CN113884459B - 一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用 - Google Patents

一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用。该方法通过使用无氨海水作为空白溶液和稀释溶液，消除了海水样品中盐分等背景因素对测定的影响，同时采用二阶导数紫外光谱法扫描处理，消除硝酸盐紫外吸收峰附近其它物质的干扰，有效保证本发明方法的准确度和选择性。该方法的特点为选择性好，线性范围宽，准确度高，稳定性好，能够快速有效地检测海水样品中的硝酸盐含量，可用于批量检验。本发明的方法无需额外添加掩蔽剂，过滤后可直接测定样品中硝酸盐含量，具有干扰少、操作简单、速度快、回收率高、精密度好等优点，适用于海水、其它咸水样品以及某些含盐工业废水中硝酸盐含量的快速直接测定。

Description

一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用
技术领域
本发明涉及环境检测分析技术领域，尤其涉及一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用。
技术背景
现有技术中，测定海水中的硝酸盐含量主要采用镉柱还原法(GB17378.4—2007)，其原理为水样通过镉还原柱将硝酸盐定量还原为亚硝酸盐，然后按重氮－偶氮分光光度法测亚硝酸盐含量，扣除水样中原有亚硝酸盐含量，从而得到硝酸盐的含量。镉柱还原法具有灵敏度高、干扰少、显色稳定等优点。但该法步骤繁琐、检测周期长、试剂消耗量大、无法实现快速测量。此外，气相分子吸收光谱法、流动分析法、离子色谱法等也常被用于海水中的硝酸盐含量测定，但这些方法要么需要较长的预处理时间，要么需要昂贵的仪器，从而限制了其应用。
二阶导数紫外光谱法用于测定水样中硝酸盐含量目前在国内使用很少，但美国公共卫生协会(APHA)和水环境协会(WEF)等国家机构已经将其纳入标准分析方法了(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,22nd ed,2012)，适用于测量淡水中硝酸盐的含量，其原理为在二阶导数光谱中，硝酸根在220～224nm处有一最大紫外吸收峰，该吸收峰值与硝酸根浓度在一定范围内成正比，据此可测得水样中硝酸盐含量。但此方法不适用于海水样品或其它咸水样品中硝酸盐含量的测定，因为海水中的复杂盐分等干扰因素会对该方法产生干扰，导致低浓度硝酸盐含量时无峰值出现而无法使用。因此，开发一种快速、简便、准确可靠的测定方法，对于海水样品或其它咸水样品中硝酸盐含量的测定非常重要，对有效保护海水资源、利用海水资源和研究海水资源意义重大。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法及应用。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供的一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法，采用紫外扫描光谱系统，包括如下步骤：
S1、制备溶液：
空白溶液：无氨海水。要求用合适方法制得无氨海水，调节pH约为7，每升加1mL三氯甲烷，混匀，可长期保存。实际使用时，空白溶液的盐度或电导率要大于或等于样品溶液的盐度或电导率；
标准曲线溶液：用所述空白溶液做稀释溶液，制备不同浓度的硝酸盐标准使用液，得到的不同浓度的标准曲线溶液；
样品溶液：取海水、咸水样品或某些含盐废水的样品，经滤膜过滤，得到的滤液作为所述样品溶液；若样品溶液的硝酸盐含量过高，可用所述空白溶液做稀释溶液进行适当稀释；
S2、设置仪器参数：
在所述紫外光谱扫描系统上设置仪器参数，包括扫描范围、扫描速度、光谱带宽、数据间隔和扫描周期；
S3、实施检测：
