化学发光法测定天然水体中低浓度硝酸盐和亚硝酸盐的含量

王 燕, 刘素美, 任景玲, 张桂玲

(中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

化学发光法测定天然水体中低浓度硝酸盐和亚硝酸盐的含量

王 燕, 刘素美, 任景玲, 张桂玲

(中国海洋大学 海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100)

传统分光光度法测定硝酸盐和亚硝酸盐含量时检测限较高, 无法测定部分海洋表层及寡营养盐海域低含量的硝酸盐和亚硝酸盐浓度, 急需采用一种新的测定低浓度硝酸盐和亚硝酸盐的方法。化学发光法用于测定水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量, 具有灵敏度高、检测限低、样品用量少, 不受悬浮颗粒物、有色物质影响及样品批量测定等优点。本文通过探索载气流速、反应温度、还原剂浓度及酸度等关键因素对反应信号值的影响, 在实验室建立了用化学发光测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法, 并确定了最佳实验条件。该方法测定水体中硝酸盐和亚硝酸盐浓度的检测限为10 nmol/L, 当样品浓度为200、400 nmol/L时, 精密度分别为5%和3%。

硝酸盐; 亚硝酸盐; 化学发光法; 低浓度; 天然水体

无机氮作为海洋浮游植物生长必需的营养元素,在海洋生物地球化学循环过程中起着重要的作用。传统的亚硝酸盐的测定方法是重氮偶氮分光光度法,是通过镉铜柱还原成后按照的方法测定。传统的分光光度方法测定海水中和的检测限分别为100 nmol/L和20 nmol/L[1]。而大洋中存在很多寡营养盐海区, 这些海域的和浓度很低, 如西弗罗里达陆架海区,和浓度总和仅为 60～110 nmol/L, 无法用传统分光光度法测定[2-3]。

国外学者研究用化学发光法测定氮氧化物已经有很长的历史。1970年 Fontijin 等[4]首先用化学发光法测定空气中的NO; 1980年Cox[5]首次用化学发光法测定水体中低浓度的硝酸盐和亚硝酸盐; 1982年 Garside[6]成功用此法测定海水中的和1989年Braman等[7]改进了方法的还原剂, 实现了样品的批量测定。

化学发光法测定水体中 NO3-可选用的还原剂有(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合试剂[5-6]、VCl3[7]、TiCl3[8]等, 反应需要较高的温度(85～95℃)和较强的酸性条件(pH＜1); 此法测定时反应条件较测定时温和, 可选室温及还原性较弱的还原剂, 如NaI[3,5,6]、Vc-HAc[9]等。对用 VCl3测定存在干扰, 不适合的测定。

还原剂VCl3与(NH4)2Fe(SO4)2-(NH4)2MoO4混合试剂相比, 具有反应酸度较低、可批量测定样品的优势; 而混合试剂反应时酸度较高, 只能测定单个样品[7]。两者相比, 用 VCl3作反应的还原剂比混合试剂更具优势。本研究基于文献[5-7]等报道的化学发光法, 选VCl3作反应的还原剂, 通过探索载气流速、反应温度、还原剂浓度及酸度等关键实验条件对反应信号值的影响, 建立了用化学发光测定天然水体中低浓度硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法, 并确定了最佳实验条件。

1 试剂与方法

1.1 仪器和试剂

氮氧化物化学发光仪(美国 Teledyne公司);N2000色谱工作站(浙江大学智达信息工程有限公司); 高纯氮气(99.9999%); 滤膜(0.45μm); VCl3(美国 Alfa Aescar公司); HCl(优级纯); NaOH (优级纯)。

1.2 实验原理

化学发光法测定水体中硝酸盐和亚硝酸盐的原理是： 将硝酸盐和亚硝酸盐选择性地还原为 NO后,NO与臭氧反应生成激发态 NO2*, 激发态 NO2*在返回基态的过程中放出光子, 产生化学发光。当臭氧过量时, 反应放出的光子数与NO浓度呈正比[5], 即反应信号值与硝酸盐和亚硝酸盐含量成正比。

