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Journal of Tropical Oceanography >

2025 , Vol. 44 >Issue 5: 201 - 208

DOI: https://doi.org/10.11978/2024237

Marine Environmental Protection

Optimization of rapid ammonia nitrogen determination in seawater using Nessler reagent spectrophotometery

  • HUANG Chunhui , 1, 2 ,
  • WEN Chang 1 ,
  • XIA Qing 1 ,
  • HUANG Weiwei 1 ,
  • WANG Xiangguang , 3 ,
  • YANG Fei 1
Expand
  • 1. Key Laboratory of Agro-Forestry Environmental Processes and Ecological Regulation of Hainan Province, School of Environmental Science and Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China
  • 2. Hainan Monitoring Station for Radiation Environment, Haikou 571126, China
  • 3. Hainan Academy of Ocean and Fisheries Sciences, Haikou 571126, China
WANG Xiangguang. email:

Received date: 2024-12-22

  Revised date: 2025-03-09

  Online published: 2025-03-17

Supported by

Key Research and Development Social Development Project of Hainan Province(ZDYF2022SHFZ084)

Key Research and Development High tech Project of Hainan Province(ZDYF2023GXJS165)

Fold

Abstract

The complex salt components in seawater or other saline water may cause turbidity when measuring ammonia nitrogen by Nessler’s reagent colorimetric method. In this study, interference from Ca, Mg, Fe, Mn and other ions in seawater was eliminated by precisely matching sample salinity with the dosage of potassium sodium tartrate as a masking agent. The Nessler reagent spectrophotometery for rapid ammonia nitrogen determination was thus optimized. The results indicate that 1% potassium sodium tartrate solution is suitable for ammonia nitrogen determination in samples with salinity below 17.3‰, while 2% potassium sodium tartrate solution can be used for samples with salinity ranging from 4.5‰ to 34.1‰ under experimental conditions. The method’s detection range was 0.1-8.0 mg·L-1, with a detection limit of 0.03 mg·L-1. The spiked recovery rates of samples ranged from 96% to 105%, and the standard deviation of parallel samples was less than 3.94%. The method offers simple operation, a wide linear range, good sensitivity and accuracy, and broad applicability.

Key words： Nessler’s reagent; spectrophotometry; seawater samples; ammonia nitrogen; potassium sodium tartrate

Cite this article

HUANG Chunhui , WEN Chang , XIA Qing , HUANG Weiwei , WANG Xiangguang , YANG Fei . Optimization of rapid ammonia nitrogen determination in seawater using Nessler reagent spectrophotometery[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2025 , 44(5) : 201 -208 . DOI: 10.11978/2024237

