水楊酸鈉-次氯酸鈉法海水氨氮快速檢測方法研究

皇甫咪咪，曲建強，李 燕，徐 閣，石 軍，杜軍蘭，侯純揚

1.天津大學理學院，天津 300072

水楊酸鈉-次氯酸鈉法海水氨氮快速檢測方法研究

皇甫咪咪1,2，曲建強1，李 燕2，徐 閣3，石 軍3，杜軍蘭2，侯純揚2

1.天津大學理學院，天津 300072

2.國家海洋技術中心，天津 300111

3.海口海洋環境監測中心站，海南 海口 570311

對水楊酸鈉-次氯酸鈉法測量海水氨氮化學分析條件進行了研究。通過正交實驗對水楊酸鈉-次氯酸鈉法試劑配比進行優化，并確定了最佳試劑配比。同時，用水楊酸鈉-次氯酸鈉法和靛酚藍法測量24個海水水樣，測量結果無顯著差異。在反應溫度為35 ℃，反應時間為10 min時，用改進后的方法分別測量60、120 μg/L的氨氮標準溶液，相對標準偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%。該方法試劑無毒、環保，操作簡單、快速，可滿足營養鹽自動分析儀現場快速測量的要求，提高儀器的環境友好性。

水楊酸鈉-次氯酸鈉；氨氮；海水；環境友好

Abstract:The detection of ammonia nitrogen in seawater through the method of Sodium Salicylate and Sodium Hypochlorite was studied in this paper. The reagent ratios were optimized by the orthogonal experiment and the best reagent ratio was determined. Ammonia nitrogen in 24 seawater samples was determined with Sodium Salicylate and Sodium Hypochlorite method and indophenol blue method. The results showed that the two methods gave similar values and did not have significant difference. Under the reaction of 10 minutes at the temperature of 35 ℃, the standard ammonia nitrogen solution of 60 and 120 μg/L were detected by the optimized method, while the standard deviation were 4.0% and 2.8%, and recovery were 99.8% and 100.8%, respectively, which can reach the demands of auto-analyzing technology on the spot. The new method is convenient and environment-friendly.

Keywords:sodium salicylate and sodium hypochlorite;ammonia nitrogen;seawater;environmentally friendly

目前，海水中氨氮測量采用的方法主要有熒光法[4]、次溴酸鈉氧化法[5]、靛酚藍法[6-8]、水楊酸鈉法等。熒光法靈敏度高，主要用于大洋中nmol/L濃度水平氨氮的測量[9]。次溴酸鈉氧化法和靛酚藍法技術成熟，重現性好，準確度高，是《海洋監測規范》(GB 17378.4—2007)[10]規定的適用于大洋和近岸海水中氨氮測量的標準方法，但是次溴酸鈉氧化法容易受到氨基酸的干擾，所用試劑次溴酸鈉溶液穩定性差，需要現用現配，使其在現場儀器測量中的應用受到局限。水楊酸鈉分光光度法是測量水中氨氮常用分析方法，國家環境保護標準《水質氨氮的測定-水楊酸分光光度法》(HJ 536)[11]規定水楊酸分光光度法，可用于地表水、水源水、生活污水中氨氮的檢測，而《海洋監測技術規程》(HY/T 147.1)[12]中規定的基于水楊酸鈉分光光度原理的流動分析法，可實現對近岸海水和入海排污口水中氨氮含量的自動監測。

國內許多學者對基于流動注射法的水楊酸鈉法測量水中氨氮進行了研究。朱敬萍等[13-14]根據進樣流量大小對泵管進行了選擇，研究了試劑濃度對氨氮檢測靈敏度的影響，方法檢出限為0.002 9 mg/L，相對標準偏差為0.88%～5.79%，可滿足大批量海水樣品檢測的需求。曾愛娣[15]研究了運用流動注射分析儀測定地表水中氨氮和總磷的分析方法；李萬霞[16]、黃振榮[17]等采用水楊酸鈉法在流動注射分析儀上，對地表水和工業廢水中氨氮的測量進行了研究。

近年來，海水氨氮現場自動分析技術得到了快速發展和應用，國家海洋技術中心在“十五”、“十一五”期間研制了應用于水下和船上的營養鹽自動分析儀，其中氨氮的測量原理為基于非連續光度分析技術的靛酚藍分光光度法，該方法測量準確、顯色穩定、方法成熟，但其所用試劑苯酚具有刺激性氣味，易被氧化，且有腐蝕性和毒性，在現場測量中，容易對環境造成二次污染，同時對實驗操作人員也有一定危害。水楊酸鈉和苯酚均可與氨發生Berthelot[18-20]反應，與苯酚相比，水楊酸鈉無毒且無刺激性氣味，對環境和現場操作人員均友好。

