堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氣相分子吸收光譜法測定水中總氮的比較

張 敏，張銳青

（江蘇省宿遷環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 宿遷 223900）

引言

總氮是指以各種形態(tài)存在于水體中的無機(jī)氮和有機(jī)氮的總稱，水體中無機(jī)氮有很多形式，除了無機(jī)氮還有有機(jī)氮，例如有機(jī)胺，氨基酸有機(jī)氮。當(dāng)?shù)乇硭杏袪I養(yǎng)成分的氮磷超標(biāo)時(shí)，水中的物質(zhì)會大量繁殖，因而造成水體的富營養(yǎng)化。水中總氮的含量高低是反映水體受污染程度的重要指標(biāo)，所以測定并掌握水體中總氮的含量非常重要[1]，總氮測量可以為水體自凈能力的評價(jià)和水體污染狀況的掌握提供數(shù)據(jù)支撐。

當(dāng)前總氮的分析方法主要有3種：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、氣相分子吸收光譜法和流動(dòng)注射法。在這三種方法中，前兩種方法在實(shí)驗(yàn)室分析中的應(yīng)用最為普遍。本文通過測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氣相分子吸收光譜法兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線、準(zhǔn)確度和精密度，對濃度高中低的實(shí)際樣品以及加標(biāo)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，對兩種方法測定水中總氮含量進(jìn)行方法驗(yàn)證。最終結(jié)果顯示兩種方法均滿足實(shí)驗(yàn)要求，均能真實(shí)準(zhǔn)確地測定出水中的總氮值[2]。

1 實(shí)驗(yàn)的過程

1.1 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、氣相分子吸收光譜法的原理

堿性過硫酸鉀紫外分光光度法和氣相吸收光譜法的原理都是在固定溫度下，利用堿性過硫酸鉀溶液消解，將水樣中的含氮化合物氧化成硝酸鹽[3]。氣相分子吸收光譜法則是在固定濃度的鹽酸介質(zhì)中，在70±2 ℃的溫度條件下，將含氮化合物與三氯化鈦反應(yīng)生成的硝酸鹽分解后生產(chǎn)NO，用空氣吸入吸光管中，在214 nm處測得樣品的吸光度，再根據(jù)朗伯比爾定律，計(jì)算出水體中總氮的含量。水中溶解的有機(jī)物對總氮的測定會產(chǎn)生干擾，紫外分光法根據(jù)有機(jī)物在220 nm和275 nm波長處均有吸收，而硝酸根離子僅在220 nm波長處有吸收，測定溶解后的溶液在220 nm、275 nm處的波長吸光值并進(jìn)行校正計(jì)算，測定的水中總氮含量和校正吸光度成正比，即可定量測定水中總氮的含量[3]。

1.2 儀器、試劑和實(shí)驗(yàn)方法

儀器：氣相分子法用AJ-3700型全自動(dòng)氣相分子吸收光譜儀，紫外分光光度法用UV-1900型紫外可見分光光度計(jì)。

試劑：氣相分子法：無氨水、鹽酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀、三氯化鈦、無水乙醇、四硼酸鈉；紫外分光光度法：無氨水、鹽酸、氫氧化鈉、過硫酸鉀

實(shí)驗(yàn)方法：采用《水質(zhì) 總氮的測定氣相分子吸收光譜法》（HJ/T 199-2005）（以下簡稱氣相分子法）、《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012）（以下簡稱紫外分光法）[2-3]

2 分析結(jié)果

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

按照堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氣相分子吸收光譜法的國家標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定，測定結(jié)果如表1所示。

表1 氣相分子法和紫外分光法的標(biāo)準(zhǔn)曲線

從表1可以看出，氣相分子吸收光譜法標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定范圍比堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法小，可以對低濃度樣品進(jìn)行測量。兩種方法標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999 5，表示兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)性都很好。

2.2 檢出限的測定

按照紫外分光法和氣相分子法測定總氮的實(shí)驗(yàn)步驟，對濃度為0.20 mg/L的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室平行測定7次，計(jì)算這7次平行值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。再根據(jù)《環(huán)境監(jiān)測 分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》（HJ 168-2010）對檢出限、測定下線的測定結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 氣相分子法和紫外分光法的檢出限和測定下線的測定比較

從表2可以看出，氣相分子吸收光譜法測定出的檢出限為0.008 mg/L，測定下限為0.035 mg/L；紫外分光光度法測定出的檢出限為0.03 mg/L，測定下限為0.13 mg/L。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)樣品準(zhǔn)確度和精密度的測定

選取在用的標(biāo)準(zhǔn)樣品中高中低濃度的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行總氮的精密度測定，每個(gè)樣品測定6次，標(biāo)準(zhǔn)值分別為濃度1，203274（0.311±0.037 mg/L）、濃度2，203286（2.48±0.14 mg/L）、濃度3，203287（11.6±0.7 mg/L）。