将所有不同浓度的所述标准曲线溶液和所述样品溶液依次加入1cm石英比色皿中，以所述空白溶液作为参比，采集零阶紫外吸收光谱图；
S4、建立标准曲线方程：
分析步骤S3得到的所有所述标准曲线溶液的紫外吸收光谱图，分别经二阶导数处理后，得到对应的二阶导数紫外吸收光谱图，以所述标准曲线溶液中的硝酸盐浓度为横坐标，二阶导数紫外吸收光谱图在210-240nm范围内的最大吸收峰值为纵坐标，建立硝酸盐的标准曲线方程；
S5、计算含量：
分析所述样品溶液对应的二阶导数紫外吸收光谱图中的最大吸光度值，按标准曲线方程，计算得到样品溶液中硝酸盐的含量。
进一步的，步骤S1中，所述空白溶液的盐度或电导率要大于或等于所述样品溶液的盐度或电导率。
进一步的，步骤S1中，硝酸盐标准使用液的配制方法为：将常规方法配制的硝酸盐标准贮备液用所述空白溶液稀释，制备得到硝酸盐标准使用液。
进一步的，步骤S1中，用所述空白溶液配制至少5个不同浓度的标准曲线溶液。
进一步的，步骤S1中，所述滤膜的孔径为不大于0.45μm，所述滤膜包括有机过滤膜和玻璃纤维过滤膜。
本发明还提供了上述的海水中硝酸盐含量的直接测定方法的应用，所述应用的适用范围包括：海水样品、咸水样品、含盐工业废水样品和不同海水浓度的人工样品。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
(1)本发明提供的方法选用无氨海水作为空白溶液，是因为无氨海水中含有与普通海水样品相似的干扰化合物浓度，通过使用无氨海水作为空白溶液和稀释溶液，消除了海水样品中复杂盐分等背景因素对测定的影响，同时采用二阶导数紫外光谱法扫描处理，消除硝酸盐紫外吸收峰附近其它物质的干扰，有效保证本发明方法的准确度。该方法的特点为选择性好，线性范围宽，准确度高，稳定性好，能够快速有效地检测海水样品中的硝酸盐含量，可用于批量检验。
(2)本发明提供的方法能够直接测定海水或其它咸水样品中硝酸盐的含量，无需额外添加掩蔽剂，过滤后可以直接测定，具有干扰少、操作简单、速度快、回收率高、精密度好等优点，适用于海水、其它咸水样品以及某些含盐工业废水中硝酸盐含量的快速直接测定。
附图说明
图1为以无氨水为空白溶液作参比的二阶导数紫外吸收光谱图；
图2为以盐度33.9ppt的NaCl溶液作参比测定海水标准的二阶导数紫外吸收光谱图；
图3为以无氨海水为空白溶液作参比的二阶导数紫外吸收光谱图；
图4为作参比的空白溶液的盐度或电导率小于样品溶液的盐度或电导率时的二阶导数紫外吸收光谱图；
图5为本发明的方法进行方法学验证的标准曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明实施方式作进一步描述。
本发明中的硝酸盐含量指硝酸盐氮(NO3 --N)的含量。
本发明提供的一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法，其方法开发过程如下：
为了消除海水中盐分对测定的干扰，提高方法的适用性和准确度，本发明对空白溶液进行了研究和筛选：
无氨海水的配制方式有多种，在这里不做限定。本发明对空白溶液进行研究和筛选实验中，无氨海水的制备方法为：采集干净海水，用0.45μm滤膜过滤后，加入无水碳酸钠碱化至pH＝10±0.1，加入同体积蒸馏水，煮沸蒸发至原来体积，再滴加1+9盐酸调节至pH＝7±0.1，制得无氨海水，每升加1mL三氯甲烷，混匀，可长期保存。实际使用时，空白溶液的盐度或电导率要大于或等于样品溶液的盐度或电导率。
如图1所示，当以无氨水为空白溶液时，二阶导数吸收光谱图显示，低浓度标准(0～2mg/L NO3 --N，下同)在210～240nm处无峰值，是由于海水中盐分等背景因素干扰导致的。
如图2所示，由于海水中的主要成分为NaCl，本研究也试验了用NaCl溶液代替海水作空白溶液的适用情况。当以相应的氯化钠溶液作为参比溶液时，二阶导数吸收光谱图显示，低浓度标准在210～240nm处无峰值，方法不可用。但用无氨海水作为参比溶液时，可以正常测定以NaCl溶液为稀释溶液配制的标准，说明本发明的方法也适用于海水样品以外的含盐水样。
