碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法测定水中总氮的比较

张 敏，张锐青

（江苏省宿迁环境监测中心，江苏 宿迁 223900）

引言

总氮是指以各种形态存在于水体中的无机氮和有机氮的总称，水体中无机氮有很多形式，除了无机氮还有有机氮，例如有机胺，氨基酸有机氮。当地表水中有营养成分的氮磷超标时，水中的物质会大量繁殖，因而造成水体的富营养化。水中总氮的含量高低是反映水体受污染程度的重要指标，所以测定并掌握水体中总氮的含量非常重要[1]，总氮测量可以为水体自净能力的评价和水体污染状况的掌握提供数据支撑。

当前总氮的分析方法主要有3种：碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、气相分子吸收光谱法和流动注射法。在这三种方法中，前两种方法在实验室分析中的应用最为普遍。本文通过测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法两种方法的标准曲线、准确度和精密度，对浓度高中低的实际样品以及加标实验进行分析，对两种方法测定水中总氮含量进行方法验证。最终结果显示两种方法均满足实验要求，均能真实准确地测定出水中的总氮值[2]。

1 实验的过程

1.1 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、气相分子吸收光谱法的原理

碱性过硫酸钾紫外分光光度法和气相吸收光谱法的原理都是在固定温度下，利用碱性过硫酸钾溶液消解，将水样中的含氮化合物氧化成硝酸盐[3]。气相分子吸收光谱法则是在固定浓度的盐酸介质中，在70±2 ℃的温度条件下，将含氮化合物与三氯化钛反应生成的硝酸盐分解后生产NO，用空气吸入吸光管中，在214 nm处测得样品的吸光度，再根据朗伯比尔定律，计算出水体中总氮的含量。水中溶解的有机物对总氮的测定会产生干扰，紫外分光法根据有机物在220 nm和275 nm波长处均有吸收，而硝酸根离子仅在220 nm波长处有吸收，测定溶解后的溶液在220 nm、275 nm处的波长吸光值并进行校正计算，测定的水中总氮含量和校正吸光度成正比，即可定量测定水中总氮的含量[3]。

1.2 仪器、试剂和实验方法

仪器：气相分子法用AJ-3700型全自动气相分子吸收光谱仪，紫外分光光度法用UV-1900型紫外可见分光光度计。

试剂：气相分子法：无氨水、盐酸、氢氧化钠、过硫酸钾、三氯化钛、无水乙醇、四硼酸钠；紫外分光光度法：无氨水、盐酸、氢氧化钠、过硫酸钾

实验方法：采用《水质 总氮的测定气相分子吸收光谱法》（HJ/T 199-2005）（以下简称气相分子法）、《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ 636-2012）（以下简称紫外分光法）[2-3]

2 分析结果

2.1 标准曲线

按照碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法的国家标准要求，进行标准曲线的测定，测定结果如表1所示。

表1 气相分子法和紫外分光法的标准曲线

从表1可以看出，气相分子吸收光谱法标准曲线的测定范围比碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法小，可以对低浓度样品进行测量。两种方法标准曲线的相关系数均大于0.999 5，表示两种方法的标准曲线相关性都很好。

2.2 检出限的测定

按照紫外分光法和气相分子法测定总氮的实验步骤，对浓度为0.20 mg/L的样品进行实验室平行测定7次，计算这7次平行值的标准偏差。再根据《环境监测 分析方法标准制修订技术导则》（HJ 168-2010）对检出限、测定下线的测定结果进行计算，结果如表2。

表2 气相分子法和紫外分光法的检出限和测定下线的测定比较

从表2可以看出，气相分子吸收光谱法测定出的检出限为0.008 mg/L，测定下限为0.035 mg/L；紫外分光光度法测定出的检出限为0.03 mg/L，测定下限为0.13 mg/L。

