環(huán)境中硝酸鹽和亞硝酸鹽光譜測定法研究進展
摘要 : 綜述了近年來環(huán)境中硝酸鹽和亞硝酸鹽光譜法測定的研究進展，包括原理、測定參數(shù)及其適用范圍等。并對各種光譜法的優(yōu)缺點作了評述。
關(guān)鍵詞：硝酸鹽;亞硝酸鹽;光譜法
1 引言
亞硝酸鹽是潛在的致癌物質(zhì)，人體攝入的硝酸鹽含量過高可能使血液中的變性蛋白增加。在環(huán)境監(jiān)測中，硝酸鹽和亞硝酸鹽是重要的分析項目。光譜法測定NO3--N、NO2--N 是最常用、最普通的方法，容易滿足測定要求，且限制較少。本文通過對多種硝酸鹽、亞硝酸鹽的光譜測定法（分光光度法、化學發(fā)光法、熒光法、催化動力學法、紅外線法、電子順磁共振法等）進行評價，指出了不同光譜法的優(yōu)點及其適用范圍的限定，并推薦了幾種典型的、有代表性的硝酸鹽、亞硝酸鹽的光譜測定法。
2 分光光度法
2.1可見分光光度法
光譜法中最常用的測定亞硝酸鹽的方法是Griess法。NO2-在酸性條件下與偶氮反應(yīng)生成紅色的偶氮苯，偶氮在500～600nm有最大吸收光譜（若所選擇的反應(yīng)物不同，最大吸收光譜也有所不同）。目前，使用得最多的反應(yīng)劑是磺胺和N-1-鹽酸奈乙二胺，在540nm處比色測定。因所選擇的反應(yīng)劑不同，Griess 法的測定極限是0.02～2μmol/L。Griess法測定NO2-具有高靈敏性、高準確度和再現(xiàn)性的特點，且方法簡單有效，但在復(fù)雜介質(zhì)中測定會受到影響。用Griess法測定NO3-時，必須先將NO3-還原為NO2-，再用Griess法測定NO2-的含量。
近年來，許多學者對Griess法進行了改進，使其操作更為簡便，靈敏性更高。姚慶禎等[1]采用超聲波振蕩法，并對鋅－鎘法測定硝酸鹽的試驗條件進行了改進，方法的精密度和回收率都較好，可用于江河水、雨水、海水等天然水體中硝酸鹽的測定。周本軍等[2]采用固體格氏試劑快速測定水中的亞硝酸鹽氮，與液體試劑法相比效果相同，且固體格氏試劑法簡化了操作手續(xù)，減輕了工作人員的工作強度，降低了分析成本，減少了試劑損耗，另外，配成的固體試劑可長期保存，隨時可以適用，更適合大批水樣的測定。王海鷹等[3]采用自行設(shè)計的低頻振蕩還原儀，可在8min還原100個樣液，而且還原效率高，操作簡便，大大提高了測定的速度，具有重要推廣價值。張霞等[4]用H酸（1，8-氨基萘酚-3，6-二磺酸）代替α-萘胺或鹽酸萘乙二胺作為重氮化合物的偶聯(lián)試劑測定水中亞硝酸鹽，亞硝酸鹽在0.025～1.0μg /mL范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。Xu 等[5]用改進的E.大腸桿菌膜－Griess反應(yīng)微量滴定板法測定基質(zhì)中微量硝酸鹽。微量滴定板法和常規(guī)的可見分光光度法相比有其優(yōu)勢：樣品量大、樣品容積小、消耗的反應(yīng)劑少、測定效率高；且其使用的還原劑具有專一性（專一還原硝酸鹽）,試驗材料沒有健康的危險,廢物沒有損害、傷害等優(yōu)點。E.大腸桿菌膜還原法已經(jīng)成功地應(yīng)用于植物、土壤和水中硝酸鹽的測定。Wang等[6]探討了用柱式濃縮分光光度法同時測定水、蔬菜樣品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽。此方法靈敏性、選擇性高，而且準確性高、簡單，可同時測定硝酸鹽和亞硝酸鹽。任志剛等[7]增大比色皿寬度，將原用3cm改為5cm比色皿，增大了低濃度樣品與空白樣的差值，提高了方法的靈敏度。
