海水中的营养盐一般指氮、磷、硅等元素组成的盐类, 其中氮元素盐类较为丰富, 包括NO₃^–、NH₄⁺和NO₂^–, 即三氮, 无机氮通常指三氮的总量^[2]。海洋中氮营养物质分为无机氮和有机氮^[3], 无机氮在海洋植物优先利用的, 当三氮耗尽后会再吸收溶解态有机氮(Dissolved Organic Nitrogen, DON)^[4]。溶解态总氮(Total Dissolved Nitrogen, TDN)包括三氮和DON, DON是一类物质的总量, 无直接测定方法, 只能通过TDN减去三氮获得。DON是富营养污染研究的重要对象, 三氮具备较成熟的监测方法, 准确率高, 因此, 为取得DON较为准确的监测数据则TDN的测定结果较为关键^[5-6]。

淡水TDN监测的手工法和仪器法成熟, 如紫外法^[7]、镉还原法^[8], 气相分子吸收光谱法^[9]、气泡或无气泡流动分析分光光度法^[10]等, 结合的前处理方式是紫外消解或压力容器消解^[11]。上述方法推广应用于海水监测, 存在效果不佳, 如紫外法干扰大^[12], 镉还原法繁琐^[13], 气相分子法准确度存在失准^[14], 流动分析法在线消解样品效果差^[15]。流动分析法在线消解效果差可用手工消解代替, 因流动分析法中气泡隔断技术的灵敏度优于无气泡, 而海水中的营养盐含量较低, 所以海水TDN的监测方法优先采用气泡隔断流动分析法, 其他作为备选方法。现有气泡隔断注入技术是选择所需供气量的泵管, 在常压空气中通过蠕动泵驱动注入空气泡, 使得气泡刚好足够大可完全充满玻璃管^[16]。在线消解法测定淡水中的TDN已得到应用, 但因海水中存在较多的氯化钠和钙镁等金属离子干扰^[17], 与淡水成分差异较大, 当应用于海水消解时液流入口出现絮状物和气泡注入异常现场, 导致数据质量较差。本文针对消解出现气泡分割异常现象的问题, 建立在线控压消解-串联镉圈去盐测定海水TDN的方法。在碱性环境中钙镁等金属离子反应生成氢氧化物絮凝沉淀团堵塞管路, 以及氯化钠与过硫酸钾生成游离氯发生剧烈的副反应^[18]。异常现象造成在线消解器内部压力变大, 导致注入气泡困难, 引起气泡分割液流不规律, 不规律影响了消解的稳定性, 甚至因内部压力超过消解器的承受能力在管路连接处发生爆开的危险。在线消解器应用于监测海水溶解态总氮因出错率高导致难以普及, 所以目前消解方式仍采用传统压力容器消解海水样品。因此, 有必要分析在线消解器消解海水时异常的原因, 建立一种在线消解法测定海水中TDN的方法, 本文改善消解试剂的配方, 采用控压式注入气泡技术, 利用串联镉圈消除盐度干扰, 解决在线消解注入气泡异常和絮凝堵塞的问题, 发挥连续流动分析法自动化、分析快、正确度好、灵敏度高的优点, 测试验证的结果令人满意。

1 试验 1.1 仪器与试剂

德国SEAL公司AA 100型连续流动分析仪、AS2型自动进样器、MA型在线消解器, 梅特勒ME4002E型电子天平及气泡注入钢瓶(控压精度0.02 MPa)。

实验中所用试剂见表 1, 实验室用水为Milli-Q IQ 7005默克纯水机所制的一级水。

1.2 试验设计

消解试剂配方参考文献[19], 试剂配方的设计参考文献[20], 区别是显色剂的配制方法: 取磺胺5.0 g、N-(1-萘基)-乙二胺盐酸盐0.25 g, 依次加入200 mL水和盐酸75 mL, 溶解后加水定容至500 mL。