本文在靛酚藍法的基礎上，研究采用無毒的水楊酸鈉代替苯酚進行海水中氨氮的測量。實驗對水楊酸鈉-次氯酸鈉法進行改進，研究反應溫度和反應時間對顯色反應的影響，利用正交實驗確定最佳試劑配比，并對改進后的方法進行性能檢驗，為營養鹽自動分析儀器提供了一種對環境友好的氨氮分析方法。

1 實驗材料及方法原理

1.1儀器

實驗所用儀器有紫外可見分光光度計、精密電子天平、超純水機和恒溫水浴鍋。

1.2試劑

實驗所用氨氮標準溶液(100 mg/L，國家海洋環境監測中心)；EDTA二鈉鹽、檸檬酸鈉、硝普鈉鹽、水楊酸鈉、苯酚、氫氧化鈉、次氯酸鈉為國產分析純試劑。

1.3反應原理及實驗方法

堿性條件下，在亞硝基鐵氰化鈉催化的體系下，氨與水楊酸和次氯酸根反應生成藍色的吲哚類物質[21]。具體反應可分為以下4步[22]：

首先氨與次氯酸鹽反應生成氯胺。

NH3+ HClO=NH2Cl + H2O

(1)

生成的氯胺繼續與溶液中游離的水楊酸根離子反應生成一個中間產物

(2)

第三步反應為氨基水楊酸轉變為醌亞胺。

(3)

最后，醌亞胺與水樣酸縮合生成靛酚藍。

(4)

生成的靛酚藍的吸光度A與氨氮濃度成正比，符合朗伯比爾定律。通過測定顯色后樣品的A，利用定標曲線即可計算出氨氮濃度。因此，通過對比A大小，即可反映出氨氮濃度。

水楊酸鈉-次氯酸鈉法即在25 mL水樣內依次加入試劑檸檬酸鈉混合溶液、水楊酸鈉溶液、NaClO溶液各1 mL，混勻，采用去離子水做參比，用1 cm比色皿于654 nm波長處測其吸光度Aw。吸光度An=Aw-Ab。其中，Ab為試劑空白值，將An代入線性回歸方程，計算得出水樣中氨氮含量。

1.4水樣采集及處理方法

將放置6個月的印度洋海水用0.45 μm的濾膜過濾后，轉移至聚乙烯試劑瓶中備用，該海水氨氮含量較低，用于配制工作曲線。

在天津市塘沽采集24個站位的表層海水水樣并冷凍保存，帶回實驗室解凍后，用于測量氨氮濃度。

2 實驗與結果討論

2.1反應溫度和反應時間對氨氮測量效果的影響

在一定溫度范圍內，反應溫度越高，顯色速率越快；但是當溫度高于一定值時，會引起有機氮化物的水解而帶來正干擾，也可能在高溫堿性條件下引起氨的揮發[22]，通過查閱相關文獻，結合營養鹽分析儀測量的要求，選擇17.5、25、35 ℃ 3組溫度進行實驗。取過濾后的印度洋海水配制濃度為250 μg/L的氨氮標準溶液，測定吸光度隨時間的變化，實驗結果見圖1。

圖1 溫度對氨氮測量效果的影響Fig.1 Effects of temperatures on ammonia nitrogen detection

由圖1可以看出，在不同溫度下，剛開始時，化學反應速率很小，隨著時間的增加，化學反應速率迅速增大，最后趨于平穩。在同一反應時間，隨著反應體系溫度升高，化學反應速率明顯增大。與常規實驗室檢測不同，在線儀器監測需要兼顧最短反應時間與最佳反應效果，因此需要選取最優的反應時間。根據實驗結果擬確定將氨氮測量溫度控制在35 ℃，在化學反應時間10 min時開始測量。

2.2正交實驗優化試劑配比及用量

為確定最佳試劑配比，設計正交實驗考察各試劑濃度對測定結果的影響。

表1 正交實驗1計算結果Table 1 The result of orthogonal test 1

注：“—”表示無計算值。

由表1結果可知，水楊酸鈉、NaOH、硝普鈉鹽、NaClO對顯色反應均有影響。其中，硝普鈉鹽的R為0.043，對顯色反應影響最大，NaClO對顯色反應的影響最小。

圖2 測量結果與水楊酸鈉濃度關系曲線Fig.2 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of Sodium Salicylate

圖3 測量結果與NaOH濃度關系曲線Fig.3 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

圖4 測量結果與硝普鈉鹽濃度關系曲線Fig.4 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium nitroprussiade

圖5 測量結果與NaClO濃度關系曲線Fig.5 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO results and the concentration of sodium nitroprussiade

正交實驗2的實驗方法為確定水楊酸鈉、硝普鈉鹽的濃度分別為50、5 g/L，檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaOH、NaClO 4個因素做正交實驗。見表2。

表2 正交實驗2計算結果Table 2 The result of orthogonal test 2

注：“—”表示無計算值。

由表2的實驗數據可知，檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaOH、NaClO的極差R分別為0.008、0.017、0.086、0.011。當確定水楊酸鈉和硝普鈉鹽的濃度時，NaOH對實驗結果影響最大，其次為EDTA二鈉鹽、NaClO、檸檬酸鈉。