氮元素作为营养盐对生物生长极其重要, 在不同环境中, 生物体通过改变含氮化合物的价态来获取能量, 海洋作为氮的第二大贮库, 含氮化合物是海洋生物所必需的营养物质。在氮循环中, 氨氮(total ammonia nitrogen, TAN)指水中以非离子氨(NH3)和离子铵 ${\text{(NH}}_{4}^{+})$形式存在的氮的总和, 其中NH3和 ${\text{NH}}_{4}^{+}$的存在比例与水体的pH值密切相关。 ${\text{NH}}_{4}^{+}$是浮游植物的优先利用对象, 海洋生物呼吸作用可向水体释放NH3, 因此, TAN对海洋生物正常的生长、发育、繁殖和氮循环具有重要意义。但NH3对生物具有很强的毒性(Xu et al, 2021; Zhang et al, 2023), 而TAN超标也是近海水体富营养化(赤潮)的诱因之一, 作为海洋环境质量标准中氮污染的控制依据之一, 氨氮也被列为海洋水体污染物总量控制和海域排污许可管理的指标。在水产养殖过程中, 鱼粪、饲料残留以及微生物对有机物的降解会造成氨氮的积累, 给养殖生物带来巨大的风险(Jiang et al, 2021; Khatoon et al, 2021)。因此, 对海水样品中氨氮进行快速、准确测定是海洋环境质量监测和水产养殖等过程的重要需求。
现有海水中氨氮的分析方法, 常用的有靛酚蓝分光光度法与次溴酸钠氧化法(中国国家标准化管理委员会, 2007b), 其他如荧光光谱法(Wang et al, 2018)、化学发光法、色谱法、表面等离子共振法、电化学分析法(Zhao et al, 2019; Giner-Sanz et al, 2021)等因过程或所需仪器过于复杂而不适用于快速分析(Zhou et al, 2016; 于涵 等, 2017)。次溴酸钠氧化法测定上限仅为0.08mg·L-1, 对反应条件的要求较高, 测试需时也较长(1h), 同时试剂的质量对结果影响很大, 容易出现重现性差的问题; 靛酚蓝分光光度法为仲裁方法, 但耗时达6h以上, 对温度变化敏感, 所需试剂复杂, 线性范围窄。这两种方法适用于常规海水, 但不适用于污染较重、有机物含量较高的水产养殖海水等样品(中国国家标准化管理委员会, 2007b; 关凤杰 等, 2017; 李小卫 等, 2017; Wang et al, 2018; Zhao et al, 2019; Giner-Sanz et al, 2021)。纳氏试剂分光光度法测定氨氮是许多国家地表水的标准分析方法(国家环境保护总局, 2002), 具有操作简单, 对仪器要求低, 线性范围宽, 结果稳定, 耗时短, 可快速测定等优势, 但该方法仅适用于淡水样品。当测定海水样品时, 海水中的离子成分会与纳氏试剂反应, 导致溶液混浊而干扰测定(Zhou et al, 2016; Wang et al, 2018)。虽然国内有不少文献针对该方法用于海水样品的氨氮测定进行了改进(闫修花 等, 2003; 石芳永 等, 2009; 郑京平, 2011; 王华 等, 2013; 陈弟锋 等, 2014), 但这些改进的方法经常还需要加入其他掩蔽剂或辅助试剂, 导致反应体系过于复杂且方法不易掌握, 在实际应用时经常会碰到一些问题而难以运用, 而且当海水样品的含盐量不同时期适用性也不清楚。因此, 本研究针对不同含盐量的海水样品, 仅通过精确调整掩蔽剂酒石酸钾钠的使用量, 实现用纳氏试剂光度法简便、快速、准确测定海水样品中的氨氮, 且可用于养殖水体等高污染海水的样品测定。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

UV759紫外可见分光光度计(上海佑科, 中国), Thermo 5-STAR pH/Cond/DO多参数测定仪(Thermo, 美国), UPR-Ⅱ-10T纯水机(成都优普, 中国)。
纳氏试剂: 自制或购买商品试剂均可。本研究根据《水和废水监测分析方法》(国家环境保护总局, 2002)推荐的方法1自制, 其中二氯化汞加入过程的精细控制是配制成功的关键。
氨氮标准贮备液: 准确称取3.8190g经100℃干燥过的优级纯氯化铵(国药集团化学试剂有限公司, 中国)溶于纯水(电阻率为25℃下18.2MΩ·cm)中, 移入1000mL容量瓶, 稀释至刻度线。此溶液每毫升含1.00mg氨氮, 即1000mg·L-1。
氨氮标准使用液: 移取5.00mL氨氮标准贮备液于100mL容量瓶中, 用纯水或下述无氨海水或人工海水稀释至刻度线, 以便保持溶液的盐度背景基本一致。此溶液每毫升含0.05mg氨氮, 即50mg·L-1。
酒石酸钾钠溶液: 用纯水分别配制1%、2%、3%、4%、5%体积浓度的酒石酸钾钠(国药集团化学试剂有限公司, 中国)溶液。
氢氧化钠溶液: 20% NaOH (广州化学试剂厂, 中国)水溶液。
无氨海水: 采集干净海水, 用0.45µm滤膜(选用无氨滤膜或去除铵氨后的滤膜, 本研究用津腾蓝盒水系MCE 50mm×0.45μm滤膜除氨后使用)过滤后, 加入无水碳酸钠(西陇化工, 中国)碱化至pH约为10, 加入同体积蒸馏水煮沸至原来体积, 再滴加体积比为1/9的盐酸(国药集团化学试剂有限公司, 中国)溶液调节pH约为7。每升无氨海水加1mL三氯甲烷, 混匀, 密封贮存于聚乙烯瓶中。用Thermo 5-STAR Cond的盐度档测得其盐度为34.1‰, 用作参比和稀释溶液。
不同盐度的无氨海水(2.3‰~34.1‰): 用无氨海水通过加入纯水配制而得。
人工海水(32.7‰): 用电子盘称称取约33g海盐(海南莺歌海盐场有限公司, 中国)溶于约1000mL纯水中, 然后同前述无氨氨海水步骤进行处理, 得到人工无氨海水, 测得其盐度为32.7‰。由于自然界中的无氨海水不易获取, 故采用此法人工制取无氨海水进行替代, 试验其可行性。

