紫外分光光度法检测水质总氮关键因素和控制方法的研究

陈燕(福州市城区水系联排联调中心，福建 福州 350004)

0 引言

大量工业、生活废弃物等排入水中会造成水污染，尤其工业废水是水域的重要污染源[1]。总氮作为衡量水质的关键指标，大量生活污水或含氮工业废水排入水体会造成生物和微生物的大量繁殖，这些繁殖的生物对水中的溶解氧大量消耗，导致水中溶解氧含量减少，从而使水体恶化。对于流动不够充分的湖泊、水库，则会造成浮游植物繁殖旺盛，出现富营养化状态[2]。测定水中的总氮含量对水体中污染物质的明确起着至关重要的作用，一方面可以进行污染物含量的有效推测，另一方面可以进行污染源的查找，对污染物质的溯源分析起着不可替代的作用。因此，总氮的准确测定对水质状况的反应具有非常重要的意义。而找到影响水质总氮检测的关键因素和控制方法，对水质总氮分析获得准确度高的检测结果、检测过程中关键点的把控和出现问题的查找至关重要。

黄玲等[4]对总氮空白测定值影响因素进行了研究，徐莉等[5]在实验器皿的洁净程度和试剂溶液的保存时间对总氮空白值影响较大也进行了研究，崔静等[6]对水样的酸碱度对总氮检测的影响进行了分析，认为水样在pH值5～9范围内检测结果的准确度较好，且数据波动性较小。本文结合水质监测工作实际，详细探讨紫外分光光度法测定总氮过程中的空白测定值、玻璃器皿的洁净度、消解时间、消解后的冷却时间和冷却方式、定容后的溶液放置时间以及总氮实验的环境影响因素等方面的关键制约因素和控制方法，对水质检测过程中总氮项目进行准确、高效分析，具有积极的指导意义。

1 实验内容及实验过程

1.1 主要仪器设备

紫外可见分光光度计，岛津UV-2600；高压蒸汽灭菌器，STIK MJ-78A；去离子水机，沃特尔WP-2ROWF-20S；25 mL具塞比色管；10 mL移液管、容量瓶等。

1.2 主要实验试剂

总氮标准储备液：市售有证标物，浓度1 000 mg/L。

总氮使用液：量取10.00 mL总氮标准储备液至100 mL容量瓶中，用水稀释至标线，混匀。

碱性过硫酸钾：称取40.0 g经过试剂技术性验收通过的过硫酸钾，溶于600 mL水中。称取15.0 g氢氧化钠溶于300 mL水中。氢氧化钠溶液冷却至室温后，混合两种溶液定容至1 000 mL，存放于聚乙烯瓶中，可保存1周。

总氮质控样：市售有证标物，标准值：1.71 mg/L；扩展不确定度：0.12(k=2)。

无氨水：为新鲜制备的去离子水。

氢氧化钠、盐酸均为优级纯试剂。

1.3 实验过程

取6支25 mL具塞比色管，分别加入浓度稀释至 10.0 mg/L 的总氮标准溶液 0.00、0.20、0.50、1.00、3.00和7.00 mL，去离子水定容至10.00 mL，然后加入消解液碱性过硫酸钾溶液5 mL，121 ℃进行消解。消解结束后冷却至室温，加入1.0 mL盐酸溶液(1+9)，定容至25 mL标线上机检测。分别测定在波长A220和A275处的吸光度，并按照A=A220-2A275进行校正各浓度值对应的吸光度，总氮(以 N 计)含量与校正吸光度A成正比。分别取适量质控样和检测样品，定容至10.00 mL，后续处理方式同标准溶液。

2 结果与讨论

2.1 空白测定值

HJ 636—2012在质量保证和质量控制中明确对空白的吸光值要求为小于0.030[3]，实验过程中选取4家市售不同厂家所生产的过硫酸钾试剂进行实验，实验过程中所使用到的氢氧化钠和盐酸均为经过验收合格的优级纯试剂，检测结果如表1所示。实验过程中所产生的每个检测数据均为3次测定结果的平均值。

表1 不同过硫酸钾对空白吸光度值的影响

由表1可知，市售过硫酸钾品质参差不齐，厂家1、厂家2和厂家4的过硫酸钾都不能满足标准对空白值小于0.030的要求，仅有厂家3可满足要求。因为过硫酸钾试剂的质量和纯度对空白值的影响非常大，决定了实验的成功与否。因此，一旦采用了不符合要求的过硫酸钾试剂，会导致空白值检测结果偏高，此时整个实验是失控的，产生的所有实验数据也是无效的。所以，建议将新购置的过硫酸钾作为总氮测试的关键试剂，在每个新批次到货时均进行技术性验收，并根据实验结果的空白值是否小于0.030来判断是否予以接收。对不满足技术性验收要求的过硫酸钾试剂，应作出调换或者退货处理，以保证整个总氮检测实验检测结果的准确性。

