試劑成分的選擇

最早由Grasshoff 於 1964 年提出：測定硝酸鹽樣本時需加入一試劑，其可延長 鎘管壽命，且具有緩衝作用以及錯合被氧化的鎘離子的功能。由於硝酸鹽容易被 還原成多樣無機氮物種，反應所需的還原電位不同，參考如下( 施, 2000 )：

NO3- + 2H⁺ + e^- → NO2- + H2O ( E⁰ = 0.81 V ) NO3- + 3H⁺ + 2e^- → HNO2 + H2O ( E⁰ = 0.94 V ) NO3- + 4H⁺ + 3e^- → NO + H2O ( E⁰ = 0.96 V ) NO3- + H2O + 2e^- → NO2- + 2OH^- ( E⁰ = 0.01 V )

在酸性條件下進行反應時，若酸鹼值沒控制穩定，硝酸鹽可能被還原成其他氮物 種，但在中性環境下，較無此疑慮，因此接近中性或弱鹼性的緩衝試劑紛紛被提 出，其中最常被使用的成分為氯化銨與乙二胺四乙酸，其與鎘離子錯合的反應方 程式如下( Grasshoff, 1999; Wood et al., 1967 )：

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NO3- + Cd(s) + 2NH4+ + 2NH3 → NO2- + Cd(NH3)42+ + H2O NO3- + Cd(s) + EDTA^4- + H2O → NO2- + Cd(EDTA)^2- + 2OH^-

於流程中添加各種緩衝錯合試劑的目的相同，但試劑的成分與酸鹼值卻會使鹽度 與鎘銅管還原率變化關係不同，因此欲改變試劑中氯化銨與乙二胺四乙酸的濃 度，加上調整酸鹼值與否，進行交叉測試，以找出較適用於廣鹽性水樣的緩衝錯 合試劑。

3.2.1 探討乙二胺四乙酸的濃度與酸鹼值對試劑之影響

首先以本實驗室慣用的 2% w/v 氯化銨緩衝試劑作為基質，搭配不同濃度 ( 0%~4% w/v )的乙二胺四乙酸或改變酸鹼值( 4.x~9.5 )，探討試劑使還原率對鹽度 變化的關係，並在整個反應流程中，截取三處樣水：一為樣水與緩衝試劑混合後，

另一為通過鎘銅管後尚未加入呈色試劑前，以及反應最終通過分光光度計後，量 測水樣的酸鹼值，觀察硝酸鹽測定過程中酸鹼值變化。

( 1 ) 實驗儀器設備

本實驗需要的分光光度計、流動槽、FIA 流程板、鎘銅還原管、蠕動幫浦、幫 浦管、加熱器、移液管、定量瓶、離心管與酸鹼度計，詳細內容請參考2.2.1( 1 )。

( 2 ) 試劑與標準品的配製

實驗進行所需的 SUL 試劑、NED 試劑、0.1% w/v 硫酸銅溶液與 3N HCl 溶液，

以及多鹽度的10 μM 硝酸鹽標準品的配方請參照 2.2.1 與 2.2.2( 2 )。另外再配製 2%

w/v 的氯化銨溶液，搭配六種濃度 EDTA 與六種酸鹼值，一共三十六種交叉組合。

取一1000 ml 的定量瓶，先量秤 20.0 g 的氯化銨溶於二次蒸餾水中，再溶解 X g 的 乙二胺四乙酸，其中X 分別為 0.00、1.00、5.00、10.0、20.0、40.0 g，補充蒸餾水

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至八分滿，劇烈搖晃使其溶解，再定量至刻線。將其倒入1 L 塑膠瓶中，再分裝至 六個100 ml 的塑膠瓶，添加少許的 5-6 N 的氫氧化鈉，使其最後酸鹼值為 5.5、6.5、

7.5、8.5 與 9.5，剩下一瓶為原始試劑，不改變酸鹼值。試劑濃度為 2% w/v 氯化銨 混合0%、0.1%、0.5%、1%、2%以及 4% w/v 的乙二胺四乙酸，依濃度低至高，