1.2 分析方法

1.2.1 样品盐度的测定

样品盐度的测定很重要, 为方便起见, 本研究中用Thermo 5-STAR多参数仪中的电导率电极中的盐度档测定样品溶液的盐度值。其他电导率仪的盐度档也可用于废水或海水样品的盐度表征测定。

1.2.2 标准曲线绘制

分别准确吸取0、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80mL相应的氨氮标准使用液(50mg·L-1)于20mL试管中, 用无氨海水稀释至5mL, 配制成0、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0mg·L-1系列, 各加入酒石酸钾钠溶液4.0mL, 混匀; 然后各加入纳氏试剂0.4mL, 立刻混匀。放置25min, 以0mg·L-1为参比, 在波长420nm处用1cm比色皿测定其吸光度。以吸光度为纵坐标, 浓度为横坐标, 绘制标准曲线, 拟合后得到标准曲线方程。
同理, 可制得不同盐度含量的海水和不同酒石酸钾钠浓度的标准曲线。

1.2.3 优化条件试验、样品测定与计算

各参数的优化条件试验每组均平行测定3份。
水样经0.45µm滤膜过滤后, 移取5mL于20mL试管中, 根据样品浓度用无氨海水或人工海水进行稀释, 按标准曲线的操作方法测定其吸光度值, 根据标准曲线方程计算得到水样的氨氮浓度。每组也平行测定3份。
反应体系浑浊与否的判断: 试验刚开始时使用2100Q浊度仪(哈希公司, 美国)进行监测, 后来感觉人眼也可以比较准确地判别溶液的透明度或清澈性, 就不继续使用浊度仪进行监测了。之后分析各参数条件优化试验的结果, 在4.0mg·L-1氨氮下, 当吸光度值明显高于0.5时, 可能溶液已经呈现轻微的浑浊现象而人眼未能分辨出来, 说明浊度仪的使用还是需要的。

2 结果与讨论

2.1 掩蔽剂酒石酸钾钠用量的优化

酒石酸钾钠在碱性溶液中具有络合Ca、Mg、Fe、Mn等金属离子形成可溶性络合物的能力, 从而减少浑浊对显色反应的干扰。用纳氏试剂法测定不同盐度含量的海水样品中氨氮时, 海水中复杂的盐类成分会与其反应出现混浊现象而影响测定, 需要加入酒石酸钾钠进行掩蔽, 但酒石酸钾钠过量时会与纳氏试剂反应生成酒石酸银沉淀, 因此, 精确的酒石酸钾钠用量至关重要。本研究中酒石酸钾钠用量优化试验采用盐度范围在2.3‰~34.1‰的无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1两个氨氮浓度值样品, 分别加入1%~4%浓度的酒石酸钾钠溶液4mL, 混匀, 加入0.5mL纳氏试剂, 立刻混匀, 放置25min后以0mg·L-1为参比进行测定。表1结果表明, 1%的酒石酸钾钠溶液适合盐度低于17.3‰的海水样品中氨氮的测定; 随着样品盐度的升高, 海水中的Ca、Mg、Fe、Mn等离子的量也随之升高, 需要更多的酒石酸钾钠进行掩蔽, 当酒石酸钾钠浓度为2%时, 适合4.5‰~34.1‰盐度范围的海水样品中氨氮的测定; 而当酒石酸钾钠浓度达到3%时, 仅适合盐度大于17.3‰海水样品中氨氮的测定; 当酒石酸钾钠浓度继续升高时, 样品全部出现人眼可辨的浑浊现象, 无法进行测定, 这是因为酒石酸钾钠与样品中的金属离子结合, 当其过量时也会与纳氏试剂反应而产生酒石酸银沉淀。因此, 酒石酸钾钠的用量与样品盐度需要精确匹配使用。
表1 不同盐度的海水样品在不同浓度酒石酸钾钠溶液下的吸光度

