顺序注射光度法测定水样中硝酸盐和亚硝酸盐

何 礼，魏福祥，许 嫔，张尚正

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018）

顺序注射光度法测定水样中硝酸盐和亚硝酸盐

何 礼1，2，魏福祥1，2，许 嫔1，2，张尚正1，2

（1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018）

通过FIAlab-3500顺序注射仪与镉柱相连，采用格里斯试剂比色法测定样品中硝酸盐和亚硝酸盐。对显色剂的浓度、样品及显色剂的注入量、流速和停留时间等参数进行了优化。结果表明，硝酸盐和亚硝酸盐含氮质量浓度在0～10 mg／L范围内呈良好线性关系，线性方程分别为y＝0.231 7x－0.019 6（R2＝0.999 1）；y＝0.250 0x－0.032 5（R2＝0.999 2）。硝酸盐和亚硝酸盐的检出限分别为0.003 6 mg／L和0.003 3 mg／L，相对标准偏差分别为1.9%和1.3%，加标回收率为96%～105%。

顺序注射；硝酸盐；亚硝酸盐；镉柱还原；分光光度法

何 礼，魏福祥，许 嫔，等.顺序注射光度法测定水样中硝酸盐和亚硝酸盐［J］.河北科技大学学报，2014，35（2）：202-207.

HE Li，WEI Fuxiang，XU Pin，et al.Determination of nitrate and nitrite in water by sequential injection photometric method［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：202-207.

硝酸盐作为环境污染物广泛存在于自然界中，尤其是地下水和地表水中以及动、植物体内。人体摄入硝酸盐后，经肠道中微生物作用转变成亚硝酸盐，亚硝酸盐是一种对人体有害的化学物质，在人体内能与蛋白质分解产生的多种氨基化合物合成强致癌物质，危害人体健康［1］。因此对水中亚硝酸根和硝酸根含量的测定一直是水质分析的重要项目之一［2－3］。

亚硝酸根的测定方法主要有分光光度法［4－5］，色谱和电化学检测方法［6－9］，荧光分析法［10］，高温氧化－化学发光法［11］，但分光光度法操作繁琐，色谱和电化学检测法需必要的分离步骤，荧光分析法灵敏度高但常遭受背景信号的干扰，高温氧化－化学发光法所需温度较高，存在一定的危险性。将顺序注射分析技术与分光光度法相结合大大提高了方法的自动化程度，操作更为简便、快速，试剂消耗量降到μL级别，产生的污染少［12－13］。在顺序注射分析中利用多通道选择阀与双向泵结合，顺序地注入一定体积试样和试剂并在储液管形成有序堆栈带，由双向泵把堆栈带送入流通式检测器进行检测。在顺序注射系统中注入样品和试剂的体积、流速以及反应时间等参数均由计算机精确控制，最大程度地减少了操作中的人为干预［14－15］，因此，顺序注射较其他方法具有较高的精密度和重复性，并且在节省试剂的消耗、提高分析速度等方面具有很大的优势［16－20］。

1 实验部分

1.1 仪器

FIAlab-3500顺序注射仪（美国FIAlab公司提供），550型石英亚沸高纯水蒸馏器（江苏环球石英蒸馏器厂提供），CQF-50超声波清洗器（中船重工第七二六研究所提供），FA2004型电子天平（上海良平仪器仪表有限公司提供）。

还原柱由粒径为0.3～1.0 mm的镀铜镉粒填充在长10 cm内径为3 mm的聚丙烯管中制成［21］。

1.2 试剂

硝酸钾标准储备液：称取0.721 8 g硝酸钾（分析纯，110℃环境下干燥4 h）于1 000 m L容量瓶中，加入2 m L三氯甲烷无氨水定容，得含氮质量浓度为100 mg／L的硝酸钾标准储备液。于4℃冰箱内保存，有效期为2个月。

亚硝酸钠标准储备液：称取0.492 8 g亚硝酸钠（分析纯，110℃环境下干燥4 h）于1 000 m L棕色容量瓶中，加入1 m L三氯甲烷作为保护剂，用无氨水定容，得含氮质量浓度为100 mg／L的亚硝酸钠标准储备液。将该溶液置于2℃冰箱内保存，有效期为1 d。

