全自動(dòng)流動(dòng)注射-分光光度法測(cè)定土壤中氨氮

王 華 王玉功 余志峰

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局 第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，蘭州 730050)

土壤中的氨氮是指以氨(NH3)或銨鹽(NH4+)形式存在的化合氨。氨氮是土壤中的一項(xiàng)主要污染因子，土壤中的氨氮污染一方面來源于化肥污染[1]，近年來我國的化肥施用量逐年增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)目前已經(jīng)成為世界上化肥使用量最多的國家，占世界化肥總使用量的30.8%。研究表明，氮肥的利用率僅為30%～50%，這些氮肥在土壤中積累并淋失致使土壤中氨氮污染日趨嚴(yán)重。有文獻(xiàn)報(bào)道[2-3]，化肥污染主要有三個(gè)方面，一是化肥中的氮元素等進(jìn)入大氣后，增加了“溫室氣體”，導(dǎo)致溫度升高；二是殘留在土壤中的化肥被暴雨沖刷后匯入水體，加劇了水體的“富營養(yǎng)化”，導(dǎo)致水草繁生，許多水塘、水庫、湖泊因此變臭，成為“死水”；三是一旦土壤中某種營養(yǎng)元素過多，還會(huì)造成土壤對(duì)其他元素的吸收性能下降，從而破壞了土壤的內(nèi)在平衡。工業(yè)廢水、生活污水也是氨氮污染的主要來源[4]，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市水污染問題日益突出，城鎮(zhèn)污水的排放量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)。近年工業(yè)化的高度發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，各種工業(yè)廢水以及生活污水在污染物數(shù)量以及種類方面都呈現(xiàn)出了明顯的增加趨勢(shì)。例如焦化廠、合成氨化肥廠等工業(yè)廢水流入水體、土壤中，導(dǎo)致水體和土壤污染，使用高濃度氨氮廢水灌溉農(nóng)田，導(dǎo)致農(nóng)作物受到嚴(yán)重危害[5-7]。

土壤中氨氮的測(cè)定基本都用納氏試劑比色法。國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS 14265-1 中采用氯化鉀提取土壤中的氨氮并用比色法測(cè)定。納氏試劑比色法[8-10]測(cè)定氨氮需要采用絮凝沉淀或預(yù)蒸餾等前處理，在進(jìn)行大批量樣品測(cè)定時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。國際標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS 14265-1 與環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)HJ 634—2012中采用的氯化鉀提取后，氨離子在有次氯酸根離子存在時(shí)與苯酚反應(yīng)生成藍(lán)色靛酚染料，該法顯色時(shí)間長(zhǎng)，手工操作步驟多，存在污染的風(fēng)險(xiǎn)較大，對(duì)人體和環(huán)境有一定的影響，本文采用全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀測(cè)定有自動(dòng)進(jìn)樣、分析速率快，試劑耗量少等優(yōu)點(diǎn)。

目前針對(duì)土壤中氨氮采用流動(dòng)注射測(cè)定的報(bào)道[11-13]較多，但是大多針對(duì)的是農(nóng)用地和耕地的研究，本文針對(duì)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)用地土壤污染狀況調(diào)查的樣品類型進(jìn)行研究，結(jié)果表明：采用全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀標(biāo)準(zhǔn)曲線性關(guān)系良好、精密度好、準(zhǔn)確度高，檢出限低，回收率滿足質(zhì)控要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀(北京寶德儀器有限公司)，ZHWY-2102恒溫振蕩器(雙層大容量全溫恒溫?fù)u床，江蘇盛藍(lán)儀器制造有限公司)。

1.2 主要試劑

氯化鉀(優(yōu)級(jí)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)，實(shí)驗(yàn)室用水為去離子水(電阻率≥18 MΩ·cm，25 ℃)。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(100.0 mg/L)：稱取基準(zhǔn)氯化銨0.741 4 g溶于約150 mL去離子水中，稀釋至250 mL，搖勻。

