氣泡間隔連續(xù)流動(dòng)分析法用于氨氮在線監(jiān)測(cè)

趙 宇，張茗迪，董建民，劉子杰，張衛(wèi)宏

（中節(jié)能天融科技有限公司，北京 100085）

氣泡間隔連續(xù)流動(dòng)分析（CFA）法以其檢測(cè)速率快、自動(dòng)化程度高、試劑消耗量少而逐漸成為實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)的主流分析方法［1-4］，也是新水質(zhì)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)推出的主要側(cè)重方向，目前已有針對(duì)地表水、廢水中的總氮、總磷、氨氮實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法［5-7］。但該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析，需要滿足長(zhǎng)期有人值守、預(yù)制大批量樣品、廢液每日清理等前提條件。在地表水在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，目前采用的順序注射法因產(chǎn)生廢液量高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等問題阻礙了各水質(zhì)指標(biāo)的快速檢測(cè)和質(zhì)量控制功能的實(shí)現(xiàn)［8-19］。而截至目前，尚未有將CFA方法應(yīng)用于水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的報(bào)道。

本工作通過泵速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，考察了泵速變化對(duì)試劑消耗量、廢液產(chǎn)生量、信號(hào)波動(dòng)、出峰時(shí)間和檢測(cè)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而建立水樣中氨氮的CFA在線監(jiān)測(cè)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、材料和儀器

氯化銨、二水合亞硝基鐵氯化鈉、酒石酸鉀鈉、檸檬酸三鈉、鹽酸、氫氧化鈉、聚氧乙烯月桂醚、水楊酸鈉、二氯異氰脲酸鈉：均為優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水為新鮮制取、電阻率大于10 MΩ·cm（25 ℃）的無氨水。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液：稱取3.819 g氯化銨溶于水中，定容至1 000 mL，得到氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液，將其逐級(jí)稀釋即得所需標(biāo)準(zhǔn)溶液。

亞硝基鐵氰化鈉溶液：溶解0.5 g二水亞硝基鐵氯化鈉于300 mL水中，定容至500 mL。緩沖溶液：溶解33 g酒石酸鉀鈉、24 g檸檬酸三鈉于800 mL水中，定容至1 L，用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至5.2，最后加入3 mL 3%（w）聚氧乙烯月桂醚混勻。水楊酸鈉溶液：溶解25 g氫氧化鈉、80 g水楊酸鈉于800 mL水中，冷卻后定容至1 L。二氯異氰脲酸鈉溶液：溶解2.0 g二氯異氰脲酸鈉于300 mL水中，定容至500 mL。

HGCF-100型氣泡間隔連續(xù)流動(dòng)分析儀：北京海光儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在圖1所示的管路中，水樣和各溶液在蠕動(dòng)泵的推動(dòng)下進(jìn)入由石英管組成的密閉管路中，由蠕動(dòng)泵或電磁閥同時(shí)勻速輸入氣泡，將溶液按一定間隔規(guī)律隔開，在由氣泡分隔開的小腔室里混合、反應(yīng)，直至顯色完全后，通過浮力作用排出氣泡，各腔室溶液匯合進(jìn)入流通池進(jìn)行分光光度法檢測(cè)。由于整個(gè)反應(yīng)過程在毛細(xì)管路中進(jìn)行，具有預(yù)處理效率高、反應(yīng)速率快、安全性好、試劑消耗量小的優(yōu)勢(shì)。一個(gè)反應(yīng)全周期里包括“輸送反應(yīng)時(shí)間”和“出峰時(shí)間”，在實(shí)驗(yàn)室CFA法持續(xù)進(jìn)樣過程中，輸送反應(yīng)時(shí)間相互重疊，從而相對(duì)縮短了樣品檢測(cè)時(shí)間（如圖2所示）。對(duì)于在線監(jiān)測(cè)過程，采樣時(shí)間間隔較長(zhǎng)，輸送反應(yīng)時(shí)間無法重疊，所以一個(gè)反應(yīng)全周期既是檢測(cè)時(shí)間。

圖1 氨氮CFA法的流路圖

圖2 CFA連續(xù)檢測(cè)信號(hào)圖

通過蠕動(dòng)泵，將水樣與緩沖溶液混合，實(shí)現(xiàn)酸度調(diào)節(jié)和對(duì)干擾物質(zhì)的掩蔽；然后，依次與堿性水楊酸鈉溶液、亞硝基鐵氰化鈉溶液和二氯異氰脲酸鈉溶液混合；在堿性介質(zhì)中，水樣中的氨、銨離子與二氯異氰脲酸鈉溶液釋放出的次氯酸根反應(yīng)生成氯胺，在45 ℃加熱條件下和亞硝基鐵氰化鈉催化作用下，氯胺與水楊酸鹽反應(yīng)生成5-氨基水楊酸，然后進(jìn)一步縮合生成靛酚藍(lán)；在660 nm波長(zhǎng)處測(cè)定吸光度。由于試劑一直連續(xù)注入，所以660 nm波長(zhǎng)處獲得的信號(hào)是由淺入深又降為無色的顯色反應(yīng)產(chǎn)生的高斯曲線峰。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

