路后与过硫酸钾消解液混合，依次通过105℃的加热圈、紫外装置，之后将偏重亚硫酸钠加入管路，依次通过混合圈和脱气装置后，与载流、氯化铵缓冲液混合，经过镉柱后与磺胺显色剂反应，通过混合圈使显色反应充分进行，最后于检测池在540 nm处测量信号值。

4、总氮分析方法比对研究

为了探究采用流动注射法代替紫外分光光度法在日常监测应用的可靠性与可行性，采用紫外分光光度法与流动注射法对一批工业废水水样进行总氮比对测定。实验所采用的设备与试剂如下：

仪器设备：全自动流动注射分析仪，北京吉天，iFIA7型。紫外可见分光光度计，岛津，UV-1780。试剂：过硫酸钾(SIGMA-ALDRICH，纯度≥99.0%)、氢氧化钠(上海麦克林生化科技有限公司，优级纯)、浓盐酸(广州化学试剂厂，优级纯)、四硼酸钠(麦克林，分析纯，纯度≥99.5%)、焦亚硫酸钠(麦克林，分析纯，纯度≥96.0%)、氯化铵(光复科技，优级纯，纯度≥99.8%)、二水合乙二胺四乙酸二钠(麦克林，分析纯，纯度≥98%)、85%磷酸(麦克林，优级纯)、磺胺(麦克林，分析纯，纯度≥99.5%)、N-(1-萘基)乙二胺盐酸盐(国药集团，分析纯，纯度≥99.8%)、1000μg/mL总氮标液(国家有色金属及电子材料分析测试中心，GSB 04-2837-2011(b)，唯一标识：16B055-2)。

4.1 质量控制实验

为保证实验质量，对实际样品测定前先进行一系列质控实验。

4.1.1 标准曲线

使用1000μg/mL总氮标液配制低浓度总氮使用液，绘制标准曲线。流动注射法标准曲线截距a=2.5×10-2，斜率b=7.9×10-2,R=0.9998；紫外分光法标准曲线截距a=2.4×10-3，斜率b=9.8×10-2,R=0.9999，均符合标准要求。

4.1.2 检出限及测定下限(流动注射法)

按照《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ168-2020)[6]附录A的要求，采用流动注射法对某低浓度企业废水样品进行7次平行测定，计算方法检出限MDL=t(n-1,α=0.99)×S，当测定次数n=7时，t=3.143。4倍检出限作为测定下限。结果见表2。

表2 方法检出限、测定下限测试

通过计算得到该组数据的标准偏差S为8.85×10-3，代入公式MDL=t(n-1,α=0.99)×S=0.028 mg/L，该方法的检出限MDL约为0.03 mg/L，测定下限为0.12 mg/L，符合标准要求。

4.1.3 空白实验

采用两种方法分别进行空白样品的测定：紫外分光法测定三个空白样品，校正吸光度为0.0229、0.0232、0.0253，均小于0.030；流动注射法测定两个空白样品，结果均为0.00 mg/L，两种方法的空白测定结果均符合标准要求。

4.1.4 精密度与准确度

采用流动注射法与紫外分光法对原环境保护部标准样品研究所的总氮标准样品(编号为GSB 07-3168-2014)进行6次平行测定，结果见表3。

表3 总氮标准样品平行测定

由表3可知，两种方法的测定结果的相对标准偏差RSD都≤5%，且在标准样品的不确定度范围内，结果可信。

此外，选取两组样品(实际样品13、实际样品15)，采用两种方法分别对其进行加标回收实验，每组进行6次平行测定，结果见表4。

表4 总氮加标样品测定数据

由表4可知，紫外分光法的回收率为97.0%～101.9%；流动注射法回收率为97.9%～102.3%，均符合对应的标准方法要求。

4.2 实际水样测定

对22个工业废水水样进行测定。对于某些超出曲线浓度的样品，对其进行适当稀释后再次测定，得出最终结果。对于每种方法的每个水样，设置平行双样，其结果以双样的平均值呈现，见表5。

表5 22个总氮实际样品的对比测定

按照《环境监测分析方法标准制修订技术导则》(HJ168-2020)[6]附录B的要求，对表5中测定数据进行配对t检验(未检出样品不纳入计算)，得到p值为0.054，大于0.05。因此，流动注射法测定结果对于紫外分光光度法而言无显著差异。此外，对于平行双样，两种国标方法都说明浓度大于1 mg/L样品相对偏差不得超过5%，小于1 mg/L样品不得超过10%。按这个思路进行上表中两种方法测定结果的比对，每组相对偏差都符合要求，这从另一个方面验证了采用两种方法得到的结果有较高的一致性。

虽然结果呈现出较高相似度，但仍存在着相对偏差较大的个别样品，如实际样品5、实际样品10，其相对偏差都位于4.8%～5.0%的范围。考虑到实际水样的复杂性，找到其干扰因素由此减小相似样品的误差具有重要的实际意义，应从多个方面进行考虑。

