分析紫外分光光度法測定水中總氮的不確定度及影響因素

總氮是指水體中亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、無機銨鹽、溶解態氨及大部分有機含氮化合物的總和。水體中氮含量的增加會造成水生生物和微生物的大量繁殖，消耗水中的溶解氧，使水體質量惡化。總氮是表征水域水質的重要指標之一，總氮測量結果的不確定度是評價總氮測量準確性的關鍵指標。不確定度，是表征合理地賦予被測量值的分散性與測量結果相聯系的參數。在測量結果的完整表示中除了被測量結果的最佳估值外，還應包括測量不確定度。通過對紫外分光光度法測定水樣中總氮的不確定度進行評定，查找影響不確定度的主要來源，通過對過硫酸鉀殘留量、比色液酸度等對總氮測定不確定度的影響進行實驗研究，明確主要影響因素，降低測定不確定度。

1、測定原理

在60℃以上堿性水溶液中，過硫酸鉀可分解產生硫酸氫鉀和原子態氧，分解出的原子態氧在120～124℃條件下，可使水樣中NO2-、NH4-、有機氮氧化為硝酸鹽氮。消解后的溶液用紫外分光光度計于220nm和275nm下測得吸光度值，然后根據校正公式:As=A220-2A275求出校正吸光度As，并按照As與相應的濃度繪制校準曲線，計算樣品中總氮的含量。含氮量小于4mg/L時，硝酸鹽氮濃度與吸光度符合比耳定律。

2、檢測儀器及試劑

2.1、檢測儀器：總氮快速檢測儀

2.2、試劑：標配預制試劑　MI-TN-A

3、不確定度的影響因素分析

經過大量實驗得出結論，吸光度引起的不確定分量Uy最大，其中實驗點相對回歸直線的分散性引起的不確定度分量Uy1和測量重復性引起的不確定度分量Uy4對總不確定度貢獻最大，其他分量的貢獻相對較小。影響Uy1和Uy4值的因素是分光光度計的測量準確度，而儀器的測量準確度主要影響因素是:雜散光、透射比誤差和波長誤差。對總氮測量來說，測量波長為220nm，處于儀器光源的邊緣波長范圍，單色器的透射率、光源光強和接收器的靈敏度都是比較低的，這時雜散光影響就更為明顯。雜散光與吸光度誤差的關系可由下式表示:

當透射比誤差和雜散光強度一定時，吸光度誤差ΔA隨著測量吸光度A0增大而增大。當空白試驗吸光值偏大時，測量吸光度也增大，吸光度誤差亦會增大，導致測量的準確度下降，因此總氮的國標檢測方法(GB11894—1989)就嚴格規定了空白試驗吸光值不得超過0.03。為了進一步明確空白試驗吸光值偏大造成實驗點。

3.1、過硫酸鉀殘留量的影響

根據實驗原理，在堿性條件下高溫消解時，過硫酸鉀分解出原子態氧、氫離子、硫酸根和鉀離子，氫離子與氫氧根立即反應生成水，促使分解過程趨于完全，其方程式為:

K2S2O8+H2O→2H++2SO24-+2K++1/2O2↑(3)

如果反應過程出現溫度、堿性環境達不到要求時，未反應的過硫酸鉀就會殘留在比色液中。為了研究不同過硫酸鉀殘留濃度對吸光值的影響，配制系列不同濃度過硫酸鉀溶液，分別在220nm和275nm波長處測定吸光度。

過硫酸鉀在220nm處有強烈的吸收峰，與總氮的吸收波長重合，這種吸收特性隨過硫酸鉀含量的不斷降低而逐漸減弱。

3.2、比色液pH的影響

根據檢測步驟，比色液在測量吸光度前要加入一定量的鹽酸。鹽酸的作用主要是中和比色液中過量的氫氧化鈉，以及消除HCO3-、CO23-的影響，因為HCO3-、CO23-在紫外區也有吸收。鹽酸使用量與下面兩個方面有關:

a)比色液中OH-剩余量。根據反應式(3)、(4)當消解完畢后，剩余OH-為0.227×10-3mol，需要消耗1∶9的鹽酸0.2mL。

b)比色液中的HCO3-、CO23-。由于實驗中有純水稀釋，比色液中存在一定量的HCO3-、CO23-，對比色造成影響，加入鹽酸后，當pH小于8.3時，CO23-轉化為HCO3-，當pH小于4.3時，HCO3-、CO23-全部轉換為CO。因此，鹽酸使用量要使比色液pH控制在4.3以下。為了研究不同pH值對空白的影響，用鹽酸溶液調節不同pH值的比色液，分別在220nm和275nm波長處測定吸光度。實驗結果得出當比色液pH值在2.0以下時才有較小的空白試驗吸光值。

3.3、實驗用水的影響

按GB11894—1989標準，在實驗條件均相同的情況下分析3種試驗用水消解液空白值:①新鮮蒸餾水，電導率為4.39μS/cm;②無氨水，電導率為2.21μS/cm;③超純水儀制作純水，電導率為0.21μS/cm。根據測定結果發現超純水的空白值最小，為0.013;無氨水為0.031;蒸餾水為0.045，因此為了降低總氮測定的不確定度，建議用純度較高的水，如超純水，同時使用前先測定電導率，當電導率低于0.20μS/cm才能使用。

3.4、過硫酸鉀純度的影響

取3種過硫酸鉀:①某廠生產AR級過硫酸鉀A;②A經過1次重結晶過硫酸鉀B;③A經過2次重結晶過硫酸鉀C。重結晶方法:燒杯做容器，在55℃水浴中將80g過硫酸鉀溶于1000mL超純水中，將燒杯放到冰水中，使其結晶，用玻璃砂漏斗過濾，55℃下干燥，得過硫酸鉀B，將烘干后的過硫酸鉀再重復上述步驟1次;得過硫酸鉀C。按GB11894—1989標準，用超純水在實驗條件均相同的情況下分析3種過硫酸鉀消解液空白值，發現C的空白值最低，僅為0.012，B的空白值為0.036，C的空白值為0.061。因此認為過硫酸鉀的純度對實驗空白影響較大，對過硫酸鉀進行重結晶，可以顯著降低消解液空白吸光值。

4、結語

a)紫外分光光度法測量水樣中的總氮不確定度的主要來源是吸光度引起的不確定分量，其中實驗點相對回歸直線的分散性引起的不確定度分量和測量重復性引起的不確定度分量對總不確定度貢獻最大，原因是儀器測量準確度隨吸光值增大而降低，空白試驗吸光值大，降低測量準確度。

b)影響空白試驗吸光值的主要因素是過硫酸鉀的殘留，當比色液中過硫酸鉀的濃度大于0.04mg/L時，測量吸光度偏大。

c)影響空白試驗吸光值的另一主要因素是比色液的pH值，當比色液pH值大于2.0時，測量吸光度偏大。實驗用水和過硫酸鉀的純度對空白值的影響也較大。