Tab. 1 Absorbance of seawater samples with various salinities under different concentrations of potassium sodium tartrate solution

样品盐度/‰ 不同酒石酸钾钠溶液浓度下的吸光值
1% 2% 3% 4%
34.1 - 0.487±0.004 0.516±0.006 -
25.7 - 0.502±0.005 0.509±0.005 -
17.3 0.486±0.008 0.494±0.001 0.510±0.004 -
9.0 0.473±0.005 0.496±0.002 - -
4.5 0.496±0.002 0.586±0.009 - -
2.3 0.496±0.002 - - -

注: - 表示目测浑浊

表1及后续其他条件优化试验的表格中吸光度值均在0.5左右(显色剂用量优化试验除外), 结合标准曲线(吸光度值在0~0.8之间), 表明各条件试验所采用的4.0mg·L-1氨氮溶液浓度比较合理。如吸光度值明显高于0.5时, 说明溶液已呈现出轻微的浑浊现象。
由于海水中Ca、Mg、Fe、Mn等离子含量高而干扰氨氮的测定, 除酒石酸钾钠为常用的掩蔽剂之外, 还有其他适用的掩蔽剂可供选择, 比如陈弟锋等(2014)加入聚乙烯醇作为掩蔽剂, 郑京平(2011)采用硼酸-酒石酸钾钠-氢氧化钾溶液作为掩蔽剂同时加入阿拉伯树胶溶液来实现稳定络合的目的, 但容易造成显色体系复杂、试剂成本升高、操作繁琐而不利于快速测定。

2.2 显色剂用量的优化

王华等(2013)指出纳氏试剂的用量对显色体系吸光度的影响排在第一位。本研究继续采用0mg·L-1和4.0mg·L-1两个氨氮浓度值进行试验。分别加入1%、2%的酒石酸钾钠溶液4mL, 混匀, 再加入不同体积的纳氏试剂, 立刻混匀, 放置25min后以0mg·L-1为参比测定吸光度值。表2结果显示, 在1%酒石酸钾钠溶液条件下, 当纳氏试剂的用量达到0.6mL时, 不适用于25.7‰以上盐度的样品测定, 这是因为掩蔽不充分而产生了浑浊。表3结果表明, 在2%酒石酸钾钠溶液条件下, 当纳氏试剂的用量小于0.4mL时, 样品可能因为盐度过高而出现浑浊, 或者因显色剂使用量不足而显色不完全。当纳氏试剂的用量为0.4mL及以上时, 配合酒石酸钾钠溶液的合理用量, 基本上可以适用所有的盐度条件。在盐度2.3‰时出现了浑浊现象(表3)是因为酒石酸钾钠用量在低盐度时过量所致, 表2结果也证明了这一点。综合考虑方法的稳定性和纳氏试剂对环境的影响以及试剂减量化要求, 对绝大多数海水样品推荐采用0.4mL的纳氏试剂使用量和2%酒石酸钾钠溶液4mL为佳。
表2 不同盐度的海水样品在1%酒石酸钾钠溶液和不同纳氏试剂用量下的吸光度