2.3 标准样品准确度和精密度的测定

选取在用的标准样品中高中低浓度的3个标准样品进行总氮的精密度测定，每个样品测定6次，标准值分别为浓度1，203274（0.311±0.037 mg/L）、浓度2，203286（2.48±0.14 mg/L）、浓度3，203287（11.6±0.7 mg/L）。

这几种标准样品都为实验室正常在用的。按照实验步骤测定出三种浓度结果的平均值、标准偏差、相对标准偏差、相对误差如表3所示。

表3 准确度、精密度测定结果

从表3的数据可以得出，消解紫外分光法和气相分子法对标标准样品的测定结果均在标准值范围内，相对误差的绝对值都小于5%，准确度符合方法要求。

气相分子法和紫外分光法对标标准样品测定的相对标准偏差为：1.01%、0.81%、0.82%（气相分子吸收光谱法），1.38%、1.44%、1.09%（紫外分光光度法），均小于5%，精密度满足实验要求。

2.4 实际样品的精密度和加标回收实验

不同浓度的实际样品从采集到交接，整个流程应严格按照《污水监测技术规范》（HJ 91.1-2019）以及《地表水环境质量监测技术规范》（HJ 91.2-2022）进行规范操作。在选取实际样品后，用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法需要分开进行精密度实验和加标回收实验，实验结果见表4。

表4 气相分子法和紫外分光法的加标回收实验结果

从表4可以看出，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和气相分子吸收光谱法的精密度实验的相对标准偏差均小于5%。加标回收率分别为气相分子吸收光谱法为96.5%～99.8%和95.0%～98.0%，这两种方法都在95%～105%范围内，所以这两种方法得到的实际样品的精密度及加标回收率都满足实验方法的要求。

3 实验过程比较

3.1 取样过程

气相分子法是直接倒取样品，取样量大约超过取样管的一半即可，不用定量，因为实验仪器会自动定量吸取。紫外分光法需要量取10 mL的样品，在取样时要十分精确，因为取样量是参与计算的，所以应尽可能地减少系统误差。当样品量大时，气相分子法的取样时间会大大缩短。取相同的样品量时，紫外分光法的取样时间约为气相分子法的5倍。

3.2 实验过程

气相分子法在实验过程中不需要稀释定容和配置曲线，而是机器自动配置曲线，其过程简单而且数据精确。而紫外分光法需要实验人员配置曲线，在消解和加入试剂后需要稀释至25 mL，所以在此过程中会有偏差，曲线的线性受影响比较大。经比较可知气相分子法更便捷，也更精确。

总氮的紫外分光法是将10 mL样品中加入5 mL的碱性过硫酸钾溶液，塞紧管塞，旋转一下，用纱布和线绳扎紧管塞，为了防止管塞弹出，线绳一定要扎紧，很多时候需要在这一步将管塞打开，在消解后需要重新取样再做。扎紧后将比色管放在高压蒸汽灭菌器中，加热至120 ℃，在工作压力为1.1～1.4 kg/cm2，工作温度为120～124 ℃时保持30分钟，室温冷却，待气压达到101 kPa后开阀放气，移去外盖，这时候要防止烫伤，带隔热手套取比色管，冷却至室温，摁住管塞将比色管中的液体颠倒混匀几次。这个过程会因为比色管的管塞开口而增加样品的作废量，作废的样品需要重新取样，再重复一遍气相分子法的操作步骤，以减少了样品作废的几率，从而大大提高了分析的效率[4]。

紫外分光法从高压蒸汽灭菌器中取出样品后，冷却至室温，整个冷却过程比较耗时。冷却后向每个比色皿中加入（1+9）盐酸溶液，用去离子水稀释到25 mL，盖好管塞混匀比色皿中的试剂，静置后用10 mm的石英比色皿，用水作参比，在紫外分光光度计上进行比色。对于比色的步骤，总氮紫外分光法需要手工将每个样品放入紫外分光光度计中测定220 nm和275 nm波长处的吸光度，每个样品测定时需要润洗擦拭比色皿，因而样品多时耗时很长。气相分子法可以将这些步骤都省略，大大提高了实验分析的效率。

