国家海洋信息中心发表的《2017年中国海洋生态环境状况公报》^[1]称: 根据中国在近岸海域夏季和秋季开展的海水质量检测, 主要指标包括无机氮、活性磷酸盐、石油类和化学需氧量等, 数据显示, 我国海水环境及海水质量较之前有所提升。但是污染指数仍没有达到理想效果, 尤其是在夏季和秋季, 海水出现富营养化频繁, 主要集中在辽东湾、渤海湾、长江口、杭州湾、珠江口等近岸海域。

自然资源部海洋预警监测司发布的《2019中国海洋灾害公报》^[2]一文中写道: 近期以来, 我国海洋频发风暴潮、海浪和赤潮等海洋灾害, 通过数据与近10年(2010—2019年)平均状况相比: 2019年海洋灾害造成的经济损失比以往都要高, 尤其是赤潮频发, 2019年赤潮造成的经济损失高达1亿元。中共中央政治局第十九次集体学习时对应急管理工作作出重要指示, 其中强调: 中国是世界上自然灾害最为严重的国家之一, 灾害种类多, 分布地域广, 发生频率高, 造成损失重, 这是一个基本国情。加强应急管理体系和能力建设, 既是一项紧迫任务, 又是一项长期任务^[3]。

本研究在研究海水检测技术的基础上, 继承传统, 开拓思路, 在原有理论基础上加以创新对海水消解以后的硝酸盐氮进行检测, 以准确、精确、稳定为前提, 以实时、在线、自动检测为目的, 最终确立了文中的实验方法, 并通过了检验指标。

1 实验原理及方法

总氮包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮等无机氮和一些蛋白质、氨基酸等有机氮。理论上, 海水经过微波消解转化成以硝酸盐氮为主要成分。在经过多次分析与探究, 实验决定采用镀铜镉柱^[4]先将微波消解后的海水进行还原, 再用偶氮燃料染色分光光度法进行测定(图 1)。通过做对比实验, 选择最佳的实验参数配置, 保证实验的准确性和稳定性。

实验设备、试剂均由实验室购买, 主要设备如表 1所示; 部分试剂根据要求配制如表 2所示。

采用半径为2~5 mm镉粒制成半径为2 cm, 长度约为10 cm的柱状物体, 因其可重复性、长时间使用, 被广泛应用于检测装置中。选择镀铜镉柱还有一个重要的原因是, 长时间不使用无需更换, 只需激活即可。

激活步骤: 首先排净镉柱中的空气, 使其处于真空, 然后启动蠕动泵, 使用10%的稀盐酸冲洗2~ 4次, 浸泡24 h, 最后用无氨水冲洗多次即可^[5]。

2 实验条件的选择与优化

本方法主要分为两部分进行, 首先对待测样品进行还原操作, 然后再加入显色剂显色, 最后取出待测样品进行光度测定。实验溶液pH值、还原温度、显色剂的加入量、等都会对实验的结果产生一定的影响, 下面就部分实验参数进行讨论在实验室的基础上, 已经确定镉粒粒径为2~5 mm时还原状态最好; 还原温度为室温^[6]即可。接下来实验就其他各因素进行探究。

2.1 还原参数的探索与选择

待测样品经过还原操作以后, 其主要成分转化为亚硝酸盐, 此时加入对氨基苯磺酸, 使其转化为重氮盐。在实验探究过程中, 发现对氨基苯磺酸的加入量和加入后的反应时间有一定的关系, 且相互影响。柱高和泵速均影响还原时间的长短, 合理搭配的柱高和泵速有助于实验的准确性和实效性, 如图 2所示。也可以降低检测周期, 满足装置实时在线检测的要求。经实验分析, 本研究最终选定, 泵速20 r/min, 柱高10 cm, 此时水样与镉粒接触时间大约在225 s左右, 还原效率稳定且高达99%以上。

