李高卫 卢 斌 姚梦楠 薛 慧 吕亚倩 刘 康 郭启悦 翟 辰

（北京海光仪器公司，北京 101300）

氨氮（NH3-N）通常以离子态铵（NH4+）和非离子态氨（NH3）这两种形式存在于水中［1］，水中氨氮主要来源于生活污水、农田排水、工业废水中含氮有机物的分解产物［2］。氨氮浓度是评价水质的重要指标，氨氮浓度偏高标志着水体富营养化，不仅影响鱼类等水生生物的安全，也危害着人类的健康［3］。因此，氨氮浓度检测是水环境监测的关键内容。

目前水体中氨氮的测定方法包括纳氏试剂分光度法［4，5］、气相分子吸收法光谱法［6，7］、连续流动分析法［8］、电极法［9］、蒸馏-中和滴定法［10］等方法。纳氏试剂分光光度法中碘化汞试剂有剧毒，具有安全性低，环境不友好的缺点；电极法的结果重现性不好，易受表面活性剂等物质的干扰；气相分子吸收光谱法操作复杂，对分析人员要求较高。近年来，连续流动分析法［11］作为一种快速、准确、简便的测定方法，越来越多地应用于大批量水样品中氨氮浓度的检测。

本研究以全自动连续流动分析仪的总氮模块为研究对象，通过对已有总氮模块的管路结构改造，研制一种新型的氨氮检测模块，不仅可以快速、高效的测定样品，而且能够消除色度及浊度对氨氮测定的干扰，获得更加稳定、可靠的测定结果。

1 实验部分

1.1 实验原理

1.1.1 连续流动分析仪

连续流动分析仪利用蠕动泵将样品和试剂分别推动到密闭的化学反应流路中，样品与试剂按照特定的比例混合，通过消解、加热、透析处理，待物理和化学反应平衡，显色溶液进入流动池检测，依据朗伯-比尔定律计算待测物的含量。

1.1.2 氨氮测定反应原理

连续流动分析法测量氨氮的反应原理如下：样品与缓冲溶液充分混合，在亚硝基铁氰化钠作用下，铵与次氯酸离子反应生成氯铵（反应1），氯铵与水杨酸反应生成一个中间产物（反应2），进而转变为醌亚胺（反应3），醌亚胺与水杨酸缩合生成蓝绿色的吲哚类物质靛酚蓝（反应4）。该物质在660 nm处吸收较强，吸收强度和氨氮浓度成正比，符合朗伯比尔定律。具体反应式如下：

1.2 仪器和试剂

1.2.1 仪器全自动连续流动分析仪（HGCF-100）；紫外可见分光光度计（TU-1810）。

1.2.2 试剂

柠檬酸三钠（C6H5O7Na3·2H2O，分析纯）；水杨酸钠（NaC7H5O3，分析纯）；二水亚硝基铁氰化钠（Na2Fe（CN）5NO·2H2O，分析纯）；二氯异氰脲酸钠（（C3Cl2N3O3）Na，分 析 纯）；聚 氧 乙 烯 月 桂 醚（C38H76O11，分析纯）；氨氮标准溶液。

1.2.3 溶液配制

聚氧乙烯月桂醚溶液的配制（30 g/L）：30 g 聚氧乙烯月桂醚溶解于600 mL 水中（热水浴60 ℃），冷却至室温，定容至1 L，混匀。

缓冲溶液的配制：40 g 柠檬酸三钠溶解于800 mL 的水中，定容至1 L，加入1 mL 浓度为30 g/L 聚氧乙烯月桂醚溶液，混匀，贮存于棕色瓶中。

水杨酸钠溶液的配制：17 g 水杨酸钠，0.2 g 二水亚硝基铁氰化钠，20 g 柠檬酸三钠溶解于300 mL水中，定容至500 mL，加入0.5 mL 浓度为30 g/L 聚氧乙烯月桂醚溶液，混匀。

二氯异氰脲酸钠溶液的配制：0.4 g 二氯异氰脲酸钠，5 g 氢氧化钠溶解于400 mL 水中，定容至500 mL，混匀。该溶液贮于棕色瓶中，在4 ℃下可稳定1个月。

