一種快速檢測水體中氨氮含量的雙波長光譜法

吳慧玲，胡湛波*，柴欣生，王 璀，楊甌蒙

1.廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004 2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510641

一種快速檢測水體中氨氮含量的雙波長光譜法

吳慧玲1，胡湛波1*，柴欣生2，王 璀1，楊甌蒙1

1.廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣西 南寧 530004 2.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東 廣州 510641

氨氮是衡量地表水質(zhì)量狀況的重要指標(biāo)之一。在現(xiàn)行的納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)檢測氨氮含量過程中，水樣預(yù)處理(絮凝沉淀法)、剩余濁度與儀器基線漂移等因素給檢測過程帶來不確定影響。據(jù)此，提出一種雙波長(420和650 nm)光譜的改進(jìn)方法，通過扣除由剩余濁度與儀器基線漂移引入的吸光度，以消除檢測干擾。先確定水樣在420 nm處的濁度修正系數(shù)k，后以420 nm處的吸光度減去650 nm處吸光度與k值的乘積，得到氨氮顯色反應(yīng)的凈吸收值，從而實現(xiàn)對氨氮含量的準(zhǔn)確定量檢測，并對該方法的精確度與準(zhǔn)確性進(jìn)行評價。結(jié)果表明：在單波長法中，僅由絮凝沉淀法過濾過程引入的相對偏差可達(dá)8.67%，而雙波長法無絮凝沉淀步驟，不受該偏差影響。雙波長法5次重復(fù)實驗的精度標(biāo)準(zhǔn)差低至1.58%，回收率在98.5～103%之間，因此更為準(zhǔn)確、可靠。與現(xiàn)行的納氏試劑分光光度法相比，該方法既省略了水樣預(yù)處理的步驟，又扣除了剩余濁度的干擾，顯著提高了實驗的效率，特別適用于大批量地表水樣中氨氮含量的快速檢測。

氨氮； 納氏試劑分光光度法； 雙波長光譜法

引 言

氨氮是衡量水體富營養(yǎng)化程度的重要指標(biāo)，也是水質(zhì)監(jiān)測分析的基本指標(biāo)之一。目前，檢測氨氮的主要方法有納氏試劑分光光度法、苯酚-次氯酸鹽光度法、氣相分子吸收光譜法、電化學(xué)分析法等，其中，納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)因具有檢測快速、操作簡單、反應(yīng)靈敏等特點，被廣泛用于地表水中氨氮含量的測定[1-3]。然而，在實際檢測過程中，這種方法容易受到實驗因素(如實驗環(huán)境、試劑的配制與保存、實驗用水等)的影響，使檢測結(jié)果與實際值相差較大，影響檢測結(jié)果的可靠性與精確度。近年來，針對如何提高納氏試劑分光光度法檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了許多的改進(jìn)研究，主要集中于水樣的預(yù)處理、納氏試劑的使用量、氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置方法與保存、標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制與操作過程、顯色時間與溫度等方面[4]。盡管以上研究在很大程度上減小了由于試劑和實驗操作方面所引入的誤差，但都忽略了剩余濁度與儀器本身基線漂移對檢測結(jié)果的影響。另外，該法采用絮凝沉淀法對水樣進(jìn)行預(yù)處理步驟繁瑣、耗時長，容易造成樣品污染，不能快速準(zhǔn)確檢測氨氮的含量[5]。因此，為保證納氏試劑光度法快速測定地表水中氨氮含量的準(zhǔn)確性以達(dá)到國家相關(guān)檢測部門的要求，對該方法提出改進(jìn)尤為必要。

本文在納氏試劑分光光度法(單波長法)測定氨氮含量的實驗條件與步驟的基礎(chǔ)上，探討絮凝沉淀法、細(xì)小懸浮顆粒物與儀器基線漂移對氨氮檢測過程產(chǎn)生的不確定性影響，提出了采用雙波長光譜法[6-8]對納氏試劑分光光度法進(jìn)行改進(jìn)的方法，并對該方法的精度與準(zhǔn)確性進(jìn)行評價。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