這幾種標(biāo)準(zhǔn)樣品都為實(shí)驗(yàn)室正常在用的。按照實(shí)驗(yàn)步驟測定出三種濃度結(jié)果的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對誤差如表3所示。

表3 準(zhǔn)確度、精密度測定結(jié)果

從表3的數(shù)據(jù)可以得出，消解紫外分光法和氣相分子法對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)樣品的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，相對誤差的絕對值都小于5%，準(zhǔn)確度符合方法要求。

氣相分子法和紫外分光法對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)樣品測定的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為：1.01%、0.81%、0.82%（氣相分子吸收光譜法），1.38%、1.44%、1.09%（紫外分光光度法），均小于5%，精密度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

2.4 實(shí)際樣品的精密度和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

不同濃度的實(shí)際樣品從采集到交接，整個(gè)流程應(yīng)嚴(yán)格按照《污水監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 91.1-2019）以及《地表水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 91.2-2022）進(jìn)行規(guī)范操作。在選取實(shí)際樣品后，用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氣相分子吸收光譜法需要分開進(jìn)行精密度實(shí)驗(yàn)和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 氣相分子法和紫外分光法的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4可以看出，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和氣相分子吸收光譜法的精密度實(shí)驗(yàn)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。加標(biāo)回收率分別為氣相分子吸收光譜法為96.5%～99.8%和95.0%～98.0%，這兩種方法都在95%～105%范圍內(nèi)，所以這兩種方法得到的實(shí)際樣品的精密度及加標(biāo)回收率都滿足實(shí)驗(yàn)方法的要求。

3 實(shí)驗(yàn)過程比較

3.1 取樣過程

氣相分子法是直接倒取樣品，取樣量大約超過取樣管的一半即可，不用定量，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)儀器會自動(dòng)定量吸取。紫外分光法需要量取10 mL的樣品，在取樣時(shí)要十分精確，因?yàn)槿恿渴菂⑴c計(jì)算的，所以應(yīng)盡可能地減少系統(tǒng)誤差。當(dāng)樣品量大時(shí)，氣相分子法的取樣時(shí)間會大大縮短。取相同的樣品量時(shí)，紫外分光法的取樣時(shí)間約為氣相分子法的5倍。

3.2 實(shí)驗(yàn)過程

氣相分子法在實(shí)驗(yàn)過程中不需要稀釋定容和配置曲線，而是機(jī)器自動(dòng)配置曲線，其過程簡單而且數(shù)據(jù)精確。而紫外分光法需要實(shí)驗(yàn)人員配置曲線，在消解和加入試劑后需要稀釋至25 mL，所以在此過程中會有偏差，曲線的線性受影響比較大。經(jīng)比較可知?dú)庀喾肿臃ǜ憬荩哺_。

總氮的紫外分光法是將10 mL樣品中加入5 mL的堿性過硫酸鉀溶液，塞緊管塞，旋轉(zhuǎn)一下，用紗布和線繩扎緊管塞，為了防止管塞彈出，線繩一定要扎緊，很多時(shí)候需要在這一步將管塞打開，在消解后需要重新取樣再做。扎緊后將比色管放在高壓蒸汽滅菌器中，加熱至120 ℃，在工作壓力為1.1～1.4 kg/cm2，工作溫度為120～124 ℃時(shí)保持30分鐘，室溫冷卻，待氣壓達(dá)到101 kPa后開閥放氣，移去外蓋，這時(shí)候要防止?fàn)C傷，帶隔熱手套取比色管，冷卻至室溫，摁住管塞將比色管中的液體顛倒混勻幾次。這個(gè)過程會因?yàn)楸壬艿墓苋_口而增加樣品的作廢量，作廢的樣品需要重新取樣，再重復(fù)一遍氣相分子法的操作步驟，以減少了樣品作廢的幾率，從而大大提高了分析的效率[4]。

紫外分光法從高壓蒸汽滅菌器中取出樣品后，冷卻至室溫，整個(gè)冷卻過程比較耗時(shí)。冷卻后向每個(gè)比色皿中加入（1+9）鹽酸溶液，用去離子水稀釋到25 mL，蓋好管塞混勻比色皿中的試劑，靜置后用10 mm的石英比色皿，用水作參比，在紫外分光光度計(jì)上進(jìn)行比色。對于比色的步驟，總氮紫外分光法需要手工將每個(gè)樣品放入紫外分光光度計(jì)中測定220 nm和275 nm波長處的吸光度，每個(gè)樣品測定時(shí)需要潤洗擦拭比色皿，因而樣品多時(shí)耗時(shí)很長。氣相分子法可以將這些步驟都省略，大大提高了實(shí)驗(yàn)分析的效率。

