次溴酸鈉氧化法測定海水氨氮的研究

謝銀鳳，王斌之*，孫大勇，安可珍，張存良，馬煜，熊莉，譚金峰

(1.山東省濰坊生態環境監測中心，山東 濰坊 261041；2. 山東省生態環境監測中心，山東 濟南 250101；3.北京師范大學水科學研究院，北京 100875；4. 四川省宜賓生態環境監測中心站，四川 宜賓 644000)

0 引言

隨著海洋命運共同體的提出，海洋生態環境越來越受到關注[1-3]。近年來，海水養殖業迅速發展，大量養殖廢水的排放對海洋生態環境造成了壓力。氨氮是養殖廢水的主要污染物[4-6]，對海洋環境和水生生物有嚴重影響，對其進行準確高效的監測尤為必要。

氨氮是指水體中以離子銨(NH4+)和游離氨(NH3)形式存在的氮。海水氨氮的監測方法主要有次溴酸鈉氧化法、靛酚藍分光光度法、氣相分子吸收法和流動注射法等[7-10]。氣相分子吸收和流動注射法儀器昂貴，成本高，不便于方法的普及；靛酚藍法所用試劑對環境不友好且分析時間過長。次溴酸鈉法不使用劇毒物質，準確度高，分析時間也較靛酚藍法短，因此是國控網海水水質監測的優選方法。

國內已有部分學者從不同的角度對海水氨氮次溴酸鈉法進行了研究。呂曉潔等[7]從實驗用水、次溴酸鈉和磺胺的加入速度、雜質干擾等方面進行了研究，明確了氨氮分析的注意事項。任妍冰等[11]對海水氨氮試驗條件進行了優化，考察了溫度、氧化時間、次溴酸鹽用量和氨基酸等因素的影響。張健等[12]對次溴酸鈉法進行了改良，通過將顯色劑和氧化劑濃度擴大到原來的5倍，明顯提高了方法測定上限，特別適合氨氮濃度高于0.3 mg/L水樣的分析。但在對低濃度含氨廢水(小于0.3 mg/L)的測量上，改良法不如國標法GB 17378.4—2007《海洋監測規范》準確[13]。而小于0.3 mg/L濃度的海水，超出了國標法的校準曲線范圍，需稀釋后才可測定。這一方面延長了分析時間，另一方面氨的水溶性較強，分析時間的加長也會導致空氣中的氨部分溶入樣品中，影響分析結果。王文雷[14]在納氏試劑比色法測定水體中氨氮的研究中，對自配標液進行“比色前稀釋”和“比色后稀釋”比對，指出在一定濃度范圍內“比色后稀釋”與“比色前稀釋”差別不大。

本文在前人工作的基礎上，采用次溴酸鈉氧化法，分別對實驗用水、不同光程比色皿的靈敏度響應進行了比對，并針對海水低濃度氨氮樣品(0.1～0.3 mg/L)開展了顯色前和顯色后稀釋研究。

1 儀器與試劑

1.1 儀器

T6新悅可見分光光度計、10 mm、20 mm和30 mm玻璃比色皿，100 mL比色管，MiliQ超純水機。其他實驗室常用器具。

1.2 試劑和溶液配制

標準物質：離子色譜用銨離子溶液標準物質GBW(E)083341(北京壇墨質檢科技有限公司)。試劑：氫氧化鈉，三氯甲烷，鹽酸，溴酸鉀，溴化鉀，磺胺，鹽酸萘乙二胺。所用試劑均按GB 17378.4—2007 《海洋監測規范》配制[13]，具體如下：

(1)氫氧化鈉溶液(400 g/L)：稱取200 g氫氧化鈉溶于1000 mL水中，加熱蒸發至500 mL，盛于聚乙烯瓶中。

(2)溴酸鉀一溴化鉀貯備液：稱取2.8 g溴酸鉀和20.0 g溴化鉀溶于1000 mL水中，貯存于棕色試劑瓶中4 ℃冷藏保存。

(3)次溴酸鈉溶液：量取溴酸鉀一溴化鉀貯備溶液1.0 mL于250 mL聚乙烯瓶中，加入49 mL水和3.0 mL 50%鹽酸溶液，蓋緊搖勻，置于暗處5 min后加入50 mL氫氧化鈉溶液，混勻。臨用前配制。