2.2 玻璃器皿的清洁程度

实验室分别采用清水冲洗和酸泡冲洗两种方式对总氮实验所使用到的25 mL具塞比色管进行处理。经过实验比对发现，不使用任何清洁剂，单纯使用清水冲洗的25 mL具塞比色管会频繁出现标准曲线异常点，而使用1+9盐酸浸泡后(浸泡时间最短需过夜)的25 mL具塞比色管，标准曲线上的点位出现异常的几率大大降低。因此，在总氮实验的测试过程中，所使用的玻璃器皿，应经过盐酸浸泡冲洗处理，以保证玻璃器皿的清洁度。特别要注意的，酸泡处理的时候，不可以使用硝酸，这是因为硝酸本身就含氮，使用硝酸浸泡器皿后会导致总氮检测结果偏高。清洗的具体流程为：首先使用1+9盐酸浸泡(过夜)，然后使用清水冲洗，最后使用去离子水清洗。所使用的具塞比色管需要密合性良好。除此之外，所使用的10 mm的石英比色皿的洁净程度对空白值也有较大影响。

2.3 消解时间的影响

将处理好的样品置于25 mL具塞比色管，定容至10.0 mL。加入碱性过硫酸钾溶液，同样处理5组样品。分别在 121 ℃下消解 20、30、35、40、50 min，实验检测结果如表2所示。表格中的每个检测数据均为3次测定平均值。

总氮的消解原理是利用过硫酸钾的强氧化性，将样品中的含氮化合物的氮转化为硝酸盐。温度超过60 ℃时，过硫酸钾水溶液分解为硫酸氢钾和原子态氧，硫酸氢钾离解产生氢离子，在碱性溶液中不断被中和而使分解过程得以完成。分解出的原子态氧在120～124 ℃的高温高压条件下，将含氮物质转化为硝酸盐。因此，充分的消解时间才能保证样品的完全氧化，对含氮物质是否充分转化为硝酸盐起到至关重要的作用。由表2的检测结果可知，20、30、35、40、50 min的消解时间对空白值的检测结果无明显影响，且各个消解时间下的空白值都能满足标准要求。质控样品随着消解时间由20 min至50 min的延长也未发生特别明显变化，且在质控样要求的偏差范围内，满足证书要求，但是检测结果明显随着消解时间的延长不断增大，且消解时间为20 min时，检测结果为1.61 mg/L，接近质控样允许偏差下限值1.59 mg/L。但是对实际水样的检测结果经研究发现，消解20 min到消解30 min时，随着消解时间的延长总氮检测结果呈明显上升的趋势。在消解时间由30 min增加至40 min和50 min时，样品检测结果趋于稳定，上升趋势不再明显。推测这是因为空白和质控样的样品基体组成相对简单，因此在消解的过程中比较容易氧化完全。而检测样品的基体组成相对比较复杂，20 min的消解时间太短，导致消解还未完全，因此检测结果整体偏低。因此，为完成样品的充分消解和保证氧化作用的充分性，消解时间需至少为30 min。

表2 检测结果随不同消解时间的变化

2.4 消解后冷却时间的影响

消解后的样品分别采用冷水水浴急速冷却和自然冷却两种方式进行降温处理，冷却时间分别为15、30、50、60、120 min。30 min 以内的采用冷水水浴冷却和自然冷却两种方式进行对比实验，30 min以上均只采用自然冷却的方式进行。在进行冷却之前，将25 mL具塞比色管上下颠倒摇匀，检测结果如表3所示(每个检测数据均为3次测定平均值)。

由表3可知，对于水浴冷却的降温方式，水浴15 min和水浴30 min冷却的检测结果没有明显差异。对于自然冷却的降温方式，从自然冷却15 min到自然冷却120 min，检测结果也无明显的变化。对于采用水浴冷却和自然冷却两种冷却方式，同一冷却时间下的空白的吸光值，质控样的检测结果及检测样品总氮的最终测定结果无明显影响。随着冷却时间的延长，空白吸光值、质控样和样品的检测结果也未发生明显变化。由此可知，消解完成后的样品可直接进行水浴冷却，冷却结束后可立刻进行后续步骤，这一发现在保证总氮检测结果准确性的同时，明显缩短了检测时间，极大提高了总氮检测效率。

