水杨酸钠-次氯酸钠法海水氨氮快速检测方法研究

皇甫咪咪，曲建强，李 燕，徐 阁，石 军，杜军兰，侯纯扬

1.天津大学理学院，天津 300072

水杨酸钠-次氯酸钠法海水氨氮快速检测方法研究

皇甫咪咪1,2，曲建强1，李 燕2，徐 阁3，石 军3，杜军兰2，侯纯扬2

1.天津大学理学院，天津 300072

2.国家海洋技术中心，天津 300111

3.海口海洋环境监测中心站，海南 海口 570311

对水杨酸钠-次氯酸钠法测量海水氨氮化学分析条件进行了研究。通过正交实验对水杨酸钠-次氯酸钠法试剂配比进行优化，并确定了最佳试剂配比。同时，用水杨酸钠-次氯酸钠法和靛酚蓝法测量24个海水水样，测量结果无显著差异。在反应温度为35 ℃，反应时间为10 min时，用改进后的方法分别测量60、120 μg/L的氨氮标准溶液，相对标准偏差分别为4.0%、2.8%，回收率分别为99.8%、100.8%。该方法试剂无毒、环保，操作简单、快速，可满足营养盐自动分析仪现场快速测量的要求，提高仪器的环境友好性。

水杨酸钠-次氯酸钠；氨氮；海水；环境友好

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，海水中氨氮测量采用的方法主要有荧光法[4]、次溴酸钠氧化法[5]、靛酚蓝法[6-8]、水杨酸钠法等。荧光法灵敏度高，主要用于大洋中nmol/L浓度水平氨氮的测量[9]。次溴酸钠氧化法和靛酚蓝法技术成熟，重现性好，准确度高，是《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)[10]规定的适用于大洋和近岸海水中氨氮测量的标准方法，但是次溴酸钠氧化法容易受到氨基酸的干扰，所用试剂次溴酸钠溶液稳定性差，需要现用现配，使其在现场仪器测量中的应用受到局限。水杨酸钠分光光度法是测量水中氨氮常用分析方法，国家环境保护标准《水质氨氮的测定-水杨酸分光光度法》(HJ 536)[11]规定水杨酸分光光度法，可用于地表水、水源水、生活污水中氨氮的检测，而《海洋监测技术规程》(HY/T 147.1)[12]中规定的基于水杨酸钠分光光度原理的流动分析法，可实现对近岸海水和入海排污口水中氨氮含量的自动监测。

国内许多学者对基于流动注射法的水杨酸钠法测量水中氨氮进行了研究。朱敬萍等[13-14]根据进样流量大小对泵管进行了选择，研究了试剂浓度对氨氮检测灵敏度的影响，方法检出限为0.002 9 mg/L，相对标准偏差为0.88%～5.79%，可满足大批量海水样品检测的需求。曾爱娣[15]研究了运用流动注射分析仪测定地表水中氨氮和总磷的分析方法；李万霞[16]、黄振荣[17]等采用水杨酸钠法在流动注射分析仪上，对地表水和工业废水中氨氮的测量进行了研究。

近年来，海水氨氮现场自动分析技术得到了快速发展和应用，国家海洋技术中心在“十五”、“十一五”期间研制了应用于水下和船上的营养盐自动分析仪，其中氨氮的测量原理为基于非连续光度分析技术的靛酚蓝分光光度法，该方法测量准确、显色稳定、方法成熟，但其所用试剂苯酚具有刺激性气味，易被氧化，且有腐蚀性和毒性，在现场测量中，容易对环境造成二次污染，同时对实验操作人员也有一定危害。水杨酸钠和苯酚均可与氨发生Berthelot[18-20]反应，与苯酚相比，水杨酸钠无毒且无刺激性气味，对环境和现场操作人员均友好。

本文在靛酚蓝法的基础上，研究采用无毒的水杨酸钠代替苯酚进行海水中氨氮的测量。实验对水杨酸钠-次氯酸钠法进行改进，研究反应温度和反应时间对显色反应的影响，利用正交实验确定最佳试剂配比，并对改进后的方法进行性能检验，为营养盐自动分析仪器提供了一种对环境友好的氨氮分析方法。