緩沖溶液：稱取33 g酒石酸鉀鈉于800 mL水中，溶解后再加入24 g檸檬酸鈉，溶解后用水稀釋至1 L。該溶液在4 ℃下保存，可穩(wěn)定保存30 d。

水楊酸鈉溶液：稱取25 g氫氧化鈉于800 mL水中，待溶解后加入80 g水楊酸鈉，溶解后用水稀釋至1 L，搖勻，儲(chǔ)存在棕色試劑瓶中。

硝普鈉溶液：稱取5.0 g硝普鈉于800 mL水中，溶解后用水稀釋至1 L，搖勻，儲(chǔ)存于棕色試劑瓶中。

二氯異氰尿酸鈉溶液：稱取4.0 g二氯異氰酸鈉于800 mL水中，溶解后用水稀釋至1 L，搖勻，儲(chǔ)存于棕色試劑瓶中。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品制備

稱取20.0 g(精確至0.001 g)試樣，放入300 mL的聚四氟乙烯的瓶子中，加入100 mL配制好的氯化鉀溶液，在20 ℃恒溫振蕩器里振蕩提取1 h后提取上清液進(jìn)行上機(jī)測(cè)定。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)系列

氨氮標(biāo)準(zhǔn)系列Ⅰ：吸取氨標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液0、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00于一組100 mL具塞比色管中，加水至10.00 mL，用去離子水定容至刻度，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線Ⅰ。

氨氮標(biāo)準(zhǔn)系列Ⅱ：吸取氨標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液0、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00于一組100 mL具塞比色管中，加水至10.00 mL，用氯化鉀(1 mol/L)提取液定容至刻度，制備標(biāo)準(zhǔn)曲線Ⅱ。

1.3.3 樣品的測(cè)定

1)按要求接通所有管路；

2)啟動(dòng)全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀，打開軟件設(shè)置參數(shù)，重點(diǎn)對(duì)洗針時(shí)間(5、10、15 s)、進(jìn)樣時(shí)間(40、50、60 s)、蠕動(dòng)泵速(25、35、45 s)三方面進(jìn)行測(cè)定參數(shù)優(yōu)化選擇，經(jīng)過對(duì)譜圖出峰完整性、峰形的對(duì)稱性以及連續(xù)測(cè)樣干擾性等方面綜合考慮確定了軟件分析參數(shù)，具體測(cè)定參數(shù)設(shè)置見表1；

3)設(shè)置工作曲線，以及樣品序號(hào)；

4)儀器按順序測(cè)定樣品。

表1 全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀軟件設(shè)置參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品提取條件的優(yōu)化

土壤中氨氮提取的過程中，提取的溫度、提取劑的濃度以及提取時(shí)間等均會(huì)影響氨氮的提取效率[14-15]。實(shí)驗(yàn)在提取試劑廠家選取以及提取劑的濃度兩方面進(jìn)行研究。

2.1.1 不同廠家提取劑的對(duì)比空白實(shí)驗(yàn)

參照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》標(biāo)準(zhǔn)中的氯化鉀作為提取劑，提取劑的濃度均采用1 mol/L，考察了三個(gè)不同廠家的優(yōu)級(jí)純氯化鉀，分別為天津某A化工研究院(簡(jiǎn)稱A化工)、天津某B化工有限公司(B化工)、天津某C有限公司(C化工)，按照實(shí)驗(yàn)方法中樣品的制備以及測(cè)定條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不同廠家的氯化鉀作為提取劑實(shí)驗(yàn)的空白結(jié)果見表2。由空白結(jié)果可知，不同廠家試劑的氨氮的空白值差別較大，采用不同的試劑對(duì)樣品結(jié)果會(huì)產(chǎn)生正的影響，因此實(shí)驗(yàn)土壤中氨氮的提取時(shí)考察提取試劑的廠家以及純度很重要，實(shí)驗(yàn)均采用A化工研究院的優(yōu)級(jí)純氯化鉀作為提取試劑。

