（环境工程专业论文）水环境中亚硝酸盐氮、氨氮及铁（Ⅲ）自动分析方法研究.pdf

水环境中亚硝酸盐氮、氨氮及铁( 1 1 1 ) 自动 分析方法研究+ 环境工程 研究生：吴金苗指导教师：张新申教授 水，是人类的宝贵资源，生命之泉，但水污染在世界上仍相当普遍而又严 重。随着当今环境问题日益突出，环境污染物排放的控制越来越受到人们的重 视。要对污染物排放进行控制，首先需要对各污染源的污染物排放情况进行在 线监测。 本文针对国家8 6 3 课题营养盐自动分析仪标准化的要求，应用张新申教授 提出的新的分析方法一反相自动参比流动注射法( r e v e r s ea u t o m a t i c r e f e r e n c ef 1 0 wi n j e c t i o n ，简称r f i a ) ，开展了环境水样中n o j 一和州。+ 的自 动分析方法的研究。将反相自动参比流动注射分析法用于n o ：一和n 地+ 分析尚未 见报道。同时采用流动注射分析法进行了环境水样中f e 3 。的自动分析方法的研 究。其中n o 。一自动分析方法采用的是磺胺一二盐酸一1 一萘乙二胺( n e d ) 显色 的反应体系，n h 。+ 的自动分析采用的是次溴酸钠氧化磺胺n e d 显色的反应体 系，f e ”的自动分析采用的是硫氰酸盐一结晶紫显色的反应体系。该自动分析方 法彻底摒弃了传统手工比色法操作繁琐、耗时、耗费大量化学试剂、易引入人 为误差等的弊端，实现了真正意义上的环境水样中n 晚一、n h 。+ 及f e ”的自动在 线分析，为一种环境友好的绿色分析方法，在环境监测领域具有很好的应用前 景。 论文通过试验选择了流动注射分光光度法测环境水样中n 0 。一、n 扎+ 及f e ” 的最优分析流路、氧化剂及显色剂。并探讨了该自动分析方法测定水中n o 。一、 + 本文研究内容为国家8 6 3 课题“海洋监测技术成果标准化工程一营养盐自动分析仪”的部分工作。 n 也+ 及f e ”的分析条件，选择n o 。一分析条件为：载流速度0 6 0 9 i l l l ，m in ，进样 体积2 5 0 4 0 9 l ，显色盘管长度3 m ；n h + 分析条件为：载流0 7 0 8 m l m i n ，进 样体积4 0 0 1 4 0 1 i _ l ，反应盘管长度5 t i l ，显色盘管3 m ；f e ( i i i ) 分析条件为：显 色体系中硫酸浓度为0 0 1 8 m o l 几，结晶紫浓度o 0 4 9 l ，进样体积4 0 0 p l ，反 应盘管长度1 5 m ，显色盘管长度8 m 。 研究的自动分析方法成功地用于海水、河水及河口水等实际水样分析。实 验表明，方法不仅具有快速、简便的优点，而且线性好、精密度高、抗干扰能 力强，整个体系简单、稳定性好、维护方便，与本实验室研制地营养盐自动分 析仪配套使用，可以实现全自动化，能够满足长时间连续自动分析的要求。 关键词：水环境亚硝酸盐氮氨氮铁( ) 流动注射分析反相自动参比流动注 射法 i i r e s e a r c ho na u t o m a t i ca n a l y t i c a lm e t h o do fn i t r i t e a n da m m o n i aa n di r o n ( ) i nw a t e re n v i r o n m e n t e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g m a s t e r ：j i n m i a ow u s u p e r v i s o r ：x i n s h e nz h a n g w a t e ri st h er a r er e s o u r s et oh u m a nb e i n g ，a n dt h ef o u n t a i no fi i f e b u tw a t e r p o l l u t i o ni nt h ew o r l di sv e r yu n i v e r s a la n ds e r i o u s ，a st h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s b e c o m i n gm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g ，m o r ea n dm o r ep e o p l ea r ec o n c e m e do nt h e e m i s s i o n so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t oc o n t r o lt h ee m i s s i o no fp o l l u t a n t s ，a tf i r s t t h ee m i s s i o nc o n t i d i t i o n so fa l lk i n d so ft h ep o l l u t a n t ss h o u db eo n l i n em o n i t o r e d t om