氣相分子吸收光譜法測(cè)定土壤和沉積物中亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮

李愛(ài)民,吳 昊,李樺欣,賀小敏

(湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,武漢 430072)

亞硝酸鹽和硝酸鹽是人類環(huán)境中廣泛存在的含氮化合物,亞硝酸鹽可轉(zhuǎn)化形成致癌物亞硝胺,進(jìn)而危害人畜的生命健康[1]。硝酸鹽是環(huán)境中本身存在的物質(zhì),少量的硝酸鹽對(duì)人體無(wú)直接危害,但過(guò)量的硝酸鹽不僅會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化[2],還會(huì)在生物體腸胃中轉(zhuǎn)化為致癌物亞硝酸鹽,其中的氮還會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮,引起嬰兒高鐵血紅蛋白癥。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),施用氮肥較多,氮肥施用于土壤后,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期淋失和累積,易造成土壤中氨氮的殘留,如果殘留量過(guò)大,可能導(dǎo)致土壤對(duì)其他元素的吸收性能下降,破壞土壤的內(nèi)在平衡。土壤中的氨氮還會(huì)通過(guò)地表徑流等匯入地表水、地下水或海水,引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化,或進(jìn)一步富集到水體沉積物中,當(dāng)水體被擾動(dòng)時(shí),引起水體的二次污染。因此建立有效地測(cè)定水體、土壤和沉積物中亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮含量的方法,對(duì)于水體、土壤和沉積物污染情況的監(jiān)測(cè)及污染防治工作的開(kāi)展具有重要意義。

目前,測(cè)定水體中亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮含量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)較多,而測(cè)定土壤和沉積物的較少。現(xiàn)行僅有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方法為HJ 634－2012?土壤氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮的測(cè)定 氯化鉀溶液提取-分光光度法?[3],它由ISO/TS 14265-1:2003?土壤質(zhì)量 硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氨氮的測(cè)定 氯化鉀溶液提取法?直接轉(zhuǎn)化而來(lái),測(cè)定對(duì)象為土壤,測(cè)定方法為分光光度法。目前相關(guān)文獻(xiàn)的分析方法也主要為分光光度法[4-10]。但該方法易受顏色、渾濁度和其他離子等的干擾,樣品須脫色等復(fù)雜的前處理操作后才能進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定過(guò)程為手工操作,試驗(yàn)效率較低。氣體分子吸收光譜法是近年來(lái)新興的一種分析技術(shù),它可通過(guò)特定的化學(xué)反應(yīng),將待測(cè)物轉(zhuǎn)化為氣體進(jìn)行分析,可避免溶液色度和渾濁度對(duì)測(cè)定的影響,具有所需反應(yīng)試劑易得、儀器操作過(guò)程簡(jiǎn)單以及測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于水體中亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸鹽氮、總氮、硫化物等的測(cè)定[10-14],但其在土壤中的應(yīng)用較少[15-17],在沉積物中暫無(wú)應(yīng)用。本工作參考HJ 634－2012中的提取方法提取土壤和沉積物中的亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮,用氣相分子吸收光譜儀測(cè)定3種氮形態(tài)的含量(以氮計(jì),下文如無(wú)特別說(shuō)明,均為以氮計(jì)的結(jié)果),以期為土壤和沉積物中相關(guān)物質(zhì)的測(cè)定提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

GMA-3386 型氣相分子吸收光譜儀,配XJTN20型自動(dòng)進(jìn)樣器;JY10002型天平。

亞硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液:100 mg·L－1。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)溶液:500 mg·L－1。

硝酸鹽氮標(biāo)準(zhǔn)溶液:500 mg·L－1。

亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸鹽氮的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:取適量以上3 種標(biāo)準(zhǔn)溶液,用水稀釋配制成2.00 mg·L－1的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。

亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸鹽氮的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列:以水為稀釋劑,2.00 mg·L－1的單標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液為母液,采用氣相分子吸收光譜儀自帶的自動(dòng)進(jìn)樣器逐級(jí)稀釋制備0.05,0.10,0.20,0.40,1.00,2.00 mg·L－1的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。