表2 不同廠家的氯化鉀作為提取劑實(shí)驗(yàn)的空白結(jié)果

2.1.2 提取劑的濃度

選取0.5、1.0、2.0 mol/L的氯化鉀溶液作提取劑，HJ 634—2014標(biāo)準(zhǔn)中選用的是1 mol/L的氯化鉀，也有文獻(xiàn)[18-19]中采用的是2、3 mol/L的提取液。當(dāng)提取液中的鹽離子濃度較大時(shí)有利于形成澄清的提取液，因而盡可能地減少顆粒物的影響，反而有利于提高測(cè)定結(jié)果的穩(wěn)定性。不同濃度的提取液對(duì)三個(gè)場(chǎng)地樣品的測(cè)定結(jié)果見表3。表3結(jié)果表明，KCl(1 mol/L)浸提液提取的氨氮結(jié)果均高于KCl(0.5 mol/L)提取液的結(jié)果，但是與KCl(2.0 mol/L)提取液的結(jié)果相差不大，這一點(diǎn)與文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果不是很一致[19]，分析原因?yàn)榇舜螌?shí)驗(yàn)的場(chǎng)地樣品與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)的耕地土壤的環(huán)境背景不同引起的。采用1 mol/L與2 mol/L的KCl提取液提取效果差別不大，但是考慮到采用2 mol/L的KCl提取，無形中引入的K+、Cl-離子增多，導(dǎo)致測(cè)定溶液的離子總強(qiáng)度加大，進(jìn)行全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀器的使用有一定的影響，因此綜合考慮本實(shí)驗(yàn)選用1.0 mol/L的氯化鉀溶液作提取液。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線

配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線Ⅰ、Ⅱ進(jìn)行分析，對(duì)儀器給出的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的自測(cè)濃度進(jìn)行線性回歸分析，溶液的濃度在0～10.00 mg/L范圍內(nèi)兩條標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系均良好，相關(guān)系數(shù)均為0.999 9。

表3 不同濃度的提取液對(duì)場(chǎng)地樣品的測(cè)定結(jié)果

2.3 檢出限實(shí)驗(yàn)

2.4 精密度與準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

選用場(chǎng)地調(diào)查樣品進(jìn)行精密度和準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)，選取4個(gè)不同場(chǎng)地樣品進(jìn)行6份平行測(cè)定，樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%。選取上述場(chǎng)地樣品2，場(chǎng)地樣品3進(jìn)行全程加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)量為10.00～100.00 μg選取低中高三個(gè)濃度進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率在89.2%～114%。結(jié)果見表4、5。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)樣品的氨氮含量在0.460～28.96 mg/kg，精密度良好，滿足質(zhì)控要求；加標(biāo)量在10.00～100.00 μg范圍內(nèi)回收率良好，故方法適用于一般農(nóng)用地、場(chǎng)地調(diào)查樣品中氨氮的檢測(cè)。

表4 場(chǎng)地樣品精密度實(shí)驗(yàn)

表5 場(chǎng)地樣品加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

1)不同廠家的試劑作提取劑對(duì)土壤中氨氮的提取空白結(jié)果差別較大，故進(jìn)行提取態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇不同廠家的提取劑也會(huì)引起結(jié)果的偏差，這個(gè)影響因素是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵之一。

2)提取劑的濃度改變對(duì)提取效率有一定的影響，從0.5 mol/L到1.0 mol/L時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)地樣品提取效率提高了129%～142%，但從1.0 mol/L到2.0 mol/L提取效率變化不是特別明顯，結(jié)合提取效率以及儀器分析綜合考慮選用濃度為1 mol/L的氯化鉀作為本實(shí)驗(yàn)的提取溶液較為合適。

3)對(duì)比采用1 mol/L氯化鉀提取液配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線Ⅰ與使用去離子水配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線Ⅱ，結(jié)果表明，兩條曲線的線性范圍以及相關(guān)系數(shù)差別不大，但是采用不同的曲線所測(cè)得的樣品空白值相差很大，結(jié)果表明，采用氯化鉀提取液配制的標(biāo)準(zhǔn)曲線下測(cè)試樣品與空白時(shí)，降低了檢測(cè)的背景值，所得空白平均值為0.022 mg/kg，方法檢出限為0.031 mg/kg。

4)選取4個(gè)不同場(chǎng)地樣品進(jìn)行6份平行測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，上述場(chǎng)地樣品2、3進(jìn)行全程加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，回收率在89.2%～114%，結(jié)果表明實(shí)際樣品的準(zhǔn)確度和精密度較好。

相對(duì)于傳統(tǒng)的分光光度法，在分析流程、樣品檢測(cè)速率以及環(huán)境保護(hù)方面上具有很大的優(yōu)勢(shì)，提高了樣品的檢測(cè)時(shí)效性，針對(duì)大批量樣品的檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)。