Tab. 2 Absorbance of seawater samples with various salinities prepared with 1% potassium sodium tartrate solution and different dosages of Nessler’s reagent

样品盐度/‰ 纳氏试剂体积/mL
0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
34.1 - - - - - -
25.7 - - - - - 0.407±0.002
17.3 - - 0.394±0.004 0.398±0.001 0.405±0.002 0.420±0.002
9.0 0.341±0.002 0.391±0.004 0.409±0.003 0.430±0.004 0.429±0.005 0.409±0.001
4.5 0.367±0.003 0.391±0.003 0.415±0.003 0.419±0.003 0.423±0.004 0.426±0.004
2.3 0.358±0.002 0.391±0.004 0.414±0.004 0.419±0.003 0.423±0.003 0.426±0.003

注: - 表示目测浑浊

表3 不同盐度的海水样品在2%酒石酸钾钠溶液和不同纳氏试剂用量下的吸光度

Tab. 3 Absorbance of seawater samples with various salinities prepared with 2% potassium sodium tartrate solution and different dosages of Nessler’s reagent

样品盐度/‰ 纳氏试剂体积/mL
0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60
34.1 - - - 0.405±0.002 0.441±0.002 0.444±0.001
25.7 - - 0.478±0.004 0.495±0.001 0.491±0.001 0.498±0.002
17.3 - 0.445±0.006 0.478±0.006 0.485±0.001 0.494±0.002 0.494±0.002
9.0 - 0.473±0.005 0.498±0.003 0.494±0.002 0.498±0.002 0.514±0.003
4.5 - 0.497±0.006 0.551±0.007 0.521±0.004 0.542±0.004 0.529±0.005
2.3 - - - - - -

注: - 表示目测浑浊

2.3 氢氧化钠用量和加入方式的影响

由于文献报道的纳氏试剂法快速测定海水样品中氨氮的改进方法中, 通常还需要加入氢氧化钠溶液来提高酒石酸钾钠的络合能力, 从而提高方法的稳定性和适用性(闫修花 等, 2003; 石芳永 等, 2009; 王华 等, 2013), 但在实际应用时发现对NaOH溶液的用量比较难掌握, 针对不同盐度海水样品的用法和必要性也不清楚, 因此, 本研究对氢氧化钠溶液的作用、用量和加入方式也进行了较为系统的研究。试验步骤如下:
(1) 用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 先加入2mL酒石酸钾钠溶液, 混匀; 再加入20%氢氧化钠溶液0.25mL, 混匀; 然后加入0.25mL纳氏试剂, 混匀。放置25min, 在波长420nm以0mg·L-1调零测定吸光度值, 部分结果见表4。试验结果表明, 样品盐度在2.3‰~17.3‰时溶液全部浑浊, 仅高盐度时(25.7‰和34.1‰)在2%~3%的酒石酸钾钠浓度下可用(表4), 且吸光度值明显高于表3中的约0.5之值, 说明溶液已呈现出人眼难辨的轻微浑浊现象。此结果与闫修花等(2003)和石芳永等(2009)介绍的NaOH溶液可提高酒石酸钾钠的络合能力并有稳定作用不相符合。因此, 本研究设计了进一步的试验, 以便解释NaOH溶液在其中的作用以及使用方式。
表4 固定20%氢氧化钠溶液时不同浓度酒石酸钾钠溶液和样品盐度对吸光度的影响

Tab. 4 Effects of different potassium sodium tartrate solutions and sample salinities on absorbance with fixed 20% NaOH solution

样品盐度/‰ 不同酒石酸钾钠溶液浓度下的吸光值
1% 2% 3% 4%
34.1 - 0.640±0.004 0.652±0.006 -
25.7 - 0.645±0.005 0.614±0.004 -

