李大鵬， 馮 斌

(蘇州科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

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堿性過(guò)硫酸鉀法總氮測(cè)定波長(zhǎng)的探究

李大鵬， 馮 斌

(蘇州科技學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011)

驗(yàn)證了硝酸根最大吸收峰波長(zhǎng)能否作為總氮測(cè)定波長(zhǎng)及不同波長(zhǎng)對(duì)總氮測(cè)定結(jié)果的影響。結(jié)果表明，通過(guò)波長(zhǎng)掃描0.08～2.8 mg/L硝酸根，發(fā)現(xiàn)最大吸收峰并非在220 nm，而出現(xiàn)在200～210 nm。采用堿性過(guò)硫酸鉀法測(cè)定水體中的總氮含量，200～210 nm存在鹽酸吸收峰干擾，但在211～220 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有良好的線性關(guān)系。不同波長(zhǎng)對(duì)加標(biāo)回收率、重現(xiàn)性、精密度及方法檢出限檢驗(yàn)影響不大。隨著測(cè)定波長(zhǎng)的減小，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率、相關(guān)系數(shù)R、摩爾吸光系數(shù)依次增加。211 nm處摩爾吸光系數(shù)達(dá)6.8×103(mol/L)-1/cm，遠(yuǎn)高于220 nm。同時(shí)，211 nm處標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合斜率K更大。在實(shí)際地表水的測(cè)定中，以最大吸收峰(211 nm)處測(cè)定總氮，與國(guó)標(biāo)220 nm處測(cè)定相比較，結(jié)果并無(wú)明顯差異。

總氮； 波長(zhǎng)掃描； 靈敏度； 地表水

0 引 言

通常，工業(yè)廢水、生活污水甚至植物、海水中總氮含量的測(cè)定都采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]的220及275 nm的方法作為測(cè)定波長(zhǎng)。研究表明,當(dāng)空白樣的吸光度值低于0.03時(shí)，總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線相關(guān)系數(shù)R>0.999[2]。而控制高空白的方法主要是試驗(yàn)使用無(wú)氨水及控制堿性過(guò)硫酸鉀的純度、NaOH濃度、保存時(shí)間、消解溫度[2-4]，故大多數(shù)研究旨在探究影響高空白的各種因素。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)試劑與標(biāo)曲方法

試驗(yàn)配制兩種(分別為分析純、優(yōu)級(jí)純)不同廠家100、10 mg/L硝酸鉀；亞硝酸、醋酸銨溶液。在50 mL比色管中，分別投加0.4～14 mL 10 mg/L硝酸鉀(一定量亞硝酸、醋酸銨硝酸鉀)溶液，一級(jí)水(上海摩勒1010C超純水機(jī)，電導(dǎo)率κ=0.010～0.87 μS/cm)定容25 mL后，投加10 mL 4%堿性過(guò)硫酸鉀(分析純)，在高壓蒸汽滅菌器(上海三申YX280A壓力滅菌器)中消解30 min，自然冷卻至常溫，一級(jí)水定容至50 mL。加入2 mL(1+9)HCl酸化。在190～300 nm(哈希DR5000)全波長(zhǎng)掃描，記錄吸光度。此方法等效于國(guó)標(biāo)，測(cè)定總氮濃度范圍為0.4～14 mg/L。

1.2 測(cè)定及分析方法

(1)摩爾吸收系數(shù)。ε=A/bc(×103(mol/L)-1·cm-1。其中:A為吸光度；b為石英比色皿寬度，1 cm；c為亞硝酸鈉濃度，10 mg/L,亞硝酸鈉為0.714 6 mmol/L。

(2) 反標(biāo)定。分別投加不同體積10 mg/L亞硝酸(G.R.)溶液于50 mL比色管中，按照上述1.1方法消解定容。測(cè)定吸光度，計(jì)算比色管中亞硝態(tài)氮含量及濃度，并根據(jù)測(cè)定亞硝酸鈉的濃度計(jì)算測(cè)定值標(biāo)準(zhǔn)差(S)、精密度(RSD)及方法檢出限檢驗(yàn)(L.D)，其中L.D=3σ/K，σ為24次在(A211-2A275)、(A220-2A275)nm處空白樣方差;K為某波長(zhǎng)擬合線斜率。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)加入法。在6個(gè)50 mL比色管中投加5 mL未知濃度實(shí)際地表水水樣，依次加入0～5 mL 10 mg/L亞硝酸鈉，按1.1方法消解，測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 最大吸收波長(zhǎng)的確定

