氣泡間隔連續(xù)流動分析法用于氨氮在線監(jiān)測

趙 宇，張茗迪，董建民，劉子杰，張衛(wèi)宏

（中節(jié)能天融科技有限公司，北京 100085）

氣泡間隔連續(xù)流動分析（CFA）法以其檢測速率快、自動化程度高、試劑消耗量少而逐漸成為實驗室水質檢測的主流分析方法［1-4］，也是新水質檢測標準推出的主要側重方向，目前已有針對地表水、廢水中的總氮、總磷、氨氮實驗室測定的國家標準方法［5-7］。但該方法只適用于實驗室檢測分析，需要滿足長期有人值守、預制大批量樣品、廢液每日清理等前提條件。在地表水在線監(jiān)測領域，目前采用的順序注射法因產生廢液量高、檢測時間長等問題阻礙了各水質指標的快速檢測和質量控制功能的實現［8-19］。而截至目前，尚未有將CFA方法應用于水質在線監(jiān)測領域的報道。

本工作通過泵速優(yōu)化實驗，考察了泵速變化對試劑消耗量、廢液產生量、信號波動、出峰時間和檢測穩(wěn)定性的影響，進而建立水樣中氨氮的CFA在線監(jiān)測方法。

1 實驗部分

1.1 試劑、材料和儀器

氯化銨、二水合亞硝基鐵氯化鈉、酒石酸鉀鈉、檸檬酸三鈉、鹽酸、氫氧化鈉、聚氧乙烯月桂醚、水楊酸鈉、二氯異氰脲酸鈉：均為優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水為新鮮制取、電阻率大于10 MΩ·cm（25 ℃）的無氨水。

氨氮標準溶液：稱取3.819 g氯化銨溶于水中，定容至1 000 mL，得到氨氮標準儲備液，將其逐級稀釋即得所需標準溶液。

亞硝基鐵氰化鈉溶液：溶解0.5 g二水亞硝基鐵氯化鈉于300 mL水中，定容至500 mL。緩沖溶液：溶解33 g酒石酸鉀鈉、24 g檸檬酸三鈉于800 mL水中，定容至1 L，用氫氧化鈉調節(jié)pH至5.2，最后加入3 mL 3%（w）聚氧乙烯月桂醚混勻。水楊酸鈉溶液：溶解25 g氫氧化鈉、80 g水楊酸鈉于800 mL水中，冷卻后定容至1 L。二氯異氰脲酸鈉溶液：溶解2.0 g二氯異氰脲酸鈉于300 mL水中，定容至500 mL。

HGCF-100型氣泡間隔連續(xù)流動分析儀：北京海光儀器有限公司。

1.2 實驗原理

在圖1所示的管路中，水樣和各溶液在蠕動泵的推動下進入由石英管組成的密閉管路中，由蠕動泵或電磁閥同時勻速輸入氣泡，將溶液按一定間隔規(guī)律隔開，在由氣泡分隔開的小腔室里混合、反應，直至顯色完全后，通過浮力作用排出氣泡，各腔室溶液匯合進入流通池進行分光光度法檢測。由于整個反應過程在毛細管路中進行，具有預處理效率高、反應速率快、安全性好、試劑消耗量小的優(yōu)勢。一個反應全周期里包括“輸送反應時間”和“出峰時間”，在實驗室CFA法持續(xù)進樣過程中，輸送反應時間相互重疊，從而相對縮短了樣品檢測時間（如圖2所示）。對于在線監(jiān)測過程，采樣時間間隔較長，輸送反應時間無法重疊，所以一個反應全周期既是檢測時間。

圖1 氨氮CFA法的流路圖

圖2 CFA連續(xù)檢測信號圖

通過蠕動泵，將水樣與緩沖溶液混合，實現酸度調節(jié)和對干擾物質的掩蔽；然后，依次與堿性水楊酸鈉溶液、亞硝基鐵氰化鈉溶液和二氯異氰脲酸鈉溶液混合；在堿性介質中，水樣中的氨、銨離子與二氯異氰脲酸鈉溶液釋放出的次氯酸根反應生成氯胺，在45 ℃加熱條件下和亞硝基鐵氰化鈉催化作用下，氯胺與水楊酸鹽反應生成5-氨基水楊酸，然后進一步縮合生成靛酚藍；在660 nm波長處測定吸光度。由于試劑一直連續(xù)注入，所以660 nm波長處獲得的信號是由淺入深又降為無色的顯色反應產生的高斯曲線峰。