显色剂：称取0.5 g对氨基苯磺酸（分析纯），0.1 g盐酸萘乙二胺（分析纯）于100 m L棕色容量瓶中，加入10 m L盐酸，用无氨水定容。

氯化铵缓冲溶液：称取10 g氯化铵（分析纯）于1 000 m L容量瓶中，加入1.8 m L氨水，无氨水定容。

1.3 实验方法

实验所用流路图如图1所示。

以无氨水作为载液，注射泵首先与载液（C）连通，吸入一定量无氨水，然后注射泵与八通阀（SV）连通，顺序吸入显色剂（R1）和样品（S1）到储液管（HC），样品和显色剂的进样顺序为显色剂—样品—显色剂。这样试剂和样品按顺序被注入储液管（HC）形成堆栈带（见图2），样品两端均为显色剂以确保显色剂的量足够，停流15 s使显色剂和样品带充分混合并反应。最后，使八通阀（SV）与流通池（FC）连通，泵正向转动将反应后的溶液推送至流通池（FC），在540 nm处测定吸光度，测得结果为亚硝酸盐的含量。对硝酸盐的测定，首先使样品流经镉柱（CC），将硝酸盐还原为亚硝酸盐，然后按照亚硝酸盐的测定步骤进行测定，测得结果为硝酸盐与亚硝酸盐的总量，再减去亚硝酸盐的量，便得到硝酸盐的量。

图1 顺序注射仪结构图Fig.1 Structure of the sequential injection apparatus

图2 储液管中堆栈带Fig.2 Solution stack in the holding tube

2 结果与讨论

2.1 样品体积及显色剂体积对吸光度的影响

样品和显色剂的体积影响参与反应物质的量和二者的混合程度，确定最佳的样品和显色剂的体积使样品和显色剂能够充分混合。

2.1.1 样品体积对吸光度的影响

样品在储液管中的扩散程度用扩散系数表示，扩散系数D的定义为溶液扩散前浓度与扩散后浓度的比，即D＝C0／C，C0为溶液扩散前的浓度，C为溶液扩散后的浓度。S1／2为样品和试剂完全混合时的样品量，即D＝2时的样品量。在如图1所示的流路条件下，测得S1／2＝80μL。通常，吸入样品的体积应小于S1／2，实验以含氮质量浓度为5 mg／L的亚硝酸钠溶液为样品，进一步考察了样品体积为40，50，60，70，80μL时对测定结果的影响（见图3）。结果表明样品体积为60μL时吸光度已接近最大，样品体积继续增大而吸光度变化不大，实验确定样品体积为60μL。

2.1.2 显色剂体积对吸光度的影响

如图2所示，显色剂分为两部分，分别在样品的两端，由于显色剂是稍微过量的，因此可以采取两部分体积相等的方式，对两部分体积之和进行优化。以含氮质量浓度为5 mg／L的亚硝酸钠溶液为样品，改变显色剂的用量（40，60，80，100，120，140，160μL），所得结果如图4所示。可知，显色剂用量为80μL时效果较好，显色剂用量低于80μL时，显色剂的量不足导致吸光度偏低，显色剂的量多于80μL时，会对样品有稀释作用，使吸光度略有降低。为确保测定更高浓度样品时显色剂的量足够，最终确定显色剂的体积为100μL。

图3 样品体积对吸光度的影响Fig.3 Influence of sample volume on absorbance

图4 显色剂体积对吸光度的影响Fig.4 Influence of chromogenic agent volume on absorbance

2.2 流速对吸光度的影响

样品和试剂在管路中发生反应后，反应产物经泵推向检测器。若流速过低则分析时间会延长，且由于自由扩散作用反应物会被过多稀释，灵敏度降低但有利于化学反应的充分进行。若流速过快则反应时间变短而致反应不充分，并且导致反应管路内压力过大。综合考虑对化学反应平衡和物理分散的影响，对20，25，30，35，40，45，50，55，60μL／s范围内的流速进行了测定，如图5所示。结果表明流速为45μL／s时吸光度最大，最终确定流速为45μL／s时进行测定。