如图3所示，当以无氨海水为空白溶液时，二阶导数吸收光谱图显示，各浓度标准在210～240nm处有峰值，实验发现，该光谱吸收峰值与硝酸盐浓度呈正比，说明无氨海水能消除海水中盐分等背景因素的干扰。故选择无氨海水作为本发明的方法的空白溶液和稀释溶液。
而且，由图3可知，在212nm～220nm处无吸收峰，说明以无氨海水为空白溶剂时，无干扰，本方法的选择性强。
如图4所示，实验中还发现，用作空白溶液的无氨海水的盐度或电导率要大于或等于样品溶液的盐度或电导率，本方法才能顺利进行。否则低浓度标准在210～240nm处无峰值，方法不可用。当参比溶液/空白溶液的盐度与样品的盐度相近时，可得最优结果，标准曲线方程的决定系数R2值为最佳。
为了验证本发明方法的准确度高，精密度好，线性范围宽，适用盐度范围广，采用实验室配置不同海水含量和不同硝酸盐含量的多个样品对本发明的方法进行验证：
步骤S1，制备溶液：
空白溶液：采集干净海水，用0.45μm滤膜过滤后，加入无水碳酸钠碱化至pH＝10±0.1，加入同体积蒸馏水，煮沸蒸发至原来体积，再滴加1+9盐酸调节至pH＝7±0.1，制得无氨海水；为了储存时间长久，在每升无氨海水中加1mL三氯甲烷，混匀，密封于避光试剂瓶中，可长期储存。其盐度为33.4ppt，电导率为51.0mS/cm。
硝酸盐氮标准储备液：取适量优级纯硝酸钾(KNO3)，于105～110℃干燥至少2h，然后称取0.7218g溶于水，加1mL三氯甲烷作保存剂，并定容至1000mL，混匀，得到硝酸盐氮含量为100mg/L的标准贮备液。
硝酸盐氮标准使用液：移取10mL硝酸盐氮标准储备液，用所述空白溶液定容至100mL，得10mg/L的硝酸盐氮标准使用液。
标准曲线溶液：分别吸取0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mL硝酸盐氮标准使用液于试管中，分别用所述空白溶液稀释至10mL，制得NO3 --N浓度分别为0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mg/L的标准曲线溶液。
样品溶液1：含硝酸盐氮4.0mg/L，含25％的空白溶液。
样品溶液2：含硝酸盐氮6.0mg/L，含25％的空白溶液。
样品溶液3：含硝酸盐氮2.0mg/L，含50％的空白溶液。
样品溶液4：含硝酸盐氮6.0mg/L，含50％的空白溶液。
样品溶液5：含硝酸盐氮2.0mg/L，含100％的空白溶液。
样品溶液6：含硝酸盐氮6.0mg/L，含100％的空白溶液。
步骤S2，设置仪器参数：
在Perkin Elmer Lambda 25紫外可见分光光度计及配套的分析软件中设置仪器参数：扫描范围为210～240nm，扫描速度为50～250nm/min，光谱带宽为1～5nm，数据间隔为1～5nm和扫描周期为0.1～0.5s。
步骤S3，实施检测：
将0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mg/L的NO3 --N标准曲线溶液和样品溶液依次加入1cm石英比色皿，采集零阶导数光谱图；每个样品独立进行三次测定，取其平均值。
步骤S4，建立标准曲线方程
以210～240nm范围内的最大紫外光谱吸收值为纵坐标，硝酸盐浓度为横坐标，绘制如图5所示的标准曲线，曲线方程为Y＝0.0369X+0.0006，决定系数R2为0.9999，呈良好的线性关系。该方法的硝酸盐氮检出限为0.25mg/L，测定范围为0.8～6.0mg/L。
步骤S5，计算含量：
将样品溶液1～6对应的的二阶导数紫外吸收光谱扫描图中的最大吸收值，代入标准曲线方程进行计算，得到样品溶液1～6中硝酸盐氮的含量，结果见表1。
对样品溶液1～6进行平行测定三次，计算其相对误差。如表1所示，各浓度的测定值与标准值的相对误差在-4.98～3.13％之间，小于±5％，符合标准GB17378.2《海洋监测规范第二部分：数据处理与分析质量控制》中的规定，验证了本发明的方法准确度高。