e e tt h ed e m a n d so fs t a n d a r d i z a t i o no ft h ea u t o m a t i ca n a l y t i ca p p a r a t u s w h i c hi su s e dt od e t e c tn u t r i e n t ，t h ea u t o m a t i ca n a l y t i c a lm e t h o d st od e t e r m i n en i t r i t e ， a n da m m o n i aw e r ee s t a b l i s h e db yu s i n gr e v e r s ea u t o m a t i cr e f e r e n c ef l o wi n j e c t i o n a n a l y s i s ，w h i c hi san o v a lm e t h o dp u tf o r w a r db yx i n s h e nz h a n g m e a n t i m e ，t h e m e t h o dt od e t e r m i n ei r o n ( i i i ) w a sa l s oe s t a b l i s h e db yf l o wi n j e c t i o na n a s y s i s t h e r e a c t i o nm e c h a n i s mt od e t e r m i n en 0 2 i sb a s e do nt h es u l f a - n a p h t h y l e n e d i a n d i h y d r o c h l o r i d ec o l o r i n gs y s t e m t h er e a c t i o nm e c h a n i s mt od e t e r m i n en h 4 + i s f o u n d e do nt h es u l f a - n a p h t h y l e n e d i a nd i h y d r o c h l o r i d ec o l o r i n gs y s t e ma f t e r s o d i u mh y p o b r o m i t eo x i d i z a t i o n t h er e a c t i o nm e c h a n i s mt od e t e r m i n ef e + i s b a s e do nt h et h i o c y a n a t e - - c r y s t a lv i o l e tc o l o r i n gs y s t e m t h en e wm e t h o dt o t a l l y a b a n d o n e dt h ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lm a n u a la n a l y t i c a lm e t h o d ，s u c h a s c o m p l i c a t e do p e r a t i o n ，e a s et oc a u s i n ga r t i f i c a le r r o r s ，c o n s u m i n gm o r et i m ea n d r e a g e n t sa n ds o o n i tc a l le a s i l yr e a l i z et h ea u t o m a t i co n l i n ea n a l y s i so f w a t e rq u a l i t y i nr e a ls e n s e a n di ti sa l s oak i n do fg r e e na n a l y s i sm e t h o dw h i c hi sf r i e n d l yt o e n v i r o n m e n t ， a n dh a sg o o da n a l y t i c a l a p p l i c a t i o np r o s p e c t i ne n v i r o n m e n t m o n i t o r i n gf i e l d n i t h ed i f f e r e n ta n a l y t i c a lf l o wp a t h sm a do x i d a n t sa d o p t e di nt h em e t h o dw e r ea l l e s t a b l i s h e dt h r o u 曲e x p e r i m e n t t h ea n a l y t i c a lc o n d i t i o n su n d e rw h i c hn i t r i t ew a s d e t e r m i n a t e dw e r ee s t a b l i s h e da sf o l l o