流路反应模块的设计参考文献[21], 区别是气泡的注入采用高压小钢瓶控制压力辅助, 如图 1所示。

1.3 方法原理

连续流动分析仪反应模块原理基于标准HY/T 147.1—2013^[1], 区别是本文采用在线消解器。化学反应原理第一步是还原性氮(氨氮、有机氮等可被过硫酸钾氧化的还原性氮物质)被氧化为硝酸盐, 以氨氮氧化为例, 如下式(1)。第二步是硝酸盐被镉圈还原为亚硝酸盐, 如下式(2)。第三步是亚硝酸盐经重氮化反应显色在540 nm波长处测定。方法涉及反应方程式(1)、(2)参考文献[22], (3)、(4)参考文献[23]。

$ \begin{aligned} & \;\;\;\;\;\;\quad 4 \mathrm{~K}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_8+\mathrm{NH}_4^{+}(\text {还原性氮 })+2 \mathrm{OH}^{-}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow 4 \mathrm{~K}_2 \mathrm{SO}_4^{+} \\ & \mathrm{NO}_3^{-}+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4, \end{aligned} $

(1)

$ \mathrm{NO}_3{ }^{-}+\mathrm{Cd}+2 \mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{NO}_2{ }^{-}+\mathrm{Cd}^{2+}+\mathrm{H}_2 \mathrm{O}, $

(2)

$ \mathrm{K}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_8+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{~K}_2 \mathrm{SO}_4+1 / 2 \mathrm{O}_2+\mathrm{H}_2 \mathrm{SO}_4, $

(3)

$ \mathrm{K}_2 \mathrm{~S}_2 \mathrm{O}_8+2 \mathrm{NaCl} \rightarrow \mathrm{~K}_2 \mathrm{SO}_4+\mathrm{Na}_2 \mathrm{SO}_4+\mathrm{Cl}_2 . $

(4)

1.4 仪器条件与样品采集

连续流动分析仪进样速率30个样/h, 样品进样时间90 s, 样品洗涤比为3∶1, 管路内径2 mm; 光谱图测试模式为正化学, 增益值为30, 自动基线参比10 %, 平滑数16, 出峰延迟10 min; 光度计测定波长540 nm, 比色池光程10 mm; 钢瓶注入气泡及空气泡流量0.32 mL/min, 水样流量1.20 mL/min, 过硫酸钾溶液流量1.60 mL/min, 在线消解器由油浴锅和15 m长特氟龙管组成, 管路内径2 mm, 油浴设定温度110 ℃; 备用管路纯水流量0.12 mL/min, 二次进样流量0.12 mL/min, 咪唑缓冲溶液流量0.80 mL/min, 混合反应圈为5圈; 还原装置由两个镉圈串联组成, 一个镉圈混合反应为5圈; 显色剂溶液流量0.32 mL/min, 混合反应圈是20圈, 显色温度室温。样品采集按照HJ 442.3—2020^[24]的采集规范执行。

2 结果与讨论 2.1 在线消解注入气泡异常的成因分析 2.1.1 在线消解器内部压力变大的原因

通常情况下过硫酸钾分解或将还原性氮化合物转化为硝酸盐时可生成等当量的硫酸, 见方程式(1)和(3)。海水中的氯化钠可消耗大量的过硫酸钾, 该副反应方程式见(4)。若按淡水总氮监测等体积消解液和进样量的方式, 过硫酸钾含量为40 g/L, 根据方程式(4)计算理论值, 当海水盐度约17‰时可消耗完过硫酸钾, 使得消解液失去了氧化能力。因海洋环境监测中海水的盐度大多数是远大于17的, 所以不能忽视盐度对消解效率的影响, 若性能测试中的消解效率小于90%, 可适当增加消解液的量至消解效率符合要求。

海水基质样品在线消解发生注入气泡异常的主要原因是副反应生成了大量的氯气造成消解器压力变大。由理想气体状态方程PV=nRT可知, R为常数, V为消解管路体积, T为消解温度, 消解过程V、T不变, 即压力与物质的量成正比。方程式(4)产生气体物质的量是方程式(3)的两倍, 即消耗等量的过硫酸钾海水样品内部压力是淡水样品的两倍。氯气是可快速复溶于水中, 造成该波动性的压力变化也是比消解淡水时的压力大。压力变大造成气泡管注入气泡难度加大, 甚至停止注入待蓄压后再一次注入, 再一次的注入就出现气泡乱注入现象, 有可能是一个大气泡, 有可能是一大一小气泡连续注入, 气泡的间隔是完全混乱的异常状态。