1.3 数据处理

采用统计学分析软件SPSS 26 处理数据，通过独立样本t 检验，对比分析研制的氨氮检测模块的连续流动分析法和纳氏试剂分光光度法的结果。

2 结果与讨论

2.1 氨氮检测模块的研制

本研究在总氮模块的基础上，通过仪器研发和改造实现氨氮模块的研制，不仅提高了全自动连续流动分析仪的利用率，也为其开发和研制提供理论和实践基础。为了实现连续流动分析氨氮浓度的快速测定，根据连续流动分析仪测定氨氮的原理，在已有总氮模块的基础上，通过增加泵管和改变反应混合圈，实现氨氮检测模块的研制。具体包括如下两个方面的改造。改造一是将原总氮模块的玻璃三通处二次进样泵管断开（图1 中‘×'标识处），二次进样泵管作为氨氮检测模块的样品进样管路。总氮含量测定时，在紫外灯照射下，过硫酸盐将样品氧化为硝酸盐。而氨氮的测定不需要氧化这一过程，故将原总氮模块消解完成的二次进样泵管处断开，作为氨氮样品的进样口；改造二是将原加热装置前的反应混合圈改造为两个玻璃圈（图1 中黑色实线框标识的反应混合圈），增加蠕动泵泵管N，通过N 泵管泵入水杨酸钠溶液，K 泵管泵入二氯异氰脲酸钠溶液。原总氮模块的G 和J 泵管泵入缓冲溶液，L 泵管泵入水。氨氮模块中水杨酸钠通过亚硝基铁氰化钾催化剂作用在40 ℃下反应，因此，在加热反应前，将原反应混合圈改造为两个，在反应混合圈处增加N 泵管，以泵入氨氮反应所需要的水杨酸钠溶液。新研制的氨氮模块的流路图如图1 所示，其中黑色实线为氨氮模块的流路图，黑色虚线管路为原总氮模块流路图。

图1 氨氮模块流路示意图

待测氨氮样品进入图1 所示流路中，柠檬酸钠缓冲溶液作为掩蔽剂，能够有效屏蔽金属离子的干扰。样品和缓冲溶液充分混合后，通过透析装置，除去可能产生干扰的固体颗粒和大分子物质。透析后的待测溶液和K 泵管泵入的二氯异氰脲酸钠溶液产生的次氯酸根在碱性条件下反应生成氯胺（反应1），氯胺和N 泵管的泵入的水杨酸钠在亚硝基铁氰化钾催化剂和40 ℃下反应生成5-氨基水杨酸盐（反应2），进一步氧化、耦合生成吲哚类化合物（反应3、4），最后进入流通池进行检测。

氨氮模块连续流动分析仪测定条件设置如下：蠕动泵泵速：12 转/min；检测波长：660 nm；加热温度：40 ℃；采样时间：60 s；清洗时间：100 s；积分时间：10 ms。按照上述仪器参数，设置标准系列管和样品管，启动蠕动泵，待试剂基线平稳后，开始测定标准系列溶液和样品中氨氮含量。

2.2 标准曲线的测定

取7个100 mL 容量瓶，分别加入浓度为100 mg/L 的 氨 氮 标 准 液0.000 mL、0.050 mL、0.100 mL、0.300 mL、0.500 mL、0.800 mL、1.000 mL，用蒸馏水稀释至100 mL，配制7个标准溶液，浓度分别为0.000 mg/L、0.050 mg/L、0.100 mg/L、0.300 mg/L、0.500 mg/L、0.800 mg/L、1.000 mg/L。通过氨氮检测模块，测定氨氮的含量。7个氨氮标准液的吸光度值如图2a 所示，根据峰高法绘制标准曲线（见图2b），标准曲线方程为y=0.27294x+0.005，线性相关系数r 为0.9995。

2.3 检出限

浓度为0.050 mg/L 的标准溶液，采用氨氮模块平行测定7次，测定结果分别为0.045 mg/L，0.043 mg/L，0.048 mg/L，0.046 mg/L，0.047 mg/L，0.045 mg/L，0.043 mg/L，标 准 偏 差 为0.0019 mg/L，按照如下公式计算连续流动分析法氨氮检测的检出限（MDL）：

n 为重复测定的样品次数，t 代表自由度为n-1时99%的置信区间的分布，S 为重复测定n 次的标准偏差。将t（6，0.99）=3.143，代入检出限公 式，计算得出氨氮的检出限为0.0059 mg/L。纳氏试剂分光光度法（GB/T5750-2006）规定测定水样的检出限为0.02 mg/L［12］，因此，所研制的氨氮模块的连续流动分析仪能满足水中氨氮检测要求。