(4)對氨基苯磺酰胺溶液(2.0 g/L)：稱取2.0 g磺胺，溶于1000 mL 50%鹽酸溶液中，貯存于棕色試劑瓶中，4 ℃冷藏保存。有效期為2個月。

(5)鹽酸萘乙二胺溶液：稱取0.50 g鹽酸萘乙二胺，溶于500 mL水中，貯于棕色試劑瓶中，4 ℃冷藏保存。有效期為1個月。

(6)銨標準貯備液(以N計，77.8 mg/L)：移取10.00 mL 778 mg/L(以N計)離子色譜用銨離子溶液標準物質于100 mL容量瓶中，加100 μL三氯甲烷后用水定容至刻線，混勻后貯存于棕色試劑瓶中，4 ℃冷藏保存。有效期為半年。

(7)銨標準使用液(以N計，7.78 mg/L)：移取10.00 mL氨標準溶液貯備液于100 mL容量瓶中，加水定容，混勻，臨用現配。

2 實驗方法

2.1 實驗用水對比

實驗用水選用MiliQ新制超純水和新制蒸餾水，分別測定試劑空白和實驗用水空白，各分析三個平行樣。

具體步驟如下：試劑空白—量取5 mL新配制的次溴酸鈉溶液于100 mL比色管中，立即加入5 mL磺胺溶液，混勻。放置5 min后加50 mL MiliQ新制超純水和新制蒸餾水，然后加入1 mL鹽酸萘乙二胺溶液，混勻，15 min后用3 cm比色皿測定空白吸光度。

實驗用水空白—分別移取50.0 mL MiliQ新制超純水和新制蒸餾水于100 mL比色管中，各加入5 mL次溴酸鈉溶液，混勻，放置30 min。各加入5 mL磺胺溶液，混勻，放置5 min。各加入1 mL鹽酸萘乙二胺溶液，混勻，15 min后用3 cm比色皿上機測定。

2.2 標準曲線繪制和比色皿的選擇

銨標準使用液(以N計)：7.78 mg/L。取6個200 mL容量瓶，分別加入0、0.20、0.40、0.80、1.20、1.60 mL銨標準使用液，加水定容至刻線，混勻。標準溶液濃度依次為：0、0.00778、0.0156、0.0311、0.0467、0.0622 mg/L。按2.1實驗用水空白分析步驟依次加入試劑，用1 cm、2 cm和3 cm比色皿分別上機測定。每個標準點均做三個平行樣。

2.3 樣品測定

主要針對0.1～0.3 mg/L的自配制氨氮標準溶液和養殖海水實際樣品。分別采用顯色前和顯色后稀釋兩種方式處理，具體操作為：比色前處理是將待測樣品稀釋至相應倍數，取50 mL稀釋后樣品于比色管中，參照2.1實驗用水空白分析步驟依次加入試劑反應，用3 cm比色皿上機測定。比色后是移取50 mL待測原樣于比色管中，參照2.1實驗用水空白流程依次加入試劑，顯色反應完成后將溶液稀釋至相應倍數，用3 cm比色皿上機分析。所有樣品均平行分析三次。

2.4 方法檢出限測定

方法檢出限按照HJ 168—2010 《環境監測 分析方法標準制修訂技術導則》附錄A中檢出限的測定方法進行[15]，即按樣品分析的全部步驟，對實驗室空白樣品進行十一次測定，計算十一次測定的標準偏差，按附錄A中公式計算方法檢出限。實驗室空白樣品分析流程參照2.1實驗用水空白步驟進行。

3 結果與討論

3.1 實驗用水

國標法要求實驗用水使用無氨蒸餾水或等效水。制取無氨蒸餾水步驟繁瑣，且蒸餾時空氣中氨也極易溶入制備水中，有時可導致蒸餾空白偏高。實驗選用MiliQ新制超純水與新制蒸餾水進行了對比(表1)，結果證明兩種水無差別，因此在做海水氨氮分析時可考慮用MiliQ新制超純水替代新制蒸餾水，簡化實驗流程，提高效率。

表1 實驗用水吸光度

3.2 標準曲線繪制和比色皿的選擇

國標方法推薦選用5 cm比色皿，但在實際工作中，采用5 cm比色皿測定有時會有超出儀器最佳吸光度范圍，導致線性不好、最高點上不去等問題。而采用太小光程比色皿會導致低濃度樣品吸光度太低而無法準確定量。實驗對比了不同光程比色皿對自配制標準溶液的響應值(表2)，從1 cm到3 cm光程，斜率呈線性變化，1 cm曲線線性差，不到三個九。2 cm和3 cm線性均達三個九以上，然光程越長，靈敏度越高，最終選定3 cm比色皿作為吸收池。

