總氮量測定：原理、方法與操作指南

副標題：理解水體與物質中的關鍵污染指標

引言
總氮（Total Nitrogen, TN）是評價水質富營養化程度和環境污染狀況的核心指標，指樣品中所有形態氮（有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等）的總量。其在環境監測、污水處理、農業土壤評估及食品工業等領域具有重要作用。本文系統介紹總氮測定的主流方法——堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法的原理、步驟及關鍵注意事項。

一、 測定原理
堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法依據以下化學反應：

1. 高溫消解： 在堿性介質（NaOH）和高溫（120-125℃）高壓條件下，強氧化劑過硫酸鉀（K?S?O?）將樣品中的有機氮化合物、氨氮、亞硝酸鹽氮等全部氧化為硝酸鹽氮。
   • 有機氮 → 硝酸鹽氮
   • NH?/NH?? → 硝酸鹽氮
   • NO?? → 硝酸鹽氮
2. 紫外分光光度測定： 硝酸根離子（NO??）在紫外光區220nm波長處有特征吸收。在堿性消解條件下，干擾物（如溶解性有機物、濁度）在220nm處的吸收可通過在275nm波長處測量并在220nm處扣除（雙波長校正法）來消除。扣除后的吸光度值與總氮濃度成正比。

二、 主要儀器與試劑

• 儀器：
  • 紫外可見分光光度計（配10mm或更長光程石英比色皿）
  • 高壓蒸汽滅菌器（或專用消解器），可維持125℃
  • 高壓消解管（具塞耐壓玻璃管或聚四氟乙烯管）或消解瓶
  • 天平（感量0.1mg）
  • 移液管（1mL, 10mL等）
  • 容量瓶（50mL, 100mL）
  • 量筒
  • 一般實驗室常用玻璃器皿
• 試劑：
  • 無氨水： 實驗用水需確保不含氨及干擾物，可使用新鮮蒸餾水、離子交換水或超純水。
  • 氫氧化鈉溶液（200g/L）： 溶解20g氫氧化鈉于適量無氨水中，冷卻后稀釋至100mL。
  • 堿性過硫酸鉀溶液： 溶解40g過硫酸鉀（K?S?O?）于適量無氨水中，加入15g氫氧化鈉，溶解并稀釋至1000mL。此溶液不穩定，宜現用現配或儲存于棕色瓶置于冰箱中，有效期一周。
  • 鹽酸溶液（1+9）： 1體積濃鹽酸緩慢加入9體積無氨水中。
  • 硝酸鉀標準儲備液（100mg N/L）： 精確稱取0.7218g經105-110℃干燥2小時的硝酸鉀（KNO?），溶于無氨水，轉移至1000mL容量瓶中，定容。此溶液含氮100mg/L。
  • 硝酸鉀標準使用液（10mg N/L）： 移取10.00mL硝酸鉀標準儲備液于100mL容量瓶中，用無氨水定容。此溶液含氮10mg/L（臨用前配制）。

三、 操作步驟詳解

1. 樣品采集與保存：

   • 使用清潔玻璃瓶或聚乙烯瓶采集樣品。
   • 水樣采集后應盡快分析。如需保存，應加入適量濃硫酸（通常每升水樣加0.5-1mL濃硫酸）酸化至pH<2，并在4℃冷藏，保存期不超過24小時。避免使用含氮防腐劑。

2. 樣品預處理：

   • 渾濁或有色水樣： 取適量水樣，用0.45μm濾膜過濾（注意濾膜含氮量應低，使用前需用無氨水充分沖洗），棄去初濾液，收集后續濾液用于測定。
   • 含大量懸浮物的廢水或固體樣品： 需齊全行均質化處理（如勻漿），再準確稱取適量樣品（使氮含量在測定范圍內），用無氨水溶解或稀釋定容后，取上清液或過濾液進行消解。必要時進行凱氏定氮法消解前處理。

3. 校準曲線繪制：

   • 取7支高壓消解管，編號。
   • 依次加入0.00（空白）、0.50、1.00、2.00、3.00、5.00、7.00mL硝酸鉀標準使用液（10mg N/L）。
   • 向各管加入無氨水至10.0mL刻度線。
   • 按照步驟4進行消解。
   • 按照步驟5進行顯色（此步實際無顯色反應，指消解后定容、混合、測量）與測定。
   • 以加入的氮質量（μg）為橫坐標（X），以扣除空白后的校正吸光度（A220 - 2A275）為縱坐標（Y），繪制校準曲線。通常應得到一條通過原點的直線，計算其線性回歸方程（Y = a + bX）。