1 实验材料及方法原理

1.1仪器

实验所用仪器有紫外可见分光光度计、精密电子天平、超纯水机和恒温水浴锅。

1.2试剂

实验所用氨氮标准溶液(100 mg/L，国家海洋环境监测中心)；EDTA二钠盐、柠檬酸钠、硝普钠盐、水杨酸钠、苯酚、氢氧化钠、次氯酸钠为国产分析纯试剂。

1.3反应原理及实验方法

碱性条件下，在亚硝基铁氰化钠催化的体系下，氨与水杨酸和次氯酸根反应生成蓝色的吲哚类物质[21]。具体反应可分为以下4步[22]：

首先氨与次氯酸盐反应生成氯胺。

NH3+ HClO=NH2Cl + H2O

(1)

生成的氯胺继续与溶液中游离的水杨酸根离子反应生成一个中间产物

(2)

第三步反应为氨基水杨酸转变为醌亚胺。

(3)

最后，醌亚胺与水样酸缩合生成靛酚蓝。

(4)

生成的靛酚蓝的吸光度A与氨氮浓度成正比，符合朗伯比尔定律。通过测定显色后样品的A，利用定标曲线即可计算出氨氮浓度。因此，通过对比A大小，即可反映出氨氮浓度。

水杨酸钠-次氯酸钠法即在25 mL水样内依次加入试剂柠檬酸钠混合溶液、水杨酸钠溶液、NaClO溶液各1 mL，混匀，采用去离子水做参比，用1 cm比色皿于654 nm波长处测其吸光度Aw。吸光度An=Aw-Ab。其中，Ab为试剂空白值，将An代入线性回归方程，计算得出水样中氨氮含量。

1.4水样采集及处理方法

将放置6个月的印度洋海水用0.45 μm的滤膜过滤后，转移至聚乙烯试剂瓶中备用，该海水氨氮含量较低，用于配制工作曲线。

在天津市塘沽采集24个站位的表层海水水样并冷冻保存，带回实验室解冻后，用于测量氨氮浓度。

2 实验与结果讨论

2.1反应温度和反应时间对氨氮测量效果的影响

在一定温度范围内，反应温度越高，显色速率越快；但是当温度高于一定值时，会引起有机氮化物的水解而带来正干扰，也可能在高温碱性条件下引起氨的挥发[22]，通过查阅相关文献，结合营养盐分析仪测量的要求，选择17.5、25、35 ℃ 3组温度进行实验。取过滤后的印度洋海水配制浓度为250 μg/L的氨氮标准溶液，测定吸光度随时间的变化，实验结果见图1。

图1 温度对氨氮测量效果的影响Fig.1 Effects of temperatures on ammonia nitrogen detection

由图1可以看出，在不同温度下，刚开始时，化学反应速率很小，随着时间的增加，化学反应速率迅速增大，最后趋于平稳。在同一反应时间，随着反应体系温度升高，化学反应速率明显增大。与常规实验室检测不同，在线仪器监测需要兼顾最短反应时间与最佳反应效果，因此需要选取最优的反应时间。根据实验结果拟确定将氨氮测量温度控制在35 ℃，在化学反应时间10 min时开始测量。

2.2正交实验优化试剂配比及用量

为确定最佳试剂配比，设计正交实验考察各试剂浓度对测定结果的影响。

表1 正交实验1计算结果Table 1 The result of orthogonal test 1

注：“—”表示无计算值。

由表1结果可知，水杨酸钠、NaOH、硝普钠盐、NaClO对显色反应均有影响。其中，硝普钠盐的R为0.043，对显色反应影响最大，NaClO对显色反应的影响最小。

图2 测量结果与水杨酸钠浓度关系曲线Fig.2 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of Sodium Salicylate

图3 测量结果与NaOH浓度关系曲线Fig.3 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

图4 测量结果与硝普钠盐浓度关系曲线Fig.4 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium nitroprussiade

图5 测量结果与NaClO浓度关系曲线Fig.5 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO results and the concentration of sodium nitroprussiade

正交实验2的实验方法为确定水杨酸钠、硝普钠盐的浓度分别为50、5 g/L，柠檬酸钠、EDTA二钠盐、NaOH、NaClO 4个因素做正交实验。见表2。

表2 正交实验2计算结果Table 2 The result of orthogonal test 2

注：“—”表示无计算值。

由表2的实验数据可知，柠檬酸钠、EDTA二钠盐、NaOH、NaClO的极差R分别为0.008、0.017、0.086、0.011。当确定水杨酸钠和硝普钠盐的浓度时，NaOH对实验结果影响最大，其次为EDTA二钠盐、NaClO、柠檬酸钠。