(1)儀器：島津UV-1800型紫外-可見分光光度計。

(2)試劑的配置：

根據(jù)《水與廢水監(jiān)測分析方法》[1]中納氏試劑分光光度法的標(biāo)準(zhǔn)步驟配置銨標(biāo)準(zhǔn)使用液(10 mg·L-1)、10%的硫酸鋅溶液、25%氫氧化鈉溶液、納氏試劑、酒石酸鉀鈉溶液。

1.2 方法

(1)氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

取銨標(biāo)準(zhǔn)使用液0.00，0.50，1.00，3.00，5.00，7.00和10.00 mL于50 mL比色管中，加無氨水稀釋至標(biāo)線，即可得濃度為0.00，0.10，0.20，0.60，1.00，1.40和2.00 mg·L-1的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液。加1.0 mL酒石酸鉀鈉溶液，搖勻。加1.5 mL納氏試劑，混勻，放置10 min后，用20 mm比色皿，以無氨水為參比，掃描全光譜，以420 nm處的吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

(2)水樣預(yù)處理

取100 mL水樣于燒杯中，加入1.0 mL 10%硫酸鋅溶液和0.1～0.2 mL 25%氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)pH至10.5左右，混勻，靜置使沉淀，用經(jīng)無氨水充分洗滌過的中速濾紙過濾，棄去前20 mL后所得溶液為預(yù)處理后的水樣。

(3)單波長法測定水樣中氨氮含量

取適量經(jīng)過預(yù)處理后的水樣于50 mL比色管中，稀釋至標(biāo)線，按上述氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線的測定步驟測定氨氮的吸光度，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算氨氮含量。

(4)雙波長法測定水樣中氨氮含量

取適量不經(jīng)過預(yù)處理的水樣于50 mL比色管中，稀釋至標(biāo)線，加1.0 mL酒石酸鉀鈉溶液與加1.5 mL納氏試劑，混勻，放置10 min后，用20 mm比色皿測定420和650 nm處的吸光度。根據(jù)建立的雙波長法計算氨氮的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氨氮檢測原理與標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立

氨氮顯色反應(yīng)原理是碘化汞和碘化鉀的堿性溶液與氨反應(yīng)生成淡紅棕色膠態(tài)化合物，此顏色在410～425 nm范圍內(nèi)具有強(qiáng)烈吸收，通常取420 nm處吸光度作為水樣中氨氮的吸收值。根據(jù)納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)的操作步驟測得不同濃度的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液(0～2.00 mg·L-1)對應(yīng)的吸光度，同時掃描其全光譜，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示，氨氮的濃度與對應(yīng)的吸光度呈正比關(guān)系，即符合Lamber-Beer定律。當(dāng)需要檢測干擾較少的水樣氨氮濃度時，可以采用上述方法準(zhǔn)確檢測水樣中氨氮的濃度。

圖1 氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液顯色后的可見光譜

2.2 影響氨氮檢測準(zhǔn)確性的干擾因素

圖2為不經(jīng)過預(yù)處理與經(jīng)過預(yù)處理的氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液(1-1，1-2)、實際水樣(2-1，2-2)顯色后的光譜圖。由于地表水樣來源成分復(fù)雜，水樣中的有機(jī)化合物、無機(jī)離子、懸浮顆粒物等會產(chǎn)生渾濁或異色而引起干擾，通常采用絮凝沉淀法對污染程度較輕的水樣進(jìn)行預(yù)處理，但未能完全去除肉眼難以察覺的細(xì)小懸浮顆粒物質(zhì)(剩余濁度)，從而造成如圖2內(nèi)置圖中水樣由懸浮顆粒物質(zhì)的光散射或吸收作用引起的基線顯著上移，即使是空白溶液也難以避免該現(xiàn)象，給檢測結(jié)果帶來正偏差。同時，又因絮凝沉淀法過濾步驟所用中速濾紙中有少量銨鹽溶出，導(dǎo)致所測水樣中氨氮濃度普遍偏高，如圖2中1-2在420 nm處的吸光度稍高于1-1。表2為采用市售5種不同品牌的濾紙分別過濾經(jīng)絮凝沉淀后的標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.00 mg·L-1)所測得的氨氮濃度值。相對誤差在1.16%～8.67%之間，對低濃度氨氮的檢測尤其不利。所以，采用絮凝沉淀法的預(yù)處理方式雖能消除大部分濁度影響但隨之也帶來誤差，加之剩余濁度與基線漂移的影響，無疑將直接降低檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，針對污染程度較輕的地表水樣，可不進(jìn)行水樣預(yù)處理而直接采用以濁度的吸收波長為基準(zhǔn)的雙波長光譜法簡化氨氮的檢測步驟，以達(dá)到快速準(zhǔn)確、節(jié)時省力的目的。

