李高衛(wèi) 盧 斌 姚夢楠 薛 慧 呂亞倩 劉 康 郭啟悅 翟 辰

（北京海光儀器公司，北京 101300）

氨氮（NH3-N）通常以離子態(tài)銨（NH4+）和非離子態(tài)氨（NH3）這兩種形式存在于水中［1］，水中氨氮主要來源于生活污水、農(nóng)田排水、工業(yè)廢水中含氮有機物的分解產(chǎn)物［2］。氨氮濃度是評價水質(zhì)的重要指標，氨氮濃度偏高標志著水體富營養(yǎng)化，不僅影響魚類等水生生物的安全，也危害著人類的健康［3］。因此，氨氮濃度檢測是水環(huán)境監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容。

目前水體中氨氮的測定方法包括納氏試劑分光度法［4，5］、氣相分子吸收法光譜法［6，7］、連續(xù)流動分析法［8］、電極法［9］、蒸餾-中和滴定法［10］等方法。納氏試劑分光光度法中碘化汞試劑有劇毒，具有安全性低，環(huán)境不友好的缺點；電極法的結(jié)果重現(xiàn)性不好，易受表面活性劑等物質(zhì)的干擾；氣相分子吸收光譜法操作復(fù)雜，對分析人員要求較高。近年來，連續(xù)流動分析法［11］作為一種快速、準確、簡便的測定方法，越來越多地應(yīng)用于大批量水樣品中氨氮濃度的檢測。

本研究以全自動連續(xù)流動分析儀的總氮模塊為研究對象，通過對已有總氮模塊的管路結(jié)構(gòu)改造，研制一種新型的氨氮檢測模塊，不僅可以快速、高效的測定樣品，而且能夠消除色度及濁度對氨氮測定的干擾，獲得更加穩(wěn)定、可靠的測定結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

1.1.1 連續(xù)流動分析儀

連續(xù)流動分析儀利用蠕動泵將樣品和試劑分別推動到密閉的化學(xué)反應(yīng)流路中，樣品與試劑按照特定的比例混合，通過消解、加熱、透析處理，待物理和化學(xué)反應(yīng)平衡，顯色溶液進入流動池檢測，依據(jù)朗伯-比爾定律計算待測物的含量。

1.1.2 氨氮測定反應(yīng)原理

連續(xù)流動分析法測量氨氮的反應(yīng)原理如下：樣品與緩沖溶液充分混合，在亞硝基鐵氰化鈉作用下，銨與次氯酸離子反應(yīng)生成氯銨（反應(yīng)1），氯銨與水楊酸反應(yīng)生成一個中間產(chǎn)物（反應(yīng)2），進而轉(zhuǎn)變?yōu)轷珌啺罚ǚ磻?yīng)3），醌亞胺與水楊酸縮合生成藍綠色的吲哚類物質(zhì)靛酚藍（反應(yīng)4）。該物質(zhì)在660 nm處吸收較強，吸收強度和氨氮濃度成正比，符合朗伯比爾定律。具體反應(yīng)式如下：

1.2 儀器和試劑

1.2.1 儀器全自動連續(xù)流動分析儀（HGCF-100）；紫外可見分光光度計（TU-1810）。

1.2.2 試劑

檸檬酸三鈉（C6H5O7Na3·2H2O，分析純）；水楊酸鈉（NaC7H5O3，分析純）；二水亞硝基鐵氰化鈉（Na2Fe（CN）5NO·2H2O，分析純）；二氯異氰脲酸鈉（（C3Cl2N3O3）Na，分 析 純）；聚 氧 乙 烯 月 桂 醚（C38H76O11，分析純）；氨氮標準溶液。

1.2.3 溶液配制

聚氧乙烯月桂醚溶液的配制（30 g/L）：30 g 聚氧乙烯月桂醚溶解于600 mL 水中（熱水浴60 ℃），冷卻至室溫，定容至1 L，混勻。

緩沖溶液的配制：40 g 檸檬酸三鈉溶解于800 mL 的水中，定容至1 L，加入1 mL 濃度為30 g/L 聚氧乙烯月桂醚溶液，混勻，貯存于棕色瓶中。

水楊酸鈉溶液的配制：17 g 水楊酸鈉，0.2 g 二水亞硝基鐵氰化鈉，20 g 檸檬酸三鈉溶解于300 mL水中，定容至500 mL，加入0.5 mL 濃度為30 g/L 聚氧乙烯月桂醚溶液，混勻。

二氯異氰脲酸鈉溶液的配制：0.4 g 二氯異氰脲酸鈉，5 g 氫氧化鈉溶解于400 mL 水中，定容至500 mL，混勻。該溶液貯于棕色瓶中，在4 ℃下可穩(wěn)定1個月。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計學(xué)分析軟件SPSS 26 處理數(shù)據(jù)，通過獨立樣本t 檢驗，對比分析研制的氨氮檢測模塊的連續(xù)流動分析法和納氏試劑分光光度法的結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮檢測模塊的研制