图6 测量结果与柠檬酸钠水平关系曲线Fig.6 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of sodium citrate

图7 测量结果与EDTA二钠盐浓度关系曲线Fig.7 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of EDTA-Na2

图8 测量结果与NaOH浓度关系曲线Fig.8 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaOH

图9 测量结果与NaClO浓度关系曲线Fig.9 The curve of the relationship between measuring results and the concentration of NaClO

综合上述两个正交实验的结果，选择水杨酸钠、硝普钠盐、NaOH、柠檬酸钠、EDTA二钠盐、NaClO有效氯的浓度分别为50、5、30、200、25、1.4 g/L。为减少试剂种类，简化现场测量的操作步骤，采取试剂混合配制。将柠檬酸钠、EDTA二钠盐、硝普钠盐3种试剂混配，浓度分别为200、25、5 g/L；水杨酸钠溶液中水杨酸钠和NaOH的浓度为50、30 g/L；NaClO溶液中有效氯浓度为1.4 g/L。

2.3水杨酸钠-次氯酸钠法与靛酚蓝法比对结果

采用优化后的水杨酸钠-次氯酸钠法和《海洋监测规范》(GB 17378.4—2007)规定的靛酚蓝法，同时测定24个塘沽海水水样。图10为2种方法测定结果比较图。图11为测量浓度的变化趋势图。

图10 2种方法测定结果比较Fig.10 Contrasts of ammonium concentration determined by the two methods

图11 2种方法测定结果变化趋势Fig.11 The tendency chart of the ammonium determined by the two methods

由实验结果可知，靛酚蓝法和水杨酸钠-次氯酸钠法测定结果具有相同的变化趋势，2种方法测定结果线性相关系数R=0.991，具有良好的相关性。同时，对实验结果进行t检验，计算得t=1.08，查t值表P(2)，t(0.05，23)=2.07，1.08<2.07，所以2种测试方法差异不显著。

2.4方法适用性范围研究

使用印度洋海水配制浓度为 0、50、100、200、400、600 μg/L的氨氮标准溶液，在35 ℃下测量其反应10 min时的吸光度，并对测量结果做工作曲线，结果见图12。

图12 工作曲线Fig.12 Woking curve

由图12可知，方法线性度为0.999 1，说明研究所确定的水杨酸钠-次氯酸钠法在氨氮浓度为0～600 μg/L时，具有良好的稳定性。

2.5准确度与精密度实验

用印度洋海水配制浓度为60、120 μg/L的氨氮标准溶液，分别取6组标液水浴恒温稳定于35 ℃，加入试剂反应10 min后分别平行测量6组标液的吸光度，并计算相对标准偏差和回收率。标液的测量浓度值见表3。测量浓度的精密度和回收率计算结果见表4。

表3 测量浓度值Table 3 The measured concentration value

表4 精密度和回收率计算结果Table 4 The result of accuracy and precision detection

由表4可知，用优化后的方法测量浓度为60、120 μg/L的样品的相对标准偏差分别为4.0%、2.8%，回收率分别为99.8%、100.8%，可满足营养盐自动分析仪的要求[16]。

3 结论

1)通过正交实验确定最佳试剂配比，柠檬酸钠混合溶液中EDTA二钠盐、柠檬酸钠、硝普钠盐浓度分别为25、200、5 g/L；水杨酸钠溶液中水杨酸钠、NaOH浓度分别为50、30 g/L；NaClO有效氯浓度为1.4 g/L。

2)用水杨酸钠-次氯酸钠法和靛酚蓝法同时测定24个现场海水样品，两种方法测量结果线性相关性良好且变化趋势相同，对测试数据进行t检验，2种方法测试结果无显著差异。

3)采用优化后的水杨酸钠-次氯酸钠法，在温度为35 ℃，反应时间为10 min时，测量氨氮浓度分别为60、120 μg/L的水样的相对标准偏差分别为4.0%、2.8%，回收率分别为99.8%、100.8%，可满足仪器现场快速测量的要求。该方法试剂无毒，为营养盐自动分析仪氨氮测量提供一种环保可行的分析方法。

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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

国家海洋局海洋公益性项目(201505007)

皇甫咪咪(1991-)，女，河南焦作人，硕士，助理工程师。

曲建强