按照表1所示實(shí)驗(yàn)參數(shù)（廠家建議儀器條件參數(shù)），結(jié)合《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范（試行）》HJ 915—2017［20］要求，每隔4 h對(duì)水樣進(jìn)行一次檢測(cè)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。具體檢測(cè)流程為：在原有實(shí)驗(yàn)室CFA檢測(cè)流程［20-21］連續(xù)進(jìn)水樣的基礎(chǔ)上，中斷其連續(xù)進(jìn)水樣過程，而以上次水樣出峰完全以及一個(gè)完整采樣周期結(jié)束后，進(jìn)樣器引入下一個(gè)水樣，開始新的檢測(cè)。上一個(gè)水樣檢測(cè)結(jié)束，新的水樣尚未準(zhǔn)備好的間隔期稱為待機(jī)，待機(jī)過程中改變?nèi)鋭?dòng)泵泵速，考察試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量的變化。檢測(cè)過程中，改變?nèi)鋭?dòng)泵泵速，考察吸光度信號(hào)的大小及其波動(dòng)性。確定最優(yōu)泵速后，以每4 h一次的采樣頻率，模擬在線監(jiān)測(cè)過程對(duì)水樣進(jìn)行測(cè)定。

表1 在線氨氮CFA法的設(shè)定參數(shù)

2 結(jié)果與討論

CFA法得以對(duì)水樣快速檢測(cè)的前提條件是樣品連續(xù)進(jìn)入反應(yīng)系統(tǒng)，而對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，樣品采集周期一般為1～4 h，這就造成樣品進(jìn)樣間隔時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，此時(shí)試劑輸送時(shí)間成為主要耗時(shí)因素。同時(shí)，檢測(cè)之間的待機(jī)過程也會(huì)造成大量試劑的浪費(fèi)和較多廢液的產(chǎn)生。為此，本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室CFA方法的基礎(chǔ)上，考察了相關(guān)因素的影響。

2.1 泵速對(duì)廢液產(chǎn)生量的影響

待機(jī)時(shí)間內(nèi)的蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)動(dòng)是為了系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，避免局部加熱造成檢測(cè)的不穩(wěn)定以及試劑的析出。若待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)速與工作狀態(tài)轉(zhuǎn)速相同，則會(huì)消耗大量試劑，并產(chǎn)生廢液。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了2～12 r/min轉(zhuǎn)速下各試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量（結(jié)果見圖3），發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速下降，試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量明顯降低。模擬實(shí)際工作中每4 h檢測(cè)一次，待機(jī)時(shí)間230 min內(nèi)，2 r/min轉(zhuǎn)速下廢液產(chǎn)生量比工作狀態(tài)減少80%以上。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇2 r/min為待機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 待機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)試劑消耗量和廢液產(chǎn)生量的影響

2.2 泵速對(duì)檢測(cè)時(shí)間和基線的影響

蠕動(dòng)泵的工作轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)反應(yīng)速率以及系統(tǒng)壓力產(chǎn)生影響。泵速太小會(huì)造成濃度擴(kuò)散嚴(yán)重，檢測(cè)峰形拖尾，靈敏度降低；泵速太大會(huì)造成系統(tǒng)壓力過大，泵管柔韌性受損。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了工作轉(zhuǎn)速在5～40 r/min范圍內(nèi)檢測(cè)時(shí)間（出峰時(shí)間和峰寬之和）的變化，結(jié)果見圖4。從圖4可以看出：隨著工作轉(zhuǎn)速的增加，出峰逐漸提前，峰寬變窄；當(dāng)泵速大于25 r/min時(shí)，峰寬和出峰時(shí)間的變化逐漸平穩(wěn)。

圖4 工作轉(zhuǎn)速對(duì)檢測(cè)時(shí)間的影響

蠕動(dòng)泵從低泵速切換到高泵速時(shí)，由于壓力驟增，會(huì)造成壓力的劇烈波動(dòng)，本實(shí)驗(yàn)研究了波動(dòng)時(shí)間（從進(jìn)樣器切換造成基線波動(dòng)到基線平穩(wěn)所用的時(shí)間）、間隔時(shí)間（波動(dòng)平穩(wěn)后與出峰之間的時(shí)間間隔）和波動(dòng)極值（光譜信號(hào)最大值與最小值之差）的變化，結(jié)果見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出：雖然波動(dòng)極值在工作轉(zhuǎn)速20～25 r/min范圍內(nèi)有所減小，但隨工作轉(zhuǎn)速的增加整體仍呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)；在工作轉(zhuǎn)速大于25 r/min時(shí)，波動(dòng)時(shí)間逐漸縮短至2 min之內(nèi)，同時(shí)與信號(hào)峰保持約0.5 min的時(shí)間間隔，對(duì)檢測(cè)出峰不產(chǎn)生影響。