焦俊麗

甲、乙兩種不同純度硝酸鉀100、10 mg/L溶液在各不同波長(zhǎng)下，吸光度值基本一致(見(jiàn)圖1)。表明不同廠家的硝酸鉀作為基準(zhǔn)物測(cè)定硝態(tài)氮(總氮)，不會(huì)引起最大吸收峰波長(zhǎng)的改變。10、100 mg/L硝酸根溶液的最大吸收峰出現(xiàn)在205～220 nm[10,14]。但是，低濃度(0.08～2.80 mg/L)范圍內(nèi)，最大吸收峰往短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，集中在200～210 nm波長(zhǎng)下。按照國(guó)標(biāo)方法對(duì)硝酸根消解，中和后波長(zhǎng)掃描發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖2):0～2 mg/L范圍內(nèi)，最大吸收峰基本出現(xiàn)在195～200 nm處，且最大濃度2.8 mg/L吸收峰很寬，介于195～215 nm。值得注意的是，此時(shí)最大吸收峰并非為硝酸根激發(fā)引起的“發(fā)光”[15]，而是用以中和過(guò)剩NaOH過(guò)量的HCl所引起的吸收峰。所以，硝酸根的最大吸收峰仍應(yīng)在195～210 nm，只是此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，存在硝酸根與鹽酸的共同激發(fā)“發(fā)光”，并且HCl所引起的吸收峰超過(guò)了硝酸根的吸收峰。所以，標(biāo)準(zhǔn)中以220 nm作為硝酸根的測(cè)定波長(zhǎng)是有一定依據(jù)的,但是忽略了在低濃度下，硝酸根最大吸收峰會(huì)發(fā)生偏移這一現(xiàn)象。

圖1 不同純度、濃度未消解硝酸鉀溶液波長(zhǎng)掃描

圖2 消解后硝酸根DR500全波長(zhǎng)掃描

2.2 干擾因素

以堿性過(guò)硫酸鉀及鹽酸全波長(zhǎng)掃描(見(jiàn)圖3)發(fā)現(xiàn)：未消解前，定容50 mL比色管中，10 mL堿性過(guò)硫酸鉀吸光度值高達(dá)2.5～3.5。消解之后，吸光度驟降接近于0；在220 nm及更大波長(zhǎng)范圍內(nèi)，吸光度低于0.3，這主要是過(guò)量NaOH產(chǎn)生的。加入2 mL鹽酸酸化后，210 nm及以上波長(zhǎng)范圍內(nèi)，NaOH引起的干擾吸光度進(jìn)一步下降，且由NaOH在205～220 nm波長(zhǎng)內(nèi)引起的干擾吸收也被去除了。同時(shí)，圖3表明：用以酸化的鹽酸用量少，2 mL鹽酸在210 nm處，對(duì)硝酸根的影響并不大，其吸光度值與220 nm相近。故有些研究表明,HCl溶液在210 nm存在吸收干擾的僅能表明在高濃度((1+9)HCl原液)存在干擾[13]，但是低用量并不會(huì)對(duì)硝酸根引起很大的干擾。

圖3 干擾物質(zhì)吸收峰全波長(zhǎng)掃描

2.3 標(biāo)曲斜率、相關(guān)系數(shù)、摩爾吸光系數(shù)擬合

在對(duì)不同波長(zhǎng)總氮標(biāo)曲擬合(見(jiàn)表1)表明：211～220 nm，相關(guān)系數(shù)大致都能滿足大于0.999。標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率依次提高，且同一濃度不同波長(zhǎng)下，210 nm吸光度值普遍都比220 nm高近1倍。例如，濃度為2 mg/L時(shí)，A211 nm=0.94，A220 nm=0.45。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線

