董學志，蔣永榮

(桂林電子科技大學生命與環(huán)境科學學院,廣西 桂林 541004)

大多數(shù)水質監(jiān)測項目包括定期現(xiàn)場取樣(即收集離散水樣)、樣品保存、轉運、實驗室分析、數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)，消耗大量的人力、物力，耗費時間，且樣品經(jīng)過保存、轉運后，分析目標物的濃度可能發(fā)生改變；另一方面，離散的采樣方式容易忽略偶發(fā)污染事件。因此，開發(fā)氨氮的現(xiàn)場檢測方法尤為重要。作者對近5年(2014～2019)來國內外氨氮現(xiàn)場檢測方法進行總結，并加以分析比較，擬為氨氮現(xiàn)場檢測方法的發(fā)展提供幫助。

1 分光光度法

1.1 檢測試劑的改進

氨氮在強堿條件下能迅速與鄰苯二甲醛(o-phthalaldehyde，OPA)和亞硫酸鈉反應生成玫瑰紅物質，該反應常用于氨氮的熒光法檢測。Liang等[5]發(fā)現(xiàn)該玫瑰紅物質在具有熒光性的同時也具有較好的吸光性。李曉瑜[6]基于該原理并結合順序注射技術，建立了一套氨氮的順序注射-熒光分光一體檢測系統(tǒng)，通過程序控制，該系統(tǒng)可以在熒光、分光檢測模式間切換。

傳統(tǒng)的靛酚藍分光光度法檢測時需要用到苯酚，該試劑臭味大，具有腐蝕性，且易板結，稱量時難以處理，因此有研究人員選擇毒性較小且穩(wěn)定的片狀晶體化合物鄰苯基苯酚(o-phenylphenol，OPP)來替代[7]。Ma等[8]、Li等[9]基于OPP改進的靛酚藍分光光度法研制了一套基于注射泵的水環(huán)境分析儀，已成功應用于河口和海岸表層水體中銨離子的測定，并實現(xiàn)了船載實時分析。Lin等[10]基于OPP改進的靛酚藍分光光度法結合反相流動注射技術，建立了一種測定天然水體中銨離子的自動化方法。

為了更好地符合綠色分析化學的要求，Sukaram等[11]選擇對pH值響應靈敏的蘭花提取物作為檢測試劑，與膜擴散裝置聯(lián)用檢測氨氮。

1.2 分光光度法與分離富集方式的聯(lián)用

在氨氮檢測過程中，樣品基底效應對檢測有較大影響。將氣體擴散裝置引入流動分析系統(tǒng)，能有效地將氣態(tài)氨從復雜的樣品基質中分離。O′Connor等[12]通過加入強堿調節(jié)樣品的pH值，將其中的離子態(tài)銨轉化為氣態(tài)氨，氣態(tài)氨通過多孔疏水膜進入被檢測的樣品溶液中；但在堿性條件下，樣品中的二價金屬離子容易生成沉淀析出，從而造成膜堵塞。Timofeeva等[13]通過氮氣吹掃的方式將樣品中的氣態(tài)氨直接輸送至樣品溶液中，避免了樣品溶液與多孔疏水膜的直接接觸，從而減小膜堵塞的可能。

另一方面，現(xiàn)場分析要求樣品制備分離裝置微型化，從而促進了微萃取方法的發(fā)展。Timofeeva等[14]研發(fā)了自動分步進樣的頂空單液滴微萃取(head-space single-drop microextraction,HS-SDME)系統(tǒng)。為了簡化檢測步驟以及讓萃取液滴更好地富集氨氣，rámková等[15]引入了泵上實驗室的概念，直接將注射器內部空間改裝成微萃取和檢測一體池，簡化了檢測步驟。Badiee等[16]設計了一種新的旋轉溶劑棒微萃取(solvent bar microextraction，SBME)裝置，并成功應用于環(huán)境水樣中痕量氨的測定。

1.3 分光光度法的改進

Zhu等[17]結合流動注射技術，并采用液芯波導毛細管(長度為2.5 m)作為樣品比色池(liquid waveguide capillary cell，LWCC)，通過增加光程的方式提升靈敏度。為了克服毛細管內徑小、易堵塞的缺點，Hashihama等[18]對基于OPP改進的靛酚藍分光檢測系統(tǒng)換用內徑較大(2 mm)的多路徑毛細管(ultra path)，更適合長期使用。Kodama等[19]對系統(tǒng)進一步改進，將基于膜分離的氣體擴散單元引入液芯波導流通池系統(tǒng)中，可在一定程度上消除由鹽度差產(chǎn)生的虛假信號峰。Zhu等[20]研究了一種新型微等離子體激發(fā)源，將分子發(fā)射光譜法與化學蒸汽發(fā)生法相結合測定銨離子。表1列舉了分光光度法檢測氨氮的改進技術。