对各已知浓度样品平行测定三次，计算各样品的标准偏差和相对标准偏差。如表1所示，所测样品的标准偏差在0.70～5.49％之间，相对标准偏差在0.53-1.92％之间，符合标准GB17378.2《海洋监测规范第二部分：数据处理与分析质量控制》中的规定，验证了本发明的方法精密度和重复性良好。
表1实验室配置不同海水含量和不同硝酸盐含量的样品测定结果
Figure BDA0003250448450000071
Figure BDA0003250448450000081
下面结合实施例对本发明提供一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法的效果进行详细说明。
实施例1：
文昌市某公司养虾海水中硝酸盐的测定。
S1、制备溶液：
空白溶液/稀释溶液：采集干净海水，用0.45μm滤膜过滤后，加入无水碳酸钠碱化至pH＝10±0.1，加入同体积蒸馏水，煮沸蒸发至原来体积，再滴加1+9盐酸调节至pH＝7±0.1，制得无氨海水；为了储存时间长久，在每升无氨海水中加1mL三氯甲烷，混匀，密封于避光试剂瓶中，可长期储存。其盐度为33.4ppt，电导率为51.0mS/cm。
硝酸盐氮标准储备液：称取0.7218g经105～110℃干燥2h以上的优级纯硝酸钾(KNO3)，溶于水，加1mL三氯甲烷作保存剂，并定容至1000mL，混匀，得到含硝酸盐氮含量为100mg/L的标准贮备液。
硝酸盐氮标准使用液：移取10mL标准贮备液，用所述空白溶液定容至100mL，得10mg/L的硝酸盐氮标准使用液。
标准曲线溶液：分别吸取0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mL硝酸盐氮标准使用液于试管中，分别用所述空白溶液稀释至10mL，制得NO3 --N浓度分别为0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mg/L的标准曲线溶液。
样品溶液：取文昌市某水产公司养虾海水，经0.45μm滤膜过滤，得到的滤液作为所述样品溶液，其pH为8.2，盐度34.4ppt。
S2、设置仪器参数：
在Perkin Elmer Lambda 25紫外可见分光光度计及配套的分析软件中设置仪器参数：扫描范围为210～240nm，扫描速度为50～250nm/min，光谱带宽为1～5nm，数据间隔为1～5nm和扫描周期为0.1～0.5s。
S3、实施检测：
将0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0mg/L的NO3 --N标准曲线溶液和样品溶液依次加入1cm石英比色皿，采集零阶导数光谱图；每个样品独立进行三次测定，取其平均值。
S4、建立标准曲线方程
以210～240nm范围内的最大紫外光谱吸收值为纵坐标，硝酸盐浓度为横坐标，绘制如图3所示的标准曲线，曲线方程为Y＝0.0369X+0.0006，决定系数R2为0.9999，呈良好的线性关系。
S5、计算含量：
由于文昌市某公司养虾海水中的硝酸盐含量超过方法的线性范围，对该样品用所述空白溶液分别稀释10倍和20倍，制备成2份样品进行测定，样品1中含硝酸盐氮的质量为13.90μg；样品2中含硝酸盐氮的质量为6.79μg。
用文昌市某公司养虾海水样品考察本方法的准确度：
于样品1和样品2中加入10μg的硝酸盐氮，加标回收率计算结果见表2。每组水样的加标回收率都在97％～102％之间，相对标准差小于2.77％，所以该方法准确度好，适用于海水样品的测定。
表2某养虾海水中硝酸盐氮加标回收率测定结果
水样 样品含量μg 加标量μg 测得量μg 相对标准偏差％ 加标回收率％
样品1 13.90 10 23.60 2.77 97.50
样品2 6.79 10 16.95 1.03 101.6
实例2：
九江某精细化工公司高盐氨基酸工业废水中硝酸盐氮含量的测定