與此同時，液相色譜和連續(xù)流動分析與Griess法相結(jié)合，拓寬了硝酸鹽測定的樣品多樣性，使其能夠測定一些更為復(fù)雜樣品中的硝酸鹽，例如生物液體、食品中的硝酸鹽，這是分光光度法研究中的一個新的熱點。Kazemzadeh等[8]使用連續(xù)流動分光光度法同時測定多種樣品中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，亞硝酸鹽和硝酸鹽測定的范圍分別為0.003～2.00μg /mL、0.030～2.00μg /mL，每小時可測20±3個樣品，其測定的極限分別為0.001μg /mL、0.010μg /mL，對水樣中、食品樣品中硝酸鹽、亞硝酸鹽的測定取得了滿意的結(jié)果，這個方法簡單、快速、靈敏度高。Legnereová等[9]依靠連續(xù)注射分析法全自動同時測定表層水樣的硝酸鹽和亞硝酸鹽，發(fā)現(xiàn)SIA法（Sequential Injection Analysis）與FIA法（Flow Injection Analysis）相比，前者能夠測定的樣品濃度范圍大，并且是全自動分析，準確度和精密度高；與其他方法相比，消耗的反應(yīng)液和樣品量。涣磉有一個優(yōu)點是纖維光學探測器小，可用在便攜式測定中。 Petsul等[10]用微流注射分析法(µFIA)測定硝酸鹽。NO3-的測定極限為0.026μg /mL，在0.5～20µmol/L范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)為0.985。流動分析還可與其他比色法相結(jié)合，測定硝酸鹽與亞硝酸鹽。Kazemzadeh等[11]依據(jù)亞硝酸鹽與番紅O反應(yīng)形成重鹽，重鹽引起桔紅色的溶液在酸性介質(zhì)中變成藍色，在520nm處有吸收光譜。亞硝酸鹽和硝酸鹽的測定范圍分別是0.0001～3.00μg /mL和0.005～3.40μg /mL，測定的極限分別為0.5n g /mL和3n g /mL，用此種方法測定食品中硝酸鹽和亞硝酸鹽取得了滿意的結(jié)果。Monser等[12]利用在加入亞硝酸鹽條件下，磷鉬藍藍色化合物衰減，并且減少的吸收光譜可在820nm處測定，引入了流動注射分析方法同時測定硝酸鹽和亞硝酸鹽。亞硝酸鹽在0.05～1.15μg /mL范圍內(nèi)，硝酸鹽在0.06～1.6μg /mL范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，測定的極限分別為0.01μg /mL和0.025μg /mL。此方法快速、簡單，并且不受pH值限制。
Zatar等[13]提出了利用磷鉬藍絡(luò)合物用分光光度法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽的一種新方法。這個方法依賴于通過硫化鈉還原磷鉬酸，形成的磷鉬藍化合物與加入的亞硝酸鹽偶氮化，引起藍色吸收光譜的減少，減少的程度與加入的亞硝酸鹽的量成正比，然后在814nm處測定藍色絡(luò)合物的吸收光譜。這個方法可用來測定水、肉制品、蔬菜中的硝酸鹽（先用Jones還原器還原）和亞硝酸鹽，具有測定時間短、測定濃度低的特點。亞硝酸鹽與原黃素在酸性條件下反應(yīng)生成穩(wěn)定的紫紅色化合物，在328nm處有最大吸收光譜，最小的測定極限是2nmol/L。然而，當Fe3+超過1mg /L時會對顏色的穩(wěn)定性有很大的影響，類似的問題也出現(xiàn)在酚醛塑料（苯酚、間苯二酚、間苯三酚）作為指示劑時[14、15]。丘星初[16]研究了在硫酸介質(zhì)中，鄰氨基苯甲酸與NO3-和NO2-離子顯色體系的光度性質(zhì)與形成條件，顯色產(chǎn)物最大吸收波長為560～565nm，符合比耳定律的濃度范圍NO2--N 為0.03～0.15μg /mL，NO3--N 為0.05~0.20μg /mL, 應(yīng)用于地表水中硝酸鹽和亞硝酸鹽的聯(lián)合測定。關(guān)虹等[17]研究了NO2-藏紅T顯色體系及其光度特性，用來測定地面水和污水中的亞硝酸鹽氮。該方法線性范圍為0.0～3.5μg /mL，檢出限為0.88μg /mL，含亞硝酸鹽氮1.0μg /mL時相對標準偏差為4.2%。該方法選擇性高、反應(yīng)靈敏，準確度和精密度良好，試劑穩(wěn)定且無毒性，操作簡便，易于推廣應(yīng)用，是測定亞硝酸鹽氮的一個較有實用價值的分光光度法。
