2018, Vol. 42
文章信息
- 王盼盼, 魏福祥, 崔建升, 刘大喜, 何礼. 2018.
- WANG Pan-pan, WEI Fu-xiang, CUI Jian-sheng, LIU Da-xi, HE Li. 2018.
- 海洋站总氮自动监测仪的研制
- The development of total nitrogen automatic monitor of ocean station
- 海洋科学, 42(7): 18-24
- Marine Sciences, 42(7): 18-24.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171106001
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文章历史
- 收稿日期：2017-11-06
- 修回日期：2017-12-04
水体富营养化是在人类活动影响下生物所需的营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体, 引起藻类及其他浮游生物的迅速繁殖, 水体溶解氧量下降, 水质恶化, 以及鱼类和其他生物大量死亡。氨氮和硝酸盐通常是植物生长的限制因素[1-3]。海洋中氮的化学性质受多种因素影响[4], 由此导致海洋环境中氮以多种价态存在[5-7]。实时监测海水中总氮的浓度变得尤为重要。
测定总氮的方法有多种, 胡粝丹等[8-11]、唐景静等[12]、何建玲等[13]、杨成等[14]分别用离子色谱法、燃烧氧化-电化学法、高效液相色谱法和高温氧化-化学发光检测法测定水中总氮。但是, 这些方法均不适用于测定成分复杂的海水中总氮水平。海水环境中有Sea-Bird Coastal SUNA V2分析仪可以测定硝酸盐水平, 但是, 灯泡的使用寿命较短; 水下营养盐流动分析仪的成本较高; 且这些仪器均针对某种或某几种含氮盐, 并非测定总氮水平。因此建立抗干扰能力强且可以连续监测海水中总氮的方法是十分重要的[15]。国内对于海水中总氮在线自动监测尚处于发展初期阶段, 且没有适用于海洋站生态环境长期综合观测的仪器。因此, 研究海洋监测站总氮在线自动连续监测系统意义重大。
本研究在863计划成果基础上, 研究海水总氮连续在线自动监测仪, 实现与整个观测系统(集成对水样采集系统、BOD、COD、总磷总氮、营养盐自动分析仪及主控系统, 在实验室外侧构建了海-气物质、能量交换观测系统, 集成CO2/H2O红外分析仪等)长期稳定协同运行。
实验利用总氮连续自动在线监测仪进行微波-过硫酸盐消解, 镉柱还原流动注射紫外分光光度法测定海水中总氮, 方法抗干扰能力强, 可以通过控制模块完成仪器的在线连续采样, 消解及测定, 并在仪器辅界面显示连续的吸光度(Absorbance, A), 主界面直接显示浓度值, 实现在线快速传输数据。
1 实验仪器与试剂 1.1 总氮连续自动在线监测仪 1.1.1 仪器的模块组成总氮连续自动在线监测仪, 分为水样采集模块、消解模块、显色模块、测定模块、计算机编程控制模块及数据处理模块, 具体如图 1所示。
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| 图 1 模块简介图 Fig. 1 Module abstract |
其中水样采集模块由微型柱塞泵(MP5000-1L-B)和电磁阀(WTA-2R-4MICG-3, 24VDC)控制采样选择和采样体积; 消解模块由自主研发的微波消解装置和降温装置(风冷和蒸发器)组成; 显色模块主要由蠕动泵(蠕动泵泵头型号: DG-4-C, oem驱动器型号T100-S56)作为动力源。测定模块由流动比色皿及发光二极管组成。仪器使用GS-326+360型号接口连接各部件, 使用抗酸性较强的pharmed管(2.06 mm× 0.85 mm)作为连接软管, 连接硬管为PTFE管(1.6 mm× 3.2 mm)。
1.1.2 仪器模块改进在863计划研究成果“海水中总磷、总氮船载现场快速监测测定仪”的基础上, 对仪器进行优化设计, 提高仪器性能。具体包括: (1)对仪器的控制系统进行改进, 采用ARM系统工控机, 33 cm彩色液晶屏, 能更清晰地读取数据和图片。ARM芯片的工控机, 该系统稳定性高, 故障率低, 可以提高仪器长期连续运行的稳定性。测定过程中, 进样体积、流速、显色时间等参数均由计算机精确控制, 从而提高测定结果的精确度和稳定性。对测定的吸光度通过软件系统存储标准曲线自动进行数据处理, 得出最终浓度。(2)改进后的微波消解部分布局更加完善, 降温设备由水冷变为风冷, 且增加蒸发器管路降温装置, 效果有所改善, 并可有效减少消解部分体积。(3)还原柱纵向放置, 为特制带有螺塞的有机玻璃管, 坚固抗颠簸, 密封性好。(4)对各模块的布置进行优化, 重点是减小消解模块中消解罐和电源的体积, 从而减小整个仪器体积, 实现仪器小型化, 满足海洋站空间测定条件要求。(5)对整个测定流路进行重新设计优化, 缩短流路, 减小运行时间。根据不同模块的要求设计出适宜的多通道流路和接口, 进行模块集成, 改进关键泵件和计量器件, 提升样品输送准确性, 从而提高测定结果的准确度及稳定性。将原来仪器内部的塑料软管换成PTFE硬管, 抗酸性较强的pharmed管替代聚乙烯软管。此外优化各部件的结构布局, 以便易于更换老化部件和实现现场快速维护。