圖6 測量結果與檸檬酸鈉水平關系曲線Fig.6 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium citrate

圖7 測量結果與EDTA二鈉鹽濃度關系曲線Fig.7 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of EDTA-Na2

圖8 測量結果與NaOH濃度關系曲線Fig.8 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

圖9 測量結果與NaClO濃度關系曲線Fig.9 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO

綜合上述兩個正交實驗的結果，選擇水楊酸鈉、硝普鈉鹽、NaOH、檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、NaClO有效氯的濃度分別為50、5、30、200、25、1.4 g/L。為減少試劑種類，簡化現場測量的操作步驟，采取試劑混合配制。將檸檬酸鈉、EDTA二鈉鹽、硝普鈉鹽3種試劑混配，濃度分別為200、25、5 g/L；水楊酸鈉溶液中水楊酸鈉和NaOH的濃度為50、30 g/L；NaClO溶液中有效氯濃度為1.4 g/L。

2.3水楊酸鈉-次氯酸鈉法與靛酚藍法比對結果

采用優化后的水楊酸鈉-次氯酸鈉法和《海洋監測規范》(GB 17378.4—2007)規定的靛酚藍法，同時測定24個塘沽海水水樣。圖10為2種方法測定結果比較圖。圖11為測量濃度的變化趨勢圖。

圖10 2種方法測定結果比較Fig.10 Contrasts of ammonium concentration determined by the two methods

圖11 2種方法測定結果變化趨勢Fig.11 The tendency chart of the ammonium determined by the two methods

由實驗結果可知，靛酚藍法和水楊酸鈉-次氯酸鈉法測定結果具有相同的變化趨勢，2種方法測定結果線性相關系數R=0.991，具有良好的相關性。同時，對實驗結果進行t檢驗，計算得t=1.08，查t值表P(2)，t(0.05，23)=2.07，1.08<2.07，所以2種測試方法差異不顯著。

2.4方法適用性范圍研究

使用印度洋海水配制濃度為 0、50、100、200、400、600 μg/L的氨氮標準溶液，在35 ℃下測量其反應10 min時的吸光度，并對測量結果做工作曲線，結果見圖12。

圖12 工作曲線Fig.12 Woking curve

由圖12可知，方法線性度為0.999 1，說明研究所確定的水楊酸鈉-次氯酸鈉法在氨氮濃度為0～600 μg/L時，具有良好的穩定性。

2.5準確度與精密度實驗

用印度洋海水配制濃度為60、120 μg/L的氨氮標準溶液，分別取6組標液水浴恒溫穩定于35 ℃，加入試劑反應10 min后分別平行測量6組標液的吸光度，并計算相對標準偏差和回收率。標液的測量濃度值見表3。測量濃度的精密度和回收率計算結果見表4。

表3 測量濃度值Table 3 The measured concentration value

表4 精密度和回收率計算結果Table 4 The result of accuracy and precision detection

由表4可知，用優化后的方法測量濃度為60、120 μg/L的樣品的相對標準偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%，可滿足營養鹽自動分析儀的要求[16]。

3 結論

1)通過正交實驗確定最佳試劑配比，檸檬酸鈉混合溶液中EDTA二鈉鹽、檸檬酸鈉、硝普鈉鹽濃度分別為25、200、5 g/L；水楊酸鈉溶液中水楊酸鈉、NaOH濃度分別為50、30 g/L；NaClO有效氯濃度為1.4 g/L。

2)用水楊酸鈉-次氯酸鈉法和靛酚藍法同時測定24個現場海水樣品，兩種方法測量結果線性相關性良好且變化趨勢相同，對測試數據進行t檢驗，2種方法測試結果無顯著差異。

3)采用優化后的水楊酸鈉-次氯酸鈉法，在溫度為35 ℃，反應時間為10 min時，測量氨氮濃度分別為60、120 μg/L的水樣的相對標準偏差分別為4.0%、2.8%，回收率分別為99.8%、100.8%，可滿足儀器現場快速測量的要求。該方法試劑無毒，為營養鹽自動分析儀氨氮測量提供一種環保可行的分析方法。

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StudyontheRapidDetectionofAmmoniaNitrogeninSeawaterUsingSodiumSalicylateandSodiumHypochloriteMethod

HUANGFU Mimi1,2, QU Jianqiang1, LI Yan2, XU Ge3, SHI Jun3, DU Junlan2, HOU Chunyang2

1.School of Science, Tianjin University, Tianjin 300072, China 2.National Ocean Technology Centre, Tianjin 300111, China 3.Haikou Ocean Environmental Monitoring Centre Station, Haikou 570311, China

X830.2

A

1002-6002(2017)03- 0126- 07

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.03.19

2016-02-23;

2016-03-08

國家海洋局海洋公益性項目(201505007)

皇甫咪咪(1991-)，女，河南焦作人，碩士，助理工程師。

曲建強