流动注射分析仪测定污水中总氮的方法

张 艳

（深圳市深水光明水务有限公司，广东 深圳 518106）

随着工业化和城市化的发展，城市污水排放问题日益突出，加重了水环境污染程度。总氮是指水样中所有形态的氮元素的总和，包括无机氮和有机氮。水体中总氮含量能在一定程度上反映水体富营养化和有机污染的问题，也是评估水体污染程度的重要指标之一[1]。传统的总氮分析方法是很成熟的分析方法，例如高温消解 - 红外法以及Kjeldahl 法等，由于其分析过程费时费力且操作烦琐，因此无法满足日常检测工作需求。流动注射分析（FIA）作为一种快速、高效、准确的分析方法，逐渐被应用于水环境监测领域，尤其是污水中总氮的测定，不仅保证检测的精密度和准确度高，还提高了工作效率，为环境保护和水质监测提供技术支持。该文以总氮分析具体工作实践为研究背景，对流动注射分析仪测定污水中总氮的方法进行分析。

1 方法原理

1.1 流动注射分析仪工作原理

流动注射分析主要是由进样器、消解器空气泵、冷凝机以及检测器组成的。其工作原理是使用蠕动泵抽取待测样品，通过进样针进入进样器（总氮测定时，通常采用2 号进样针），在密闭的管路中样品按特定的顺序和比例进行混合，经过消解器空气泵发生蒸馏、消解、萃取等反应，显色完成后检测液体中的吸光度，从而得到分析结果[2]。其核心原理是在连续流动的控制条件下，将样品和试剂按一定比例混合，并通过检测器对所生成的反应产物进行测量。

1.2 化学反应原理

将样品与过硫酸钾溶液混合加热，当加热至60℃以上时，过硫酸钾被分解成氢离子和氧，加入氢氧化钠来中和混合液中的氢离子，完全分解混合液中的过硫酸钾。在高温碱性介质条件下，以过硫酸钾作为氧化剂，使其与样品中的总氮和亚硝酸盐发生氧化反应，生成产物，将样品中的大部分有机氮化合物氧化成硝酸盐（NO3-）。然后通过在线紫外消解器，在540nm 处测定其吸光度，从而确定样品中总氮的含量。

1.3 仪器流程

标准溶液和样品通过采样器被蠕动泵吸出，流过整个系统，最终排出废液。同时蠕动泵连续不断地输送各分析方法所需的试剂，并吸入空气，将流体分割成片段。其工作流程如图1 所示。

图1 流动注射分析仪工作流程

2 材料与方法

2.1 材料与试剂

在污水的总氮测定过程中，试验中使用的水均为去离子水，具体步骤如下：1）过硫酸钾溶液。将25g 过硫酸钾和10g硼酸溶解在约800mL 的去离子水中。然后加入4mL5N 氢氧化钠，用去离子水稀释至1000mL。如果需要，将pH 值调节至8.0。在阴凉处稳定1 个月。2）硫酸。慢慢加入12mL 硫酸到约150mL 去离子水中混合。冷却至室温，稀释至200mL，稳定1年。3）总氮标准使用液（100mg/L）。从总氮标准溶液500mg/L（BW20008-500W-50）中吸取10mL，加入适量的去离子水稀释至50mL。4）50% TritonX-100。加入50mL 的 TritonX-100到50mL 的异丙醇。充分混合，直到溶液均匀。每6 个月准备新鲜。5）咪唑。将30g 咪唑溶于约800mL 去离子水中。然后加入4.0mL 的硫酸和充满高达1000mL 的去离子水。加入1mL 50%Triton X-100 混合均匀。每个月都准备新鲜的。6）显示剂。将5.0g 磺胺和0.25gN-1-萘基乙二胺二盐酸盐溶解在约400mL 去离子水中，加入50mL 盐酸并混合均匀。用离子水稀释至500mL。稳定3 个月。

2.2 仪器与设备

该方法主要用到以下仪器与设备：1）主体设备。连续流动分析仪包括样品分析单元、自动进样器、多通道蠕动泵、泵管、混合反应圈、紫外消解装置、比色检测器、数据处理系统以及打印机等。2）特殊设备。微波炉、PVC 泵管、紫外可见光分光光度计、660nm 滤光片、pH 计、精度为0.0001g 的天平等。3）其他设备。其他实验室常用仪器和设备。