注: - 表示目测浑浊

(2) 用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 先加入20%氢氧化钠溶液0.25mL, 混匀; 再各加入2mL不同浓度酒石酸钾钠溶液, 混匀; 然后加入0.25mL纳氏试剂, 混匀。结果表明, 不同盐度含量的样品先加入20%氢氧化钠溶液摇匀时样品全部浑浊, 因为生成了Ca(OH)2和Mg(OH)2等金属沉淀物, 加入酒石酸钾钠溶液后浑浊程度仅稍有改善, 仍然无法进行正常测定。
(3) 用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 按闫修花等(2003)和石芳永等(2009)介绍的方法(但采用小体积), 先加入1mL酒石酸钾钠溶液, 混匀; 加入1.25mL混合溶液(由0.25mL 20%氢氧化钠溶液与1mL酒石酸钾钠溶液预先混合), 混匀; 然后加入0.25mL纳氏试剂, 混匀。
(4) 用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 先将2mL酒石酸钾钠溶液与0.25mL 20%氢氧化钠溶液预先混合后再加入样品中。其他重复试验(3)。
试验(3)和(4)的结果均表明, 在不同盐度含量和不同酒石酸钾钠溶液浓度条件下, 两种添加NaOH溶液的方式反应体系都产生了浑浊, 有部分样品出现先浑浊后澄清的现象。
(5) 用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 加入1%酒石酸钾钠2mL, 混匀; 加入20%氢氧化钠溶液, 混匀(根据加入氢氧化钠溶液量的不同用相应的无氨海水补充, 使体积保持一致); 然后加入0.25mL纳氏试剂, 混匀。静置25min, 以无氨海水作参比测定吸光度。结果表明, NaOH溶液能起到的稳定作用范围有限, 并且与样品盐度密切相关, 在高盐度时基本无效, 大部分情况下还容易导致反应体系出现浑浊(表5), 这给NaOH溶液作为稳定剂使用时其剂量的确定带来了很大的困难, 因此其添加的必要性值得商榷。
表5 1%酒石酸钾钠用量为1mL时20%氢氧化钠溶液用量对吸光度的影响(海水样品的氨氮浓度分别为0mg·L-1和4.0mg·L-1)

Tab. 5 Effects of 20% NaOH solution dosage on absorbance with 1 mL of 1% potassium sodium tartrate (The ammonia nitrogen concentrations of the seawater samples were 0 mg·L-1 and 4.0 mg·L-1 respectively)

样品盐度/‰ 20%氢氧化钠溶液使用量/mL
0.05 0.10 0.20 0.30 0.40
0mg·L-1 4mg·L-1 0mg·L-1 4mg·L-1 0mg·L-1 4mg·L-1 0mg·L-1 4mg·L-1 0mg·L-1 4mg·L-1
34.1 - - - - - - 0.067±0.002 0.499±0.002 0.055±0.002 -
27.4 - - - - 0.052±0.002 0.482±0.002 0.054±0.001 0.532±0.003 0.050±0.001 -
20.6 - - 0.066±0.001 0.489±0.005 0.053±0.002 0.499±0.003 0.050±0.001 0.553±0.003 0.052±0.002 -