斜率的提高，在同一吸光度變化范圍ΔA，具有更高斜率的標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)應(yīng)的濃度變化范圍越小ΔX，測(cè)定總氮濃度值X越接近其真實(shí)值。此外，相同濃度時(shí)，吸光度越高，則摩爾吸收系數(shù)越大。一般認(rèn)為,顯色反應(yīng)產(chǎn)物的ε值愈大，基于該顯色反應(yīng)的光度測(cè)定法的靈敏度就愈高,即硝酸根對(duì)波長(zhǎng)下紫外光的吸收而產(chǎn)生躍遷越敏感，測(cè)定物質(zhì)的濃度值越準(zhǔn)確。綜上所述，211 nm波長(zhǎng)總氮標(biāo)曲不但具有較高斜率及摩爾吸光系數(shù)，而且211 nm仍在低濃度(0～2.8 mg/L)硝酸根最大吸收峰波長(zhǎng)范圍內(nèi)。

表1 標(biāo)曲斜率K、相關(guān)系數(shù)R、摩爾吸收系數(shù)ε

2.4 加標(biāo)回收率、重現(xiàn)性、精密度及方法檢出限檢驗(yàn)

以10 mg/L亞硝酸鈉(優(yōu)級(jí)純G.R.)作為總氮測(cè)定樣的基準(zhǔn)物質(zhì)，三組依次投加不同體積亞硝酸鈉：Ⅰ(1.2、2.0、2.8 mg/L)，Ⅱ、Ⅲ(0.6、1.0、1.4 mg/L)。在211～220 nm兩種不同波長(zhǎng)下，對(duì)測(cè)定結(jié)果組內(nèi)加標(biāo)回收率、方差S、精密度RSD%及方法檢出限L.D檢驗(yàn)[16](見(jiàn)表2)。

表2 加標(biāo)回收率、標(biāo)準(zhǔn)差、精密度及方法檢出限檢驗(yàn)

多次組內(nèi)加標(biāo)回收率檢驗(yàn)中除了Ⅰ中2.8對(duì)2 mg/L的加標(biāo)回收率為88%～92%，明顯低于90%～110%要求(1～100 mg/L[17])，其他各濃度對(duì)應(yīng)的加標(biāo)回收率基本都能滿足要求，少許加標(biāo)回收率略微超出。不同波長(zhǎng)測(cè)定值的方差S、精密度(CV、RSD)、檢出限相差不大，分別約為0.3、2.8(要求<7.5%)、0.16。表明即使采用硝酸根最大吸收峰處波長(zhǎng)211 nm測(cè)定總氮，測(cè)定結(jié)果離線程度、重現(xiàn)性無(wú)明顯差別。綜上可知，以硝酸根最大吸收峰波長(zhǎng)211 nm與標(biāo)準(zhǔn)中220 nm測(cè)定總氮，對(duì)測(cè)定結(jié)果影響不大。但是，以211 nm作為測(cè)定波長(zhǎng)，符合實(shí)驗(yàn)習(xí)慣。同時(shí)，在以往研究中，總氮甚至硝酸根的測(cè)定波長(zhǎng)的不統(tǒng)一，其實(shí)是分別在各自不同波長(zhǎng)水平下，擬合各自對(duì)應(yīng)線性關(guān)系，其效果是等同的。

2.5 實(shí)際水體的測(cè)定

為了探究在實(shí)際水體中，以211 nm作為總氮測(cè)定波長(zhǎng)是否可行，實(shí)驗(yàn)以城市某一河道地表水為實(shí)際研究對(duì)象，測(cè)定水體中總氮含量。由于地表水總氮未知，所以以標(biāo)準(zhǔn)加入法在不同波長(zhǎng)下測(cè)定水體中總氮的含量，與標(biāo)準(zhǔn)曲線法所得結(jié)果對(duì)比,分別取5 mL未知濃度河道水，分別加入0、1、2、3、4、5 mL硝酸鉀(10 mg/L)溶液，按上述1.2方法測(cè)定水體中總氮。