3.3 實(shí)驗(yàn)時(shí)間

氣相分子法上機(jī)后，5分鐘出一個(gè)樣品值，相比較紫外分光法節(jié)省了消解時(shí)間、冷卻時(shí)間和比色時(shí)間。在樣品量大時(shí)，可以中途直接添加樣品，操作簡單，大大提高了分析效率。以25個(gè)樣品計(jì)算實(shí)驗(yàn)時(shí)間，紫外分光法取樣需要30分鐘，加試劑需要20分鐘，加壓冷卻需要90分鐘，比色需要25分鐘，計(jì)算需要20分鐘，一共需要185分鐘可以得出數(shù)據(jù)，有時(shí)還會出現(xiàn)廢品，所以需要重新做。同樣25個(gè)樣品，氣相分子法取樣需要10分鐘，上機(jī)器后120分鐘直接出數(shù)據(jù)，共計(jì)需要130分鐘。在實(shí)驗(yàn)過程中紫外分光法需要實(shí)驗(yàn)人員一直操作，而氣相分子法取樣后，就不需要再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)人員可以高效地節(jié)約時(shí)間，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3.4 實(shí)驗(yàn)儀器的比較

氣相分子法用AJ-3700型全自動(dòng)氣相分子吸收光譜儀，自動(dòng)化程度高，操作簡單。實(shí)驗(yàn)前要配置好載流液和消解液，裝滿實(shí)驗(yàn)所需要的純水，開機(jī)后配置好系統(tǒng)，在系統(tǒng)預(yù)熱的時(shí)間，取好樣品，并將樣品放在相應(yīng)的位置，將總氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液和質(zhì)控樣分別放在相應(yīng)的位置，在一二位置放上純水，開始實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中可以隨時(shí)添加樣品，操作簡單，實(shí)驗(yàn)人員在實(shí)驗(yàn)過程中可以空出時(shí)間處理數(shù)據(jù)或者其他事宜。紫外分光光度法用UV-1900型紫外可見分光光度計(jì)，在實(shí)驗(yàn)過程中還會用到高壓蒸汽滅菌器，工作溫度為120～124 ℃時(shí)保持30分鐘，具有一定的危險(xiǎn)性。兩種方法中氣相分子法的儀器操作更簡單，也更安全。

3.5 實(shí)驗(yàn)試劑的比較

氣相分子法的總氮需要總氮載流液和總氮消解液。總氮載流液由3 mol/L鹽酸225 mL，三氯化鈦225 mL和50 mL無水乙醇，經(jīng)充分搖勻或超聲混勻后，靜置2小時(shí)以上形成。總氮消解液由15 g過硫酸鉀，2.5 g氫氧化鈉和5 g四硼酸鈉分別溶解后冷卻定容至500 mL形成。其他3 mol/L鹽酸，直接用濃鹽酸與水按照體積1∶3混合均勻而成，一次配置可用于50個(gè)樣品的測量。紫外分光法需要配置堿性過硫酸鉀溶液，是將40 g過硫酸鉀溶于600 mL水中，并需要置于50 ℃的水浴中加熱至全部溶解，單獨(dú)稱取15 g氫氧化鈉固體溶解到300 mL水中，待氫氧化鈉溶液的溫度冷卻至室溫時(shí)混勻兩種溶液，再次加水稀釋至1 000 mL，存放于聚乙烯瓶中，放入恒溫箱。實(shí)驗(yàn)中還需要用到（1+9）鹽酸溶液，直接用純水和濃鹽酸按體積混合均勻即可。兩種方法用到的試劑種類不同，都是實(shí)驗(yàn)室常用試劑。質(zhì)控樣試劑是一樣使用的，但是氣相分子法的標(biāo)準(zhǔn)溶液直接配置4 mg/L，由機(jī)器自動(dòng)稀釋做出曲線。紫外分光法需要按照規(guī)范手工配置曲線的6個(gè)點(diǎn)，這一步驟耗時(shí)較多，而會出現(xiàn)的系統(tǒng)誤差[5]。

4 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)過程可以看出，紫外分光法和氣相分子法測定總氮的數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)性、準(zhǔn)確度以及精密度、檢出限和測定下限這幾個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)都符合國家標(biāo)準(zhǔn)方法要求，而在不同濃度的實(shí)際樣品測定以及加標(biāo)回收等方面，實(shí)際樣品精密度都小于5%，氣相分子吸收法為96.5%～99.5%，紫外分光法為97.0%～102%，這兩種方法都能夠準(zhǔn)確測定水中的總氮含量。

由實(shí)際分析可以得出，紫外分光法的前處理時(shí)間耗時(shí)較長，遠(yuǎn)高于氣相分子法，樣品的分析時(shí)間也比氣相分子吸收法更耗時(shí)，所以在實(shí)驗(yàn)過程中，紫外分光法會使實(shí)驗(yàn)人員的工作量增大，而且容易出現(xiàn)廢樣。所以在都能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求的情況下，氣相分子吸收法更快，也更便捷。