随着实验的进行, 发现溶液的pH值发生了变化。分析其变化的主要原因可能是因为硝酸盐的发生了转换, 转换公式如下。

$ {\rm{N}}{{\rm{O}}_3}^ - + 3{{\rm{H}}^ + } + 2{{\rm{e}}^ - } \to {\rm{HN}}{{\rm{O}}_2} + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}}, $

(1)

$ {\rm{N}}{{\rm{O}}_3}^ - + 4{{\rm{H}}^ + } + 3{{\rm{e}}^ - } \to {\rm{NO}} + 2{{\rm{H}}_2}{\rm{O}}, $

(2)

如果pH值太高会延缓还原反应, pH太低会产生过度反应。在进行pH值探究实验时发现, 实验室在配制溶液时, 加入了浓硫酸, 导致硝酸钾溶液呈现中强酸性, 所以在配置溶液时采用氢氧化钠、20%的的盐酸加以调节。实验探究选定待测样本的初始pH值为8~9, 此时镉柱具有最佳的分子动态性能。反应方程式如下:

$ {\rm{N}}{{\rm{O}}_3}^ - + {{\rm{H}}_2}{\rm{O}} + 2{{\rm{e}}^ - } \to {\rm{N}}{{\rm{O}}_2}^ - + 2{\rm{O}}{{\rm{H}}^ - }。$

(3)

2.2 测定参数的探索与选择

亚硝酸盐和对氨基苯磺酸发生重氮反应, 随后与盐酸萘乙二胺偶合成紫红色偶氮燃料。实验制备4组, 每组制备7个比色管做对比试验。由数据结果显示: 当对氨基苯磺酸溶液加入量为0.80~1.12 mL时, 吸光度值曲线有峰值出现。反应时间控制在50~75 s会使峰值有所提升, 如图 3所示, 出于对装置要求的考虑, 最终确定加入对氨基苯磺酸1.00 mL, 溶液反应时间控制在60 s。

由实验原理图 1可知加入盐酸萘乙二胺溶液时实验反应的最后一步, 是溶液进行显色反应的重要步骤, 溶液的加入量和显色时间的长短决定偶联反应进行的是否彻底, 并影响最终的光度测定值。经实验结果分析: 确定盐酸萘乙二胺的加入量为0.75 mL, 溶液显色时间为5 min(图 4)。

3 实验检测理论基础 3.1 数据预处理

偏最小二乘回归^[7](partial least squares regression, 简称PLS)是一个集主成分分析、多元线性回归分析和典型相关分析等分析方法的优点于一身的多维分析方法。实验采用偏最小二乘法, 对实验数据进行预处理, 在此基础上建立浓度与吸光度之间的模型关系。下面对PLS算法进行阐释。

待测样品硝酸盐氮的浓度和经过镉柱还原-偶氮染色后的溶液的吸光度建立如下数学关系式:

$ \mathit{\boldsymbol{A}} = \mathit{\boldsymbol{TP}} + \mathit{\boldsymbol{E}}, $

(4)

$ \mathit{\boldsymbol{C}} = \mathit{\boldsymbol{Uq}} + \mathit{\boldsymbol{F}}, $

(5)

其中: A为吸光度矩阵; T为吸光度特征矩阵; P为回归系数矩阵; E为吸光度残差矩阵; C为样品成分浓度矩阵; U为浓度特征矩阵; q为回归系数矩阵; F为样品成分浓度残差矩阵。

并且, 由主成分析和线性回归得, 矩阵T和矩阵U存在如下关系:

$ \mathit{\boldsymbol{U}} = \mathit{\boldsymbol{TH}}, $

(6)

$ 即: \mathit{\boldsymbol{C}} = \left( {\mathit{\boldsymbol{A}} - \mathit{\boldsymbol{E}}} \right){\mathit{\boldsymbol{P}}^{--1}}\mathit{\boldsymbol{Hq}} + \mathit{\boldsymbol{F}}, $