表1 分光光度法檢測氨氮的改進技術

Tab.1 Improved techniques of spectrophotometric methods for determination of ammonia nitrogen

分離方法/自動化技術檢測試劑檢測限/(μmol·L-1)線性范圍/(μmol·L-1)相對標準偏差/%文獻流動注射鄰苯二甲醛0.058100～700 2.3[5]泵上實驗室鄰苯二甲醛1780～8000.21[6]—鄰苯二甲醛0.20～1000.64～1.71[7]氣體擴散/流動注射蘭花提取物(測定pH值)2120,7601000～50000.48,2.29[11]流動注射鄰苯二甲醛0.15 0～2002.2, 0.33, 0.32[9]頂空單液滴微萃取/泵上實驗室溴百里酚藍(測定pH值)1.80～256[16]反相流動注射鄰苯基苯酚0.07(淡水)0.08(海水)0～50(淡水)0～35(海水)<1.3[10]氣體擴散/流動注射溴百里酚藍(測定pH值)8 μg·kg-1(固體)0.1～5.0 mg·kg-1(固體)2～6[13]波導毛細管/流動注射苯酚0.00360.001～304.4[17]波導毛細管/流動注射鄰苯二甲醛0.0040～0.2<4[18]

2 熒光法

2.1 檢測試劑的改進

NH3-OPA-亞硫酸鹽的熒光反應對pH值響應非常靈敏。該反應的最適pH值為11[21-22]，但在此pH值下，由于待測水樣中金屬離子的存在，極易生成氫氧化物沉淀。Hu等[23]發(fā)現(xiàn)用乙二胺四乙酸-氫氧化鈉緩沖液將pH值調至11時不會產(chǎn)生沉淀，由此建立了一種新的鄰苯二甲醛熒光分析法。Liang等[24]合成了一種新的熒光試劑4-甲氧基鄰苯二甲醛(4-methoxyphthalaldehyde，MOPA)，在堿性、室溫條件下，MOPA能與銨離子快速反應，由此開發(fā)了便攜式熒光檢測系統(tǒng)。Zhang等[25]以一種新的熒光試劑4,5-二甲氧基鄰苯二甲醛(4,5-dimethoxyphthalaldehyde，M2OPA)作為探針，研制了一種手持便攜式激光二極管熒光檢測系統(tǒng)。

2.2 熒光法與新型分離富集方式的聯(lián)用

Valente等[26]將氣體擴散微萃取(gas-diffusion microextraction，GDME)與熒光法相結合，應用于固體樣品中氨氮的檢測，省略了常規(guī)方法中的固液萃取步驟，從而使固體樣品中氨氮的提取與標記可以同時進行。Zhu等[27]利用吹掃-捕集系統(tǒng)分離并富集樣品中的氨氣，并用熒光檢測器測定，相比于氣體擴散技術，該方法具有更高的檢測靈敏度，氨氣的富集效率更高。Giakisikli等[28]將兩個注射泵的頂部空間相連接，構建了一套新型的頂空微萃取系統(tǒng)，通過向兩個泵中施加正壓或負壓來控制樣品中氨氣的析出、轉移和富集，最后用OPA熒光法檢測氨氮。

2.3 熒光傳感器的改進

Zhu等[29]開發(fā)了一種新型的便攜式熒光檢測器，并對流通池進行改進，可以避免熒光信號中氣泡的干擾。Wang等[30]對熒光檢測器的電路設計與軟件算法進行改進，將偽隨機序列首次引入到熒光測量中，以實現(xiàn)對微弱熒光信號的提取，該檢測器還可以實現(xiàn)自校準。Dong等[31]根據(jù)氨氣的揮發(fā)性和銀納米粒子引入所致酸堿度變化的敏感性，以銀納米簇為探針，結合溫度梯度HS-SDME技術研制了一種新的氨氮檢測方法。表2列舉了熒光法檢測氨氮的改進技術。

表2 熒光法檢測氨氮的改進技術

Tab.2 Improved techniques of fluorescence methods for determination of ammonia nitrogen

分離方法/自動化技術檢測試劑檢出限/(μmol·L-1)線性范圍/(μmol·L-1)相對標準偏差/%文獻—鄰苯二甲醛0.00990.032～0.5003.2[23]—4-甲氧基鄰苯二甲醛0.0580.025～0.3002.35[24]—4,5-二甲氧基鄰苯二甲醛0.00650.0030～50～23[25]氣體擴散鄰苯二甲醛0.22 mg·L-1(固體)0.38～6.27 mg·L-14.5[26]吹掃-捕集/流動注射鄰苯二甲醛0.00740.01～0.24.4[27]頂空微萃取/泵上實驗室鄰苯二甲醛0.05 μg·L-10.15～10.0 μg·L-13.6[28]流動分析鄰苯二甲醛0.00210～0.30.8[29]