1.3 實驗方法

按照表1所示實驗參數（廠家建議儀器條件參數），結合《地表水自動監(jiān)測技術規(guī)范（試行）》HJ 915—2017［20］要求，每隔4 h對水樣進行一次檢測，對結果進行對比分析。具體檢測流程為：在原有實驗室CFA檢測流程［20-21］連續(xù)進水樣的基礎上，中斷其連續(xù)進水樣過程，而以上次水樣出峰完全以及一個完整采樣周期結束后，進樣器引入下一個水樣，開始新的檢測。上一個水樣檢測結束，新的水樣尚未準備好的間隔期稱為待機，待機過程中改變蠕動泵泵速，考察試劑消耗量和廢液產生量的變化。檢測過程中，改變蠕動泵泵速，考察吸光度信號的大小及其波動性。確定最優(yōu)泵速后，以每4 h一次的采樣頻率，模擬在線監(jiān)測過程對水樣進行測定。

表1 在線氨氮CFA法的設定參數

2 結果與討論

CFA法得以對水樣快速檢測的前提條件是樣品連續(xù)進入反應系統(tǒng)，而對于在線監(jiān)測系統(tǒng)，樣品采集周期一般為1～4 h，這就造成樣品進樣間隔時間相對較長，此時試劑輸送時間成為主要耗時因素。同時，檢測之間的待機過程也會造成大量試劑的浪費和較多廢液的產生。為此，本實驗在實驗室CFA方法的基礎上，考察了相關因素的影響。

2.1 泵速對廢液產生量的影響

待機時間內的蠕動泵轉動是為了系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，避免局部加熱造成檢測的不穩(wěn)定以及試劑的析出。若待機狀態(tài)轉速與工作狀態(tài)轉速相同，則會消耗大量試劑，并產生廢液。本實驗對比了2～12 r/min轉速下各試劑消耗量和廢液產生量（結果見圖3），發(fā)現隨著轉速下降，試劑消耗量和廢液產生量明顯降低。模擬實際工作中每4 h檢測一次，待機時間230 min內，2 r/min轉速下廢液產生量比工作狀態(tài)減少80%以上。因此，本實驗選擇2 r/min為待機轉速。

圖3 待機轉速對試劑消耗量和廢液產生量的影響

2.2 泵速對檢測時間和基線的影響

蠕動泵的工作轉速會對反應速率以及系統(tǒng)壓力產生影響。泵速太小會造成濃度擴散嚴重，檢測峰形拖尾，靈敏度降低；泵速太大會造成系統(tǒng)壓力過大，泵管柔韌性受損。本實驗對比了工作轉速在5～40 r/min范圍內檢測時間（出峰時間和峰寬之和）的變化，結果見圖4。從圖4可以看出：隨著工作轉速的增加，出峰逐漸提前，峰寬變窄；當泵速大于25 r/min時，峰寬和出峰時間的變化逐漸平穩(wěn)。

圖4 工作轉速對檢測時間的影響

蠕動泵從低泵速切換到高泵速時，由于壓力驟增，會造成壓力的劇烈波動，本實驗研究了波動時間（從進樣器切換造成基線波動到基線平穩(wěn)所用的時間）、間隔時間（波動平穩(wěn)后與出峰之間的時間間隔）和波動極值（光譜信號最大值與最小值之差）的變化，結果見圖4和圖5。從圖4和圖5可以看出：雖然波動極值在工作轉速20～25 r/min范圍內有所減小，但隨工作轉速的增加整體仍呈現逐漸增大趨勢；在工作轉速大于25 r/min時，波動時間逐漸縮短至2 min之內，同時與信號峰保持約0.5 min的時間間隔，對檢測出峰不產生影響。

圖5 工作轉速對波動極值的影響

2.3 泵速對檢測穩(wěn)定性的影響

泵速對反應進行程度產生一定影響，進而影響檢測結果穩(wěn)定性。由于工作轉速為5 r/min時檢測時間太長，故研究范圍取10～40 r/min。本實驗考察了不同工作轉速下氨氮顯色反應的穩(wěn)定性，對2.00 mg/L標準溶液進行連續(xù)6次檢測，用測定結果的相對標準偏差（RSD）表征檢測的穩(wěn)定性。從圖6可知，在工作轉速10～40 r/min范圍內，RSD均小于5%：在10～25 r/min范圍內，RSD先升高后降低，這是受泵速變化引起基線波動的影響；在25～40 r/min之間，RSD在一定范圍內波動，并在40 r/min時處于最低值。綜合考慮出峰時間和泵管壽命等因素，本實驗選擇25 r/min為實驗所用工作轉速。