w s ：t h ev e l o c i t yo fc a r r i e rw a so 6 0 9 m l m i n ， t h ei n j e c t i o nv o l u m ew a s2 5 0 1 4 0 p l ，t h el e n g t ho fr e a c t i o nc o i lw a s3 m ；t h e a n a l y t i c a lc o n d i t i o n so fn l - h + w e r et h ev e l o c i t yo fc a r r i e ro 7 0 ，8 m l m i n ，t h e i n j e c t i o nv o l u m e4 0 0 1 1 4 0 p l ，t h el e n g t ho fr e a c t i o nc o i l5 ma n d3 m ；t h ea n a l ) ，t i c a l c o n d i t i o n so ff e 3 + w e r et h ec o n c e n t r a t i o no fh 2 s 0 4w a s0 0 18 m o l l ，t h ei n j e c t i o n v o l u m e4 0 0 9 l ，t h el e n g t ho fr e a c t i o nc o i l s1 5 ma n d8 m t h em e t h o d sa r es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e t e r m i n a t i o no fn 0 2 、n h 4 + a n d f e ”i ns e a w a t e r 、r i v e rw a t e ra n dr i v e rm o u t hw a t e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h em e t h o d sh a v eb e e np r o v e dr a p i d ，s i m p l ea d v a n t a g e ，b e t t e rl i n e a r i t y , m o r e p r e c i s i o n ，a n ds t r o n g e ra n t i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dt h ew h o l es y s t e m i s s i m p l e ， s t a b l e ，a n de a s yt ob em a i n t a i n e d i fu s e dc o m p o u n dw i t ht h ea u t o m a t i ca n a l y t i c a p p a r a m sd e v e l o p e db ym yo w nl a b ，i tc o u l dr e a l i z ef u l la u t o m a t i o na n d c o n t i n u o u s a n a l y s i s k e y w o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n t ，n i t r i t e ，a m m o n i a ，i r o n ( i i i ) ，f l o wi n j e c t i o n a n n y s i s ，r e v e r s ea u t o m a t i cr e f e r e n c ef l o wi n j e c t i o n 四川大学硕一 二学位论文 1 前言 1 1 课题研究的意义 水是人类的宝贵资源，生命之泉，但水污染在世界上仍相当普遍而又严重。 随着当今环境问题日益突出，污染物排放的控制越来越受到人们的重视。要对 污染物排放进行控制，首先需要对各污染源的污染物排放情况进行在线监测。 然而由于人类生产和生活迅速发展，特别在沿海地区，大量的工业废水、 生活污水未经处理就通过河流排入湖泊、海洋之中。大量施用氮肥、磷肥、含 磷洗涤剂，生活污水中常含有过量的n 、p 等营养物质，这些物质流入湖泊、海 湾，使海水、潮水中富含n 、p 等植物营养物质，称水体富营养化。富营养化已 成为当前水环境污染的首要问题之一，具有诸多的负面影响，尤其对饮用水源 的影响十分严重。受污染的水体水质改变了海湾、湖泊生物的生长环境，使其 的生物群分布，生物生长、生殖和营养状况发牛变化，蒋绿藻类疯狂牛长， 藻华爆发覆盖水面，使水体缺氧，水生生态受到严重影响。同时这些生物集中 在水层表面进行光合作用，释放氧气，使表层海水溶氧达饱和，从而阻止了大 气中的氧气溶入深层海水，而大量死亡的海藻在分解时却要消耗水中的溶解氧， 使水中溶氧急剧减少，致使鱼类死亡，死亡的藻类分解时会放出甲烷、硫化氢 等气体，使水体变得腥臭，这种情况在海洋中发生，称为“赤潮”。在淡水中发 生称为“水华”。在某些情况下水体发生恶臭、死鱼等现象，严重影晌供水、渔 业、娱乐、甚至景观。 