注: - 表示目测浑浊

(6) 试验(5)显示低盐度下NaOH溶液的稳定作用可能较宽, 因此进一步进行验证。用无氨海水配制成0mg·L-1和4.0mg·L-1氨氮海水溶液, 加入2%酒石酸钾钠2mL, 混匀; 加入20%氢氧化钠溶液, 混匀(根据加入氢氧化钠溶液量的不同用对应的无氨海水补充, 使体积保持一致); 再加入0.25mL纳氏试剂, 混匀。所配制海水样品的盐度分别为3.5‰和1.7‰, NaOH溶液用量同试验(5)。结果表明, 样品摇匀时全部浑浊, 浑浊程度随氢氧化钠用量的增加而加剧。
王华等(2013)的研究中未对NaOH溶液的作用进行阐述, 本研究的结果与闫修花等(2003)、石芳永等(2009)介绍的改进方法不同, 所加入氢氧化钠溶液的稳定作用非常有限且对盐度敏感, 在大多数情况下对显色体系有负面影响。因此, 本方法仅采用先精确加入适量的酒石酸钾钠溶液来保证掩蔽效果, 而不推荐使用氢氧化钠溶液来提高掩蔽剂的络合能力。
反应体系变浑浊的原因有4个: 一是掩蔽剂不足时溶液中金属离子在碱性条件下的水解沉淀, 二是溶液中金属离子与纳氏试剂反应产生浑浊, 三是过量的酒石酸钾钠与纳氏试剂反应导致浑浊, 四是反应体系的pH不合适, 可能高于12.4了。由于纳氏试剂呈强碱性, 酒石酸钾钠溶液(pH 7.0~8.5)和海水(pH 7.5~8.6)均呈微碱性, 故显色体系的pH值通常也在合适的范围内, 可通过仅加入合适剂量的酒石酸钾钠溶液来实现掩蔽的目的而不需要额外加入NaOH溶液来提高掩蔽效果。当测定水产养殖水样时, 由于存在硝化反应, 有时水样的pH值会低于7.0, 这时就需要加入NaOH溶液来提高pH值至合适的范围。但NaOH溶液与酒石酸钾钠溶液对海水中金属离子的掩蔽能力是有一定范围的, 如果NaOH溶液加入过多, 则容易导致显色体系出现浑浊。因此, 测定前需要先检查水样的pH值是否低于7.0, 才可确定是否需要加入NaOH溶液进行调节。

2.4 显色的稳定性

用无氨海水配制成盐度17.3‰和34.1‰、氨氮4.0mg·L-1的海水样品, 加入0.4mL的纳氏试剂和2%酒石酸钾钠溶液4mL, 混匀, 分别以纯水、试剂空白和0mg·L-1氨氮海水做参比测量吸光度值, 从0min开始读数, 前1小时每隔5min读一个数, 之后每隔10min读一个数, 结果见图1。可见不同参比溶液对吸光度的稳定性有明显影响, 影响程度: 纯水>试剂空白>0mg·L-1氨氮海水, 故测定时选择0mg·L-1氨氮海水作参比溶液最佳。在盐度17.3‰下吸光度非常平稳, 仅在以纯水作参比时才略有上升, 稳定性明显好于盐度34.1‰的样品。该显色反应进行较快, 盐度34.1‰时吸光度在15~40min相对稳定, 仅有微小上升; 超过40min后, 吸光度随时间增加而缓慢增加, 偏差可能超过10%, 因此建议在15~40min内完成测定工作。此结果与王华等(2013)推荐的最佳显色时间10min而不能大于12min不同, 而与闫修花等(2003)和石芳永等(2009)推荐的25min显色时间比较接近。
图1 氨氮4mg·L-1的海水样品在盐度17.3‰ (a)和34.1‰ (b)时以不同参比溶液测光时吸光度随时间的变化

Fig. 1 Temporal changes in absorbance of seawater samples (4 mg·L-1 ammonia nitrogen) at salinities of 17.3‰ (a) and 34.1‰ (b) measured with different reference solutions

2.5 线性范围与检出限

在纳氏试剂0.4mL和2%酒石酸钾钠4.0mL的优化条件下, 显色体系放置20min后以0mg·L-1氨氮海水为参比测定吸光度, 盐度为7.0‰~34.1‰范围内测得的标准曲线如图2所示。可见氨氮浓度在0~8mg·L-1范围内呈良好的线性关系, R2在0.9992~0.9999, 不同盐度含量下得到的标准曲线近乎完全重合, 表明本方法可适用宽广的盐度范围。在34.1‰的常规海水下, 线性方程为y=0.1041x+0.0005, 可得方法的检出限为0.03mg·L-1, 测定范围为0.1~8.0mg·L-1。另外, 结果还表明用海盐配制的人工海水其标准曲线方程、R2、线性范围与无氨海水的结果非常吻合, 表明用海盐配制的人工海水可以替代天然海水。本方法比郑京平(2011)报道的0.06~2.00mg·L-1、王华等(2013)的0~1mg·L-1、闫修花等(2003)和石芳永等(2009)的0.01~0.04mg·L-1检测范围要宽广且更加实用。
图2 在纳氏试剂0.4mL和2%酒石酸钾钠4.0mL用量时不同盐度条件下海水氨氮质量浓度的标准曲线