本研究在總氮模塊的基礎(chǔ)上，通過儀器研發(fā)和改造實現(xiàn)氨氮模塊的研制，不僅提高了全自動連續(xù)流動分析儀的利用率，也為其開發(fā)和研制提供理論和實踐基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)連續(xù)流動分析氨氮濃度的快速測定，根據(jù)連續(xù)流動分析儀測定氨氮的原理，在已有總氮模塊的基礎(chǔ)上，通過增加泵管和改變反應(yīng)混合圈，實現(xiàn)氨氮檢測模塊的研制。具體包括如下兩個方面的改造。改造一是將原總氮模塊的玻璃三通處二次進樣泵管斷開（圖1 中‘×'標識處），二次進樣泵管作為氨氮檢測模塊的樣品進樣管路?？偟繙y定時，在紫外燈照射下，過硫酸鹽將樣品氧化為硝酸鹽。而氨氮的測定不需要氧化這一過程，故將原總氮模塊消解完成的二次進樣泵管處斷開，作為氨氮樣品的進樣口；改造二是將原加熱裝置前的反應(yīng)混合圈改造為兩個玻璃圈（圖1 中黑色實線框標識的反應(yīng)混合圈），增加蠕動泵泵管N，通過N 泵管泵入水楊酸鈉溶液，K 泵管泵入二氯異氰脲酸鈉溶液。原總氮模塊的G 和J 泵管泵入緩沖溶液，L 泵管泵入水。氨氮模塊中水楊酸鈉通過亞硝基鐵氰化鉀催化劑作用在40 ℃下反應(yīng)，因此，在加熱反應(yīng)前，將原反應(yīng)混合圈改造為兩個，在反應(yīng)混合圈處增加N 泵管，以泵入氨氮反應(yīng)所需要的水楊酸鈉溶液。新研制的氨氮模塊的流路圖如圖1 所示，其中黑色實線為氨氮模塊的流路圖，黑色虛線管路為原總氮模塊流路圖。

圖1 氨氮模塊流路示意圖

待測氨氮樣品進入圖1 所示流路中，檸檬酸鈉緩沖溶液作為掩蔽劑，能夠有效屏蔽金屬離子的干擾。樣品和緩沖溶液充分混合后，通過透析裝置，除去可能產(chǎn)生干擾的固體顆粒和大分子物質(zhì)。透析后的待測溶液和K 泵管泵入的二氯異氰脲酸鈉溶液產(chǎn)生的次氯酸根在堿性條件下反應(yīng)生成氯胺（反應(yīng)1），氯胺和N 泵管的泵入的水楊酸鈉在亞硝基鐵氰化鉀催化劑和40 ℃下反應(yīng)生成5-氨基水楊酸鹽（反應(yīng)2），進一步氧化、耦合生成吲哚類化合物（反應(yīng)3、4），最后進入流通池進行檢測。

氨氮模塊連續(xù)流動分析儀測定條件設(shè)置如下：蠕動泵泵速：12 轉(zhuǎn)/min；檢測波長：660 nm；加熱溫度：40 ℃；采樣時間：60 s；清洗時間：100 s；積分時間：10 ms。按照上述儀器參數(shù)，設(shè)置標準系列管和樣品管，啟動蠕動泵，待試劑基線平穩(wěn)后，開始測定標準系列溶液和樣品中氨氮含量。

2.2 標準曲線的測定

取7個100 mL 容量瓶，分別加入濃度為100 mg/L 的 氨 氮 標 準 液0.000 mL、0.050 mL、0.100 mL、0.300 mL、0.500 mL、0.800 mL、1.000 mL，用蒸餾水稀釋至100 mL，配制7個標準溶液，濃度分別為0.000 mg/L、0.050 mg/L、0.100 mg/L、0.300 mg/L、0.500 mg/L、0.800 mg/L、1.000 mg/L。通過氨氮檢測模塊，測定氨氮的含量。7個氨氮標準液的吸光度值如圖2a 所示，根據(jù)峰高法繪制標準曲線（見圖2b），標準曲線方程為y=0.27294x+0.005，線性相關(guān)系數(shù)r 為0.9995。

2.3 檢出限

濃度為0.050 mg/L 的標準溶液，采用氨氮模塊平行測定7次，測定結(jié)果分別為0.045 mg/L，0.043 mg/L，0.048 mg/L，0.046 mg/L，0.047 mg/L，0.045 mg/L，0.043 mg/L，標 準 偏 差 為0.0019 mg/L，按照如下公式計算連續(xù)流動分析法氨氮檢測的檢出限（MDL）：

n 為重復(fù)測定的樣品次數(shù)，t 代表自由度為n-1時99%的置信區(qū)間的分布，S 為重復(fù)測定n 次的標準偏差。將t（6，0.99）=3.143，代入檢出限公 式，計算得出氨氮的檢出限為0.0059 mg/L。納氏試劑分光光度法（GB/T5750-2006）規(guī)定測定水樣的檢出限為0.02 mg/L［12］，因此，所研制的氨氮模塊的連續(xù)流動分析儀能滿足水中氨氮檢測要求。