1.3 实验方法

在反应器中加入 10 mL VCl3, 调节反应温度,通过进样阀将样品注入反应器中, 反应生成的 NO在高纯氮气的载带下先后经冷凝管(冷凝水蒸气)、NaOH溶液(除酸性气体)、微孔过滤器(0.45 μm滤膜)后进入氮氧化物化学发光仪, 与 O3反应, 产生化学发光, 记录信号值(图1)。

图1 化学发光法测定硝酸盐、亚硝酸盐实验装置图Fig. 1 Apparatus arrangement

2 结果与讨论

2.1 最佳实验条件探索

2.1.1 反应温度对反应信号值的影响

实验中测定了从80～200℃选择的13个温度下的反应信号值(积分峰高信号、积分峰面积信号)随温度的变化趋势(图2)。积分峰高信号值随反应温度的升高呈现先增加后基本保持不变的变化趋势。积分峰面积信号值则受温度影响较小, 当反应温度高于120℃时, 积分峰面积信号值基本保持不变, 各信号值之间相对标准偏差为2.94%。选反应过程中信号较稳定的积分峰面积作反应信号, 同时选150℃为最佳反应温度。

2.1.2 还原剂VCl3浓度对反应信号值的影响

通过改变还原剂浓度, 实验测定了 0.01 ～0.175 mol/L浓度范围内, 12组不同浓度下反应信号随还原剂浓度的变化趋势。反应信号(积分峰高信号、积分峰面积信号)随 VCl3浓度的变化趋势与反应温度相似(图3)。积分峰高信号值随VCl3浓度的增加先增大,当VCl3浓度大于0.03 mol/L时积分峰高信号值缓慢增加。积分峰面积信号值随VCl3浓度的增加基本保持不变, 仅当 VCl3浓度小于 0.03 mol/L时, 积分峰面积信号值稍大。选反应过程中信号较稳定的积分峰面积作反应信号, 同时选 VCl3最佳反应浓度为0.1 mol/L。

图2 温度对反应信号值的影响(数据均为3次平行测定结果)Fig.2 The effect of temperature on nitrate response signals(The values are the mean of 3 determinations for each experimental condition)

图3 还原剂 VCl3浓度对反应信号值的影响(图中数据均为3次平行测定的结果)Fig. 3 The effect of VCl3 concentration on nitrate response signals

2.1.3 HCl浓度对反应信号值的影响

通过改变HCl浓度, 测得12组不同浓度下的反应信号值(积分峰高、峰面积信号值)(图 4)。本组实验中, 积分峰高信号、积分峰面积信号变化相似, 均随 HCl浓度的增加先增加后基本保持不变。实验结果表明, 当HCl浓度大于0.5 mol/L时, 积分峰高信号、积分峰面积信号基本保持不变。为确保样品的批量测定, 选 HCl最佳反应浓度为2 mol/L。

图4 HCl浓度对反应信号值的影响(图中数据均为3次平行测定的结果)Fig. 4 The effect of the HCl concentration on nitrate response signals

2.1.4 载气流速对反应信号值的影响

实验测定了7组载气流速下的反应信号值(积分峰高及峰面积信号值), 实验结果表明积分峰高信号及积分峰面积信号值随载气流速的增加不存在较稳定的信号值(图 5)。载气流速增加, 积分峰高信号值先增加后降低, 当流速为480 mL/min时积分峰高信号值最大。积分峰面积信号值则随载气流速的增加而逐渐降低。参照仪器测定空气时的流速, 选 480 mL/min为最佳流速。

综合载气流速、反应温度、还原剂浓度及酸度等实验条件对反应信号值的影响, 选较稳定的积分峰面积信号作反应信号值, 同时选0.1 mol/L VCl3、2 mol/L HCl、150℃和480 mL/min载气流速作为臭氧化学发光法测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量的最佳反应条件。

2.2 化学发光法测定硝酸盐和亚硝酸盐含量的盐效应

配制8组已知浓度、盐度不同的样品, 用化学发光法测定样品中硝酸盐和亚硝酸盐含量, 反应的回收率在97%～103%之间(表1), 表明盐度对化学发光法测定水体中的硝酸盐和亚硝酸盐含量没有影响。

2.3 化学发光法测定硝酸盐和亚硝酸盐含量的回收率

选取12组不同浓度的天然海水、雨水及河水样品, 向其中加入硝酸盐标准溶液(表 2)。此法测定硝酸盐和亚硝酸盐含量的回收率在 88.9%～111.1%之间, 大多在95%～105%之间。