4. 樣品消解：

   • 取適量預處理好的樣品（通常取10.00mL，若濃度高則需稀釋后取樣，使氮總量在1-80μg范圍內）于高壓消解管中。若取樣量不足10mL，用無氨水補足至10mL。
   • 空白試驗： 取10.00mL無氨水于另一消解管中。
   • 向每支消解管（包括樣品管、標準管、空白管）中準確加入5.00mL堿性過硫酸鉀溶液。 蓋緊蓋子（或使用具塞玻璃磨口塞，纏繞封口膜）。
   • 將消解管放入高壓蒸汽滅菌器中（或專用消解器），蓋好滅菌器蓋。待溫度升至120℃開始計時，在120-125℃保持30分鐘進行消解。
   • 消解結束后，關閉電源，讓滅菌器自然冷卻降壓或小心排氣至壓力表降至零點，待溫度降至60℃以下時再打開滅菌器蓋。取出消解管，待其完全冷卻至室溫（可冷水冷卻）。

5. 測定：

   • 向每支冷卻后的消解管中加入1.0mL鹽酸溶液（1+9），充分混勻以中和堿度（此步至關重要，避免損壞石英比色皿）。
   • 將消解管內溶液全部轉移至25mL（或50mL，視消解管容積和濃度范圍而定）容量瓶中，用少量無氨水多次沖洗消解管壁，洗液并入容量瓶，最后定容至刻度，搖勻。
   • 使用紫外分光光度計，以無氨水作參比，用10mm石英比色皿，分別在波長220nm和275nm處測定溶液的吸光度。
   • 記錄吸光度值：A220（樣品/標樣在220nm）和A275（樣品/標樣在275nm）。

6. 結果計算：

   • 計算校正吸光度（Acorr）： Acorr = A220 - 2 * A275
   • 根據校準曲線計算總氮質量： 將樣品（或標樣）的校正吸光度值代入校準曲線的線性回歸方程，計算出樣品消解液中所含的總氮質量（M, μg）。
   • 計算樣品總氮濃度：
     • 液體樣品（mg N/L）： 總氮濃度 = (M) / (V) 其中：
       • M：由校準曲線計算出的總氮質量（μg）
       • V：用于消解的取樣體積（mL）
     • 固體樣品（mg N/kg）： 總氮濃度 = (M * Vt) / (m * Vs * 1000) 其中：
       • M：由校準曲線計算出的總氮質量（μg）
       • Vt：樣品消解后定容的總體積（mL）
       • Vs：用于消解的樣品溶液體積（mL）
       • m：用于制備樣品溶液（體積為Vt）的固體樣品質量（g）
       • 1000：將μg轉換為mg（結果單位mg/kg即mg N/kg干重或濕重，需注明）