2.3 停留时间对吸光度的影响

样品和显色剂发生反应的时间为显色时间，注入样品和显色剂后的停留时间直接影响显色时间的长短，停留时间过短，则样品和显色剂反应不充分而致吸光度偏低，停留时间过长，则影响分析速度。实验测定了停留时间为0，5，10，15，20 s时吸光度的变化趋势，结果如图6所示。随着停留时间的延长吸光度不断增加，15 s后吸光度的增长减缓，此时反应已完全，最终选定停留时间为15 s。

2.4 显色剂浓度对吸光度的影响

2.4.1 对氨基苯磺酸的浓度

在显色反应过程中，对氨基苯磺酸的浓度直接影响吸光度的大小。实验测定了不同质量浓度的对氨基苯磺酸（2，3，4，5，6，7，8 g／L）对吸光度的影响，结果如图7所示。可看出，吸光度随对氨基苯磺酸质量浓度的增加而增加，但当对氨基苯磺酸质量浓度过高时空白吸光度偏高。综合考虑灵敏度及空白吸光度，最终确定对氨基苯磺酸的质量浓度为5 g／L。

2.4.2 盐酸萘乙二胺的浓度

在显色反应中，盐酸萘乙二胺与重氮盐发生偶和反应生成玫瑰红色偶氮染料，盐酸萘乙二胺的质量浓度直接影响吸光度的大小。实验对质量浓度分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 g／L的盐酸奈乙二胺对吸光度的影响进行了测定，测定结果如图8所示。盐酸萘乙二胺质量浓度为1.0 g／L时吸光度最大，灵敏度最高。质量浓度小于或大于1.0 g／L时，吸光度降低。最终确定盐酸萘乙二胺的最佳质量浓度为1.0 g／L。

图5 流速对吸光度的影响Fig.5 Influence of flow velocity

图6 停留时间对吸光度的影响Fig.6 Influence of chromomeric time on absorbance

图7 对氨基苯磺酸质量浓度对吸光度的影响Fig.7 Influence of sulphanilamide concentration on absorbance

图8 盐酸萘乙二胺质量浓度对吸光度的影响Fig.8 Influence of N-（1-naphtyl）ethylenediamine dihydrochloride concentration on absorbance

2.4.3 HCl的浓度

在显色反应过程中，首先是亚硝酸根离子与对氨基苯磺酸反应生成重氮盐的反应须在酸性介质中进行，且生成的重氮盐要在酸性介质中才比较稳定，但酸性过强时又会使重氮反应的速度降低。实验以盐酸作为酸性介质，在浓度为0.5～2.0 mol／L范围内对其进行了优化。结果表明盐酸的浓度为1.0 mol／L时吸光度最大。

2.5 影响还原效率的因素

2.5.1 镀铜镉粒的性能状态对还原效率的影响

镀铜镉粒的性能是影响还原效率的主要因素，可通过镉粒的颜色变化判断镉粒的还原能力。实验表明，镉粒颜色变浅或有白色沉淀出现均会导致还原效率下降。由于镀铜镉粒暴露在空气中将被氧化，出现白色沉淀物，导致还原效率降低。因此实验过程中要始终使镉柱中充满溶液，避免镉粒与空气接触。镉柱运行一段时间后，镉粒颜色变浅，镉柱老化，还原效率降低，此时需对镉柱进行再生或者更换镉柱。

2.5.2 泵速对还原效率的影响

样品流经还原柱的速度直接影响样品与镉粒的接触时间，进而影响还原效率。泵速越小镉粒与样品接触时间越长，还原效率就越高。但泵速过小时又会延长实验周期，使测定频率降低。实验表明，泵速小于10 μL／s时还原效率能达到97%以上，综合考虑还原效率与实验周期，最终确定最佳泵速为10μL／s。

2.5.3 还原效率

通过比较相同浓度的硝酸盐和亚硝酸盐溶液的吸光度来测定镀铜镉柱的还原效率。分别配制含氮质量浓度为1，2，3，5，7 mg／L的亚硝酸钠和硝酸钾溶液，在最佳泵速及最佳的镉粒性能状态下对硝酸钾溶液进行测定，然后计算还原效率，测定结果见表1。