2.2 紫外分光光度法
張金華[18]改進了常規(guī)紫外分光光度法測定水中硝酸鹽氮的操作方法，用活性炭代替樹脂吸附處理樣品，簡化了預(yù)處理手續(xù)，使測定硝酸鹽氮檢出限達到0.014m g /mL。方力等[19]提出了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化方法，并成功地將其應(yīng)用于水中NO3-和NO2-的分析，在含量變化較大（最大與最小相差15倍）的范圍內(nèi)對2種物質(zhì)同時進行測定，硝酸鹽氮的相對誤差小于5%，亞硝酸鹽氮的相對誤差略大，但一般小于10%，RSD小于5%。王心宇等[20]利用紫外檢測－離子色譜法測定食品中的亞硝酸鹽和硝酸鹽，NO2--N、NO3--N的檢出限分別為4μg /L和10μg /L，此方法適用于測定肉制品、奶粉、蔬菜中的硝酸鹽和亞硝酸鹽。Lanoul等[21]采用紫外共振拉曼光譜法同時測定污水處理過程中的硝酸鹽和亞硝酸鹽，該方法的濃度范圍是7μM～3.5mM，是一種較為理想的同時測定污水中硝酸鹽和亞硝酸鹽的方法。李密等[22]應(yīng)用FABMS、NMR、IR、HPLC和紫外分光光譜研究了室溫下三乙醇胺與較高濃度NO2的反應(yīng)情況，證明反應(yīng)產(chǎn)物為三乙醇胺硝酸鹽和三乙醇胺亞硝酸鹽，提出了可能的反應(yīng)機理，為TEA法監(jiān)測空氣中NO2的濃度提供了依據(jù)。李黨生等[23，24]研究了堿性品紅與亞硝酸根在硫酸（或鹽酸）介質(zhì)中的反應(yīng)，建立了測定亞硝酸鹽氮的新方法。該方法的線性范圍為0～1.6μg /mL，用于地表水、地下水的測定，結(jié)果與鹽酸奈乙二胺比色法一致。
導(dǎo)數(shù)法與紫外分光光度法相結(jié)合，拓寬了紫外分光光度法測定硝酸鹽和亞硝酸鹽的領(lǐng)域，且其靈敏度高，簡便、快速。李萍等[25]研究了硝酸鹽和亞硝酸鹽的一階導(dǎo)數(shù)光譜，用一階導(dǎo)數(shù)紫外分光光度法直接測定水中硝酸鹽，最低檢出濃度為1n g /mL。該方法不需任何分離、掩蔽或轉(zhuǎn)化，直接測定水中NO3-，簡便、靈敏、精密度和準確度較高，適用于飲用水、湖水和河水中NO3-的測定。戈早川等[26]將通用標準加入法和偏最小二乘法相結(jié)合，提出了一種新的直接同時測定鹵肉制品中NO2-、NO3-的紫外導(dǎo)數(shù)分光光度法。該方法的吸收光譜與常規(guī)吸收光譜比較，有較大的紅移，可消除或減少鹵肉制品中雜質(zhì)成分的干擾，且靈敏度高，簡便、快速、準確、實用。黃志勇、鄧滿萍[27]用比光譜導(dǎo)數(shù)法同時測定光譜重疊嚴重的肉制品中NO3-和NO2-含量，在不需分離和掩蔽的條件下，測得的回收率和精確度均較高，并且二者的濃度分別在0～9mg /L和0～9mg /L之間符合線性關(guān)系，回歸的相關(guān)系數(shù)r均達0.999以上。