以英文字母A 到 F 代表，試劑的原始酸鹼值約介於 4.40 至 4.90，加上調整後的五 組酸鹼值( 5.5 ~ 9.5 )，由低至高排列，依序以阿拉伯數字 1 到 6 表示。

( 3 ) 步驟

首先以2% w/v 氯化銨溶液作為緩衝錯合試劑，測定鹽度為零、淡水硝酸鹽標 準品的吸光值，再變更成欲測試的緩衝試劑，進行標準品的測量，當吸光值穩定 後，再收集進入鎘銅還原管前的標準品與試劑的混合液、通過鎘銅管後且未加入 酸性磺胺試劑的混合液和經過分光儀器測定後的混合液，量測三種狀況下的酸鹼 值，完成後更換另一個鹽度的標準品，待所有鹽度的標準品經過試驗後，再重覆 步驟，置換下一個待測緩衝錯合試劑。

( 4 ) 數據討論

由於不同條鎘銅管或是不同時間測試同條還原管，其還原率不盡相同，為了 減少鎘銅管還原率本身衰退的影響，數據以相對吸光值方式呈現，計算方式為待 測緩衝試劑分析各鹽度標準品得到的吸光值除以使用2% w/v 氯化銨試劑測定淡水 標準品的讀值，但是討論仍以每種試劑測定的鹽度趨勢為主，吸光值受鎘管影響 變異大，不適合跨組比較。

從圖 3.1 可以觀察出幾個現象，當緩衝試劑中未加入乙二胺四乙酸或是濃度極 低時，不管試劑酸鹼值調整與否，其相對吸光值皆隨著鹽度上升而下降，鹽度干 擾極為明顯，且試劑酸鹼值越高，淡海水標準品的相對吸光值差異越大。但試劑 含有0.5% w/v 以上的乙二胺四乙酸時，便開始影響趨勢，且與酸鹼值似乎有一定

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比例的關係；試劑酸鹼值低的情況，大多出現海淡水端點高、半鹹水較低的下凹 趨勢；當酸鹼值調升至某一程度時( 乙二胺四乙酸濃度越高酸鹼值也越高 ) ，又 回復隨鹽度上升而下彎的趨勢，但在濃度約在0.5%至 2%，酸鹼值介於 6.5 至 8.5 時，存在著下凹、下彎兩種現象之間的過渡地帶，干擾情形會較於平緩。推測因 乙二胺四乙酸為四質子酸，濃度與酸鹼值皆會改變各價次離子、氫離子之間的比 例，又酸鹼值越高，乙二胺四乙酸能完全地與鎘金屬產生螯合物( Cd(EDTA)^2- )，

因此在使用低濃度的乙二胺四乙酸或乙二胺四乙酸含量多且高酸鹼值這兩類試劑 時，出現類似的趨勢。

觀察圖 3.1 中乙二胺四乙酸濃度較高且酸鹼值較低的區塊，其相對吸光值大都 偏低，可與圖3.2、表 3.1 比較發現，應該是含鹽度的水樣與乙二胺四乙酸在酸鹼 值 4 附近產生一緩衝區間，使得樣水通過鎘銅前後的酸鹼值大多低於五以下，推 測低酸鹼值有兩個可能影響的層面：一為亞硝酸的pKa 值約為 4.5，當酸鹼值高於 五時，以亞硝酸根離子型態存在居多，才能與試劑產生偶氮化合物；另一為當酸 鹼值太低時，可能使鎘金屬上面的鍍銅溶解，干擾後續呈色反應。

由於緩衝錯合試劑含有鹼度，有可能抵銷酸性磺胺試劑中氫離子的濃度，使 得無法反應完全，進而影響吸光值，因此察看表 3.1 的反應最終酸鹼值，皆介於 0.90 到 1.20 之間，藉由簡( unpublished )提出的實驗結果得知：最終酸鹼值落在 0.6 至 1.7 範圍內的話，對於磺胺乙二胺法測定亞硝酸鹽的吸光係數( 51100~51800 cm^-1M^-1 )沒有太大影響，可再次證明鹽度效應、緩衝試劑影響範圍皆在於鎘銅管的 還原反應。