早在本世纪三十年代，西欧一些国家和美国就出现了湖泊的富营养化。我 国的大型湖泊、水库自7 0 年代末期也相继出现富营养化”3 ，特别近几年，我围 近海、内海海域由于受海洋环境污染的影响，赤潮灾害时有发生。近2 0 年，我 国沿海赤潮灾害曰益频繁，8 0 年代平均每年1 0 次左右，到9 0 年代上升到每年2 0 次以上，赤潮发生的频率越来越高，规模越来越大。持续时间越来越长。2 0 0 0 年5 月份浙江海域发生的赤潮，其面积达一万多平方米，是发生在我国海域赤潮 面积最大的一次，而且赤潮持续时间长达一个月。 赤潮危害的严重性表现在：( 1 ) 水产资源的损失。由于富营养化造成水中缺 氧，使鱼类大量死亡，生态平衡遭到破坏。( 2 ) 富营养化水体中，含有亚硝酸盐 四j i l 大学硕士学位论文 和硝酸盐。当这些盐类浓度超过允许的标准时，长期饮用这种水会使人畜中毒， 甚至致癌。( 3 ) 富营养化水体中，有机质会分解产生甲烷、硫化氢等有毒气体。 而且，一些生产毒素的藻类会大量繁殖，排出毒素，引起鱼类和人类中毒。这 样，势必影响到工业和生活用水，增加用水处理成本。( 4 ) 赤潮发生时散发的类 似硫化氢的鱼腥昧，降低了景观的使用价值。1 。 为及时掌握水质营养成分的浓度及其变化规律，需要对水体的营养成分进 行定点、实时、长期、连续在线监测。我国海洋幅原辽阔，捌有一一力八于公里 的海岸线，由于我国的工业布局不合理，工业密集在沿海地区和城市，随着我 国现代化进展的发展和人类行为因素的的影响，内流的废水也随着河流流入大 海，使得我国海水水质曰趋恶化，研究和开发海洋环境检测新技术，不仅可以 为这些水域的污染监测与防治提供决策依据，还可以为其管理、规划、旅游资 源开发提供依据，为海洋工程、油气作业等海上生产活动提供环境参数，对发 展海洋经济，保护海洋环境，具有重要意义。 铁广泛存在于自然界中，对人体的新陈代谢非常重要，是许多酶的重要组 成成分。铁对人体的生理功能主要是参与肌体内部氧的输送和组织呼吸过程。 铁参与血红蛋白、细胞色素及各种酶的合成，激发辅酶a 等多种酶的活性，能 促进造血、能量代谢、生长发育和杀菌等功能。人体代谢每天需要12 m g 铁， 但由于肌体对铁的吸收率低，每天需从食物中摄取6 0 1 l o m g 的铁才能满足需 要。人体缺铁或利用不良时，将导致发生贫血、免疫功能障碍和新陈代谢紊乱 等。 同时，由于工业废水的排放，铁的水处理剂广泛用于水处理，水体水质中 f e ( i i i ) 含量逐渐增高，严重影响了河口水、饮用水的水质。含铁量高的水在 管道内易生长铁细菌，增加水的浑浊度，使水产生特殊的色、嗅、味。含铁量 达0 3 m g l 时，色度约为2 0 度；在0 5 m g l 时，色度可大于3 0 度：在1 o m g l 时可感到明显的金属味，使人不愿饮用，不宜煮饭、泡茶，易污染衣物、器皿， 影响某些工业产品质量。因此，f e ( 1 1 1 ) 的合理快速的在线检测手段是必要的。 但我国水质的分析大多还采用手工方法。手工方法不仅分析步骤繁琐、分 析速度慢，而且在样品的采集、转移、储存过程中极易引入误差。国内虽有少 数单位购置了进口的自动分析仪，但也仅限于实验室使用，不能用于自动检测。 为获得准确的水质资料，有关单位不得不组织专业人员出去考察进行现场采样 四川大学硕士学位论文 分析，但此举不仅消耗大量的人力、物力，而且考察分析环境恶劣，影响分析 结果的准确性。 因此，在国家海洋8 6 3 课题中，专门提出了水质监测系统技术的研究。本文 研究了流动注射分光光度法测定水中n 0 。一、n h 。+ 及f e ( i i i ) 的新型自动监测方法。 该自动分析方法彻底摒弃了传统手工分析方法操作繁琐、耗时、耗费大量化学 试剂、易引入人为的误差等的弊端，实现真正意义上水中n 0 ：一、n 地+ 及f e 3 + 的自 动在线分析，可以帮助我们及时掌握和控制水体q n o 。一、川。及f e 。的含量，在 水质分析监测领域具有很好的应用前景，为一种环境友好的绿色分析方法。 1 2 国内外水质分析监n 自c j 现状 由于海水及河口水具有的高盐度性质，使某些对淡水中营养盐分析效果较 好的方法，如离子色谱法“3 ，难以运用于海水及河口水中营养盐的分析监测。 到目前为止，水体中的水质指标的测定还不能像p h 值、温度、盐度测定一样， 通过电极、传感器来实现。水体成分的测定方法都必须通过一定的化学反应， 生成能被定量检测的化学物质( 一般为有色化学物质) ，再被定量检测出来。 目前，国内测定水体中n h + 、n 0 2 - - 和f e ”主要依靠手工比色法。中华人民共 和国国家标准”3 中的n o 。一、n h 。+ 、f e ”分析方法全部都是手工比色法。手工比色 法具有较高的灵敏度和较强的抗干扰能力。但其缺点也是显而易见的：( 1 ) 需 要进行容量瓶、移液管和比色皿等分析器皿的清洗工作。由于每个样品常需要 三次以上的平行实验，所以清洗工作是可以想象的；( 2 ) 分析的速度太慢，一 般实验室分析一个样品至少需要一个小时，甚至有时一个样品需要几个试验人 员一起联合测定；( 3 ) 手工分析的结果与分析者的技术水平和工作态度有很大 的关系，容易产生偶然误差；( 4 ) 操作复杂，对操作人员的熟练度和操作环境 都有较高的要求；( 5 ) 耗费化学试剂；( 6 ) 手工分析不可避免地使分析人员 长时间与化学试剂接触，特别是有毒的钠氏试剂、苯酚等，影响他们的身体健 康。