1.1.3 仪器方法仪器可以连续在线监测, 采用微波/过硫酸钾消解—镉柱还原—流动注射紫外分光光度法测定海水中总氮, 用编程控制器控制操作步骤, 保证全部测定过程无人为干预[16-19]。简化版实验流程如图 2所示, 自动采样装置由柱塞泵、四通路的多通阀以及控制各个流路的电磁阀组成, 由柱塞泵提供进样动力, 由电磁阀的开闭决定进样试剂, 一并控制进样量, 柱塞泵将氧化剂和海水样品按设定比例注入消解罐, 消解模块在程序控制下按时启动消解样品, 达到预设消解时间消解过程自动停止。为减少总测定时间, 采用风冷消解罐和蒸发器管路降温。由电磁阀和蠕动泵控制消解之后的样品流量, 同时控制不同试剂的进液量, 硝酸盐(样品中的含氮物质被氧化为硝酸盐)流经镉柱被还原为亚硝酸盐, 再与显色增强剂混合并在显色单元显色。显色后的反应混合液流经流动比色皿时, 由检测器捕获信号值, 得到样品吸光度值, 再由数据处理和分析模块根据系统存储线性关系将吸光度值转化为对应浓度值, 由显示屏直接读取, 单次样品测定的整个流程在42 min内, 符合项目要求(单次样品测定在45 min内)。每次测定结果自动存储, 并可以根据控制系统发出的指令向上传输数据, 进行下一次实验, 实现连续在线测定。
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| 图 2 实验流程图 Fig. 2 The flow diagram of experiment |
实验使用超纯水, 所用试剂均用超声波震荡20 min以排除液体中的微气泡。除有特殊标注, 实验所用试剂均为优级纯试剂。
显色剂NA:在500 mL棕色容量瓶加入300 mL (1+5)的盐酸, 冷却至室温, 称取3.00 g无水对氨基苯磺酸溶解后转移至容量瓶中, 定容混匀; 显色剂NB:称取2.0 g N-1-萘乙二胺盐酸盐溶于水, 转移至500 mL棕色容量瓶中定容混匀。氧化剂: 3.75 g过硫酸钾(德国Fluka公司)溶于水转移至500 mL棕色容量瓶中定容混匀。镉柱:镀铜镉粒(粒径约为1~2 mm)。活化液:称取0.167 5 g乙二胺四乙酸二钠用无氨水溶解并倒入100 mL容量瓶中, 加入16 μL浓盐酸定容混匀。加标试剂:甘氨酸。还原效率试剂: 1 mg/L亚硝酸钠和1 mg/L硝酸钠, 以盐度为35的人工海水(kester法配制)为溶剂。含氮1 mg/L的人工海水样品:使用满足国家《国家一级标准》技术规范的BW200008- 100-S-50标准值100 mg/L(以氮计)溶液, 以盐度为35的人工海水为溶剂稀释100倍。真实海水样品为大连老虎滩表层海水(按照《海洋监测规范》GB/T 12763.4-2007规定方法采集保存)。
2 结果与讨论 2.1 条件实验 2.1.1 消解条件实验用质量浓度1 mg/L的样品测最佳消解条件, 得到最佳消解时间(t)25 min, 最佳消解温度(T)130℃。由图 3可知消解时间小于25 min时, 随着消解时间的增大显色越明显。大于25 min时, 消解反应结果稳定。由图 4可知, 在低于120℃时消解吸光度随消解温度升高而增大, 这是由于在此温度范围内随着消解温度的增加消解越完全; 在125℃时有一个吸光度最低点, 是由于过硫酸钾对反应的影响最低, 但是含氮有机物并没有完全消解; 高于130℃条件下消解含氮有机物完全消解, 再升高消解温度吸光度变化不大。通过对实验消解效率及测定时间因素的综合考虑, 选择消解时间25 min, 消解温度130℃, 为最佳消解条件, 且在此条件下过硫酸钾所产生的吸光度几乎为0。
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| 图 3 消解时间的影响 Fig. 3 Effect of the digestion time |
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| 图 4 消解温度的影响 Fig. 4 Effect of the digestion temperature |
通过实验确定NA显色剂为300 mL(1+5)的盐酸和6.00 g/L无水对氨基苯磺酸、NB显色剂质量浓度为4.00 g/L N-1-萘乙二胺盐酸盐。
实验采用NA—样品—NB的进液顺序, 测定过程中存在气泡, 结果不稳定, 选择NA、样品和NB同时进液至反应管路, 并反应一定时间, 结果稳定, 为一连续平滑曲线, 如图 5所示。
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| 图 5 单次测定结果 Fig. 5 A single determination results |
本实验采用镀铜镉柱还原硝酸盐, 镉粒装在内径为8 mm的空心圆管内部, 由改变镉粒数量控制镉柱长度, 如图 6所示, 柱长(L)大于7 cm时可以保持平行样还原结果稳定, 综合考虑镉柱造成的压力, 选择7 cm为最适长度。
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| 图 6 镉柱柱长对还原效率的影响 Fig. 6 Effect of the length of cadmium column |