图5 载气流速对反应信号值的影响(图中数据均为3次平行测定的结果)Fig. 5 The effect of flow rate on nitrate response signals

表1 盐度对化学发光法的影响Tab. 1 The Effect of salt concentration on the measured values

表2 天然水体加标实验Tab. 2 Natural waters spiked with stardard materials

2.4 化学发光法测定硝酸盐和亚硝酸盐含量的检测限、精密度

化学发光法测定硝酸盐和亚硝酸盐主要是测定NO气体的物质的量, 与反应中的样品浓度没有直接关系。实验中测定了200 µL和1 mL两种进样体积下的工作曲线, 如表3所示。

表3 工作曲线Tab. 3 Calibration curves

平行测定5组超纯水样品, 根据检测限等于3倍样品标准偏差的定义, 测得化学发光法测定天然水体中硝酸盐及亚硝酸盐含量的检测限为 10 nmol/L;当样品浓度为200 nmol/L、400 nmol/L时, 精密度分别为5%和3%。

2.5 方法优缺点

化学发光法测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐的含量, 具有灵敏度高、检出限低、样品用量少、样品批量测定、不受悬浮颗粒物及有色物质影响等优点。同时, 此法干扰杂质少, 亚硝基化合物中, 只有亚硝基二苯胺产生NO, 烷基类硝酸盐和亚硝酸盐在酸性条件下可分解生成和生干扰[4-7]。但与营养盐自动分析仪相比, 此法测定样品时间稍长, 每个样品需3 min, 测样速度稍慢。离子, 对反应产

3 化学发光法与传统分光光度法结果对比

分别用分光光度法和化学发光法测定中国近海、高隆湾、海南万泉河等50组样品中的硝酸盐和亚硝酸盐含量(图 6)。两组数据之间的相对误差为3.65%, 呈现显著的线性相关。实验结果表明用两种方法测定天然水体中硝酸盐与亚硝酸盐含量方法具有一致性, 不存在显著差异。

图6 传统分光光度法与化学发光法分别测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量的对比Fig. 6 Correlation between the chemiluminescent technique and the conventional spectrophotometric method

4 小结

(1) 通过各项实验条件探索, 建立了化学发光法测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量的方法,并确定了实验的最佳反应条件, 即： VCl3浓度 0.1 mol/L、HCl 浓度2 mol/L、反应温度150℃和载气流速 480 mL/min。

(2) 化学发光法测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量的回收率在95%～105%之间, 检测限为10 nmol/L, 当样品浓度为200 nmol/L、400 nmol/L时,精密度分别为5%和3%。

(3) 同传统分光光度法一样, 盐度对化学发光法测定天然水体中硝酸盐和亚硝酸盐含量也没有影响。

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Chemiluminescent measurement of low concentrations of nitrate and nitrite

WANG Yan, LIU Su-mei, REN Jing-ling, ZHANG Gui-ling
(Key Laboratory of Marine Chemistry Theory and Technology Ministry of Education, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Jun., 20, 2009

nitrate; nitrite; low concentration; natural water; chemiluminescence

Chemiluminescent technique was applied for the determination of nanomolar quantities of nitrate and nitrite. Suspended particles and chromaphores did not interfere and were hence not necessary to be removed. The optimal experimental conditions with detection limit of 10 nmol/L were set up in the laboratory. The relative standard deviation was 5% at the 200 nmol/L level and 3% at the 400 nmol/L level. At wider detected range, greater accuracy and precision were obtained for this technique comparing to the conventional spectrophotometric methods.Consistent results were obtained when the concentrations of nitrate and nitrite in seawater and river water samples were measured using these two methods.

P734.4+4

A

1000-3096(2011)05-0095-05

2009-06-20;

2009-09-30

国家自然科学基金项目(40876054, 40730847); 教育部科学技术研究重点项目(108081); 科技部国家重点基础研究发展计划项目(2006CB4006)

王燕(1984-), 女, 山东泰安人, 硕士研究生, 主要从事海洋中无机氮的研究,电话： 15140545384, E-mail： wyzplforever@163.com

康亦兼)