圖2 水樣顯色后光譜

表1 不同品牌濾紙過濾后氨氮實測值

注：相對誤差以標(biāo)準(zhǔn)濃度1.00 mg·L-1為基準(zhǔn)計算。

2.3 雙波長光譜法的建立與推導(dǎo)

從圖2可以看出氨氮光譜從波長為640 nm后基線趨于穩(wěn)定，所以本文選取650 nm處的吸光度表示濁度的吸收值。由于在420與650 nm處由濁度引起的吸光度的比值是一個恒定常數(shù)，為此，引入420 nm處濁度的修正系數(shù)k，即

(1)

式中：k為濁度修正系數(shù)；Aa, 420和Aa, 650分別為不同種類的水樣在420與650 nm波長處的吸光度。

納氏試劑分光光度法(HJ535—2009)單波長檢測氨氮含量基于如下計算公式

A420=As, 420-Ad, 420

(2)

式中：As, 420和Ad, 420分別為試驗水樣、空白水樣顯色后420 nm波長處的吸光度。

將420 nm波長處的吸光度減去由濁度引起的吸光度，即可得出水樣中氨氮的凈吸光值。具體推導(dǎo)公式如下

(3)

(4)

式中：As, 650和Ad, 650分別為試驗水樣、空白水樣顯色后650 nm波長處的吸光度。

將式(3)和式(4)代入式(2)中可得

(5)

基于上述推導(dǎo)，獲得水樣中氨氮顯色后的凈吸光值，再代入由Lamber-Beer定律確定的氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，經(jīng)變形后水樣中氨氮含量的計算公式可寫為

(6)

式中：c氨氮為水樣中氨氮的濃度，mg·L-1；a1和b1為氨氮標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的斜率與截距；V1和V2為水樣體積與定容體積，mL。

2.4 濁度修正系數(shù)k值的確定

k值可根據(jù)地表水的類型而確定。本文以廣西大學(xué)校園內(nèi)不同地點的生活污水為例，不加納氏試劑直接測定其420與650 nm處的吸光度，代入式(1)中計算k值，結(jié)果如表2所示。各個水樣的k值十分接近，其平均值為2.10。因此，可取2.10為計算所用濁度校正系數(shù)。

表2 不同水樣的k值

2.5 方法的評價

2.5.1 方法的精度分析

為了驗證雙波長光譜法的精確度，在相同環(huán)境下按照單波長法與雙波長法的實驗步驟分別對同一水樣重復(fù)測定5次，其k值為2.1，計算氨氮的含量與標(biāo)準(zhǔn)差。從表3可知，單波長法檢測氨氮的含量大于雙波長法，兩種方法的標(biāo)準(zhǔn)差分別為7.09%和1.58%，說明雙波長法的檢測精度高于國標(biāo)法。

表3 兩種方法的精度比較

2.5.2 方法的準(zhǔn)確性

為驗證雙波長法的準(zhǔn)確性，將一系列氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液加入上述水樣中，按照雙波長法實驗步驟對樣品進(jìn)行測定，并計算回收率，結(jié)果如表4所示，回收率在98.5%～103%之間，符合回收率的要求。因此，本方法完全可以實現(xiàn)氨氮檢測的高準(zhǔn)確性。