( 7 ) 手工分析的致命缺点是分析受环境限制，取样后必须将样品带到实验 室进行分析。这样就不能对水质进行在线连续监测，不能确切掌握水质污染的 现状，发现水质的异常变化。无法实现自动分析，不能用于海水及河口水自动 分析监测。随着水质监测管理日益科学化、现代化，对水质监测提出了更高的 四川大学硕士学位论文 要求，研究和开发全自动连续在线快速测定方法和仪器已势在必行。研究水体 中n o z 一、n 乩+ 、f e ”的自动分析方法和仪器，在我国海洋分析领域已是当务之急、 刻不容缓。 流动注射分析法( f l o wi n j e c t i o na n a l y s i s ，简称f i a ) 是由丹麦的鲁齐 卡等于1 9 7 5 年首次提出。相对于传统方法，它有着诸多优点“。“：( 1 ) 分析速 度快。分析个样只需0 5 2 分钟。( 2 ) 操作简单。一般通过多通阀分别输入 试样和各种所需要的试剂，通过程序控制，很容易实现自动化。( 3 ) 可联用各种 检测手段，可以完成简单的进样操作又可以实现诸如在线溶剂萃取、在线柱分 离及在线消化等较复杂的溶液操作自动化。( 4 ) 参与化学过程的试剂用量很少。 通常一次测定只需要0 5 1 o m l 试剂，这样可节省试剂，并减少了对环境的二次 污染。( 5 ) 灵敏度高、检测限低。通过选择适当的反应测量体系和高性能的蠕 动泵，使测定的灵敏度、精密度和检出限都会明显的改善。同时多种前处理程 序的在线化，可以使流动注射达到高性能。这些特点对于过程分析和在线检测 具有特别重要的意义，而且流动注射技术很容易实现自动化。f i a 的诸多优点使 得这项技术在问世之后得到了迅速发展和广泛应用4 。其应用范围己从农业、 医药、临床化验、环境监测等方面扩展到工业在线分析及化学反应动力学、吸 附机理、干扰效应及生化反应等方面的理论研究”。”1 。 国内外应用流动注射分析技术在环境监测分析方面开展了较多的研究，取 得了一些进展。在自动化和实用性方面流动注射分析技术比起其它技术有着更 好的优越性。各国的科学工作者基于不同的反应原理，设计出了一些的流动注 射体系用于n o , 叫“1 ”、n h 。“”。1 、f e ”。”。的自动分析。由于水体中水质自动分析 监测的重要性，国内外也有科研工作者在应用流动注射技术进行水质中多种阳 离子和阴离子的自动分析的研究工作。”1 ，就总体而言，该项技术在环境监测 分析方面要优于其它技术，但具体的成分分析的流动注射体系都有值得改进的 地方。原来文献所报道的方法或管道系统较复杂，或稳定性不够高，或灵敏度 不够，不能完全满足水中低浓度离子的长期无人监控的自动分析的要求，而且 流动注射分光光度法在分析海水和河口水中有些离子时有一个很难克服的问题 即由海水盐度引起的折光系数效应将对低浓度营养盐分析造成较大的误差”“。 对于河口水中营养敲的分析来说，折光系数效应会造成更大的误差。“。这是因 为河口水中的盐度是变化的，折光系数造成的分析误差也随之而时大时小，无 4 四川大学硕士学位论文 法按统一的标准大小作为本底值扣除掉。这也是摆在我们面前的个很大的难 题。 1 3 新的分析方法的研究 由于传统的手工比色法操作繁杂，而流动注射分析方法具有简单、迅速和 易实现自动化的特点，所以我们最初的工作都是围绕着研究出一套能自动分析 水中n o 。一、n h ，、f e ”的准确、简单、高灵敏度、高自动化的流动注射分析系统 而进行的。本实验室上届的硕士研究生邓赞对应用流动注射体系分析海水中的 n o 。一、n h 。+ 成份进行了前期研究，初步确定了n o 。一、n 也+ 的流动注射分析方法。 而f e ”的测定以往流动注射分光光度法用的显色体系大多采用邻二氮菲” 2 7 3 及其衍生物o ”，其次为硫氰酸盐类”5 ，且灵敏度低，而采用高灵敏度显色体 系测定f e 3 + 的f i a 一分光光度法研究报导不多。本文研究发现在稀硫酸介质下f e 3 + 与s c n 一形成的络阴离子与带正电荷的c v 缔合生成较稳定的紫色络合物，在 5 2 5 n m 处有最大吸收峰。最终确定了一种新的测定f e ”的流动注射分析法。 本研究在开始阶段致力于n 0 ：一和n t h + 的新的流动注射分析方法的研究。借鉴 比色法、半自动分析法等传统方法对f i a 体系进行设计和实验，对f i a 的每种具 有可行性的方法进行实验比较，优选出最适用的方法。然后通过改变管路系统， 对试剂的浓度配比进行优选，在兼顾准确性、灵敏度、系统的复杂程度及稳定 性的情况下，确定最优的分析方法及分析条件。设计出的流动注射分析体系在 各个方面都优于文献报道过的流动注射体系。然而，由于流动注射分析本身方 法的原因，折光系数效应不可能百分之百的消除。在以往的大部分关于流动注 射的文献中，对折光系数效应避而不谈，只有少数的文章涉及到该现象并提出 了一些解决方案，虽有一定的效果但都不能从根本上消除这一现象给分析结果 带来的误差。 最后采用了导师张新申教授提出的新的流动分析技术一反相自动参比流动 注射法，分别进行了环境水样中n 0 2 - - 和n k + 的分析方面的研究。