样品及显色剂的推送速度对测定结果有一定影响, 在保证进液总量相同的情况下, 实验选取蠕动泵不同泵速(v)(15, 20, 30, 40, 50和60 r/min)进液(对应液体流速为4.2, 5.6, 8.4, 11.2, 14, 16.8 mL/min), 为了确保反应时间的一致性, 进液时间长则反应停留时间对应缩短。实验结果如图 7, 蠕动泵的转速影响液体混合程度从而影响测定结果, 转速越低越易充分混匀, 泵速20 r/min时吸光光度值最高, 因此选择20 r/min为最佳泵速。
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| 图 7 蠕动泵泵速的影响 Fig. 7 Effect of peristaltic pump speed |
实验测得总氮具有较好的线性关系, 在0.01~ 10 mg/L时, y=0.185x+0.043, 相关系数r=0.9990, 计算测得检出限为0.002 4 mg/L。
2.2.2 镉柱还原效率测定1 mg/L亚硝酸钠和1 mg/L硝酸钠, 得到吸光度分别为0.241和0.232, 镉柱还原效率为96.27%。
2.2.3 准确度和精密度使用2.10 mg/L标准物质BY400015进行总氮校正检测, 使用本仪器测定的质量浓度分别为2.075、2.082和2.084 mg/L, 平均值为2.08 mg/L, 相对标准偏差为0.89%, 与真实值相对偏差为0.95%。使用配制样品(含氮1 mg/L)连续测定3组和3组不同加标浓度的加标回收率, 结果如表 1所示。
| 样品 | 质量浓度/mg·L–1 | 回收率/% | ||
| 样品背景值 | 加标 | 回收 | ||
| 1 | 1.05 | 0.5 | 1.58 | 101.94 |
| 2 | 1.05 | 0.7 | 1.73 | 98.85 |
| 3 | 1.05 | 1.0 | 2.04 | 99.51 |
仪器稳定性是检测仪器性能的重要指标, 单机稳定性检验包括零点漂移和量程漂移, 量程漂移检验选择仪器量程的20%(总氮质量浓度(c): 1 mg/L)和80%(总氮质量浓度: 8 mg/L)的标准溶液, 测定24 h和30 d与初始质量浓度的偏移, 结果如图 8和图 9所示, 24 h漂移量和30 d漂移量分别在±1%, ±3%。
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| 图 8 总氮24 h漂移量 Fig. 8 The drift rate of total nitrogen in 24 hours |
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| 图 9 总氮30 d漂移量 Fig. 9 The drift rate of total nitrogen in 30 days |
实验使用《国家一级标准》技术规范的BY400015 (标准值0.522 mg/L和2.10 mg/L)分别用本方法和《海洋调查规范》(GB/T 12763.4-2007)中总氮测定方法进行同时测定, 实验结果如表 2所示, 两种方法测定结果的相对标准偏差(RSD)均在5%以内。
| 样品 | 质量浓度/(mg/L) | RSD/% | ||||||
| 本方法 | 国标法 | |||||||
| C1 | C2 | C3 | C1 | C2 | C3 | |||
| 1 | 0.518 | 0.517 | 0.523 | 0.524 | 0.528 | 0.523 | 1.02 | |
| 2 | 1.98 | 2.07 | 2.01 | 2.10 | 2.13 | 1.97 | 4.93 | |
用本方法与国标法分别测定实际海水中总氮浓度, 其中, 此方法的测定结果为0.192 7 mg/L, 与国标法测定结果0.209 4 mg/L无显著性差异。
3 结论基于海洋监测站无人值守自动监测要求, 本研究通过控制程序, 实现微波-过硫酸盐消解, 镉柱还原, 流动注射紫外分光光度法连续测定近岸海域海水中总氮。
本研究是在设计改进仪器模块的条件下, 通过试验, 优化测定条件。实验结果证明, 海水中总氮浓度与吸光度呈良好线性关系, 总氮质量浓度为0.010~ 10 mg/L时, 线性方程为y=0.185x+0.043, 相关系数r=0.9990, 相较于之前的线性方程: y=0.163x+0.063, 相关系数r=0.990, 有着较为明显的提高, 与之前船载仪器具体参数对比如表 3所示。标准样品检验, RSD为0.89%, 样品的加标回收率在98%~102%。方法稳定性:零点漂移在±0.5%之内, 量程漂移在±3%之内, 符合《近岸海域水质自动监测技术规范》(HJ731-2014)要求。该方法测定实际海水样品总氮质量浓度为0.192 7mg/L, 与国标法测定结果0.209 4mg/L无显著性差异。因此, 研制总氮自动监测仪适用于近岸海域总氮连续在线监测。
| 仪器 | 线性关系 | 漂移量/ % | 单次样品测定时间/min |
| 原船载监测仪 | y=0.163x+0.063 | ±5 | 50 |
| 本仪器 | y=0.185x+0.043 | ±3 | 42 |
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