3 電化學法

3.1 電導法

將電導法與流動注射氣體分離裝置相結合，根據(jù)樣品溶液電導率變化來檢測氨氮，靈敏度高且無需使用有毒試劑，適合現(xiàn)場檢測。Jaikang等[32]研制了一套經(jīng)濟且容易搭建的氨氮電導檢測平臺，通過電導率下降速率來判斷氨氣的含量。

由于接觸型電導的檢測電極易被試液腐蝕，Chaneam等[33]通過基于膜的氣體擴散裝置將樣品中的氨氮轉化為氣態(tài)，并使其通過多孔疏水膜進入流經(jīng)氣體擴散裝置的受體流中，通過非接觸電導檢測器來監(jiān)測受體流的電導率變化。但疏水膜在處理雜質較多的樣品時可能被堵塞或損壞，為此，Alahmad等[34]開發(fā)了一套由無膜氣體擴散(membraneless vaporization，MBL-VP)裝置和電容耦合非接觸電導檢測器(capacitively coupled contactless conductivity detector，C4D)組成的流動分析系統(tǒng)，用于分析運河水樣，結果與現(xiàn)有方法無明顯差異。

3.2 電位法

傳統(tǒng)的氨氣敏電極法需要用氫氧化鈉溶液調節(jié)溶液的pH值，陳曉東[37]設計了一種無需氫氧化鈉的新方法(電滲析離子轉型)，該法在0.1～10 mg·L-1濃度范圍內線性關系良好，相關系數(shù)R2為0.997。

3.3 伏安法

電化學傳感器的電極材料及結構是影響伏安法檢測結果的主要因素。電流型氣體傳感器近年來被廣泛應用于氨氮檢測。研究人員發(fā)現(xiàn)，對于基于離子液體電解質的氣體電極需要增大電極的表面積來提高氨氮檢測的靈敏度。Hussain等[38]研制了一種新型的電流型氣體傳感器，通過電沉積技術對鉑電極的表面構造進行納米級改進，增大了氣體與電極表面的接觸面積，電極電流響應是線性掃描伏安法的7倍。

4 被動采樣技術

被動采樣技術作為現(xiàn)場檢測的有效方法，不僅能有效監(jiān)測污染事件，而且可以將取樣、污染物分離、累積和保存等多個步驟結合起來，簡化了分析過程[39]。Almeida等[40-41]發(fā)現(xiàn)，以二壬基萘磺酸為載體的聚合物包合膜作為被動采樣器半透膜時，對銨離子有著較好的富集效果，并首次在此聚合物包合膜的基礎上研制了一種用于測定水中氨氮的被動采樣器，但只適用于低鹽度水樣中的氨氮檢測。有研究[42]將氣體擴散膜作為被動采樣器的選擇性半透膜，并成功應用于海洋、沿海和河口等高鹽度水域的氨氮檢測。

5 微流控紙芯片技術

微流控紙芯片技術(microfluidic paper-based analytical device，μPAD)以紙制材料作為液體樣品和試劑流動的基底，基底中的親水纖維素載體充當毛細管網(wǎng)絡，使液體在不需外部驅動力的情況下沿著毛細管網(wǎng)絡輸送，通過在基底上印制疏水化合物圖案的方式限定流動的路徑。微流控紙芯片技術的優(yōu)勢在于成本低、攜帶方便、環(huán)境友好，適合現(xiàn)場檢測。Phansi等[43]將基于膜的氣體擴散分離技術首次應用在微流控紙芯片技術中，通過使用聚四氟乙烯膜隔斷紙芯片的供體與受體，從而實現(xiàn)對氣態(tài)氨的高選擇性檢測。Jayawardane等[44]將無膜氣體擴散的概念引入微流控紙芯片技術中，對廢水和肥料中的銨離子進行定量分析。

6 結語

氨氮檢測的方法多種多樣，每種方法都有其特點及適用范圍。傳統(tǒng)檢測方法在對低濃度、高鹽度、復雜基質的環(huán)境樣品進行分析時表現(xiàn)不佳，且無法做到現(xiàn)場實時監(jiān)測。流動分析技術、被動采樣技術、微流控紙芯片技術以及各種新型分離技術的出現(xiàn)使得這一問題得到一定程度的解決。探尋適用于現(xiàn)場、自動化、微型化、便攜化且靈敏度高、選擇性好的檢測技術是未來的發(fā)展方向。