氯化鉀、三氯化鈦、溴化鉀、硝酸鉀、氨基磺酸、石英砂、無(wú)水乙醇、檸檬酸均為分析純;鹽酸為優(yōu)級(jí)純;試驗(yàn)用水為純水。

體積比為5∶6∶9 的鹽酸-乙醇-水混合溶液:加入250 mL鹽酸和300 mL乙醇,用水定容至1 L,該溶液建議提前2～3 d配制,并敞口放置1 d后再密封保存。

400 g·L－1氫氧化鈉溶液:稱取200 g氫氧化鈉于1 L燒杯中,加入約700 mL水溶解,蓋上表面皿,加熱煮沸,蒸發(fā)至體積約500 mL,冷卻至室溫,于聚乙烯瓶中密閉保存。

溴酸鉀-溴化鉀混合儲(chǔ)備溶液:稱取2.81 g溴酸鉀(KBr O3)和30 g溴化鉀(KBr),溶解于500 mL水中,搖勻,置于棕色玻璃瓶中,避光保存。

次溴酸鹽氧化劑溶液:吸取6.0 mL 溴酸鉀-溴化鉀混合儲(chǔ)備溶液于棕色磨口試劑瓶中,加入200 mL水和50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸溶液12 mL,立即密塞,輕微搖勻,暗處放置5 min后,加入400 g·L－1氫氧化鈉溶液100 mL,待小氣泡逸盡使用。使用前需充分搖勻。現(xiàn)配現(xiàn)用,配制時(shí)所用試劑和室內(nèi)溫度應(yīng)為18～30 ℃。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 亞硝酸鹽氮

將試劑管插入試劑[含0.5 mol·L－1檸檬酸的30%(體積分?jǐn)?shù))乙醇溶液]中;載氣為氮?dú)?載氣氣瓶出口壓力為0.3 MPa;檢測(cè)波長(zhǎng)為213.9 nm(Zn燈);延遲時(shí)間為15 s,測(cè)量時(shí)間為30 s;樣品進(jìn)樣蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為50 r·min－1,氧化劑-催化劑蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為25 r·min－1。

1.2.2 氨 氮

將試劑管插入試劑(體積比為5∶6∶9的鹽酸-乙醇-水混合溶液)中,氧化劑管插入氧化劑(次溴酸鹽氧化劑溶液)中;載氣為氮?dú)?載氣氣瓶出口壓力為0.3 MPa;檢測(cè)波長(zhǎng)為213.9 nm(Zn燈);延遲時(shí)間為60 s,測(cè)量時(shí)間為5 s;樣品進(jìn)樣蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為50 r·min－1,試劑蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為40 r·min－1,氧化劑蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為30 r·min－1。

1.2.3 硝酸鹽氮

將試劑管插入試劑(150～200 g·L－1三氯化鈦溶液)中;測(cè)試前,需向樣品管中滴加1～2 滴100 g·L－1氨基磺酸溶液,以去除樣品中亞硝酸鹽氮的干擾;載氣為氮?dú)?載氣氣瓶出口壓力為0.3 MPa;檢測(cè)波長(zhǎng)為214.4 nm(Cd燈);延遲時(shí)間為25 s,測(cè)量時(shí)間為20 s;樣品進(jìn)樣蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為50 r·min－1,試劑蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速為25 r·min－1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品的采集

1)新鮮土壤樣品 于2019年4月采自于湖北某林地,編號(hào)分別為XT-1(黃棕壤,干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為84.3%)和XT-2(棕壤,干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85.6%)。

2)風(fēng)干土壤樣品 于2018年6月在湖北某農(nóng)田采集新鮮土壤樣品,經(jīng)風(fēng)干、研磨后,過(guò)孔徑為0.28 mm 的篩網(wǎng)(60目),得到的樣品編號(hào)為GT-1(黃棕壤,干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.2%)。

3)新鮮沉積物樣品 于2019 年4 月采自于武漢東湖,編號(hào)為XS-1(干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.2%)。

4)風(fēng)干沉積物樣品 于2019年1月在三峽庫(kù)區(qū)采集新鮮沉積物樣品,經(jīng)風(fēng)干、研磨后,過(guò)孔徑為0.28 mm 的篩網(wǎng)(60目),得到的樣品編號(hào)為GS-1(干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.5%)。