(7)

其中: H是U–T的转换矩阵。

经过实验之后, 利用PLS建立模型, 并选取合适的光谱区间, 利用origin8.0绘制最优模型图。配置浓度不同的硝酸钾标准液进行预测模型分析, 实验结果如表 3所示, 数据现对误差较小, 均在7%以内, 证明了此方法的可行性。

3.2 系统定标实验

选取硝酸钾作为硝酸盐氮标准液, 分别配制浓度为0.25、0.5、0.75、1、1.25、2.5、5、10、15、20、25、50、100、200、500、1 000 mg/L的16份硝酸钾标准液。利用本实验装置进行光度测量, 得到吸光度与硝酸盐氮曲线关系模型:

$ Y = 258.62{X^2} - 530.31X + 275.64, $

(8)

其中: Y为待测硝酸盐氮浓度值, X为溶液吸光度值。

本模型关系出自0.5~100 mg/L的硝酸盐氮标准液的反复实验, 符合海水的一般浓度变化范围。

3.3 浊度补偿

利用已经确立的模型计算不同浓度下相同硝酸盐氮浓度(100 mg/L)的值。得到实验数据见表 4。

表 4显示, 浊度对溶液吸光度在一定的范围内成线性关系。利用origin8.0软件建立模型下硝酸盐氮浓度值与浊度的关系模型如下式。

$ {Y_2} = 0.97{X_2} + 131.06, $

(9)

其中: Y₂为模型下硝酸盐氮预测值; X溶液吸光度值; X₂为浊度。由式(8)和式(9)得:

$ {Y_{{\rm{correct}}}} = 258.62X{^2} - 530.31X + 0.97{X_2} + 406.7。$

(10)

4 实验结果与分析

为了实验的可靠性, 以及避免外界因素的影响, 根据之前确定的实验参数, 设计了如下的检测装置(图 5)。

硬件主体部分主要由自动控制模块、反应与检测模块组成。系统采用比例分配阀代替六通阀或八通阀, 克服了先前设备的转子转动不到位或者漏液的弊端。柱塞泵由电机和注射器构成, 再加以位控器可以更好的实现试剂溶液的自动进液和进液体积。

实验采用PLS算法建立样品硝酸盐氮氮的浓度和经过镉柱还原-偶氮染色后的溶液的吸光度的关系模型, 并通过浊度补偿得到最优模型。待测样品与化学试剂混合均匀, 由柱塞泵载入消解装置, 消解完成后, 再由蠕动泵泵入镉柱进行还原实验, 通过流路设计进行显色实验, 最后进入光度测定装置, 通过放大电路将检测信号上传至PC端显示。光度测定装置由光源部分和接受信号部分组成, 添加稳压电源保证接收信号的稳定性。随着实验的进行, 得出的结果并没有达到理想的效果。在还原率和测定两方面都是一个平稳的状态, 但是没有达到实验的理想效果。陈国松等^[8]在TiO₂光催化氧化实验中指出实验在进行时生成的沉淀物会阻碍反应的进行。而且溶解进行时pH值一致在变化^[9-11], 基于上述研究及总体观察分析, 归纳总结出两点原因:

一是镉粒在碱性溶液中与硝酸盐还原产生的OH^–反应生成Cd(OH)₂沉淀。其容易附在镉表面延缓反应, 还改变了溶液的pH值。改进方法: 采用pH为8.5的氯化铵缓冲溶液与待测试样按1︰1混合均匀通过镉柱。

二是海水基质中含有大量盐类成分, 在测定过程中必然会产生一定程度的影响。经过探究发现, 影响结果的主要原因在与硝酸盐氮的还原实验, 适当的延长还原过程中的停留时间可以有效地消除该影响。

4.1 线性

在上述确定的最终条件, 分别制作不同浓度的硝酸钾标准液, 并以人工海水作溶剂配制标准溶液做曲线校正实验, 得线性回归方程y=0.135 7x+0.027, 相关系数R²=0.999 8(图 6)。