2.1.2 在线消解器入口絮状物形成的原因

因海水中钙镁等金属含量较淡水中高, 当水样在消解器与碱性消解液汇合时, 一开始碱性消解液碱性较强易形成絮凝沉淀, 随着过硫酸钾升温分解, 碱性变弱, 絮凝现象消失。气泡是在水样和消解液之前注入, 提供稳定动力使得液流向前流动。若注入气泡后遇到较大的絮凝沉淀团会导致气泡被分割, 液流间隔的一致性被打乱, 导致液流波动性大, 监测数据稳定性差, 严重时堵塞在线消解器管路导致样液无法注入, 最终因在线消解无效导致实验失败。

2.2 在线消解注入气泡异常的消除方法 2.2.1 控压注入气泡消除内部压力变大

消解器注入气泡流量为0.32 mL/min, 因消解海水样品压力是波动性变化的动态过程, 一定范围内忽高忽低, 不是恒定的, 注入气泡的大小与压力成反比, 虽更换大流量供气管可保证气泡注入, 但加大了供气量会出现连续注入气泡同样导致流路不均匀。消除注入气泡异常的方法是以0.32 mL/min的流量管为基础, 采用压力气瓶直接连接气泡管, 流量管的蠕动及调节气瓶输出压力辅助注入气泡, 可实时提高气泡注入的压力, 使得管路注入气泡具备了稳定的动力源, 消除流路压力波动性变化的影响。通过利用气瓶压力表微调气体输出功能, 设定恒定的压力和保证足够的动力源注入气泡, 稳定性远高于大流量供气管, 避免产生注入气泡异常的现象。压力值设定步骤如下: 打开主机、开启软件、连接总氮分析方法、开启气瓶、设定注入初始气压强约为0.02 MPa。管路气密性经纯水测试无异常则泵入消解液, 当有消解液从出口流出可打开消解器升温开关, 待温度恒定后设定所需注入气泡的压强。液流注入气泡情况与压强值的关系描述见表 2。

由表 2可知, 压强在0.03~0.05 MPa之间注入气泡的均匀效果良好, 在此范围均可消除之前气泡异常现象, 本文的测试数据是在0.04 MPa下测试获得。

2.2.2 使用掩蔽剂抑制絮凝现象

酒石酸钾钠、乙二胺四乙酸二钠和硼酸钠是监测方法中抑制钙镁等金属常用的掩蔽剂, 原理均是将钙镁等金属离子络合。乙二胺四乙酸二钠中含氮元素, 酒石酸钾钠具有还原性, 所以这两种掩蔽剂不适合用于本方法。

为解决消解过程的絮凝现象, 消解试剂配方参考文献[19]添加10 g/L硼酸可抑制钙镁等金属离子沉淀。消解液配方经验证抑制效果良好, 絮凝沉淀现象消失, 保证了气泡的稳定性和间隔的一致性。

2.3 试剂配方的优化及串联镉圈的性能验证 2.3.1 消解试剂配方的优化

总氮在线消解法争议较多的是消解不完全导致测定结果偏低, 较为突出的现象是总氮测定结果小于三氮结果, 氮含量相关性异常。争议来源是过硫酸钾试剂配方不一致, 包含过硫酸钾的量和碱的量不一致。过硫酸钾的量分为25 g/L(G1)、40 g/L(G2)、49 g/L(G3), 氢氧化钠的量分为0.4 g/L(Q1)、6 g/L(Q2)、9 g/L(Q3)、15 g/L(Q4)。采用正交实验设计, 即测试数据由同一显示剂测定同一样品获得, 结果峰高值见表 3。数据显示G2/Q3和G3/Q3的峰高值最高, 即灵敏度最佳。因过硫酸钾G3溶解较为困难, 推荐使用G2, 所以消解试剂配方最终的量是过硫酸钾40 g/L、氢氧化钠9 g/L。