大量实验表明， 该方法完全消除了折光系数效应，而且灵敏度比流动注射分析还要高，流动体 系设计简单，易实现自动化，特别适用于水体中n o 。一、n 乩+ 的自动监测。采用该 方法用于海水、河水、河口水分析时，均获得了满意的分析结果。 四川大学硕士学位论文 1 4 本文研究的主要内容 ( 1 ) 采用正相流动注射分析法和反相自动参比流动注射分析法进行了n o 。一 一n 的研究，对分析流路、试验条件进行了选择和优化，实现了水样中n 0 2 - - n 的 分析，对实际水样进行测试，并与标准法进行比较，以判别此法的可行性和准 确性； ( 2 ) 对n h 4 + 一n 的测定分别采用了流动注射分析法和反相自动参比流动注 射分析法进行了研究。并对各自实验条件进行了选择和优化，实现了水样中n i l 。+ 一n 的自动在线分析：并对实际水样进行测试，与标准法进行比较，以判别此 法的可行性和准确性：其中，采用反相自动参比流动注射分析法分析n 0 2 一一n 和n h 。+ 一n 尚未见报道； ( 3 ) 采用铁一硫酸氰盐一结晶紫( f e 一s c n 一一c v ) 显色体系对f e ( i i i ) 的自动分析进行了研究，对其分析的试验条件进行了优化。 四川大学硕士学位论文 2 实验原理 2 1 流动注射分光光度法基本原理 1 9 7 5 年丹麦学者r u z i c k a $ 口h a n s e n 首先提出了流动注射分析( f 1 铘i n j e c t i c n a n a y s i s ，简称f i a ) 的概念。在中国，方肇伦等。7 将流动注射法定义为：在热力 学非平衡的条件下，在溶液中重现的处理试样和试剂区带的定量流动分析技术。 f i a 是从实验操作的最基础部分入手来提高整个化学分析过程的效率及改善提 供信息的能力，经过近3 0 年的时间，已发展成为项较成熟的技术。 基本的流动注射分析流程图m q # 常简单，其示意图如下所示。 c 。- 一 图2 1 基本流动注射分析系统示意图 f i e = z1 s k e t c ho fb a s i cf l wi n j e c t i o na n a l y s i s c ：载流；p ：蠕动泵：s ：试样； v ：进样阀；l ：反应圈，d ：检测器；r ：记录仪；w ：废液 w 当装入进样阀中一定体积的试样被注入以一定流速连续流动的载流中后， 在流经反应器时与载流在一定程度上相混并发生反应，反应产物在流经流通式 检测器时得到检测，并在记录装置上反映出一个峰形信号，根据这个信号就可 以计算出试样中待测物的含量。 在f i a 出现之前，充分的、均匀的混合及在此基础上所达到的物理与化学 平衡状态是溶液化学分析最为基础的观念之一。即使对于那些例外的情况来说， 由于化学反应的特性所决定，无法在化学平衡状态下测定( 如动力学测定、化 学发光测定等) ，但仍要尽量实现试样与试剂的均匀混合。这一观念的形成并非 偶然，而是因为把试剂加入试样或把试样加入试剂的传统方式以及随后的混合 四，i l 大学硕士学位论文 过程，还有试剂与试样间发生的化学反应是无法精确控制的，因此要在分析时 获得足够的精度只有等到反应达到化学物理平衡的稳定状态，此时混合过程的 非重现状态及反应时间的长短可以忽略不计。 而在在流动注射分析中，则并不需试剂与试样的均匀混合，可以在非平衡 状态下高效率的完成试样的在线处理与测定。f i a 法的这一特点是源于其采用 的特殊的试样注入方式以及在此基础上导致的被注入试样区带在流动载流中形 成的特殊状态( 如图2 2 所示) 。由上图可以看出当把一个试样以柱塞状注入到 连续流动的载流( 试剂) 中的一瞬间，其中待测物的浓度沿着管道分布的轮廓 呈长方形，试样带注入后立即从载流获得一定的流速而随其向前流动。在f i a 法惯用的管道孔径( 0 5 i m m ) 和流速( 0 5 5 m l m i n ) 条件下，流体处于层 流状态，因此管道中心流层的线速为流体平均流速的二倍，越靠近管壁的流层 线流速越低，因而，在流动中形成了抛物线形的截面，随着流动过管道距离的 延长此抛物面更加发育。由于此对流过程与分子扩散过程同时存在，在试样与 载流之间逐渐相互渗透，出现了试样带的分散，待测物沿着管道的浓度轮廓逐 渐发展成为峰形，峰的宽度随着流过距离的延长而增大，峰高则降低。由此可 见，在f i a 中试样与载流( 试剂) 的混合总是不会完全的，然而，对于一个固 定的实验装置来说，只要流速不变，在一定的留存时间的分散状态都是高度重 现的，从而可以得到高度重现的分析结果。同时只要流速恒定，在同一实验装 置中试样与试剂混合后的反应时间也是恒定的，因此对于同一试样即使没有达 到反应平衡，但由于相同反应时间下达到相同的反应效率，同样可以得到高度 重现的分析结果。 图22f i a 体系中注入载流中的试样状态变化 f i 9 2 2 许町毋时s a t p i es t a t eu n d e r ；噼i n go fc a r r i e ri i q u o ri nf i a 甜蜘 流动注射技术虽然具有其他分析技术无可比拟的优越性，但他只有同特定 的检测拘束结合才能形成一个完整的分析系统，流动注射技术不仅流路系统可 以多样化，还能与多种检测技术相结合。