2.3 试验方法

按照操作说明在仪器上设置样品数、进样速率及时间、清洗时间等。

2.3.2 参数设置

流动注射分析仪的参数设置见表1。

表1 流动注射分析仪参数设置

2.4 操作步骤

2.4.1 开机

正确打开所有仪器的开关（消解器需等到水进入侧面的三通管时才开），卡好蠕动泵上的泵管，泵管不能错位，必须上下对应，连接2 号进样针的进样管，打开电脑，打开操作软件，确保连机正常。

2.4.2 走纯水

卡好泵管后，将总氮所需用到的试剂管插进装有去离子水的瓶子里，检查流路是否通畅，打开System，点击图表选择总氮对话框，选定后，进样器的进样针开始运作，待窗口内开始出现横线时关掉除总氮外的窗口。调快泵速，25min 就能打开消解器开始走药剂。同时将试验所需药剂进行解冻。

在试验蛋白水平下，大刺鳅幼鱼胃蛋白酶活性范围为10.56～14.49 U/mg prot.。随着饲料蛋白水平增加呈现先上升后平稳的趋势，胃蛋白酶活性在P6组达到最大值，其中P6、P7处理组胃蛋白酶活性显著高于P1～P4处理组（P＜0.05），与P5处理组差异不显著（P＞0.05）。

2.4.3 走试剂

开启消解器后，换上各试剂对应专用瓶盖，将所需试剂管插入对应试剂内，走大约40 min。待基线稳定后，在窗口内点击右键选择建立基线。

2.4.4 取样

有明显浑浊的水样必须用针管过滤处理后才能用于检测，总氮的样品管在样品架里的摆放为竖排偶数位。做曲线时，曲线管放前7 个位，7 号位固定为最高浓度点，最多可做59 个样品，如果超过，就从1 号位开始依次替换，7 号位除外。需要注意，在取样过程中，必须专管专用，不可以混用，以免影响检测结果。

2.4.5 设立运行程序

关闭System，进入仪器分析界面，选择总氮方法，编辑方法样品表，启动分析。

2.4.6 清洗

分析完成后，关掉消解器，将试剂管拔出，用纸巾擦净后放入纯水中，重新打开图表用以调快泵速走纯水，走20min左右后，将试剂管拿出纯水瓶清洗流路70min～80min，排空管路。排空完毕后，将分析仪跟空气泵关掉，打开黑色压盖，将泵管从泵上松开，关闭电源。

2.4.7 找回曲线

测量完毕后，点击曲线按钮，选择当天的程序，即可看到结果表格、标准曲线和谱图。

3 结果与分析

3.1 样品采集与预处理

从污水处理系统中采集样品，为避免采集的污水样品受到其他因素影响，试验中所用聚乙烯瓶需用洗涤剂洗净，依次采用自来水、去离子水将其冲洗干净，然后再用采集的污水样品清洗3～4 次，确保样品具有代表性，盖严瓶塞，以保证检测结果的准确性。根据样品的特性，对污水样品进行预处理，去除样品中的悬浮物、颗粒物和有机物等干扰物。常用的预处理方法包括过滤、沉淀以及稀释等，这样可以保证样品进入流动注射分析仪时的稳定性和准确性。采集的污水样品需要尽快进行分析。如果没有及时进行分析，可在样品中加入浓硫酸，使样品pH 值小于2，并冷藏于5℃以下的环境中。但是酸化的样品在分析前应将pH 调节至中性，才可以使用。

3.2 绘制标准曲线

从上述准备的试验材料中，分别吸取浓度为100mg/L 的总氮标准使用液0.0mL、0.5mL、0.7mL、1.0mL、3.0mL、5.0mL、7.0mL 于同系列100mL 的聚乙烯瓶中，加入适量的去离子水稀释至刻度，将溶液配制成浓度分别为0.0mg/L、0.5mg/L、0.7mg/L、1.0mg/L、3.0 mg/L、5.0mg/L、7.0mg/L 的标准溶液。通过2 号进样针按程序设定顺序进入进样器，分2 次测得不同浓度下总氮的峰高信号值，试验结果见表2。

