氨氮现场检测方法的研究进展

董学志，蒋永荣

(桂林电子科技大学生命与环境科学学院,广西 桂林 541004)

大多数水质监测项目包括定期现场取样(即收集离散水样)、样品保存、转运、实验室分析、数据处理等环节，消耗大量的人力、物力，耗费时间，且样品经过保存、转运后，分析目标物的浓度可能发生改变；另一方面，离散的采样方式容易忽略偶发污染事件。因此，开发氨氮的现场检测方法尤为重要。作者对近5年(2014～2019)来国内外氨氮现场检测方法进行总结，并加以分析比较，拟为氨氮现场检测方法的发展提供帮助。

1 分光光度法

1.1 检测试剂的改进

氨氮在强碱条件下能迅速与邻苯二甲醛(o-phthalaldehyde，OPA)和亚硫酸钠反应生成玫瑰红物质，该反应常用于氨氮的荧光法检测。Liang等[5]发现该玫瑰红物质在具有荧光性的同时也具有较好的吸光性。李晓瑜[6]基于该原理并结合顺序注射技术，建立了一套氨氮的顺序注射-荧光分光一体检测系统，通过程序控制，该系统可以在荧光、分光检测模式间切换。

传统的靛酚蓝分光光度法检测时需要用到苯酚，该试剂臭味大，具有腐蚀性，且易板结，称量时难以处理，因此有研究人员选择毒性较小且稳定的片状晶体化合物邻苯基苯酚(o-phenylphenol，OPP)来替代[7]。Ma等[8]、Li等[9]基于OPP改进的靛酚蓝分光光度法研制了一套基于注射泵的水环境分析仪，已成功应用于河口和海岸表层水体中铵离子的测定，并实现了船载实时分析。Lin等[10]基于OPP改进的靛酚蓝分光光度法结合反相流动注射技术，建立了一种测定天然水体中铵离子的自动化方法。

为了更好地符合绿色分析化学的要求，Sukaram等[11]选择对pH值响应灵敏的兰花提取物作为检测试剂，与膜扩散装置联用检测氨氮。

1.2 分光光度法与分离富集方式的联用

在氨氮检测过程中，样品基底效应对检测有较大影响。将气体扩散装置引入流动分析系统，能有效地将气态氨从复杂的样品基质中分离。O′Connor等[12]通过加入强碱调节样品的pH值，将其中的离子态铵转化为气态氨，气态氨通过多孔疏水膜进入被检测的样品溶液中；但在碱性条件下，样品中的二价金属离子容易生成沉淀析出，从而造成膜堵塞。Timofeeva等[13]通过氮气吹扫的方式将样品中的气态氨直接输送至样品溶液中，避免了样品溶液与多孔疏水膜的直接接触，从而减小膜堵塞的可能。

另一方面，现场分析要求样品制备分离装置微型化，从而促进了微萃取方法的发展。Timofeeva等[14]研发了自动分步进样的顶空单液滴微萃取(head-space single-drop microextraction,HS-SDME)系统。为了简化检测步骤以及让萃取液滴更好地富集氨气，rámková等[15]引入了泵上实验室的概念，直接将注射器内部空间改装成微萃取和检测一体池，简化了检测步骤。Badiee等[16]设计了一种新的旋转溶剂棒微萃取(solvent bar microextraction，SBME)装置，并成功应用于环境水样中痕量氨的测定。

1.3 分光光度法的改进

Zhu等[17]结合流动注射技术，并采用液芯波导毛细管(长度为2.5 m)作为样品比色池(liquid waveguide capillary cell，LWCC)，通过增加光程的方式提升灵敏度。为了克服毛细管内径小、易堵塞的缺点，Hashihama等[18]对基于OPP改进的靛酚蓝分光检测系统换用内径较大(2 mm)的多路径毛细管(ultra path)，更适合长期使用。Kodama等[19]对系统进一步改进，将基于膜分离的气体扩散单元引入液芯波导流通池系统中，可在一定程度上消除由盐度差产生的虚假信号峰。Zhu等[20]研究了一种新型微等离子体激发源，将分子发射光谱法与化学蒸汽发生法相结合测定铵离子。表1列举了分光光度法检测氨氮的改进技术。

