流動注射分析儀測定污水中總氮的方法

張 艷

（深圳市深水光明水務有限公司，廣東 深圳 518106）

隨著工業化和城市化的發展，城市污水排放問題日益突出，加重了水環境污染程度。總氮是指水樣中所有形態的氮元素的總和，包括無機氮和有機氮。水體中總氮含量能在一定程度上反映水體富營養化和有機污染的問題，也是評估水體污染程度的重要指標之一[1]。傳統的總氮分析方法是很成熟的分析方法，例如高溫消解 - 紅外法以及Kjeldahl 法等，由于其分析過程費時費力且操作煩瑣，因此無法滿足日常檢測工作需求。流動注射分析（FIA）作為一種快速、高效、準確的分析方法，逐漸被應用于水環境監測領域，尤其是污水中總氮的測定，不僅保證檢測的精密度和準確度高，還提高了工作效率，為環境保護和水質監測提供技術支持。該文以總氮分析具體工作實踐為研究背景，對流動注射分析儀測定污水中總氮的方法進行分析。

1 方法原理

1.1 流動注射分析儀工作原理

流動注射分析主要是由進樣器、消解器空氣泵、冷凝機以及檢測器組成的。其工作原理是使用蠕動泵抽取待測樣品，通過進樣針進入進樣器（總氮測定時，通常采用2 號進樣針），在密閉的管路中樣品按特定的順序和比例進行混合，經過消解器空氣泵發生蒸餾、消解、萃取等反應，顯色完成后檢測液體中的吸光度，從而得到分析結果[2]。其核心原理是在連續流動的控制條件下，將樣品和試劑按一定比例混合，并通過檢測器對所生成的反應產物進行測量。

1.2 化學反應原理

將樣品與過硫酸鉀溶液混合加熱，當加熱至60℃以上時，過硫酸鉀被分解成氫離子和氧，加入氫氧化鈉來中和混合液中的氫離子，完全分解混合液中的過硫酸鉀。在高溫堿性介質條件下，以過硫酸鉀作為氧化劑，使其與樣品中的總氮和亞硝酸鹽發生氧化反應，生成產物，將樣品中的大部分有機氮化合物氧化成硝酸鹽（NO3-）。然后通過在線紫外消解器，在540nm 處測定其吸光度，從而確定樣品中總氮的含量。

1.3 儀器流程

標準溶液和樣品通過采樣器被蠕動泵吸出，流過整個系統，最終排出廢液。同時蠕動泵連續不斷地輸送各分析方法所需的試劑，并吸入空氣，將流體分割成片段。其工作流程如圖1 所示。

圖1 流動注射分析儀工作流程

2 材料與方法

2.1 材料與試劑

在污水的總氮測定過程中，試驗中使用的水均為去離子水，具體步驟如下：1）過硫酸鉀溶液。將25g 過硫酸鉀和10g硼酸溶解在約800mL 的去離子水中。然后加入4mL5N 氫氧化鈉，用去離子水稀釋至1000mL。如果需要，將pH 值調節至8.0。在陰涼處穩定1 個月。2）硫酸。慢慢加入12mL 硫酸到約150mL 去離子水中混合。冷卻至室溫，稀釋至200mL，穩定1年。3）總氮標準使用液（100mg/L）。從總氮標準溶液500mg/L（BW20008-500W-50）中吸取10mL，加入適量的去離子水稀釋至50mL。4）50% TritonX-100。加入50mL 的 TritonX-100到50mL 的異丙醇。充分混合，直到溶液均勻。每6 個月準備新鮮。5）咪唑。將30g 咪唑溶于約800mL 去離子水中。然后加入4.0mL 的硫酸和充滿高達1000mL 的去離子水。加入1mL 50%Triton X-100 混合均勻。每個月都準備新鮮的。6）顯示劑。將5.0g 磺胺和0.25gN-1-萘基乙二胺二鹽酸鹽溶解在約400mL 去離子水中，加入50mL 鹽酸并混合均勻。用離子水稀釋至500mL。穩定3 個月。

2.2 儀器與設備

該方法主要用到以下儀器與設備：1）主體設備。連續流動分析儀包括樣品分析單元、自動進樣器、多通道蠕動泵、泵管、混合反應圈、紫外消解裝置、比色檢測器、數據處理系統以及打印機等。2）特殊設備。微波爐、PVC 泵管、紫外可見光分光光度計、660nm 濾光片、pH 計、精度為0.0001g 的天平等。3）其他設備。其他實驗室常用儀器和設備。