图2 氨氮标准液的吸光度值与标准曲线（a）. 氨氮标准液的吸光度值；（b）. 标准曲线

2.4 精密度和准确度

采用连续流动分析仪氨氮模块，测定生态环境部标准样品研究所两个氨氮标样。氨氮标样（编号：2005125，保 证 值：0.502±0.018 mg/L）测 定6次，测定结果分别为0.508 mg/L，0.501 mg/L，0.505 mg/L，0.510 mg/L，0.506 mg/L，0.511 mg/L。平行测定的标准偏差为0.0037 mg/L，相对标准偏差RSD 为0.72%；平行测定的平均值为0.507 mg/L，绝对误差为0.005 mg/L。氨氮标样（编号：2005104，保证值：0.400±0.018 mg/L）测定6次，测定结果分别为0.404 mg/L，0.397 mg/L，0.411 mg/L，0.406 mg/L，0.407 mg/L，0.403 mg/L。平行测定的标准偏差为0.0047 mg/L，相对标准偏差RSD 为1.16%；平行测定的平均值为0.405 mg/L，绝对误差为0.005 mg/L。结果 表明所研制的氨氮检测模块具有较高的精密度和准确度。

2.5 实际样品测定

采集氨氮浓度分别为低、中、高3个浓度水平的样品，分别采用所研制的连续流动分析仪和国家标准方法（纳氏试剂分光光度法）对水样中的氨氮进行测定，每个样品平行测定3次，测定结果见表1。连续流动分析法低、中、高3个浓度的均值分别为0.125 mg/L，0.564 mg/L，0.827 mg/L，其对应的标准偏差分别为0.00153 mg/L，0.00289 mg/L，0.00569 mg/L，低、中、高3个浓度样品测定结果的RSD 范围为0.51～1.23%。纳氏试剂分光光度法测定3个浓度样品的均值分别为0.121 mg/L，0.557 mg/L，0.831 mg/L，其对应的标准偏差分别为0.0030 mg/L，0.0060 mg/L，0.0045 mg/L。低、中、高3个浓度的RSD 范围为0.54～2.48%。

为了检验连续流动分析法和纳氏试剂分光光度法测定的氨氮结果是否存在显著性差异，采用t-检验统计分析低、中、高3个浓度样品的测定结果。通过莱文方差等同性检验，计算两种方法的方差显著性，结果表明，方差等同性检验P 值为0.989，大于临界值0.05，即两种方法的方差相等，具有方差齐性，满足独立样本t-检验比较两种方法均值的前提条件。

表1 连续流动分析法和纳氏试剂分光光度法测定氨氮的结果

采用独立样本t 检验比较两种方法的均值，连续流动分析法的平均值为0.505 mg/L，标准偏差为0.307 mg/L；纳氏试剂分光光度法的平均值为0.503 mg/L，标准偏差为0.00310 mg/L，纳氏试剂分光光度法的标准偏差较大。t-检验P 值为0.988，大于临界值0.05。本研究研制的氨氮检测模块的连续流动分析仪和国标纳氏试剂分光光度法测定样品中氨氮浓度的结果无显著性差异。

3 结论

本研究在已有总氮模块的基础上进行管路结构的改造，通过增加泵管和改变反应混合圈，满足了氨氮检测的需要。所研制的氨氮模块应用于水样中氨氮浓度检测，在0～1.000 mg/L 范围内，吸光度与氨氮浓度具有良好线性，相关系数r 为0.9995，检出限为0.0059 mg/L，准确度和精密度均满足监测要求。采集低、中、高3 个浓度水平的样品，分别采用所研制的连续流动分析仪与国标纳氏试剂分光光度法进行测定，独立样本t 检验的P 值为0.988，大于临界值，两种方法无显著性差异。所研制氨氮检测模块的全自动流动分析仪实现了水中氨氮检测过程中自动采样和在线集成化处理，减少了环境不友好试剂的使用，提高了分析效率和安全性，具有良好的应用前景，同时为全自动连续流动分析仪的研制奠定了理论和实践的基础。