表2 不同光程比色皿對標準溶液的響應

3.3 樣品測定

3.3.1 自配制標準溶液測定

次溴酸鹽氧化法測定氨氮的原理是在堿性條件下將海水中的氨氧化為亞硝酸鹽，反應方程式：

在酸性條件下亞硝酸鹽與對氨基苯磺酰胺發生重氮化反應，反應方程式：

生成的重氮鹽再與鹽酸萘乙二胺偶合生成紅色偶氮染料，反應方程式：

其顏色與樣液中亞硝酸鹽含量成正比測定，扣除原有亞硝酸鹽氮的濃度，即得氨氮濃度。

在王文雷研究[14]的基礎上，本實驗采用顯色前和顯色后兩種稀釋方式對比，探索出了一種高效準確的海水氨氮低濃度(小于0.3 mg/L)樣品分析方法。顯色后稀釋，一方面MiliQ純水中氨氮、亞硝酸鹽氮含量比較低，幾乎可忽略不計；另一方面，即使存在少量的氨氮和亞硝酸鹽氮，所有化學反應已進行完全，稀釋過程只是用實驗空白水處理，并未引入其他試劑，再無條件進行相應化學反應。因此，整個稀釋過程只是反應液顏色呈倍數的變淺，即吸光度相應減小，故在一定濃度范圍內顯色后稀釋和顯色前稀釋分析結果應差別不大。

實驗配制了濃度為標準溶液1(0.124 mg/L)、標準溶液2(0.249 mg/L)、標準溶液3(0.311 mg/L)、標準溶液4(0.389 mg/L)、標準溶液5(0.778 mg/L)氨氮標準溶液，參照2.1實驗用水空白步驟進行，測定結果見圖1、表3。結果顯示：當標準溶液濃度低于0.311 mg/L時，顯色前和顯色后稀釋相對誤差和相對標準偏差均在允許范圍內，兩種處理方式基本無差別。而0.389 mg/L和0.778 mg/L的樣品，從圖1和表3可明顯看出，顯色前稀釋和顯色后稀釋相對偏差增大，顯色前稀釋標準溶液濃度相對誤差較小，滿足要求，而顯色后稀釋測定結果偏小，相對誤差不在范圍內。顯色后稀釋測定結果偏小的原因，可能是氧化劑或顯色劑等試劑含量不足，不能使高濃度樣品中的氨完全反應。因此，暫定顯色后稀釋對象為0.1～0.3 mg/L濃度的樣品。

圖1 顯色前后稀釋結果對比

表3 標準樣品的測定

3.3.2 實際樣品測定

為驗證顯色后稀釋對實際樣品的分析結果，實驗對養殖海水樣品進行了測定，分析結果見表4。綜合標準溶液和實際樣品結果可以看出，顯色前稀釋和顯色后稀釋差別不大，相對標準偏差在范圍內。

表4 養殖海水樣品的測定

3.4 檢出限的測定

檢出限的測定按HJ 168—2010 《環境監測 分析方法標準制修訂技術導則》[15]附錄A中方法進行，即按參照2.1實驗用水空白步驟分析步驟，對實驗室空白樣品進行十一次測定，計算其標準偏差，檢出限按MDL=t(n-1,0.99)×S計算，結果見表5。

表5 檢出限的測定

4 結論

本實驗采用次溴酸鈉氧化法，分別對實驗用水、不同光程比色皿的靈敏度響應進行了比對，并針對海水低濃度氨氮樣品開展了顯色前和顯色后對比分析。研究證明：

(1) MiliQ新制超純水可替代新制蒸餾水作為實驗用水，其他廠家新制超純水若滿足要求也可替代蒸餾水，簡化實驗過程。

(2)依據靈敏度和標準曲線線性，選定3 cm比色皿作為吸收池。

(3)通過顯色前和顯色后兩種稀釋方式的對比，發現樣品濃度≤0.3 mg/L左右兩種稀釋方式無差別，樣品濃度大于0.3 mg/L左右時，顯色后稀釋可能因為氧化劑或顯色劑含量不足，樣品中氨氮不能完全氧化或者顯色，濃度較顯色前稀釋偏低。因此，顯色后稀釋適用于0.1～0.3 mg/L的海水低濃度氨氮樣品，有效縮短了分析時間。