標(biāo)準(zhǔn)加入法在211、220 nm擬合線相關(guān)系數(shù)R均大于0.999。相同波長(zhǎng)2種方法之間是存在差異的。不同波長(zhǎng)下，標(biāo)準(zhǔn)加入法比標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定值大，這是加和性干擾所造成的，因?yàn)樗w中存在210～220 nm范圍內(nèi)有其他具有吸收效應(yīng)的物質(zhì)。兩種方法的差值(Ⅰ：0.6 mg/L、Ⅱ：0.2 mg/L、Ⅲ:0.1 mg/L)表明：在不同波長(zhǎng)下，總氮測(cè)定值是基本一致的，無(wú)明顯差異。值得注意的是：同一種方法(標(biāo)準(zhǔn)加入法、標(biāo)準(zhǔn)曲線法)在不同波長(zhǎng)下，測(cè)定總氮值相差不大，表明211 nm作為總氮測(cè)定波長(zhǎng)是可行的。

表3 標(biāo)準(zhǔn)加入法與標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)地表水總氮測(cè)定值比較

3 結(jié) 論

(1) 高濃度(100、10 mg/L)硝酸根的紫外最大吸收峰在205～220 nm處，峰型較寬(約10 nm)且平緩。不同純級(jí)硝酸鉀對(duì)總氮吸收峰并無(wú)明顯影響。

(2) 低濃度( 0.08～2.8 mg/L)范圍內(nèi)，最大吸收峰往短波長(zhǎng)方向移動(dòng)，集中在200～210 nm波長(zhǎng)下。(1+9)鹽酸在210 nm處有很強(qiáng)吸收峰，但2 mL用以酸化中和的鹽酸在210 nm處吸收峰對(duì)硝酸根吸收峰影響很小。

(3) 211～220 nm，相關(guān)系數(shù)多大于0.999。不同波長(zhǎng)對(duì)加標(biāo)回收率、重現(xiàn)性、精密度及方法檢出限檢驗(yàn)影響不大。同時(shí)，隨著測(cè)定波長(zhǎng)的減小，標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率、相關(guān)系數(shù)R、摩爾吸光系數(shù)依次增加。以硝酸根最大吸收波長(zhǎng)211 nm作為測(cè)定波長(zhǎng)，符合實(shí)驗(yàn)認(rèn)知習(xí)慣。

(4) 實(shí)際地表水測(cè)定中，不同波長(zhǎng)的總氮測(cè)定值是基本一致的，無(wú)明顯差異。以211 nm作為總氮測(cè)定波長(zhǎng)是可行的。

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Research on Different Wavelengths of Detecting Total Nitrogen Using Alkaline Potassium Per-sulfate

LIDa-peng,FENGBin

(School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011, China)

The maximum absorption wavelength of nitrate used for the total nitrogen wavelength and the effect of different wavelength on the concentration of total nitrogen were determined in the research. The results showed that the maximum absorption peak ranged from 200～210 nm, but it did not appear at 220 nm when the nitrate from 0.08 to 2.8 mg/L was scanned by the wavelength. When the concentration of total nitrogen was measured with alkaline potassium per-sulfate, a peak of hydrochloric acid was observed between 200 nm and 210 nm. However, it existed a close relationship between the maximum absorption peak and the wavelength from 211 to 220 nm. The results showed that the effect of wavelength on the detection limit of the recovery, repeatability, precision and detection limit of method could be neglected. In addition, the slope of the standard curve, the correlation coefficient and the molar absorption coefficient increased with the decrease of wavelength. The molar absorption coefficient (ε211 nm) was up to 6.8×103(mol/L)-1/cm and it was higher than that at 220 nm. Moreover, the fitting slope (K) was higher at 211 nm, too. Using maximum absorption peak wavelength (211 nm) of nitrate to measure the total nitrogen in the surface water had no significant difference, compared with 220 nm.

total nitrogen; wavelength scanning; sensitivity; surface water

2015-03-23

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178284,51278523)

李大鵬(1975-)，男，吉林公主嶺人，副教授，主要從事淺水湖泊修復(fù)技術(shù)研究。Tel.：13013773710;E-mail:ustsldp@163.com

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A

1006-7167(2016)01-0010-03