表3 检测结果随不同冷却时间的变化

2.5 定容后放置时间的影响

将冷却降温后的样品加入1.0 mL的盐酸溶液，纯水定容至25 mL标线处。在开始定容前需要将所有的具塞比色管进行颠倒混匀，将气态氨充分溶解在溶液中，避免气态氨挥发造成检测结果偏小。定容后的样品分别放置 0、5、10、15、30 min 后进行上机测试，检测结果如表4所示。0 min为加入1.0 mL盐酸后立刻使用去离子水定容进行上机测试。表4中的每个检测数据均为3次测定平均值。

由表4可知，空白、质控样品和实际检测样品的检测结果随着放置时间的延长未发生明显变化。推测这是因为在定容后具塞比色管内发生的反应为盐酸与过量的氢氧化钠的酸碱中和反应，反应时间非常快，无需放置时间等待。这也与实验所呈现的检测结果一致，加入盐酸定容后放置 0、5、10、15、30 min，以上放置时间所产生的检测结果并无明显差别。因此，在实际检测的过程中，加入盐酸溶液定容后可直接上机测试，无需放置。

表4 检测结果随定容后不同放置时间的变化

2.6 实验环境

总氮是水中各种形态的无机氮和有机氮的总和，包括硝酸根离子、亚硝酸根离子和铵根等无机氮和蛋白质、氨基酸、有机胺等有机氮。因此，总氮的分析需要在无氨的环境中进行，避免在同一空间内进行硝酸盐氮、氨氮等含氮类项目的检测工作，以防产生交叉污染而影响检测结果。除此之外，总氮检测过程中还有许多应注意的细节问题，如实验用水应为新鲜制备的去离子水[6]，超纯水的空白值明显优于去离子水和无氨水，但三者均能满足总氮测试的空白<0.030的要求；碱性过硫酸钾的配制温度不得高于60 ℃，避免造成碱性过硫酸钾的分解使样品中的含氮物质无法完成充分氧化的过程；配置好的碱性过硫酸钾放置时间不要超过7天，以免影响过硫酸钾的氧化效果造成检测结果偏低；高压蒸汽灭菌器每周进行清洗以防止交叉污染从而对检测结果的准确性产生影响等。

在开展水质总氮的测定时，测定结果受到多方面因素的影响，从而使测定结果的准确性不够好，因此，在测试的过程中，应对总氮测定过程中的影响因素进行全面分析，关键环节进行重点把控，才能获得准确的检测结果，从而为水质监测工作的顺利实施和污染源的溯源性分析提供强有力的指导。

3 结语

总氮测定过程中，影响检测结果的因素主要有空白测定结果[7]和充分的消解时间，而影响空白测定结果的因素主要为过硫酸钾的纯度。在总氮的检测过程中，需要严格把握下述主要影响因素及控制手段：

(1)需要使用经过合格技术性验收的关键试剂。重点关注过硫酸钾的纯度，因为不合格的过硫酸钾会导致空白值的偏高，从而导致检测样品的结果失控。因此，空白不达标的过硫酸钾不得使用。

(2)氢氧化钠和盐酸需使用优级纯试剂。实验发现，分析纯的试剂与优级纯的试剂相比，会造成检测空白值升高，为保证检测结果的准确性，实验过程中应使用优级纯试剂。

(3)所使用的玻璃器皿应使用1+9的盐酸溶解浸泡过夜后再清洗。没有经过盐酸浸泡的玻璃器皿，会对检测结果造成污染。除此之外，比色皿在进行检测上机前也要清洗干净。

(4)应严格控制检测过程中的消解温度和消解时间。消解温度在120～124 ℃，消解时间应严格控制在30 min，以使样品获得充分消解完成充分氧化，以此来保证检测结果的有效性。

(5)消解后的样品可以采用水浴冷却的方式进行。实验证明水浴冷却的方式不会对检测结果产生明显影响，但是可以极大的缩短冷却至室温所需要的时间，在保证检测结果准确性的前提下极大的提高了检测效率。

(6)严格落实无氨环境。为保证总氮检测结果的准确性，整个总氮的实验过程应在无氨环境中进行，这是因为总氮是所有有机氮和无机氮的总和，若环境中存在含氮元素，会造成检测结果整体偏高。因此，要严格落实无氨环境，避免造成环境交叉污染。

从文章所进行的实验研究及相关论述可知，在开展总氮检测的过程中，影响因素是多方面的。在实际的实验细节梳理过程中发现，总氮的检测过程中并无特别特殊的技术方面的难点，但需要注意的实验细节特别多，稍有疏忽就会导致整个实验失败。因此从事总氮分析的人员需要特别关注实验细节，严格按照规范操作，把握关键因素及其控制方法，并不断进行完善改进。而总氮检测过程中的影响因素也应该作为一个重点持续进行研究，根据相应的影响因素采取强有力的控制措施，来保证总氮检测结果的有效性，从而为水体质量的改善提供重要的数据支撑。