表1 分光光度法检测氨氮的改进技术

Tab.1 Improved techniques of spectrophotometric methods for determination of ammonia nitrogen

分离方法/自动化技术检测试剂检测限/(μmol·L-1)线性范围/(μmol·L-1)相对标准偏差/%文献流动注射邻苯二甲醛0.058100～700 2.3[5]泵上实验室邻苯二甲醛1780～8000.21[6]—邻苯二甲醛0.20～1000.64～1.71[7]气体扩散/流动注射兰花提取物(测定pH值)2120,7601000～50000.48,2.29[11]流动注射邻苯二甲醛0.15 0～2002.2, 0.33, 0.32[9]顶空单液滴微萃取/泵上实验室溴百里酚蓝(测定pH值)1.80～256[16]反相流动注射邻苯基苯酚0.07(淡水)0.08(海水)0～50(淡水)0～35(海水)<1.3[10]气体扩散/流动注射溴百里酚蓝(测定pH值)8 μg·kg-1(固体)0.1～5.0 mg·kg-1(固体)2～6[13]波导毛细管/流动注射苯酚0.00360.001～304.4[17]波导毛细管/流动注射邻苯二甲醛0.0040～0.2<4[18]

2 荧光法

2.1 检测试剂的改进

NH3-OPA-亚硫酸盐的荧光反应对pH值响应非常灵敏。该反应的最适pH值为11[21-22]，但在此pH值下，由于待测水样中金属离子的存在，极易生成氢氧化物沉淀。Hu等[23]发现用乙二胺四乙酸-氢氧化钠缓冲液将pH值调至11时不会产生沉淀，由此建立了一种新的邻苯二甲醛荧光分析法。Liang等[24]合成了一种新的荧光试剂4-甲氧基邻苯二甲醛(4-methoxyphthalaldehyde，MOPA)，在碱性、室温条件下，MOPA能与铵离子快速反应，由此开发了便携式荧光检测系统。Zhang等[25]以一种新的荧光试剂4,5-二甲氧基邻苯二甲醛(4,5-dimethoxyphthalaldehyde，M2OPA)作为探针，研制了一种手持便携式激光二极管荧光检测系统。

2.2 荧光法与新型分离富集方式的联用

Valente等[26]将气体扩散微萃取(gas-diffusion microextraction，GDME)与荧光法相结合，应用于固体样品中氨氮的检测，省略了常规方法中的固液萃取步骤，从而使固体样品中氨氮的提取与标记可以同时进行。Zhu等[27]利用吹扫-捕集系统分离并富集样品中的氨气，并用荧光检测器测定，相比于气体扩散技术，该方法具有更高的检测灵敏度，氨气的富集效率更高。Giakisikli等[28]将两个注射泵的顶部空间相连接，构建了一套新型的顶空微萃取系统，通过向两个泵中施加正压或负压来控制样品中氨气的析出、转移和富集，最后用OPA荧光法检测氨氮。

2.3 荧光传感器的改进

Zhu等[29]开发了一种新型的便携式荧光检测器，并对流通池进行改进，可以避免荧光信号中气泡的干扰。Wang等[30]对荧光检测器的电路设计与软件算法进行改进，将伪随机序列首次引入到荧光测量中，以实现对微弱荧光信号的提取，该检测器还可以实现自校准。Dong等[31]根据氨气的挥发性和银纳米粒子引入所致酸碱度变化的敏感性，以银纳米簇为探针，结合温度梯度HS-SDME技术研制了一种新的氨氮检测方法。表2列举了荧光法检测氨氮的改进技术。

表2 荧光法检测氨氮的改进技术

Tab.2 Improved techniques of fluorescence methods for determination of ammonia nitrogen

