化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量

王 燕, 劉素美, 任景玲, 張桂玲

(中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量

王 燕, 劉素美, 任景玲, 張桂玲

(中國海洋大學(xué) 海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100)

傳統(tǒng)分光光度法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量時(shí)檢測限較高, 無法測定部分海洋表層及寡營養(yǎng)鹽海域低含量的硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度, 急需采用一種新的測定低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽的方法。化學(xué)發(fā)光法用于測定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量, 具有靈敏度高、檢測限低、樣品用量少, 不受懸浮顆粒物、有色物質(zhì)影響及樣品批量測定等優(yōu)點(diǎn)。本文通過探索載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等關(guān)鍵因素對反應(yīng)信號(hào)值的影響, 在實(shí)驗(yàn)室建立了用化學(xué)發(fā)光測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法, 并確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。該方法測定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度的檢測限為10 nmol/L, 當(dāng)樣品濃度為200、400 nmol/L時(shí), 精密度分別為5%和3%。

硝酸鹽; 亞硝酸鹽; 化學(xué)發(fā)光法; 低濃度; 天然水體

無機(jī)氮作為海洋浮游植物生長必需的營養(yǎng)元素,在海洋生物地球化學(xué)循環(huán)過程中起著重要的作用。傳統(tǒng)的亞硝酸鹽的測定方法是重氮偶氮分光光度法,是通過鎘銅柱還原成后按照的方法測定。傳統(tǒng)的分光光度方法測定海水中和的檢測限分別為100 nmol/L和20 nmol/L[1]。而大洋中存在很多寡營養(yǎng)鹽海區(qū), 這些海域的和濃度很低, 如西弗羅里達(dá)陸架海區(qū),和濃度總和僅為 60～110 nmol/L, 無法用傳統(tǒng)分光光度法測定[2-3]。

國外學(xué)者研究用化學(xué)發(fā)光法測定氮氧化物已經(jīng)有很長的歷史。1970年 Fontijin 等[4]首先用化學(xué)發(fā)光法測定空氣中的NO; 1980年Cox[5]首次用化學(xué)發(fā)光法測定水體中低濃度的硝酸鹽和亞硝酸鹽; 1982年 Garside[6]成功用此法測定海水中的和1989年Braman等[7]改進(jìn)了方法的還原劑, 實(shí)現(xiàn)了樣品的批量測定。

化學(xué)發(fā)光法測定水體中 NO3-可選用的還原劑有(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合試劑[5-6]、VCl3[7]、TiCl3[8]等, 反應(yīng)需要較高的溫度(85～95℃)和較強(qiáng)的酸性條件(pH＜1); 此法測定時(shí)反應(yīng)條件較測定時(shí)溫和, 可選室溫及還原性較弱的還原劑, 如NaI[3,5,6]、Vc-HAc[9]等。對用 VCl3測定存在干擾, 不適合的測定。

還原劑VCl3與(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合試劑相比, 具有反應(yīng)酸度較低、可批量測定樣品的優(yōu)勢; 而混合試劑反應(yīng)時(shí)酸度較高, 只能測定單個(gè)樣品[7]。兩者相比, 用 VCl3作反應(yīng)的還原劑比混合試劑更具優(yōu)勢。本研究基于文獻(xiàn)[5-7]等報(bào)道的化學(xué)發(fā)光法, 選VCl3作反應(yīng)的還原劑, 通過探索載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)條件對反應(yīng)信號(hào)值的影響, 建立了用化學(xué)發(fā)光測定天然水體中低濃度硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法, 并確定了最佳實(shí)驗(yàn)條件。

1 試劑與方法

1.1 儀器和試劑

氮氧化物化學(xué)發(fā)光儀(美國 Teledyne公司);N2000色譜工作站(浙江大學(xué)智達(dá)信息工程有限公司); 高純氮?dú)?99.9999%); 濾膜(0.45μm); VCl3(美國 Alfa Aescar公司); HCl(優(yōu)級(jí)純); NaOH (優(yōu)級(jí)純)。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

化學(xué)發(fā)光法測定水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽的原理是： 將硝酸鹽和亞硝酸鹽選擇性地還原為 NO后,NO與臭氧反應(yīng)生成激發(fā)態(tài) NO2*, 激發(fā)態(tài) NO2*在返回基態(tài)的過程中放出光子, 產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。當(dāng)臭氧過量時(shí), 反應(yīng)放出的光子數(shù)與NO濃度呈正比[5], 即反應(yīng)信號(hào)值與硝酸鹽和亞硝酸鹽含量成正比。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在反應(yīng)器中加入 10 mL VCl3, 調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度,通過進(jìn)樣閥將樣品注入反應(yīng)器中, 反應(yīng)生成的 NO在高純氮?dú)獾妮d帶下先后經(jīng)冷凝管(冷凝水蒸氣)、NaOH溶液(除酸性氣體)、微孔過濾器(0.45 μm濾膜)后進(jìn)入氮氧化物化學(xué)發(fā)光儀, 與 O3反應(yīng), 產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光, 記錄信號(hào)值(圖1)。