2.3.2 显色剂酸度的优化

海水重进液与淡水相比, 氯化钠消耗了过硫酸钾造成硫酸产物量减少, 导致重进液酸碱度变化, 消除该干扰的方法是增加显色剂酸的量。所以海水样品显色剂配方与淡水区别是需增加酸的量。淡水显色剂盐酸的量是10%(体积比), 以消解液G2+Q3配方消解同一样品, 记录显色剂在不同酸含量下显色测定的峰高值(窗口满值为100%), 测试数据见表 4。数据显示, 当酸含量达到14%时, 峰高值高度已趋于稳定, 说明显色反应已充分, 即显色剂的酸含量推荐15%较为适合, 此时灵敏度较佳, pH约1.8±0.1。

2.3.3 串联镉圈的性能验证

海水中氯化钠产生干扰物的检查, 手动收集在线消解器的海水消解液, 一加入N, N-二乙基-1, 4-苯二胺检查, 生成红色化合物, 二用淀粉碘化钾试纸测试呈蓝色, 根据显色效应及试纸检查, 说明海水消解液中生成了活性氯物质, 与方程式(4)产物一致。将消解液经镉圈处理的水样与N, N-二乙基-1, 4-苯二胺反应无红色化合物生成, 且经淀粉碘化钾试纸测试不变色, 说明活性氯物质已被镉圈还原。若活性氯物质去除不干净, 其氧化性使得显色物质褪色, 即干扰了显色反应, 需在显色反应前消除活性氯物质。因活性氯会加快镉圈还原能力的损耗, 为保证硝酸盐氮的还原率, 还原装置用两个5圈的镉圈串联组成, 建议使用前后分别核查镉圈的还原率是否合格。镉圈串联装置相当于一用一备, 组装简单, 功能较为强大, 既能保障消除干扰, 又能保证硝酸盐氮的充分还原, 当镉圈还原效率下降后可分别维护较为方便, 使用比多圈数的镉圈较为灵活多变。

2.4 系统性能检查

因海水方法试剂配方与淡水变化较大, 需进行消解效率检验和镉圈还原效率检验。消解效率R应高于90 %, 方法是平行测定同浓度(推荐曲线最高浓度点)总氮标准使用液和氨基乙酸标准使用液。海水总氮方法中镉圈的作用是还原硝酸盐为亚硝酸盐, 同时消除因盐度生成的活性氯物质, 即镉圈损耗较大, 需每批次分析中进行还原效率检验, 观察中间点或有证标准物质的测定结果, 若偏低说明还原效率在下降。还原效率检验应同时测量含氮量(推荐曲线最高浓度点)相同的亚硝酸盐标准使用液和硝酸钾标准使用液, 还原效率R低于90%时需重新激活镉圈, 激活程序参考标准HJ 667—2013^[21]附录B。测试数据见表 5, 按下列公式(5)计算消解或还原效率R, 数据验证该消解液配方消解效率98.5%, 镉圈还原效率99.8%, 均大于90%, 符合系统性能检查要求。

$ R = \frac{{{\rho _1}}}{{{\rho _2}}} \times 100\% , $

(5)

式中: R为消解效率或还原效率(%); ρ₁为氨基乙酸或硝酸盐氮的测定结果(mg/L); ρ₂为总氮或亚硝酸盐氮的测定结果(mg/L)。

2.5 方法特性指标的验证 2.5.1 校准曲线的验证

中间标准使用液(20.0 mg/L)配制来源生态环境部标准样品研究所总氮有证标准物质(批号: 106102, 标准值: 500 mg/L, 相对扩展不确定度2%), 将中间使用液配制成0、0.200、0.400、0.800、1.20、1.60、2.00 mg/L的标准系列, 定容介质为陈化或人工海水。在1.4条件下测定标准系列获得的峰高信号值为纵坐标, 对应质量浓度为横坐标, 表 6显示线性方程的斜率值较大, 表明方法灵敏度高, 决定系数0.999 9说明线性方程相关性强。