分离方法/自动化技术检测试剂检出限/(μmol·L-1)线性范围/(μmol·L-1)相对标准偏差/%文献—邻苯二甲醛0.00990.032～0.5003.2[23]—4-甲氧基邻苯二甲醛0.0580.025～0.3002.35[24]—4,5-二甲氧基邻苯二甲醛0.00650.0030～50～23[25]气体扩散邻苯二甲醛0.22 mg·L-1(固体)0.38～6.27 mg·L-14.5[26]吹扫-捕集/流动注射邻苯二甲醛0.00740.01～0.24.4[27]顶空微萃取/泵上实验室邻苯二甲醛0.05 μg·L-10.15～10.0 μg·L-13.6[28]流动分析邻苯二甲醛0.00210～0.30.8[29]

3 电化学法

3.1 电导法

将电导法与流动注射气体分离装置相结合，根据样品溶液电导率变化来检测氨氮，灵敏度高且无需使用有毒试剂，适合现场检测。Jaikang等[32]研制了一套经济且容易搭建的氨氮电导检测平台，通过电导率下降速率来判断氨气的含量。

由于接触型电导的检测电极易被试液腐蚀，Chaneam等[33]通过基于膜的气体扩散装置将样品中的氨氮转化为气态，并使其通过多孔疏水膜进入流经气体扩散装置的受体流中，通过非接触电导检测器来监测受体流的电导率变化。但疏水膜在处理杂质较多的样品时可能被堵塞或损坏，为此，Alahmad等[34]开发了一套由无膜气体扩散(membraneless vaporization，MBL-VP)装置和电容耦合非接触电导检测器(capacitively coupled contactless conductivity detector，C4D)组成的流动分析系统，用于分析运河水样，结果与现有方法无明显差异。

3.2 电位法

传统的氨气敏电极法需要用氢氧化钠溶液调节溶液的pH值，陈晓东[37]设计了一种无需氢氧化钠的新方法(电渗析离子转型)，该法在0.1～10 mg·L-1浓度范围内线性关系良好，相关系数R2为0.997。

3.3 伏安法

电化学传感器的电极材料及结构是影响伏安法检测结果的主要因素。电流型气体传感器近年来被广泛应用于氨氮检测。研究人员发现，对于基于离子液体电解质的气体电极需要增大电极的表面积来提高氨氮检测的灵敏度。Hussain等[38]研制了一种新型的电流型气体传感器，通过电沉积技术对铂电极的表面构造进行纳米级改进，增大了气体与电极表面的接触面积，电极电流响应是线性扫描伏安法的7倍。

4 被动采样技术

被动采样技术作为现场检测的有效方法，不仅能有效监测污染事件，而且可以将取样、污染物分离、累积和保存等多个步骤结合起来，简化了分析过程[39]。Almeida等[40-41]发现，以二壬基萘磺酸为载体的聚合物包合膜作为被动采样器半透膜时，对铵离子有着较好的富集效果，并首次在此聚合物包合膜的基础上研制了一种用于测定水中氨氮的被动采样器，但只适用于低盐度水样中的氨氮检测。有研究[42]将气体扩散膜作为被动采样器的选择性半透膜，并成功应用于海洋、沿海和河口等高盐度水域的氨氮检测。

5 微流控纸芯片技术

微流控纸芯片技术(microfluidic paper-based analytical device，μPAD)以纸制材料作为液体样品和试剂流动的基底，基底中的亲水纤维素载体充当毛细管网络，使液体在不需外部驱动力的情况下沿着毛细管网络输送，通过在基底上印制疏水化合物图案的方式限定流动的路径。微流控纸芯片技术的优势在于成本低、携带方便、环境友好，适合现场检测。Phansi等[43]将基于膜的气体扩散分离技术首次应用在微流控纸芯片技术中，通过使用聚四氟乙烯膜隔断纸芯片的供体与受体，从而实现对气态氨的高选择性检测。Jayawardane等[44]将无膜气体扩散的概念引入微流控纸芯片技术中，对废水和肥料中的铵离子进行定量分析。

6 结语

氨氮检测的方法多种多样，每种方法都有其特点及适用范围。传统检测方法在对低浓度、高盐度、复杂基质的环境样品进行分析时表现不佳，且无法做到现场实时监测。流动分析技术、被动采样技术、微流控纸芯片技术以及各种新型分离技术的出现使得这一问题得到一定程度的解决。探寻适用于现场、自动化、微型化、便携化且灵敏度高、选择性好的检测技术是未来的发展方向。