四、 關鍵注意事項與質量控制

1. 試劑純度： 過硫酸鉀試劑極易含氮雜質，必須選用優級純（GR）或符合總氮測定要求的專用試劑。氫氧化鈉也應使用優級純。
2. 無氨水質量： 整個實驗過程必須使用合格的無氨水。可通過檢查空白值確認水質。
3. 消解條件控制：
   • 溫度與時間： 必須確保消解溫度達到并維持在120-125℃持續30分鐘。溫度不足導致消解不完全，結果偏低；溫度過高或時間過長可能導致空白值異常升高。
   • 消解管密封： 必須確保消解管密封良好，防止消解過程中氨逸出造成損失。
4. 鹽酸中和： 消解液呈強堿性，加入鹽酸中和是保護昂貴石英比色皿的必要步驟，加酸后務必充分混勻。
5. 吸光度測量：
   • 雙波長校正： 必須測量220nm和275nm兩處的吸光度，并用A220 - 2A275進行校正，以消除有機物的干擾。樣品吸光度值應在儀器線性范圍內（通常Acorr<1.0）。
   • 比色皿潔凈： 石英比色皿必須保持清潔透明，無劃痕。使用前后用稀酸（如1+9鹽酸）浸泡清洗，再用無氨水沖洗干凈。
6. 空白試驗： 每次測定必須同時進行空白試驗（全程使用無氨水），其校正吸光度應盡量低且穩定（通常要求<0.030）。空白值過高說明試劑或水不純或操作污染。
7. 質量控制：
   • 空白控制： 每批次樣品（不超過20個）至少帶2個空白。
   • 校準曲線： 每次測定或更換試劑時必須重新繪制校準曲線，線性相關系數（r）應≥0.999。
   • 平行樣測定： 樣品應進行至少雙份平行測定，計算相對偏差（通常要求≤10%）。
   • 質控樣： 定期使用有證標準物質（CRM）或已知濃度的質控樣進行測定，驗證方法的準確度和精密度。
8. 安全防護：
   • 高壓蒸汽滅菌器操作： 嚴格遵守高壓容器操作規程，確保安全閥有效，防止超壓爆炸。消解管取出前必須充分冷卻降壓。
   • 化學品防護： 濃硫酸、氫氧化鈉、濃鹽酸具有強腐蝕性；過硫酸鉀為強氧化劑，避免高溫、摩擦、撞擊，遠離有機物存放。操作時佩戴防護眼鏡、實驗服和手套，在通風櫥內進行相關操作。

五、 結果報告
報告總氮測定結果時，應包含以下信息：

• 樣品標識
• 測定方法名稱（堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法）
• 結果數值及單位（如 mg N/L, mg N/kg）
• 注明結果是以氮（N）計
• 樣品狀態（如過濾、保存方式）
• 測定日期
• 必要時報告平行測定的相對標準偏差（RSD）

六、 主要應用領域

• 環境監測： 地表水（河流、湖泊、水庫）、地下水、海水、降水、生活污水、工業廢水排放口的總氮監測。
• 污水處理廠： 進出水水質監控、工藝過程控制（硝化/反硝化效率評估）。
• 農業與土壤： 農田土壤、肥料、灌溉水中的氮含量評估。
• 食品與飲料： 某些食品原料、添加劑、成品（如乳制品、飲料）中的氮含量測定（需注意基體干擾和處理）。
• 科研領域： 氮循環研究、水質模型構建、污染源解析等。

堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法是測定水體和某些固體樣品中總氮的標準且廣泛應用的方法。該方法具有原理可靠、操作相對成熟、靈敏度較高的特點。要獲得準確可靠的結果，關鍵在于嚴格控制實驗條件（特別是消解溫度、時間和試劑純度）、規范操作細節（如無氨水使用、雙波長校正）、執行嚴格的質量控制措施（空白、校準曲線、平行樣、質控樣）并高度重視實驗安全。掌握該方法對準確評估環境氮負荷、指導污染治理和資源管理具有重要意義。

附錄：常見問題解答（FAQ）

• Q：空白值偏高怎么辦？
  A：檢查無氨水質量（換水重測空白）；檢查堿性過硫酸鉀溶液是否新鮮配制或儲存不當（重新配制）；檢查消解管、比色皿及所有接觸液體的器皿是否徹底清洗干凈；確認消解溫度未超標。
• Q：校準曲線不通過原點或線性不好怎么辦？
  A：確保標準溶液配制準確（天平、容量瓶校準）；檢查光度計穩定性及波長準確性；確保操作一致（移液、定容、消解條件）；檢查試劑是否失效或受污染。
• Q：樣品消解后顏色很深或有沉淀怎么辦？
  A：可能樣品中有機物含量過高或存在大量懸浮物。應減少取樣量或對樣品進行適當稀釋后重新測定消解液體積取更少部分進行測定；確保樣品預處理充分（過濾、均質）；驗證是否存在干擾（如氯離子過高）。
• Q：氨氮含量高的樣品會對測定有影響嗎？
  A：理論上不會。本法設計目的就是將各種形態氮（包括氨氮）最終全部氧化為硝酸鹽氮進行測定。只要消解完全，氨氮被定量轉化為硝酸鹽氮。但極高氨氮可能導致消解管內堿性減弱，需確保消解體系堿性足夠。

通過遵循本指南的詳細步驟和注意事項，實驗人員應能有效開展總氮的測定工作，為水質管理和環境評價提供可靠的數據支持。