2.5.2 检出限、精密度、正确度的验证

检出限的验证以人工海水或陈化海水作为空白样, 在1.4条件下依此测定, 按照标准HJ 168— 2020^[25]附录A提供的公式(MDL=t_{(n–1, 0.99)}×S)计算方法检出限, 测定7次空白样t_{(n–1, 0.99)}为3.143, 由表 7得标准偏差S为0.003 3 mg/L, 得到方法检出限为0.010 mg/L小于0.020 mg/L(HY/T 147.1—2013^[1]检出限的要求), 以4倍检出限作为测定下限, 即该方法测定下限为0.040 mg/L, 表明该方法检出限低, 灵敏度高。

选取实际海水样3个, 盐度均大于25‰, 在1.4条件下平行测定6次。结果表 8显示, 测定海水1、2、3中溶解态总氮均值分别为0.113、0.283、0.446 mg/L, 相对标准偏差分别为7.0%、5.1%、5.4%, 符合HJ 442.3- 2020^[24]质量控制10 %的要求。表明方法测定结果精密度好, 稳定性高。

将HY/T 147.1—2013^[1]法测定实际样和质控样结果与本方法比对, 结果见表 9, 两测定结果的相对偏差为0.33% ~ 3.7%, 实际样溶解态总氮大于相应无机氮, 符合相关性要求, 质控样来源生态环境部标准样品研究所, 样1的批号为203260(标准值: 1.41±0.09 mg/L)、样2的批号为203285(标准值: 3.02±0.14 mg/L)。样1、样2测定结果在标准值范围, 表明方法测定结果正确度好, 可比性强, 符合实验室质量控制的要求。

海水实际样品盐度和加标试验性能指标的验证结果见表 10, 实际样经抽滤后均为澄清透明, 加标物质为总氮中间标准使用液(20.0 mg/L), 加标试验回收率为93.0%~101%, 符合HJ 442.3—2020^[24]质量控制的要求, 表明方法适用于不同盐度海水测定溶解态总氮的加标试验, 正确度较好。

2.6 干扰试验

试验分为氧化性物质干扰试验和还原性物质干扰试验, 氧化性物质包括Fe³⁺、Cr₂O₇^2–(以Cr计), 分别配制干扰物质质量浓度约200 mg/L用上述方法在1.4条件下依次测定, 各测定结果均低于测定下限0.040 mg/L, 可忽略不计。还原性物质取邻苯二甲酸氢钾0.85 g溶于水, 并稀释至1 000 mL, 该溶液的理论化学需氧量为1 000 mg/L, 且该溶液含氨氮2.0 mg/L, 该溶液上机测定溶解性总氮结果为1.96 mg/L, 结果说明过硫酸钾在较多还原性物质存在时同样可充分氧化氨氮为硝酸盐氮。结果表明, Fe³⁺、Cr₂O₇^2–小于200 mg/L和化学需氧量小于1 000 mg/L时对溶解态总氮监测的干扰较少, 表明在线控压消解-串联镉圈去盐法抗干扰能力更强。

2.7 前处理环境友好性的对比

由表 11两者前处理废液来源用量对比可知在线消解法远小于HY/T 147.1—2013^[1]手工法, 每个样品取样量减少92%, 过硫酸钾溶液减少量78.7 %, 合计在线消解法产生废液减少量为84.9%。证明在线消解法从试剂用量上对环境较为友好, 属于低消耗、高产出、污染低、环保型的监测方法。

3 结语

通过优化试剂配方和反应模块, 引入在线控压注入气泡间隔技术, 利用串联镉圈消除盐度干扰, 建立在线控压消解-串联镉圈去盐法测定海水中溶解态总氮, 设定稳定的压力注入气泡得到更均匀的液流间隔片段, 使方法检出限低、精密度与正确度良好。方法操作简单、快速, 实样和标样与HY/T 147.1— 2013^[1]方法相比两测定结果的相对偏差 < 10%, 各项性能指标符合监测质量控制要求。该方法改进了现有监测方法, 串联镉圈消除盐度干扰效果好, 实现了自动化在线消解前处理的监测, 提高了工作效率, 同时节约了试剂还减少了废液的产生。该方法适用于现国家采用大片海域监测海水中溶解态总氮的方式, 仪器连续监测大量的样品仍可保持较好的正确度和精密度, 值得推广应用。