圖1 化學(xué)發(fā)光法測定硝酸鹽、亞硝酸鹽實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Apparatus arrangement

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳實(shí)驗(yàn)條件探索

2.1.1 反應(yīng)溫度對反應(yīng)信號(hào)值的影響

實(shí)驗(yàn)中測定了從80～200℃選擇的13個(gè)溫度下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào))隨溫度的變化趨勢(圖2)。積分峰高信號(hào)值隨反應(yīng)溫度的升高呈現(xiàn)先增加后基本保持不變的變化趨勢。積分峰面積信號(hào)值則受溫度影響較小, 當(dāng)反應(yīng)溫度高于120℃時(shí), 積分峰面積信號(hào)值基本保持不變, 各信號(hào)值之間相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.94%。選反應(yīng)過程中信號(hào)較穩(wěn)定的積分峰面積作反應(yīng)信號(hào), 同時(shí)選150℃為最佳反應(yīng)溫度。

2.1.2 還原劑VCl3濃度對反應(yīng)信號(hào)值的影響

通過改變還原劑濃度, 實(shí)驗(yàn)測定了 0.01 ～0.175 mol/L濃度范圍內(nèi), 12組不同濃度下反應(yīng)信號(hào)隨還原劑濃度的變化趨勢。反應(yīng)信號(hào)(積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào))隨 VCl3濃度的變化趨勢與反應(yīng)溫度相似(圖3)。積分峰高信號(hào)值隨VCl3濃度的增加先增大,當(dāng)VCl3濃度大于0.03 mol/L時(shí)積分峰高信號(hào)值緩慢增加。積分峰面積信號(hào)值隨VCl3濃度的增加基本保持不變, 僅當(dāng) VCl3濃度小于 0.03 mol/L時(shí), 積分峰面積信號(hào)值稍大。選反應(yīng)過程中信號(hào)較穩(wěn)定的積分峰面積作反應(yīng)信號(hào), 同時(shí)選 VCl3最佳反應(yīng)濃度為0.1 mol/L。

圖2 溫度對反應(yīng)信號(hào)值的影響(數(shù)據(jù)均為3次平行測定結(jié)果)Fig.2 The effect of temperature on nitrate response signals(The values are the mean of 3 determinations for each experimental condition)

圖3 還原劑 VCl3濃度對反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測定的結(jié)果)Fig. 3 The effect of VCl3 concentration on nitrate response signals

2.1.3 HCl濃度對反應(yīng)信號(hào)值的影響

通過改變HCl濃度, 測得12組不同濃度下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高、峰面積信號(hào)值)(圖 4)。本組實(shí)驗(yàn)中, 積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào)變化相似, 均隨 HCl濃度的增加先增加后基本保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 當(dāng)HCl濃度大于0.5 mol/L時(shí), 積分峰高信號(hào)、積分峰面積信號(hào)基本保持不變。為確保樣品的批量測定, 選 HCl最佳反應(yīng)濃度為2 mol/L。

圖4 HCl濃度對反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測定的結(jié)果)Fig. 4 The effect of the HCl concentration on nitrate response signals

2.1.4 載氣流速對反應(yīng)信號(hào)值的影響

實(shí)驗(yàn)測定了7組載氣流速下的反應(yīng)信號(hào)值(積分峰高及峰面積信號(hào)值), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明積分峰高信號(hào)及積分峰面積信號(hào)值隨載氣流速的增加不存在較穩(wěn)定的信號(hào)值(圖 5)。載氣流速增加, 積分峰高信號(hào)值先增加后降低, 當(dāng)流速為480 mL/min時(shí)積分峰高信號(hào)值最大。積分峰面積信號(hào)值則隨載氣流速的增加而逐漸降低。參照儀器測定空氣時(shí)的流速, 選 480 mL/min為最佳流速。

綜合載氣流速、反應(yīng)溫度、還原劑濃度及酸度等實(shí)驗(yàn)條件對反應(yīng)信號(hào)值的影響, 選較穩(wěn)定的積分峰面積信號(hào)作反應(yīng)信號(hào)值, 同時(shí)選0.1 mol/L VCl3、2 mol/L HCl、150℃和480 mL/min載氣流速作為臭氧化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的最佳反應(yīng)條件。

2.2 化學(xué)發(fā)光法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的鹽效應(yīng)