4.2 精密度

对镉柱还原过程(G)进行精密度试验(表 5)。量取7 mg/L的硝酸钾溶液2.5 mL放于25 mL容量瓶中, 加入10 mL氯化铵缓冲溶液调节pH值至8.5左右, 无氨水定容25 mL。配制9个平行试样, 在相同的条件下进行镉柱还原。

镉柱还原平均吸光度:

(0.439+0.442+0.426+0.435+0.437+0.436+0.438+0.429+0.428)/9=0.434

根据样本标准偏差计算公式:

样本相对标准偏差计算公式:

4.3 检出限

由实验数据示: 当自由度为5.5时, 置信度约为99%, 此时的t值=3.143, 根据t值检验方法计算先算盐氮检出限为0.015 mg/L, 与样本计算结果一致。

根据样本标准偏差的计算公式:

溶液检出限:

4.4 干扰实验(表 6)

海水中还存在其他离子可能对实验产生影响, 主要的离子有Ca²⁺、Mg²⁺、Br^–、Cl^–、SO₄^2–等。分别配制3组不同组分的以人工海水为基质的硝酸钾标准使用液, ①组: 称取2.651 8 g NaCl、0.244 7 g MgCl和0.330 5 g MgSO₄, 将其溶于50 mL无氨水中, 充分溶解后置于100 mL容量瓶中, 加入100 μg/mL的硝酸钾储备液5 mL, 无氨水稀释至刻度线得含0.265 18 g/L NaCl、0.024 47 g/L MgCl和0.033 05 g/L MgSO₄的硝酸钾标准使用液, 浓度为5 μg/mL。以此方法配制得②组: 含0.265 18 g/L NaCl、0.024 47 g/L MgCl、0.033 05 g/L MgSO₄和0.007 25 g/L CaCl₂的硝酸钾标准使用液, 浓度为5 μg/mL; ③组: 含0.265 18 g/L NaCl、0.024 47 g/L MgCl、0.033 05 g/L MgSO₄、0.007 25 g/L CaCl₂和0.000 83 g/L NaBr的硝酸钾标准使用液, 浓度为5 μg/mL。将3组溶液通过还原、显色操作, 最后测定吸光值, 并计算其还原率。结果表明: 在允许的误差6%的范围内, 上述离子的影响可忽略。

4.5 水样加标回收

该实验分别对青岛栈桥、烟台养马岛附近的海水中的硝酸盐氮进行加标回收率的测定, 将采得的水样用0.45 μm微孔滤膜过滤, 然后放于冰箱中保存, 温度设置为4℃。取2份样品100 mL, 向其中1份加入5 μg/mL的硝酸钾标准液1 mL, 加标量5 mg/L, 测量两份溶液的浓度值, 加标回收率计算公式如下:

$ 加标回收率 = \frac{{加标后水样浓度-加标前水样浓度}}{加标浓度} \times 100\% , $

(11)

经测样品的加标回收率均在98%~104%。

5 结语

利用该实验确定的参数生产的海水检测装置, 具有高稳定性、高准确率、高实效性等特点, 对不同海域海水进行硝酸盐氮的测定, 效果理想。经大量实验表明: 此方法适用于海水中硝酸盐氮的测定, 通过对数据建立的PLS算法模型, 定量、定性的分析海水消解后硝酸盐氮的浓度, 此方法抗干扰能力强, 海水中主要元素离子对其测定几乎没有影响, 有浊度引起的检测偏差, 通过绘制相应的标准曲线得到最优模型, 并且满足在线、自动测定的要求。选择镉粒作为还原剂, 不仅提高了还原率, 而且增强了实验的稳定性和可重现性, 虽然在过程中出现了一些偏差, 比如在实验中没有注意溶液的pH的变化, 但是在分析之后, 及时改正实验方法, 得到了理想的实验效果。