圖6 工作轉速對檢測穩(wěn)定性的影響

綜合分析圖4、圖5和圖6，在25 r/min工作轉速下，輸送反應時間為3 min，出峰時間約為2 min，即在5 min檢測時間內，既可實現對氨氮的快速準確檢測。

2.4 線性關系、精密度和檢出限

按照水質在線自動監(jiān)測儀的技術要求，常規(guī)采用單點進行校準，本實驗通過采用多位閥，可對3個濃度點的標準曲線進行校準。配制高、中、低3個質量濃度（0.25，1.00，2.00 mg/L）的氨氮標準溶液，測定氨氮的峰高，并以峰高對質量濃度進行線性回歸，得到0.25～2.00 mg/L范圍內的線性方程為：y= 0.215 9x+ 0.000 7，其相關系數為0.999 9。濃度范圍選擇的依據為地表水多級水質濃度的限定范圍［22］，如實際有超出情況，可通過適當稀釋測定。

對質量濃度為1.60 mg/L的氨氮溶液進行7次平行測定，測定結果（見表2）的RSD為0.8%，精密度良好。

表2 精密度實驗數據 ρ，mg/L

平行測定空白溶液11次，測定結果的標準偏差（S）為0.001 8 mg/L。按照公式t（n-1，0.99）S計算得到方法檢出限為0.005 mg/L。

2.5 準確性檢驗

采用生態(tài)環(huán)境部標準樣品研究所的氨氮質控樣品（編號2005131，標準值1.20 mg/L，不確定度0.07 mg/L），對方法的準確性進行檢驗，結果見表3。由表3可知，檢測濃度在質控允許范圍內，證明本實驗方法準確性較高。

表3 質控樣的測定結果 ρ，mg/L

2.6 實際水樣的測定

從北京市昌平區(qū)和通州區(qū)采集地表水水樣，分別用本實驗方法直接測定，并進行加標回收實驗，結果見表4。由表4可知，該方法回收率在90.8%～108.3%，證明方法穩(wěn)定可靠。

表4 實際水樣的回收率測定結果

對實際水樣檢測結果與《水質氨氮的測定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）手工方法［23］進行對比，并采用《氨氮水質在線自動監(jiān)測技術要求及檢測方法》（HJ 101—2019）［24］進行可靠性評價，結果見表5。從表5可看出，測定結果滿足HJ 101—2019要求，可用于地表水在線監(jiān)測。

表5 實際水樣的測定結果對比

2.7 與實驗室CFA方法峰形對比

將本實驗標準溶液峰形與實驗室CFA方法（泵速12 r/min）［21］標準溶液峰形進行對比，結果見圖7。由圖7可知，泵速提高后雖然峰高均略有降低，但是出峰顯著提前，連續(xù)測定0.25，1.00，2.00 mg/L 3個標準溶液，可在7 min內完成檢測。這一結果顯著優(yōu)于常規(guī)在線檢測儀器連續(xù)測定3個標準溶液的檢測時間（≥15 min）。

圖7 本實驗方法與實驗室CFA方法的峰形對比

3 結論

a）本實驗通過研究蠕動泵泵速對氨氮CFA方法的影響，驗證了通過增加泵速加快反應進程，縮短檢測時間的構想。本實驗方法可在5 min內實現水樣檢測，滿足在線監(jiān)測系統(tǒng)延時采樣的要求，為CFA方法應用于在線水質監(jiān)測奠定了基礎。

b）本實驗方法在0.25～2.00 mg/L范圍內的線性方程為y= 0.215 9x+ 0.000 7，相關系數為0.999 9。方法檢出限0.005 mg/L，相對標準偏差0.8%。將本方法應用于實際地表水水樣測定，加標回收率為90.8%～108.3%。

c）采用《水質氨氮的測定 水楊酸分光光度法》（HJ 536—2009）對分析結果進行驗證，測定結果滿足《氨氮水質在線自動監(jiān)測技術要求及檢測方法》（HJ 101—2019）要求，可用于地表水氨氮在線監(jiān)測。