2.3 試驗方法

按照操作說明在儀器上設置樣品數、進樣速率及時間、清洗時間等。

2.3.2 參數設置

流動注射分析儀的參數設置見表1。

表1 流動注射分析儀參數設置

2.4 操作步驟

2.4.1 開機

正確打開所有儀器的開關（消解器需等到水進入側面的三通管時才開），卡好蠕動泵上的泵管，泵管不能錯位，必須上下對應，連接2 號進樣針的進樣管，打開電腦，打開操作軟件，確保連機正常。

2.4.2 走純水

卡好泵管后，將總氮所需用到的試劑管插進裝有去離子水的瓶子里，檢查流路是否通暢，打開System，點擊圖表選擇總氮對話框，選定后，進樣器的進樣針開始運作，待窗口內開始出現橫線時關掉除總氮外的窗口。調快泵速，25min 就能打開消解器開始走藥劑。同時將試驗所需藥劑進行解凍。

在試驗蛋白水平下，大刺鰍幼魚胃蛋白酶活性范圍為10.56～14.49 U/mg prot.。隨著飼料蛋白水平增加呈現先上升后平穩的趨勢，胃蛋白酶活性在P6組達到最大值，其中P6、P7處理組胃蛋白酶活性顯著高于P1～P4處理組（P＜0.05），與P5處理組差異不顯著（P＞0.05）。

2.4.3 走試劑

開啟消解器后，換上各試劑對應專用瓶蓋，將所需試劑管插入對應試劑內，走大約40 min。待基線穩定后，在窗口內點擊右鍵選擇建立基線。

2.4.4 取樣

有明顯渾濁的水樣必須用針管過濾處理后才能用于檢測，總氮的樣品管在樣品架里的擺放為豎排偶數位。做曲線時，曲線管放前7 個位，7 號位固定為最高濃度點，最多可做59 個樣品，如果超過，就從1 號位開始依次替換，7 號位除外。需要注意，在取樣過程中，必須專管專用，不可以混用，以免影響檢測結果。

2.4.5 設立運行程序

關閉System，進入儀器分析界面，選擇總氮方法，編輯方法樣品表，啟動分析。

2.4.6 清洗

分析完成后，關掉消解器，將試劑管拔出，用紙巾擦凈后放入純水中，重新打開圖表用以調快泵速走純水，走20min左右后，將試劑管拿出純水瓶清洗流路70min～80min，排空管路。排空完畢后，將分析儀跟空氣泵關掉，打開黑色壓蓋，將泵管從泵上松開，關閉電源。

2.4.7 找回曲線

測量完畢后，點擊曲線按鈕，選擇當天的程序，即可看到結果表格、標準曲線和譜圖。

3 結果與分析

3.1 樣品采集與預處理

從污水處理系統中采集樣品，為避免采集的污水樣品受到其他因素影響，試驗中所用聚乙烯瓶需用洗滌劑洗凈，依次采用自來水、去離子水將其沖洗干凈，然后再用采集的污水樣品清洗3～4 次，確保樣品具有代表性，蓋嚴瓶塞，以保證檢測結果的準確性。根據樣品的特性，對污水樣品進行預處理，去除樣品中的懸浮物、顆粒物和有機物等干擾物。常用的預處理方法包括過濾、沉淀以及稀釋等，這樣可以保證樣品進入流動注射分析儀時的穩定性和準確性。采集的污水樣品需要盡快進行分析。如果沒有及時進行分析，可在樣品中加入濃硫酸，使樣品pH 值小于2，并冷藏于5℃以下的環境中。但是酸化的樣品在分析前應將pH 調節至中性，才可以使用。

3.2 繪制標準曲線

從上述準備的試驗材料中，分別吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液0.0mL、0.5mL、0.7mL、1.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL 于同系列100mL 的聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將溶液配制成濃度分別為0.0mg/L、0.5mg/L、0.7mg/L、1.0mg/L、3.0 mg/L、5.0mg/L、7.0mg/L 的標準溶液。通過2 號進樣針按程序設定順序進入進樣器，分2 次測得不同濃度下總氮的峰高信號值，試驗結果見表2。