配制8組已知濃度、鹽度不同的樣品, 用化學(xué)發(fā)光法測定樣品中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量, 反應(yīng)的回收率在97%～103%之間(表1), 表明鹽度對化學(xué)發(fā)光法測定水體中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量沒有影響。

2.3 化學(xué)發(fā)光法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率

選取12組不同濃度的天然海水、雨水及河水樣品, 向其中加入硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液(表 2)。此法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率在 88.9%～111.1%之間, 大多在95%～105%之間。

圖5 載氣流速對反應(yīng)信號(hào)值的影響(圖中數(shù)據(jù)均為3次平行測定的結(jié)果)Fig. 5 The effect of flow rate on nitrate response signals

表1 鹽度對化學(xué)發(fā)光法的影響Tab. 1 The Effect of salt concentration on the measured values

表2 天然水體加標(biāo)實(shí)驗(yàn)Tab. 2 Natural waters spiked with stardard materials

2.4 化學(xué)發(fā)光法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的檢測限、精密度

化學(xué)發(fā)光法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽主要是測定NO氣體的物質(zhì)的量, 與反應(yīng)中的樣品濃度沒有直接關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中測定了200 μL和1 mL兩種進(jìn)樣體積下的工作曲線, 如表3所示。

表3 工作曲線Tab. 3 Calibration curves

平行測定5組超純水樣品, 根據(jù)檢測限等于3倍樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差的定義, 測得化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽及亞硝酸鹽含量的檢測限為 10 nmol/L;當(dāng)樣品濃度為200 nmol/L、400 nmol/L時(shí), 精密度分別為5%和3%。

2.5 方法優(yōu)缺點(diǎn)

化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量, 具有靈敏度高、檢出限低、樣品用量少、樣品批量測定、不受懸浮顆粒物及有色物質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí), 此法干擾雜質(zhì)少, 亞硝基化合物中, 只有亞硝基二苯胺產(chǎn)生NO, 烷基類硝酸鹽和亞硝酸鹽在酸性條件下可分解生成和生干擾[4-7]。但與營養(yǎng)鹽自動(dòng)分析儀相比, 此法測定樣品時(shí)間稍長, 每個(gè)樣品需3 min, 測樣速度稍慢。離子, 對反應(yīng)產(chǎn)

3 化學(xué)發(fā)光法與傳統(tǒng)分光光度法結(jié)果對比

分別用分光光度法和化學(xué)發(fā)光法測定中國近海、高隆灣、海南萬泉河等50組樣品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽含量(圖 6)。兩組數(shù)據(jù)之間的相對誤差為3.65%, 呈現(xiàn)顯著的線性相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明用兩種方法測定天然水體中硝酸鹽與亞硝酸鹽含量方法具有一致性, 不存在顯著差異。

圖6 傳統(tǒng)分光光度法與化學(xué)發(fā)光法分別測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的對比Fig. 6 Correlation between the chemiluminescent technique and the conventional spectrophotometric method

4 小結(jié)

(1) 通過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件探索, 建立了化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的方法,并確定了實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件, 即： VCl3濃度 0.1 mol/L、HCl 濃度2 mol/L、反應(yīng)溫度150℃和載氣流速 480 mL/min。

(2) 化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量的回收率在95%～105%之間, 檢測限為10 nmol/L, 當(dāng)樣品濃度為200 nmol/L、400 nmol/L時(shí),精密度分別為5%和3%。

(3) 同傳統(tǒng)分光光度法一樣, 鹽度對化學(xué)發(fā)光法測定天然水體中硝酸鹽和亞硝酸鹽含量也沒有影響。

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Chemiluminescent measurement of low concentrations of nitrate and nitrite

WANG Yan, LIU Su-mei, REN Jing-ling, ZHANG Gui-ling
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Jun., 20, 2009

nitrate; nitrite; low concentration; natural water; chemiluminescence

Chemiluminescent technique was applied for the determination of nanomolar quantities of nitrate and nitrite. Suspended particles and chromaphores did not interfere and were hence not necessary to be removed. The optimal experimental conditions with detection limit of 10 nmol/L were set up in the laboratory. The relative standard deviation was 5% at the 200 nmol/L level and 3% at the 400 nmol/L level. At wider detected range, greater accuracy and precision were obtained for this technique comparing to the conventional spectrophotometric methods.Consistent results were obtained when the concentrations of nitrate and nitrite in seawater and river water samples were measured using these two methods.

P734.4+4

A

1000-3096(2011)05-0095-05

2009-06-20;

2009-09-30

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(40876054, 40730847); 教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(108081); 科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB4006)

王燕(1984-), 女, 山東泰安人, 碩士研究生, 主要從事海洋中無機(jī)氮的研究,電話： 15140545384, E-mail： wyzplforever@163.com

康亦兼)