Finch等[28]研究了低能量下紫外分光光度法測定海水中硝酸鹽氮。通過快速的1Hz反應(yīng)，在220nm處測定溶解的硝酸鹽氮濃度、海水鹽度，同時還可測定溶解的有機物，其典型的能量消耗為3～4W。近年來，第二衍生光波紫外/可見光度法測定硝酸鹽的研究頗多，成為紫外分光光度法中的一個新亮點。Simal等[29]提出了依靠第二衍生光波紫外/可見光度法測定硝酸鹽。Suzuki N 和Kurode R[30]用第二衍生紫外分光光度法同時測定硝酸鹽和亞硝酸鹽。Crumpton等[31]修改了第二衍生光譜法，除可以測定硝酸鹽外，還可測定有機氮。Ferree等[32]對第二衍生紫外/可見光譜法測定污水樣品中硝酸鹽和總氮進行了評價，認為這種方法簡便、快速，并且需要的樣品量小，而且產(chǎn)生的污染少。Rozan等[33]開發(fā)了一種離子色譜/紫外分光法，可同時測定咸水中的亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽濃度，并且不需要對樣品進行預(yù)處理，同時樣品需要量少（小于100μL），咸水中的其他一些離子、溴化物和碘化物也可用這個方法測定，只不過在分析前要求對樣品進行過濾處理。
3 熒光光度法
熒光光度法靈敏度高，近年來對熒光光度法測定NO2-和NO3-的研究逐漸增多。楊景和等[34]用硫酸肼做還原劑，研究了將NO3-還原為NO2-的條件，提出水相中采用DAN為熒光劑測定NO2-和NO3-的方法，該法在0～2μg /mL范圍內(nèi)NO2-與熒光強度呈線性關(guān)系，檢出限為0.4μg /mL，該法能夠測定天然水中NO3-和NO2-。李勁松、吳愛東[35]利用亞硝酸和L-酪氨酸（L-Tyr）的熒光反應(yīng)對NO2-進行測定，并對可能的干擾離子進行了詳細研究，還對牛奶、肉制品、自來水、泉水中的NO2-進行了直接測定，效果很好。Masserini 等[36]通過探測器用熒光法同時測定海水中納摩爾濃度級的亞硝酸鹽、硝酸鹽和氨離子，亞硝酸鹽、硝酸鹽的極限分別為4.6nmol/L 和6.9nmol/L，大大地提高了低濃度測定下的極限，每小時可以測定18個樣品。
4 化學發(fā)光法
在酸性介質(zhì)中，NO2-將K4[Fe(CN)6]氧化為K3[Fe(CN)6]，在尿酸的增強作用下，魯米諾－鐵氰化鉀產(chǎn)生化學發(fā)光，從而建立了一種間接測定亞硝酸鹽的化學發(fā)光分析的新方法。該方法的檢出限為5.0×10-11 g /mL，校準曲線范圍為1.0×10-9 g /mL～1.0×10-5 g /mL。該方法可應(yīng)用于水樣中亞硝酸鹽含量的測定[37]。鄧學良等[38]基于鹽酸介質(zhì)中I-與NO2-反應(yīng)產(chǎn)生的I2氧化魯米諾(Luminol)而產(chǎn)生的化學發(fā)光反應(yīng)，建立了Luminol-I--NO2-偶合化學發(fā)光體系測定血清中NO2-的方法。該法NO2-的線性范圍為0.018～300μg /L，檢出限為0.026μg /L。
氣相化學發(fā)光能夠較大范圍地消除測定氣體NO和臭氧帶來的影響。通常，亞硝酸鹽在酸化的KI還原下能釋放NO， NO與臭氧反應(yīng)，生成激發(fā)態(tài)的NO2*，NO2*在600nm以上衰變放出微弱的遠紅外化學發(fā)光。這條路徑同樣可用作硝酸鹽的分析，不過要求更強的還原劑【典型的有Ti（III）】。硝酸鹽的含量可通過微分計算。化學發(fā)光衰變與連續(xù)流動分析相結(jié)合，與常規(guī)紫外/可見光度法相比，提高了測定的極限（10nmol/L），而且方便了大量樣品的硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨態(tài)氮的測定，所用時間不到3min。然而，該方法明顯不足是：提高了系統(tǒng)的復(fù)雜性，要求燃燒的溫度高（600℃）[39-41]。
5 催化動力學法