1.3.2 樣品的提取和測(cè)定

稱取20.0 g土壤或沉積物樣品于120 mL離心管中,加入1 mol·L－1氯化鉀溶液100 mL,在(20±2)℃的條件下恒溫振蕩提取1 h,離心5 min,取10～20 mL上清液置于自動(dòng)進(jìn)樣盤(pán)上,按照儀器工作條件測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限

按照試驗(yàn)方法對(duì)3種氮形態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定,以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對(duì)應(yīng)的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示,3種氮形態(tài)的質(zhì)量濃度均在0.05～2.00 mg·L－1內(nèi)與其對(duì)應(yīng)的吸光度呈線性關(guān)系,其他線性參數(shù)見(jiàn)表1。以石英砂代替空白樣品,用本方法平行分析7次,以3.143倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)計(jì)算檢出限(3.143s),結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 線性參數(shù)和檢出限Tab.1 Linearity parameters and detection limits

2.2 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法分析2 種新鮮土壤樣品XT-1、XT-2,風(fēng)干土壤樣品GT-1,新鮮沉積物樣品XS-1和風(fēng)干沉積物樣品GS-1,每個(gè)樣品平行測(cè)定6次,計(jì)算測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD),結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 精密度試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.2 Results of test for precision(n＝6)

由表2可知:兩種新鮮土壤樣品中亞硝酸鹽氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于0.10 mg·kg－1,風(fēng)干土壤樣品和沉積物樣品中的亞硝酸鹽氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.00 mg·kg－1,平行樣測(cè)定值的RSD 為6.4%～12%,說(shuō)明本方法測(cè)亞硝酸鹽氮時(shí)的精密度較好;土壤樣品中的氨氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.00 mg·kg－1,沉積物樣品中的氨氮含量較高,新鮮沉積物和風(fēng)干沉積物樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.93,17.08 mg·kg－1,平行樣測(cè)定值的RSD 均在5.0%以內(nèi),說(shuō)明本方法測(cè)氨氮的精密度很好;除新鮮的沉積物樣品中硝酸鹽氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10.00 mg·kg－1以上,其他4種樣品中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1.00 mg·kg－1,平行樣測(cè)定值的RSD 為1.6%～14%,說(shuō)明本方法測(cè)硝酸鹽氮的精密度較好。

根據(jù)5種樣品中目標(biāo)物的含量,選擇合適樣品進(jìn)行不同濃度水平的加標(biāo)回收試驗(yàn),分別采用本方法和標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 634－2012對(duì)每個(gè)加標(biāo)濃度水平重復(fù)測(cè)定6次,計(jì)算回收率和測(cè)定值的RSD,比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知:亞硝酸鹽氮、氨氮、硝酸鹽氮的回收率分別為81.1%～96.2%,81.9%～88.1%和86.0%～105%,RSD 分別為2.0%～5.5%,1.5%～4.6%,2.8%～8.4%,與標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 634－2012的相當(dāng),說(shuō)明本方法的準(zhǔn)確度和精密度較好。

表3 方法比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.3 Results of test for method comparison(n＝6)

為了進(jìn)一步考查方法的顯著性差異,以本方法和標(biāo)準(zhǔn)方法HJ 634－2012 平行分析GT-1 樣品6次,在95%置信水平下對(duì)這兩種方法進(jìn)行雙側(cè)F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種方法顯著性差異結(jié)果Tab.4 Significant difference between the 2 methods

由表4可知,雙側(cè)F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)結(jié)果分別小于查表得到的F0.05(5,5)和t0.05(10),說(shuō)明兩種方法在檢測(cè)3種氮形態(tài)時(shí)均沒(méi)有顯著性差異。

本工作參考HJ 634－2012 中的提取方法,建立了氣相分子吸收光譜法測(cè)定土壤和沉積物中亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮含量的方法。該方法精密度良好、準(zhǔn)確度高、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高,可以滿足土壤和沉積物中亞硝酸鹽氮、氨氮和硝酸鹽氮測(cè)定的要求,能為環(huán)境樣品檢測(cè)提供科學(xué)的方法。