3.2.2 變換試劑中銨濃度的影響

經過試驗得知，當試劑中氯化銨濃度為 2% w/v，且混合乙二胺四乙酸的濃度 介於0.5%~2% w/v 之間，若加上適當的酸鹼值，則可使吸光值隨鹽度的變化呈現 較平緩的趨勢，因此針對前一節代號為C3~5、D3~5、E3~5 的試劑，再增加銨離

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子濃度的變異因子，觀察試劑中氯化銨、乙二胺四乙酸的濃度與酸鹼值和還原率 隨鹽度變化的關係。

( 1 ) 實驗儀器設備

分光光度計、流動槽、FIA 流程板、鎘銅還原管、蠕動幫浦、幫浦管、加熱器、

移液管、定量瓶與酸鹼度計，內容同2.2.1( 1 )。

( 2 ) 試劑與標準品的配製

本實驗使用的硝酸鹽標準品，亞硝酸鹽的呈色試劑，置備鎘銅管的稀釋鹽酸 與硫酸銅溶液，配製方法請參見2.2.1 與 2.2.2( 2 )。另外再調配緩衝錯合試劑，有 氯化銨濃度、乙二胺四乙酸含量，以及試劑酸鹼值三項因子，總共54 種不同試劑 的組合，氯化銨包含 0%、0.5%、1%、2%、4%、8% w/v 六種濃度，乙二胺四乙 酸則有0.5%、1%、2% w/v 三種濃度的變化，試劑調整後的酸鹼值約為 6.5、7.5、

8.5。將 X g 的氯化銨溶於二次蒸餾水中，再溶入 Y g 的乙二胺四乙酸，加入二次 蒸餾水至八分滿，搖晃混合均勻後，以二次蒸餾水定量至500 ml。其中 X 一組包 括 0、2.5、5.0、10、20、40 g 的氯化銨，Y 依序變更為 2.5、5.0、10 g 的乙二胺 四乙酸，當X 一組皆配製完成後才改變 Y，如此重複，調配出 18 種不同濃度的試 劑，將其倒入塑膠瓶中保存，再分裝至三瓶100 ml 的塑膠瓶中，使用 5~6 N 的氫 氧化鈉溶液調整試劑酸鹼值增高為6.5、7.5 和 8.5。

( 3 ) 步驟

先選用 2% w/v 氯化銨溶液作為緩衝錯合試劑，待機器、鎘銅管穩定後，載入 配製於二次蒸餾水中的硝酸鹽標準品，記錄其吸光值後，再將緩衝試劑轉為待測 試劑沖提兩三分鐘，使用二次蒸餾水歸零後，注入標準品，記錄穩定的讀值，再 逐次變更為各個鹽度的標準品，如此重複步驟，使每一瓶試劑皆能測定五種鹽度

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的硝酸鹽標準品。

( 4 ) 數據討論

結果顯示試劑中乙二胺四乙酸的濃度與酸鹼值改變所產生的趨勢同於上節，

但銨濃度較低時，還原率與鹽度變化大多呈下凹趨勢，海、淡水兩端點較高、半 鹹水還原率較低，參考圖3.3( 數據見表 3.2 )，主要是乙二胺四乙酸引導趨勢，若 氯化銨濃度大於1%時，影響能力隨含量而漸增，使得使乙二胺四乙酸濃度較低或 是高濃度且高酸鹼值的組合，有趨於平緩或隨鹽度增加而下降的趨勢。

3.2.3 建議試劑配方

藉由改變緩衝錯合試劑中的氯化銨濃度，或是混合不同濃度乙二胺四乙酸，

以及調升試劑的酸鹼值等實驗因子，尋找出一較適合廣鹽性水樣的緩衝試劑，配 方為酸鹼值7.5 的 4% w/v 氯化銨混合 0.5% w/v 的乙二胺四乙酸，其能使還原率隨 鹽度的變化大幅縮小，且從圖3.3( a )可以看出趨勢約略為線性，由於鎘銅管的穩 定性不佳，因此使用不同條還原管進行多次重複測試管，參考圖3.4，雖然結果顯 示的還原率不盡相同，但其隨鹽度的增加皆為近似線性的變化，有助於簡化鹽度 修正的步驟。