3.3 实验时间

气相分子法上机后，5分钟出一个样品值，相比较紫外分光法节省了消解时间、冷却时间和比色时间。在样品量大时，可以中途直接添加样品，操作简单，大大提高了分析效率。以25个样品计算实验时间，紫外分光法取样需要30分钟，加试剂需要20分钟，加压冷却需要90分钟，比色需要25分钟，计算需要20分钟，一共需要185分钟可以得出数据，有时还会出现废品，所以需要重新做。同样25个样品，气相分子法取样需要10分钟，上机器后120分钟直接出数据，共计需要130分钟。在实验过程中紫外分光法需要实验人员一直操作，而气相分子法取样后，就不需要再进行实验操作，实验人员可以高效地节约时间，大大提高了实验效率。

3.4 实验仪器的比较

气相分子法用AJ-3700型全自动气相分子吸收光谱仪，自动化程度高，操作简单。实验前要配置好载流液和消解液，装满实验所需要的纯水，开机后配置好系统，在系统预热的时间，取好样品，并将样品放在相应的位置，将总氮的标准溶液和质控样分别放在相应的位置，在一二位置放上纯水，开始实验。在实验过程中可以随时添加样品，操作简单，实验人员在实验过程中可以空出时间处理数据或者其他事宜。紫外分光光度法用UV-1900型紫外可见分光光度计，在实验过程中还会用到高压蒸汽灭菌器，工作温度为120～124 ℃时保持30分钟，具有一定的危险性。两种方法中气相分子法的仪器操作更简单，也更安全。

3.5 实验试剂的比较

气相分子法的总氮需要总氮载流液和总氮消解液。总氮载流液由3 mol/L盐酸225 mL，三氯化钛225 mL和50 mL无水乙醇，经充分摇匀或超声混匀后，静置2小时以上形成。总氮消解液由15 g过硫酸钾，2.5 g氢氧化钠和5 g四硼酸钠分别溶解后冷却定容至500 mL形成。其他3 mol/L盐酸，直接用浓盐酸与水按照体积1∶3混合均匀而成，一次配置可用于50个样品的测量。紫外分光法需要配置碱性过硫酸钾溶液，是将40 g过硫酸钾溶于600 mL水中，并需要置于50 ℃的水浴中加热至全部溶解，单独称取15 g氢氧化钠固体溶解到300 mL水中，待氢氧化钠溶液的温度冷却至室温时混匀两种溶液，再次加水稀释至1 000 mL，存放于聚乙烯瓶中，放入恒温箱。实验中还需要用到（1+9）盐酸溶液，直接用纯水和浓盐酸按体积混合均匀即可。两种方法用到的试剂种类不同，都是实验室常用试剂。质控样试剂是一样使用的，但是气相分子法的标准溶液直接配置4 mg/L，由机器自动稀释做出曲线。紫外分光法需要按照规范手工配置曲线的6个点，这一步骤耗时较多，而会出现的系统误差[5]。

4 结论

从实验过程可以看出，紫外分光法和气相分子法测定总氮的数值，标准曲线的相关性、准确度以及精密度、检出限和测定下限这几个重要的衡量标准都符合国家标准方法要求，而在不同浓度的实际样品测定以及加标回收等方面，实际样品精密度都小于5%，气相分子吸收法为96.5%～99.5%，紫外分光法为97.0%～102%，这两种方法都能够准确测定水中的总氮含量。

由实际分析可以得出，紫外分光法的前处理时间耗时较长，远高于气相分子法，样品的分析时间也比气相分子吸收法更耗时，所以在实验过程中，紫外分光法会使实验人员的工作量增大，而且容易出现废样。所以在都能够满足实验要求的情况下，气相分子吸收法更快，也更便捷。