表2 不同濃度下總氮峰高信號值

由表2 的試驗結果可知，本次試驗中總氮標準曲線工作的相關系數r=0.9996。在第一次總氮測定中，采用紫外可見光分光光度計測定其吸光度值，測定的吸光度值見表3[3]。以橫坐標為總氮標準溶液濃度，縱坐標為吸光度，繪制標準工作曲線如圖2 所示，線性回歸方程y=-1.055467+1.492342×104x，相關系數r=0.9996。

表3 測定的吸光度值

圖2 第一次測定總氮標準曲線繪制

在第二次總氮測定中，吸光度值測定方法與第一次相同，本次測定的吸光度值見表4。同樣，以橫坐標為總氮標準溶液濃度，縱坐標為吸光度，繪制標準工作曲線如圖3 所示，線性回歸方程y=-1.201981+1.665954×104x，相關系數r=0.9996。

表4 測定的吸光度值

圖3 第二次測定總氮標準曲線繪制

結論：由圖2 和圖3 的曲線趨勢綜合分析可知，在兩次總氮測定中，相關系數r=0.9996，且總氮標準溶液濃度在0mg/L～8mg/L，與吸光度表現良好的線性關系。綜上所述，采用流動注射分析儀測定總氮具有良好的線性關系。

3.3 檢出限

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于100mL 的聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將其配制成與空白濃度比較接近的0.04mg/L 標準溶液，連續測定7 次，總氮含量測定結果見表5。

表5 總氮的最低檢出限（單位：mg/L）

根據表5 中測定的數據結果可知，總氮的標準偏差S為0.0010 mg /L，t（6，0.9）值為3.143。按照方法檢出限MDL=t（n-1，0.9）×S計算公式，最終計算總氮的方法檢出限為0.003mg/L[4]。

結論：由表5 計算結果可知，當標準溶液濃度接近空白濃度時，采用流動注射分析儀，能夠測定總氮的最低檢出限。

3.4 方法精密度

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于3 個同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將總氮標準使用液分別配制成濃度為0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 的標準溶液，連續測定6 次，測定結果見表6。

表6 總氮精密度測定結果

結論：由表6 測定結果可知，0.25mg /L、1.0mg /L、2.5mg /L三種濃度的標準溶液的平均值分別為0.245mg /L、1.00mg/L、2.54mg /L；標準偏差S分別為0.0082mg/L、0.0097mg/L、0.0258mg/L。根據相對標準偏差公式計算公式，可以計算3 種不同濃度下總氮的相對標準偏差，分別為3.3%、1.0%、1.0%[5]。測定結果表明，總氮的相對標準偏差均在規定范圍內。由此可見，采用流動注射分析儀測定總氮的精密度更高。

3.5 加標回收率

從上述準備的試驗材料中，吸取濃度為100mg/L 的總氮標準使用液于3 個同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入適量的去離子水稀釋至刻度，將總氮標準使用液配制成濃度為0.10mg/L的標準溶液。將污水樣品分成6 份，加入濃度為0.10mg/L 的標準溶液，進行加標測定，6 次加標測定結果見表7。

表7 總氮加標回收率的測定結果

結論：由表7 測定結果可知，加標量濃度為0.10mg /L 污水加標樣品的加標回收率范圍在91.0%～104%。由此可見，采用流動注射分析儀測定總氮的加標回收率結果較為滿意[6]。

4 結論

通過上述試驗，采用流動注射分析儀測定污水中的總氮，標準曲線相關性、檢出限、精密度以及加標回收率結果令人滿意，試驗操作方便、高效、快速、自動化程度高。通過該試驗得到以下4 個結論：1）流動注射分析儀測定總氮，根據不同濃度下總氮峰高信號值，得出相關系數r=0.9996，并且當溶液濃度0～8mg/L 時，與吸光度表現為良好的線性關系。2）流動注射分析儀測定總氮方法檢出限為0.003mg/L，與傳統分光光度法相比，檢出限更低。3）對0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 3 個濃度不同的標準溶液進行精密度測定，相對標準偏差分別為3.3%、1.0%以及1.0%，具有較高的精密度。4）在污水樣品中加入濃度為0.10mg/L 的標準溶液進行加標測定，加標回收率范圍在91.0%～106%，加標回收率較高。