一旦实现了这种结合就会使一些传统 的检测方法在分析性能方面有显著的提高，甚至飞跃。流动注射分光光度法就 四川大学硕士学位论文 是流动注射技术与分光光度检测技术结合而发展起来的一种方法。在此方法中， 流动注射技术作为样品前处理及各种化学操作的手段，分光光度法作为检测手 段。检测部分由分光光度计和流通池组成，当载流推动反应后生成的有色物质 经过流通池时，有色物质即被分光光度计检测出，原理上遵从朗伯比尔定律， 即a = k c l ，其中k 为常数，c 为有色物质浓度，l 为池的光程。又因有色物 质浓度与试样中待测物质成正比，另一方面吸光值被转化为电信号后通过记录 仪记录成峰状图形，故待测物质浓度与记录仪记录的峰高在理论上成正比。这 样，测定样品的峰高后，在浓度峰高工作曲线上即可查出样品待测物质的 浓度。 2 2 反相自动参比流动注射方法的原理 反相自动参比流动注射分光光度法流路是本实验室在结合传统流动注射分 光光度法流路和双流路自动参比流动注射分光光度法流路”的优点的基础上提 出的一种新的分析方法，其基本流程图如图所示。 r r t s 上 u w 图2 3 反相自动参比流动注射分光光度法流程 f i 岳2 3 a l y s i sf l o w p a t ho fr e v e r s ea u t o m a t i cr e f e r e n c ef i a r ：显色液；r ：参比液；s ：试祥ip ：蠕动泵； v ：进样阀：l ：反应圈；d ：检测器；r ：记录仪；w ：废液 在流路中，参比液r ，通过阀门v 与样品( 或标样) s 溶液在三通x 中混 合，进入反应圈l ，由于此时进样阀门没有打开，显色剂r 不能进入流路显色， 所以在配有发光二极管的光度检测流通池中得到一条直线，即基线，待基线平 9 四川大学硕士学位论文 稳后，打开进样阀，显色剂r 被转换阀切换与参比液r 。试样( 标样) s 在x 处混合，进入反应圈l ，在反应圈l 中，显色液r 与试样( 标样) s 充分反应， 生成有色溶液，进入配有发光二极管的流通池d 被检测出，在谱图上产生一个 高于基线的吸收谱峰。据朗伯一比尔定律知，该谱线与基线的高度差正比于有 色物质的浓度，从而该谱线的高度与待测物质成正比。这样就可以通过工作曲 线对样品中待测物质进行定量分析。 2 3 两种方法的理论比较 在以上两种流路中，相对而言，传统流动注射分光光度法流程最为简单， 对系统要求也最低，当试样是比较纯净，干扰小时是一种值得选择的流路。但 这种流路本身抗干扰能力小，对样品的稀释倍数大，不利于提高分析方法的检 测限。反相自动参比流动注射分光光度法流程采用了自动参比的流路设计，通 过引入参比液，不仅流路简单，而且可以自动校正由于样品干扰引起的分析偏 差。综台比较，以上两种流程主要有以下差异“。 ( 1 ) 峰形上的差异 在传统流动注射分光光度法分析样品时，试样作为塞子的形式被注射入流 路中，这样在载流和样品塞之间存在待测物的浓度差，载流和样品塞之间相互 扩散，在样品塞中待测物浓度梯度呈正态分布，最后由记录仪记录下正态峰如 图2 4 a 所示，峰高与浓度成正比。由于在这种流路中的样品塞与载流处于一相 互扩散的过程，当样品的p h 值过大或过小，载流( 特别是兼作反应液的载流) 与 试样的相互扩散不够完全时，会形成分叉峰如图2 4 c 所示。在反相自动参比法 流程中，样品与反应液均匀混合，不存在样品塞中的浓度梯度，对待测物的浓 度来说，其在管路中处于总浓度不变，可认为是处于一种稳态，故其显色液通 过检测器时是一段高于基线( 由参比液通过流通池时检测记录得到) 的谱峰，但 由于进样体积的关系，试样塞在流路中要扩散，最终形成的峰形仍是正态峰， 这时试样与显色液是完全混合的，不会象传统的流动注射法那样由于扩散不完 全而形成分叉峰。 四川大学硕士学位论文 a b c 图24 峰形上的差异 f i g 24d i f i e t e r l c eo fp e a ks h a p e a 、正态峰形b 、矩形峰彩c 、分叉峰形 ( 2 ) 对样品基底干扰的消除 在流动注射分光光度法中，其基线是由载流和反应液形成的，没有考虑到 试样色度和浊度的变化因素，这样势必给分析带来误差源。例如有两样品含有 相同浓度的待测物，但两样品本身的色度和浊度不同，那么它们通过流通池时 样品本身的浊度和色度也产生吸收，从而使这两个具有相同待测物浓度的样品 产生不同的峰高，从而影响分析结果的准确性。对于水体水中低浓度的测定， 在色谱工作站上记录的谱峰，将无法说清是由待测物质产生的还是有试样自己 的色度和浊度产生的，或峰高的部分是由待测物产生，这种情况将大大降低分 析结果的准确性和可信度。在反向自动参比流动注射分光光度法流路中就不存 在这种问题。样品和反应参比液r ，( 推动液) 的混和液作为基线，样品与反应 液r 的混合液被检测形成信号峰的峰顶，而峰高即为峰顶与基线的高差。由于 样品同配比地出现在管路中，与水涨船高的道理一样，这种流程可抵消样品中 色度或浊度等基底造成的结果不准确性。对于基体干扰严重的海水样品来说， 也是一样的。 ( 3 ) 对折光系数效应的消除 折光系数效应，亦称s c h l i e r e n 效应，是以分光光度法为检测方法的f i a 光度 分析中常遇到的- , e e 干扰效应。在一些资料上将折光系数效应完全归就于试样 和载流之间的密度差，这是不完全正确的。这种效应的形成是由于在流动注射 流路中，载流和试样溶液含有的物质不同或各物质的浓度不同，而各物质的折 光率是不同的，在载流和试样流动过程中，载流和试样塞中的物质相互扩散， 四川大学硕士学位论文 形成一个扩散层，在这一扩散层中存在浓度梯度，则也形成一层折光率处处不 同的折射界面层，在管路中该界面层是波动的并随流路湍流的加剧而波动加剧。 在进入流通池后，分光光度计的入射光束在通过该折射界面层后发生情况不同 的折射，从而使出射光束的强度发生变化，在记录仪上观察到不应有的峰值变 化。这样就产生了所谓的折光系数效应。载流和试样密度不同会加剧折光系数 效应。在试样不含待测物质时，由于折光系数效应也会在记录仪上得到一个水 峰( 一般为一个正峰、一个负峰前后连在一起的复合峰) 。 当试样的折光率和密度不同时，该峰可大可小，峰形也有变化。对于某一 流动注射体系来说，当试样间的折光率和密度变化很小时( 如淡水的分析) ，折 光系数复合峰的大小及峰形稳定，计算时可以将其做为本底而扣除掉。但对于 一些成分复杂的样品，如工业污水、海水等来说，其盐度有很大的变化，则样 品的折光率和密度也有很大的变化，使折光系数效应造成的水峰时大时小，峰 形也有很大的变化。这样就会在分析定量时产生误差，严重时，甚至对低浓度 的物质无法定量分析。而反向自动参比流动注射分光光度法流路根本就不存在 这一现象，因为在管路中溶液的变化只是参比液和显色液之间的变化，差异很 小，也就无折光系数效应。 从以上的理论比较可以看出，传统的流动注射分光光度流程虽然流路简单， 但在遇到复杂样品时干扰因素很多，不易采用。而反相自动参比流动注射分光 光度法流路不仅结构相对简单，而且对于复杂的样品可以自动消除干扰，所以 在本文中根据不同的检测离子采用了各种流路进行n o 。一、n h + 、f e ”的流动注射 分析。 四川大学硕士学位论文 3n o 。一的自动分析方法的研究 3 1 引言 亚硝酸根广泛存在于土壤、天然水和食品中，它能与人体内胺类和酰胺化 合物作用生成具有致癌作用的亚硝胺类化合物”“，亚硝酸根所带来的潜在的毒 性已经引起了人们的极大关注“，在更大的范围内控制它的浓度水平的法令框 架已经在大多数发达国家强制执行。因此它是水质监测和食品监测的一项重要 指标。光度法由于简便易行且检出限低，因而被广泛使用”“。常规的利用亚 硝酸重氮化反应和偶联反应，形成偶氮染料的光度法需使用了a 一萘胺试剂。几 乎还没有哪一种测定方法具有普遍的适用性，以确保在基体中存在大量潜在的 干扰物质时能有效的测定亚硝酸根“。因此针对各种不同的基体特性已经发展 了许多测定方法，如电化学法“、色谱法联用技术”2 ”3 、荧光法“、毛细管电 泳联用技术”“、化学发光法1 等，尽管这些方法有许多优点，但这些方法有的 分析时间太长，有的需要昂贵且复杂的仪器。而流动注射技术具有分析速度快， 重复性好和适于在线连续检测等特点，因此采用流动注射技术测定亚硝酸根更 被人们重视“7 “。 目前n o ：一的自动分析法一般为空气间隔流动比色法年f l f i a 法。空气间隔流动 比色法，设备复杂，维护难度大，难以实现无人监控的自动监测；传统f i a 法在 分析海水、河水及河口水时，存在影响分析结果的折光系数效应和其它干扰情 况，也无法实现自动在线分析。 本部分研究了新的n o 。一自动分析的f i a 法，并采用张新申提出的新的自动分 析方法一反相自动参比流动注射分析法( r f i a ) 分析n o 。一的含量，对这两种方 法进行评估和比较，确定出海水、河水及河口水中痕量亚硝酸根的自动分析的 最终方法。该方法具有极高的灵敏度和选择性，用于不同样品中痕量亚硝酸根 的测定，结果令人满意。 四川大学钡士学位论文 3 2 实验部分 3 2 1 仪器 营养盐自动分析仪 h w 一2 0 0 0 四通道色谱工作站 h l 2 恒流泵 m e t t e ra t 2 0 0 电子天平 7 2 2 s 分光光度计 3 2 2 主耍化学试剂 四川大学张新申教授研制。 上海千谱软件公司 上海泸西分析仪器厂 e d w a r dk e l l e ri n c 上海精密科学有限公司 亚硝酸钠分析纯重庆化学试剂总厂 磺胺分析纯中国医药集团上海化学试剂公司 n 一卜萘乙二胺盐酸盐分析纯天津化学试剂研究所 浓盐酸分析纯中国成都欣海兴化工试剂厂 氯化铵分析纯自贡化学试剂厂 氯化钠分析纯中国成都市方舟化学试剂厂 其它所用试剂均为分析纯，所用水均为去离子水。 3 2 3 溶液的配制 3 2 3 1 亚硝酸盐氮标准贮备溶液：10 0 0 m g l n 称取0 4 9 2 6 9 亚硝酸钠( n a n 0 2 ) ，经1 1 0 烘干，溶入少量水中后全部转 移l o o m l 容量瓶中，加水至标线，混匀，贮于棕色试剂瓶中于冰箱内保存，有 效期为一个月。 3 2 3 2 亚硝酸盐氮标准使用溶液：5 m g l n 移取o 2 5 m l 亚硝酸盐氮标准贮备溶液于5 0 m l 容量瓶中，加水至标线， 混匀。临用前配制。 1 4 四川大学硕士学位论文 3 2 3