圖5 工作轉(zhuǎn)速對(duì)波動(dòng)極值的影響

2.3 泵速對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性的影響

泵速對(duì)反應(yīng)進(jìn)行程度產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性。由于工作轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)檢測(cè)時(shí)間太長(zhǎng)，故研究范圍取10～40 r/min。本實(shí)驗(yàn)考察了不同工作轉(zhuǎn)速下氨氮顯色反應(yīng)的穩(wěn)定性，對(duì)2.00 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行連續(xù)6次檢測(cè)，用測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）表征檢測(cè)的穩(wěn)定性。從圖6可知，在工作轉(zhuǎn)速10～40 r/min范圍內(nèi)，RSD均小于5%：在10～25 r/min范圍內(nèi)，RSD先升高后降低，這是受泵速變化引起基線波動(dòng)的影響；在25～40 r/min之間，RSD在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并在40 r/min時(shí)處于最低值。綜合考慮出峰時(shí)間和泵管壽命等因素，本實(shí)驗(yàn)選擇25 r/min為實(shí)驗(yàn)所用工作轉(zhuǎn)速。

圖6 工作轉(zhuǎn)速對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性的影響

綜合分析圖4、圖5和圖6，在25 r/min工作轉(zhuǎn)速下，輸送反應(yīng)時(shí)間為3 min，出峰時(shí)間約為2 min，即在5 min檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。

2.4 線性關(guān)系、精密度和檢出限

按照水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)要求，常規(guī)采用單點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，本實(shí)驗(yàn)通過采用多位閥，可對(duì)3個(gè)濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。配制高、中、低3個(gè)質(zhì)量濃度（0.25，1.00，2.00 mg/L）的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定氨氮的峰高，并以峰高對(duì)質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸，得到0.25～2.00 mg/L范圍內(nèi)的線性方程為：y= 0.215 9x+ 0.000 7，其相關(guān)系數(shù)為0.999 9。濃度范圍選擇的依據(jù)為地表水多級(jí)水質(zhì)濃度的限定范圍［22］，如實(shí)際有超出情況，可通過適當(dāng)稀釋測(cè)定。

對(duì)質(zhì)量濃度為1.60 mg/L的氨氮溶液進(jìn)行7次平行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果（見表2）的RSD為0.8%，精密度良好。

表2 精密度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ρ，mg/L

平行測(cè)定空白溶液11次，測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差（S）為0.001 8 mg/L。按照公式t（n-1，0.99）S計(jì)算得到方法檢出限為0.005 mg/L。

2.5 準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

采用生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的氨氮質(zhì)控樣品（編號(hào)2005131，標(biāo)準(zhǔn)值1.20 mg/L，不確定度0.07 mg/L），對(duì)方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。由表3可知，檢測(cè)濃度在質(zhì)控允許范圍內(nèi)，證明本實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確性較高。

表3 質(zhì)控樣的測(cè)定結(jié)果 ρ，mg/L

2.6 實(shí)際水樣的測(cè)定

從北京市昌平區(qū)和通州區(qū)采集地表水水樣，分別用本實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定，并進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。由表4可知，該方法回收率在90.8%～108.3%，證明方法穩(wěn)定可靠。

表4 實(shí)際水樣的回收率測(cè)定結(jié)果

對(duì)實(shí)際水樣檢測(cè)結(jié)果與《水質(zhì)氨氮的測(cè)定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）手工方法［23］進(jìn)行對(duì)比，并采用《氨氮水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ 101—2019）［24］進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，結(jié)果見表5。從表5可看出，測(cè)定結(jié)果滿足HJ 101—2019要求，可用于地表水在線監(jiān)測(cè)。

表5 實(shí)際水樣的測(cè)定結(jié)果對(duì)比

2.7 與實(shí)驗(yàn)室CFA方法峰形對(duì)比

將本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形與實(shí)驗(yàn)室CFA方法（泵速12 r/min）［21］標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖7。由圖7可知，泵速提高后雖然峰高均略有降低，但是出峰顯著提前，連續(xù)測(cè)定0.25，1.00，2.00 mg/L 3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液，可在7 min內(nèi)完成檢測(cè)。這一結(jié)果顯著優(yōu)于常規(guī)在線檢測(cè)儀器連續(xù)測(cè)定3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液的檢測(cè)時(shí)間（≥15 min）。

圖7 本實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)室CFA方法的峰形對(duì)比

3 結(jié)論

a）本實(shí)驗(yàn)通過研究蠕動(dòng)泵泵速對(duì)氨氮CFA方法的影響，驗(yàn)證了通過增加泵速加快反應(yīng)進(jìn)程，縮短檢測(cè)時(shí)間的構(gòu)想。本實(shí)驗(yàn)方法可在5 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水樣檢測(cè)，滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)延時(shí)采樣的要求，為CFA方法應(yīng)用于在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

b）本實(shí)驗(yàn)方法在0.25～2.00 mg/L范圍內(nèi)的線性方程為y= 0.215 9x+ 0.000 7，相關(guān)系數(shù)為0.999 9。方法檢出限0.005 mg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.8%。將本方法應(yīng)用于實(shí)際地表水水樣測(cè)定，加標(biāo)回收率為90.8%～108.3%。

c）采用《水質(zhì)氨氮的測(cè)定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)定結(jié)果滿足《氨氮水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》（HJ 101—2019）要求，可用于地表水氨氮在線監(jiān)測(cè)。