圖2 氨氮標準液的吸光度值與標準曲線（a）. 氨氮標準液的吸光度值；（b）. 標準曲線

2.4 精密度和準確度

采用連續(xù)流動分析儀氨氮模塊，測定生態(tài)環(huán)境部標準樣品研究所兩個氨氮標樣。氨氮標樣（編號：2005125，保 證 值：0.502±0.018 mg/L）測 定6次，測定結(jié)果分別為0.508 mg/L，0.501 mg/L，0.505 mg/L，0.510 mg/L，0.506 mg/L，0.511 mg/L。平行測定的標準偏差為0.0037 mg/L，相對標準偏差RSD 為0.72%；平行測定的平均值為0.507 mg/L，絕對誤差為0.005 mg/L。氨氮標樣（編號：2005104，保證值：0.400±0.018 mg/L）測定6次，測定結(jié)果分別為0.404 mg/L，0.397 mg/L，0.411 mg/L，0.406 mg/L，0.407 mg/L，0.403 mg/L。平行測定的標準偏差為0.0047 mg/L，相對標準偏差RSD 為1.16%；平行測定的平均值為0.405 mg/L，絕對誤差為0.005 mg/L。結(jié)果 表明所研制的氨氮檢測模塊具有較高的精密度和準確度。

2.5 實際樣品測定

采集氨氮濃度分別為低、中、高3個濃度水平的樣品，分別采用所研制的連續(xù)流動分析儀和國家標準方法（納氏試劑分光光度法）對水樣中的氨氮進行測定，每個樣品平行測定3次，測定結(jié)果見表1。連續(xù)流動分析法低、中、高3個濃度的均值分別為0.125 mg/L，0.564 mg/L，0.827 mg/L，其對應(yīng)的標準偏差分別為0.00153 mg/L，0.00289 mg/L，0.00569 mg/L，低、中、高3個濃度樣品測定結(jié)果的RSD 范圍為0.51～1.23%。納氏試劑分光光度法測定3個濃度樣品的均值分別為0.121 mg/L，0.557 mg/L，0.831 mg/L，其對應(yīng)的標準偏差分別為0.0030 mg/L，0.0060 mg/L，0.0045 mg/L。低、中、高3個濃度的RSD 范圍為0.54～2.48%。

為了檢驗連續(xù)流動分析法和納氏試劑分光光度法測定的氨氮結(jié)果是否存在顯著性差異，采用t-檢驗統(tǒng)計分析低、中、高3個濃度樣品的測定結(jié)果。通過萊文方差等同性檢驗，計算兩種方法的方差顯著性，結(jié)果表明，方差等同性檢驗P 值為0.989，大于臨界值0.05，即兩種方法的方差相等，具有方差齊性，滿足獨立樣本t-檢驗比較兩種方法均值的前提條件。

表1 連續(xù)流動分析法和納氏試劑分光光度法測定氨氮的結(jié)果

采用獨立樣本t 檢驗比較兩種方法的均值，連續(xù)流動分析法的平均值為0.505 mg/L，標準偏差為0.307 mg/L；納氏試劑分光光度法的平均值為0.503 mg/L，標準偏差為0.00310 mg/L，納氏試劑分光光度法的標準偏差較大。t-檢驗P 值為0.988，大于臨界值0.05。本研究研制的氨氮檢測模塊的連續(xù)流動分析儀和國標納氏試劑分光光度法測定樣品中氨氮濃度的結(jié)果無顯著性差異。

3 結(jié)論

本研究在已有總氮模塊的基礎(chǔ)上進行管路結(jié)構(gòu)的改造，通過增加泵管和改變反應(yīng)混合圈，滿足了氨氮檢測的需要。所研制的氨氮模塊應(yīng)用于水樣中氨氮濃度檢測，在0～1.000 mg/L 范圍內(nèi)，吸光度與氨氮濃度具有良好線性，相關(guān)系數(shù)r 為0.9995，檢出限為0.0059 mg/L，準確度和精密度均滿足監(jiān)測要求。采集低、中、高3 個濃度水平的樣品，分別采用所研制的連續(xù)流動分析儀與國標納氏試劑分光光度法進行測定，獨立樣本t 檢驗的P 值為0.988，大于臨界值，兩種方法無顯著性差異。所研制氨氮檢測模塊的全自動流動分析儀實現(xiàn)了水中氨氮檢測過程中自動采樣和在線集成化處理，減少了環(huán)境不友好試劑的使用，提高了分析效率和安全性，具有良好的應(yīng)用前景，同時為全自動連續(xù)流動分析儀的研制奠定了理論和實踐的基礎(chǔ)。