表4 方法的回收率

3 結(jié) 論

對納氏試劑分光光度法檢測氨氮過程中由絮凝沉淀法與剩余濁度引起的影響進(jìn)行討論，提出一種基于雙波長光譜法的快速檢測水樣中氨氮含量的改進(jìn)方法，并對方法的精確度及準(zhǔn)確性進(jìn)行評價。結(jié)果表明，該方法檢測精度的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.58%，回收率在98.5%～103%之間，因此該方法不僅準(zhǔn)確、可靠，同時還克服了水樣預(yù)處理的缺陷，簡化了操作過程，大大提高了檢測效率，非常適用于地表水樣中氨氮含量的批量化快速分析。

[1] National Environmental Protection Bureau(國家環(huán)境保護(hù)總局).Monitoring and Analysis Method of Water and Waster Water(Edition 4)(水和廢水檢測分析方法)(第4版).Beijing: China Standard Press(北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社), 2002.276.

[2] Sonia Senra-Ferreiro, Francisco Pena-Pereira, Isabel Costas-Mora.Talanta, 2011, 85(3): 1448.

[3] Shoji T, Nakamura E.Analytical Sciences，2010, 26(7): 779.

[4] FU Jiao-feng, CHEN Shi-jian, ZHANG Ting(傅嬌鳳, 陳世儉, 張 婷).Environmental Science & Technology(環(huán)境科學(xué)與技術(shù))，2013, 27(1): 92.

[5] ZHANG Bang-xi, XIA Pin-hua, LI Cun-xiong(張邦喜, 夏品華, 李存雄).Environmental Monitoring in China(中國環(huán)境監(jiān)測)，2012, 28(1): 37.

[6] Nesrine T Lamie.Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2015, 149: 201.

[7] Ahmed S Saad.Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2015, 147: 257.

[8] CHEN Hai-xiang, HU Hui-chao, ZENG Jia-xin(陳海翔, 胡會超, 曾嘉欣).Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2013, 33(9): 2566.

(Received Feb.2, 2015; accepted May 18, 2015)

*Corresponding author

Rapid Detection of Ammonia Nitrogen in Water with Dual-Wavelength Spectroscopy

WU Hui-ling1, HU Zhan-bo1*, CHAI Xin-sheng2, WANG Cui1, YANG Ou-meng1

1.School of Environment, Guangxi University, Nanning 530004, 2.State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

Ammonia nitrogen is an important indicator to measure the quality of surface water.In the process of detecting ammonia nitrogen content with Nessler’s reagent spectrophotometry method (HJ535—2009), water sample pretreatment (flocculation method), residual turbidity and instrument baseline drifting will bring uncertainty to the process.Accordingly, a spectroscopic method based on dual-wavelength (420 and 650 nm) measurement is proposed, so as to subtract the absorbance of residual turbidity and instrument baseline-drifting to eliminate such interference.We first figure out k, the turbidity correction coefficient of the water sample at the wavelength 420 nm, then divide the product of absorbance of 650 andkby the absorbance of 420, and finally obtain the net absorption of ammonia nitrogen chromogenic reaction.Thus we can make accurate quantitative detection of ammonia nitrogen content and evaluate the precision and accuracy of dual-wavelength spectrometry.The results shows that, with single-wavelength method, the relative deviation can be up to 8.67% caused by the filtration process of flocculation and sedimentation, while the dual-wavelength method would not be affected by the deviation, since dual-wavelength method includes no filtration process.The accuracy standard deviation of dual-wavelength method could be as low as 1.58%, and the recovery is between 98.5% and 103%, which shows that the method is more accurate and reliable.Compared with the current Nessler’s reagent spectrophotometric method, the present method not only omits the process of water sample pretreatment, but also avoids the interference of residual turbidity, which could significantly improve the efficiency of the experiment.Therefore, it is more suitable for rapid determination of ammonia nitrogen in large quantities of surface water samples.

Ammonia nitrogen; Nessler’s reagent spectrophotometry method; Dual-wavelength spectroscopy

2015-02-02，

2015-05-18

國家自然科學(xué)基金項目(51409287)，南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(20143105)，廣西自然科學(xué)基金項目(2013GXNSFAA019278)資助

吳慧玲，女，1990年生，廣西大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生 e-mail: whl415899@126.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: hzb2005@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1396-04