Fig. 2 Standard curves for seawater ammonia nitrogen concentration under different salinity conditions using 0.4 mL Nessler’s reagent and 4.0 mL of 2% potassium sodium tartrate solution

2.6 样品加标回收率

采用本方法分别对2个循环养殖尾水、人工配制海水、感潮湖水、海洋牧场水共5个具有不同盐度样品中的氨氮质量浓度和加标回收率进行3次平行测定, 结果如表6所示, 3个平行样品的标准偏差较小, 加标回收率为96.0%~105.0%, 准确度和精密度均符合要求。值得注意的是, 在测试样品时, 当酒石酸钾钠溶液的用量或浓度与样品盐度不太匹配时, 显色体系会出现轻微的浑浊现象且人眼不易敏锐判断, 这时会造成测定结果偏高。因此, 建议分析前先测定样品的盐度, 进而选用合适的酒石酸钾钠溶液的用量/浓度, 最好还采用浊度仪以0mg·L-1氨氮海水的浊度作参考进行监控, 当样品显色溶液的浊度与参考溶液之差> 4NTU (nephelometric turbidity unit)时, 需要调整酒石酸钾钠溶液的用量或浓度。
表6 样品加标回收率测定结果

Tab. 6 Determination results of sample spike recovery rates

样品 测定值/(mg·L-1) 标准偏差 加标量/(mg·L-1) 测得总量/(mg·L-1) 加标回收率/%
养殖尾水1 2.74 0.030 2.58 5.35 100.80
养殖尾水2 1.94 0.019 1.90 3.79 97.06
人工海水 2.07 0.019 2.00 4.17 105.10
感潮湖水 1.16 0.025 2.00 3.18 96.22
海洋牧场 0.70 0.019 1.00 1.67 96.89

2.7 方法的精密度与准确度

在标准曲线范围内分别使用无氨海水、人工海水配制8个不同盐度的样品, 用本文方法测定其氨氮含量, 结果如表7所示, 样品测定值与实际含量值间的相对误差在-4.20%~8.07%, 3个平行样的标准偏差也较小, 符合(GB 17378.2-2007)《海洋监测规范 第二部分: 数据处理与分析质量控制》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2007a)规定, 说明该方法的精密度与准确度均良好。
表7 配制的已知氨氮浓度样品测定结果

Tab. 7 Determination results of prepared samples with known ammonia nitrogen concentrations

样品名称 氨氮含量/(mg·L-1) 测定值/(mg·L-1) 标准偏差 相对误差/%
34.1‰无氨海水1 0.50 0.48 0.020 -4.20
34.1‰无氨海水2 3.00 3.05 0.029 1.78
34.1‰无氨海水3 6.00 6.07 0.026 1.11
32.7‰人工海水1 0.50 0.54 0.011 8.07
32.7‰人工海水2 3.00 3.14 0.039 4.58
32.7‰人工海水3 6.00 6.13 0.037 2.14
17.8‰无氨海水 5.00 5.02 0.028 0.79
8.9‰无氨海水 2.00 2.09 0.030 1.46

3 结论

本方法针对不同盐度的海水样品, 通过精确调整酒石酸钾钠溶液的加入量或浓度, 解决了用纳氏试剂光度法测定海水样品容易产生浑浊的问题, 具体应用如下: 当样品盐度小于17.3‰时, 可采用1%的酒石酸钾钠溶液作为掩蔽剂; 当样品盐度在4.5‰~34.1‰时, 可采用2%的酒石酸钾钠溶液作为掩蔽剂。该方法的检出限为0.03mg·L-1, 测定范围为0.1~8.0mg·L-1。方法操作便捷, 测试条件要求低, 试剂用量少, 线性范围宽, 稳定性、精密度和准确度均可满足不同盐度的海水样品中氨氮的检测要求, 也适用于水产养殖等高污染的海水样品。

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