表2 不同浓度下总氮峰高信号值

由表2 的试验结果可知，本次试验中总氮标准曲线工作的相关系数r=0.9996。在第一次总氮测定中，采用紫外可见光分光光度计测定其吸光度值，测定的吸光度值见表3[3]。以横坐标为总氮标准溶液浓度，纵坐标为吸光度，绘制标准工作曲线如图2 所示，线性回归方程y=-1.055467+1.492342×104x，相关系数r=0.9996。

表3 测定的吸光度值

图2 第一次测定总氮标准曲线绘制

在第二次总氮测定中，吸光度值测定方法与第一次相同，本次测定的吸光度值见表4。同样，以横坐标为总氮标准溶液浓度，纵坐标为吸光度，绘制标准工作曲线如图3 所示，线性回归方程y=-1.201981+1.665954×104x，相关系数r=0.9996。

表4 测定的吸光度值

图3 第二次测定总氮标准曲线绘制

结论：由图2 和图3 的曲线趋势综合分析可知，在两次总氮测定中，相关系数r=0.9996，且总氮标准溶液浓度在0mg/L～8mg/L，与吸光度表现良好的线性关系。综上所述，采用流动注射分析仪测定总氮具有良好的线性关系。

3.3 检出限

从上述准备的试验材料中，吸取浓度为100mg/L 的总氮标准使用液于100mL 的聚乙烯瓶中，加入适量的去离子水稀释至刻度，将其配制成与空白浓度比较接近的0.04mg/L 标准溶液，连续测定7 次，总氮含量测定结果见表5。

表5 总氮的最低检出限（单位：mg/L）

根据表5 中测定的数据结果可知，总氮的标准偏差S为0.0010 mg /L，t（6，0.9）值为3.143。按照方法检出限MDL=t（n-1，0.9）×S计算公式，最终计算总氮的方法检出限为0.003mg/L[4]。

结论：由表5 计算结果可知，当标准溶液浓度接近空白浓度时，采用流动注射分析仪，能够测定总氮的最低检出限。

3.4 方法精密度

从上述准备的试验材料中，吸取浓度为100mg/L 的总氮标准使用液于3 个同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入适量的去离子水稀释至刻度，将总氮标准使用液分别配制成浓度为0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 的标准溶液，连续测定6 次，测定结果见表6。

表6 总氮精密度测定结果

结论：由表6 测定结果可知，0.25mg /L、1.0mg /L、2.5mg /L三种浓度的标准溶液的平均值分别为0.245mg /L、1.00mg/L、2.54mg /L；标准偏差S分别为0.0082mg/L、0.0097mg/L、0.0258mg/L。根据相对标准偏差公式计算公式，可以计算3 种不同浓度下总氮的相对标准偏差，分别为3.3%、1.0%、1.0%[5]。测定结果表明，总氮的相对标准偏差均在规定范围内。由此可见，采用流动注射分析仪测定总氮的精密度更高。

3.5 加标回收率

从上述准备的试验材料中，吸取浓度为100mg/L 的总氮标准使用液于3 个同系列的100mL 聚乙烯瓶中，加入适量的去离子水稀释至刻度，将总氮标准使用液配制成浓度为0.10mg/L的标准溶液。将污水样品分成6 份，加入浓度为0.10mg/L 的标准溶液，进行加标测定，6 次加标测定结果见表7。

表7 总氮加标回收率的测定结果

结论：由表7 测定结果可知，加标量浓度为0.10mg /L 污水加标样品的加标回收率范围在91.0%～104%。由此可见，采用流动注射分析仪测定总氮的加标回收率结果较为满意[6]。

4 结论

通过上述试验，采用流动注射分析仪测定污水中的总氮，标准曲线相关性、检出限、精密度以及加标回收率结果令人满意，试验操作方便、高效、快速、自动化程度高。通过该试验得到以下4 个结论：1）流动注射分析仪测定总氮，根据不同浓度下总氮峰高信号值，得出相关系数r=0.9996，并且当溶液浓度0～8mg/L 时，与吸光度表现为良好的线性关系。2）流动注射分析仪测定总氮方法检出限为0.003mg/L，与传统分光光度法相比，检出限更低。3）对0.25mg/L、1.0mg/L、2.5mg/L 3 个浓度不同的标准溶液进行精密度测定，相对标准偏差分别为3.3%、1.0%以及1.0%，具有较高的精密度。4）在污水样品中加入浓度为0.10mg/L 的标准溶液进行加标测定，加标回收率范围在91.0%～106%，加标回收率较高。