表1 不同质量浓度条件下硝酸盐的还原效率Tab.1 Reduction efficiency of different concentrations of nitrate

由表1可知，不同质量浓度的硝酸钾还原效率均在97%～102%范围内，说明镉粒性能良好，泵速为10 μL／s的条件下镉柱的还原能力可满足实验要求。

2.6 方法的线性响应范围、检出限及精密度

在上述优化条件下分别对含氮质量浓度为0～10 mg／L范围内的硝酸钾和亚硝酸钠溶液进行校准曲线的测定，亚硝酸钠溶液的线性回归方程为y＝0.250 0x－0.032 5，相关系数R2＝0.999 2。硝酸钾的线性回归方程为y＝0.231 7x－0.019 6，相关系数R2＝0.999 1。

对含氮质量浓度为1 mg／L的亚硝酸钠和硝酸钾标准溶液重复测定5次，根据测定结果计算亚硝酸盐和硝酸盐的相对标准偏差分别为1.3%和1.9%，表明本方法的精密度较好。

分别对空白溶液进行11次平行测定，按3倍标准偏差除以标准曲线斜率计算检出限，得出亚硝酸盐和硝酸盐的检出限分别为0.003 3 mg／L和0.003 6 mg／L。

2.7 干扰实验

天然水中主要的离子有K＋，Na＋，Ca2＋，Mg2＋，HCO－3，Cl－，SO2－4，实验以含氮质量浓度为5 mg／L的亚硝酸钠和硝酸钾标准溶液为样品对以上几种离子进行了干扰实验。结果表明，在允许误差为5%时，这些离子对测定结果没有影响。

2.8 加标回收率

选取自来水、河水及管道污水等样品进行测定，并进行加标回收实验，结果见表2和表3。不同水样回收率的测定均取得了较好的结果，回收率均在96%～105%之间。

表2 亚硝酸盐水样加标回收实验Tab.2 Recovery of spiked nitrite water sample

表3 硝酸盐水样加标回收实验Tab.3 Recovery of spiked nitrate water sample

3 结 语

研究了采用顺序注射仪与分光光度法结合测定水体中硝酸盐和亚硝酸盐的方法，对样品和显色剂的体积、显色剂浓度、停留时间、流速及镉柱的还原条件进行了优化。结果表明该方法灵敏度高，重复性好，分析速度快，试剂消耗量小，产生的污染少。采用镀铜镉粒对硝酸盐进行还原，还原效率可达97%以上。该方法可用于地表水及废水中硝酸盐和亚硝酸盐的检测。

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Determination of nitrate and nitrite in water by sequential injection photometric method

HE Li1，2，WEI Fuxiang1，2，XU Pin1，2，ZHANG Shangzheng1，2（1.School of Environmental Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

The FIAlab-3500 sequential injection connected with cadmium colum is used to determine nitrate and nitrite in the sample with the method of griess reagent colorimetric.The concentration of chromogenic reagent，the injection rate of sample and chromogenic reagent，flow rate and reaction time are optimized.The results show that the calibration curve is linear over the range 0～10 mg／L of nitrate and nitrite，and the linear equation is y＝0.231 7x－0.019 6（R2＝0.999 1）and y＝0.250 0x－0.032 5（R2＝0.999 2）respectively.The detection limits are 0.003 6 and 0.003 3 mg／L，the relative standard deviation values are 1.9%and 1.3%for nitrate and nitrite，respectively，and the recovery of standard addition is 96%～105%.

sequential injection；nitrate；nitrite；cadmium column reduction；spectrophotometric method

X830.2

A

1008-1542（2014）02-0202-06

10.7535／hbkd.2014yx02016

2013-11-20；

2013-12-19；责任编辑：王海云

国家863计划（2007AA09210109）

何 礼（1987-），男，河北保定人，硕士研究生，主要从事环境监测技术与装备方面的研究。

魏福祥教授。E-mail：wfxsss＠126.com