門瑞芝等[42]研究了甲基橙動力學法測定水、食品和蔬菜中硝酸鹽和亞硝酸鹽，在紫外光照射下甲基橙褪色程度與硝酸鹽和亞硝酸鹽含量均成正比，該法首先測定二者的總量，然后在氨基磺酸存在下測定硝酸鹽的量，再差減求得亞硝酸鹽的量。工作曲線范圍0.0～1.6μg /mL NO3-（或NO2-）。馮楓等[43]提出催化動力學光度法測定亞硝酸鹽的新方法，在酸性介質(zhì)中，亞硝酸鹽具有溴酸鹽氧化甲哌氯丙嗪的作用，采用固定時間測定體系的吸光度值，用于水中NO2-測定，靈敏度高、選擇性好，NO2-濃度在0～70μg /L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。牛建平[44]利用在碘化物存在下的稀硝酸溶液中，亞硝酸根對硫氰酸鐵（III）紅色絡(luò)合物的褪色反應(yīng)所具有的催化作用，采用固定時間法，于460nm波長比色定量測定水中的痕量亞硝酸鹽。該方法在0.10～1.00μg /L的線性范圍內(nèi)，樣品的變異系數(shù)為3.6%～4.5%，回收率為97.0%～107.0%，具有較好的精密度與準確度。袁亞莉等[45]用鎘柱將NO3-還原為NO2-，利用在磷酸介質(zhì)中NO2-對溴酸鉀氧化亞甲藍這一褪色反應(yīng)具有強烈的催化作用而建立了同時測定痕量硝酸鹽和亞硝酸鹽的新方法。該方法簡便、快速、靈敏，對硝酸鹽和亞硝酸鹽的線性范圍分別為0～200μg /L和0.003～310μg /L，用于測定各種水樣中痕量NO3-和NO2-的含量，均獲得了滿意結(jié)果。蔣治良等[46]將催化法與極譜分析法相結(jié)合，建立了催化反應(yīng)－極譜法。該方法基于在0.016mol/LH2SO4中及加熱條件下，NO2-對BrO3-氧化甲基紅有強烈的催化作用，藉自來水冷卻中止反應(yīng)，以NaOH作示波極譜測量指示組分甲基紅（Ep=-0.56V, υs, SCE）的支持電解質(zhì)，建立了NO2-的第1個催化反應(yīng)——示波極譜分析法，該法檢出限為0.035ng/mL，測定范圍為0.1～50 ng/mL。
6 其他一些特殊的光譜方法
傅立葉遠紅外光譜法[47]用來檢測氣溶膠中的硝酸根離子，在1384 cm-1和2430cm-1處有吸收光譜。Yordanov等[48]依據(jù)在有氧條件下，硝酸根離子與亞硝酸根離子有選擇地反應(yīng)，生成一種可化學計算的EPR(電子順磁共振)－活性單硝基二乙二硫代氨基甲酸鹽，氮一氧化物、氮二氧化物在空氣中有同樣的反應(yīng)，測定的極限與其在空氣中的背景濃度有關(guān)。EPR的線性關(guān)系NO2-可達250μg/mL, NO3-可達16000μg/mL，具有高選擇性和高靈敏性的特點。
7 結(jié)語
綜上所述，硝酸鹽和亞硝酸鹽光譜測定法日益增多。吸光光度法所用儀器設(shè)備簡單、價廉，靈敏度也較高，其研究方法具有實用性和可操作性，易于在基層單位使用。近年來連續(xù)流動分析技術(shù)的發(fā)展，分光光度法與連續(xù)流動分析技術(shù)相結(jié)合，大大提高了方法的靈敏度，可同時測定硝酸鹽和亞硝酸鹽，操作更為簡便、快速，消耗的反應(yīng)液和樣品量小，已成為光譜分析法研究的一個新熱點，具有廣泛的前景。紫外分光光度法的優(yōu)點是不經(jīng)分離可直接同時測定硝酸鹽和亞硝酸鹽，具有較好的選擇性，操作簡便。一階導(dǎo)數(shù)紫外分光光度法和第二衍生光波紫外/可見光譜法已成為近年來紫外分析法中研究的新熱點，拓寬了紫外分光光度法研究的領(lǐng)域。催化動力學法近年來發(fā)展較快，應(yīng)用廣泛，檢測限一般可達10-2ng/mL，可直接測定樣品中痕量硝酸鹽和亞硝酸鹽。熒光法、化學發(fā)光法、紅外線法、分子腔釋放法、電子順磁共振法對儀器的要求較高，但其測定的靈敏度高，在某些方面的開發(fā)應(yīng)用也具有良好的前景。
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