4.3 实验条件与干扰因素

4.3.1 试剂品质与纯度

对于两种方法而言，过硫酸钾作为消解物质，应严格保证其纯度和品质，否则会影响消解效果[7]。本实验采用品质较高的过硫酸钾与氢氧化钠，且空白实验测定结果符合标准要求，由此可推测试剂质量合格，并未影响总氮消解过程。

4.3.2 流动注射系统

流动注射仪出现的以下几种问题会对测定产生影响：

(1)管路或流通池内产生气泡影响出峰。

(2)仪器消解效率过低。

(3)镉柱失效。

针对(1)情况，应通过观察出峰形状和位置与管路中气泡产生来源进行解决。一方面应对试剂进行充分脱气，另一方面对可能导致漏气的管路或接头进行排查及更换。

对于(2)情况，可按标准采用氨基乙酸与硝酸钾标液进行测定，通过公式计算消解效率。考虑到以上质控实验与比对实验采用两种方法均呈现较好拟合度，可排除仪器消解效率低影响测定的可能。

对于(3)情况，依据标准，利用镉柱将亚硝酸氮氧化为硝酸氮的原理，分别采用亚硝酸氮标样与硝酸氮标样，通过计算后者测定值是否比前者低10%来判断镉柱是否失效。

实验中，分别使用原环境保护部标准样品研究所的硝酸氮标液(编号：GSB 05-1144-2000；批号：102117;500 mg/L)与亚硝酸氮标液(编号：GSB 07-1272-2000；批号：103308;100 mg/L)配制出浓度为5 mg/L的硝酸氮标液与亚硝酸氮标液进行测定，结果见表6。

表6 对硝酸氮标液与亚硝酸氮标液进行测定

由表6容易看出，测定结果不符合镉柱失效的条件，可排除镉柱失效的可能。

4.3.3 pH

根据相关研究表明[8]，当试样pH≤1或pH≥10，其总氮测定结果会有较大波动。因此，本次对比实验使用两种方法测试样品前，均将pH调至5～9以减小pH对测定结果带来的影响。

4.3.4 金属离子、非金属离子

参考两种方法的国家标准，铜、碘离子、溴离子、六价铬、三价铁、氯离子、铜离子、铁离子超过一定浓度时均有可能对总氮测定产生影响。此外，当碘离子含量相对于总氮含量的2.2倍以上，溴离子含量相对于总氮含量的3.4倍以上时，对测定产生干扰。

此批工业废水主要来自电路板与精细化工行业废水，对其需要重点关注的污染指标有COD，总磷，总氮，氨氮，氰化物与铜、镍等金属离子。

经过实验室测定，此批样品的金属离子的浓度处于极低水平(或为未检出)，可判断其未对总氮测定产生影响。同时考虑相关行业废水的特殊性，碘离子与溴离子的含量应处于未检出水平，排除其对总氮测定影响。此外，对于流动注射法，已于磷酸蒸馏试剂中加入EDTA以消除金属离子干扰。

5、总结

两种方法的质量控制实验与比对实验的总氮测定结果都表明两种方法都具有较高的准确度与精密度，对于实际工业废水样品的测定结果具有较高一致性，能够准确地呈现出实际样品的真实总氮含量。但对于实际样品的测定，需根据具体情况考虑试剂品质与纯度、流动注射系统、pH、金属离子、非金属离子等干扰因素对测定结果带来的影响。

综上所述，经过上述实验的验证，在干扰因素得到有效控制的前提下，采用流动注射法代替紫外分光光度法进行日常实际样品的总氮测定是可靠的。

参考文献:

[1]环境保护部.HJ 668-2013水质总氮的测定流动注射——盐酸萘乙二胺分光光度法[S].2013.

[2]环境保护部.HJ 636-2012水质总氮的测定碱性过硫酸钾紫外分光光度法[S].2012.

[3]李明,陈焕文.流动注射分析技术的若干进展[J].分析仪器,2003,(03):1-5.

[4]李锦昕,马惠昌.流动注射分析方法概述[J].干旱环境监测,2001,15(01):45-50.

[5]郑璇,李莉.浅谈流动注射分析方法及其在环境监测中的应用[J].广东化工,2014,41(18):239-241.

[6]环境保护部.HJ 168-2020环境监测分析方法标准制修订技术导则[S].2020.

[7]欧登龙.过硫酸钾对总氮测定的影响与优化[J].广东化工,2016,43(11):266-267.

[8]刘婉秋,沈秋莹.水样中酸碱度对总氮测定的影响初探[J].环境科学导刊,2016,35:200-203.

文章来源:夏汝丞.紫外分光光度法和流动注射法测定水样中总氮的比对研究[J].广东化工,2024,51(20):174-176+187.