分析过程同实例1，因该样品盐度达到113ppt，pH为6.1，NO3 --N浓度过高，超出了标准曲线的最大浓度，故对样品分别进行了10倍和20倍的稀释。计算得到的加标回收率如表3所示，加标回收率在98.4％～101.7％之间，相对标准差小于2.04％，所以该方法回收率和精密度良好，也适用于某些含盐工业废水样品的测定。
表3某含盐氨基酸废水中硝酸盐氮加标回收率测定结果
水样 样品含量μg 加标量μg 测得量μg 相对标准偏差％ 加标回收率％
样品1 9.00 10 18.80 2.04 98.40
样品2 18.00 10 28.17 1.63 101.7
综上所述，本发明所提供的方法选择性好，准确度、精密度符合要求，方法变异系数小，能可靠的用于海水中硝酸盐的含量测定，检出限达到0.25mg/L，线性范围0.8～6.0mg/L。样品制备简单，检测时间短，保证了方法的可行性，可广泛应用在不同领域的海水样品、其它咸水样品和某些含盐工业废水样品中硝酸盐含量的测定。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种海水中硝酸盐含量的直接测定方法，其特征在于：所述测定方
法适用于海水样品、咸水样品、含盐工业废水样品和不同海水浓度的人工样品，具体包括如下步骤：
S1、制备溶液
干扰消除液：采集干净海水，用0.45μm滤膜过滤后，加入无水碳酸钠碱化至pH=10±0.1，加入同体积蒸馏水，煮沸蒸发至原来体积，再滴加1+9盐酸调节至pH=7±0.1，即得无氨海水，测定其电导率及盐度并记录；实际使用时，可酌情稀释，但其盐度或电导率必须大于或等于待测样品溶液的盐度或电导率；
硝酸盐氮标准储备液：称取0.7218g经105~110℃干燥2h以上的优级纯硝酸钾，溶于水，加1mL三氯甲烷作保存剂，并定容至1000mL，混匀，得到含硝酸盐氮含量为100mg/L的标准贮备液；
硝酸盐氮标准使用液：移取10mL标准贮备液，用所述干扰消除液定容至100mL，得10mg/L的硝酸盐氮标准使用液；
标准曲线溶液：分别吸取0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0 mL硝酸盐氮标准使用液于试管中，用所述干扰消除液稀释至10mL，制得NO3 --N浓度分别为0、0.5、1.0、2.0、4.0、6.0 mg/L的标准曲线溶液；
样品溶液：取待测样品，经0.45μm滤膜过滤，得到的滤液作为所述样品溶液；
所述干扰消除液的盐度或电导率要大于或等于所述样品溶液的盐度或电导率；若待测样品的盐度过高时，需用去离子水稀释后使用，使其盐度或电导率必须小于或等于所述干扰消除液的盐度或电导率；
硝酸盐标准使用液的配制方法为：将用常规方法配制好的标准贮备液用所述干扰消除液稀释，制备得到硝酸盐标准使用液；S2、设置检测参数
在Perkin Elmer Lambda 25紫外光谱扫描系统上设置检测参数：包括扫描范围为210~240nm，扫描速度为50~250nm/min，光谱带宽为1~5 nm，数据间隔为1~5 nm和扫描周期为0.1~0.5 s；
S3、实施检测
将所有不同浓度的所述标准曲线溶液和所述样品溶液依次加入1cm石英比色皿中，以空白溶液作为参比，采集零阶导数紫外吸收光谱图；若所述样品溶液的硝酸盐含量过高，将样品溶液用空白溶液进行稀释后再进行检测；
S4、建立标准曲线方程
分析步骤S3得到的所有所述标准曲线溶液的零阶导数紫外吸收光谱图，分别经二阶导数处理后，得到对应的二阶导数紫外吸收光谱图，以所述标准曲线溶液中的硝酸盐浓度为横坐标，所述二阶导数紫外吸收光谱图在210-240nm范围内的最大吸收峰值为纵坐标，建立硝酸盐的标准曲线方程；
S5、计算含量
分析所述样品溶液对应的二阶导数紫外吸收光谱图中的最大吸收峰值，按标准曲线方程，计算得到样品溶液中硝酸盐的含量。
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