空气检测中氨气污染物的检测原理和方法

氨气是空气污染物中典型的碱性气体，广泛来源于建筑装修（混凝土外加剂、涂料）、畜牧养殖（动物粪便发酵）、工业生产（化肥、制药）及日常生活（厨房挥发、清洁剂使用）。其刺激性气味会引发人体呼吸道不适，高浓度暴露还可能导致肺水肿、昏迷等健康风险，因此准确检测空气中的氨气浓度是环境监测与健康防护的关键。本文将围绕氨气检测的核心原理，详细解析常用方法的反应机制、操作细节及适用场景，同时梳理样品采集与预处理的关键环节。

氨气的基本特性与空气检测的关联性

氨气（NH₃）是无色、具强烈刺激性气味的气体，沸点-33.5℃、熔点-77.7℃，1体积水可溶解700体积氨气，形成碱性氨水（NH₃·H₂O）。化学上，氨气呈碱性，能与酸反应生成盐，也能与汞离子、次氯酸钠等物质发生络合或氧化反应——这些特性直接决定了检测方法的选择：易溶性对应液体吸收采样，碱性对应酸性固定剂，络合反应对应分光光度法，电性能变化对应电化学法。

例如，氨气的易溶性要求采样时用稀硫酸、草酸等酸性吸收液，将气态NH₃转化为NH₄⁺固定；其与汞离子的络合反应（纳氏试剂法）需在碱性环境中进行，因此反应前需加碱调节pH≥11；而电化学传感器则利用氨气吸附对半导体电导率的改变，实现实时监测。理解这些特性，才能精准控制检测条件。

此外，氨气的挥发性意味着采样后需尽快分析，避免其从吸收液中逸出；其与金属离子的络合稳定性则影响显色反应的时间——如纳氏试剂法需静置10分钟让络合物充分形成，否则结果偏低。

纳氏试剂分光光度法：经典反应的细节解析

纳氏试剂分光光度法是氨气检测的传统方法，核心原理是NH₃与纳氏试剂（碘化汞与碘化钾的碱性溶液）反应生成黄棕色[Hg₂ONH₂]I络合物，颜色深浅与浓度成正比，在420nm波长下比色测定。

纳氏试剂的制备需严格控制比例：将HgI₂逐步加入KI溶液至出现微红色沉淀，再加入KOH调节碱性——若HgI₂过量，会导致试剂浑浊；KOH不足则无法形成碱性环境，络合物难以生成。反应式为：2K₂[HgI₄] + NH₃ + 3KOH = [Hg₂ONH₂]I↓ + 7KI + 2H₂O。

操作步骤分三步：一是用多孔玻板吸收瓶采集空气，吸收液为0.05mol/L稀硫酸，流量0.5-1L/min，采集10L空气；二是向吸收液中加0.5mL纳氏试剂，静置10分钟显色；三是用分光光度计测吸光度，对照标准曲线算浓度。

干扰控制是关键：硫化氢会与Hg²⁺生成HgS沉淀，需用ZnSO₄+NaOH混合液沉淀去除；甲醛会与NH₃生成六亚甲基四胺，需用KMnO₄溶液氧化去除。此外，吸收液中的颗粒物需用0.45μm滤膜过滤，避免堵塞比色皿。

该方法的优势是设备简单、操作快，适合基层实验室；但汞试剂有毒，易造成二次污染，且干扰较多，需严格预处理。

靛酚蓝分光光度法：高灵敏性的反应逻辑

靛酚蓝分光光度法是低浓度氨气（如室内空气）的首选，原理分两步：NH₃在碱性条件下与NaClO反应生成氯胺（NH₂Cl），再与水杨酸在亚硝基铁氰化钠催化下生成靛酚蓝，630nm波长下测定。

第一步反应需控制pH=10：NH₃ + NaClO = NH₂Cl + NaOH，pH过低无法生成氯胺，过高则NaClO分解。第二步反应的催化剂亚硝基铁氰化钠能加快靛酚蓝生成，缩短显色时间至15分钟——若不加催化剂，反应需数小时。

操作细节：吸收液用0.02mol/L草酸（比稀硫酸更稳定），采样后加水杨酸-柠檬酸钠溶液（缓冲+底物）、NaClO溶液（氧化剂）、亚硝基铁氰化钠溶液（催化剂），摇匀显色。该方法检出限可达0.01mg/m³，是GB/T 18883-2002推荐的室内空气检测方法。

干扰因素少是其核心优势：氯胺仅与氨气反应，水杨酸与氯胺的反应特异性高，几乎不受硫化氢、甲醛影响。但步骤较多，需精确控制试剂加入顺序——若先加催化剂再加NaClO，会导致靛酚蓝分解。

电化学法：传感器的响应原理与应用

电化学法是实时监测的主流技术，分金属氧化物半导体（MOS）与电化学电池两类。MOS传感器利用NH₃吸附在SnO₂、ZnO等半导体表面，改变电导率——n型半导体（如SnO₂）吸附NH₃后，电导率降低；p型半导体（如CuO）则升高，电导率变化与浓度成正比。

MOS传感器的优势是响应快（几秒内）、体积小，适合便携式监测仪；但选择性差，酒精、甲烷会干扰，需通过温度补偿（如交替加热到300℃和400℃）区分——NH₃在300℃响应最强，甲烷在400℃响应更强。

电化学电池传感器是三电极体系：工作电极（Pt）上NH₃氧化为NO₃⁻（NH₃+3H₂O-6e⁻=NO₃⁻+9H⁺），辅助电极（Au）上O₂还原为OH⁻，参比电极（Ag/AgCl）稳定电势。产生的电流与浓度成正比，检出限0.1ppm，适合高精度监测。

电化学电池的缺点是电解质易干涸，需定期更换；湿度敏感，需加分子筛除湿。此外，传感器寿命1-2年，需每3个月用标准NH₃校准。

气相色谱法：分离与检测的精准组合

气相色谱法（GC）适合复杂样品（如工业废气）的多组分检测，核心是用色谱柱分离NH₃，再用检测器定量。色谱柱选极性柱（如Porapak Q、GDX-101），利用NH₃的极性与非极性气体（如甲烷）分离，载气用N₂或He，流量10-30mL/min，柱温60-100℃。

检测器选热导池（TCD）或电子捕获（ECD）：TCD是通用检测器，利用NH₃与N₂的热导率差异（NH₃热导率0.021W/(m·K)，N₂0.025W/(m·K)），热丝温度变化转化为电信号，适合常量NH₃检测；ECD适用于痕量NH₃，需衍生化（如转化为三氟乙酰基衍生物）提高响应。

操作步骤：用Tenax TA吸附管采集样品，热解吸（250℃）后进入色谱柱，分离后进入检测器。该方法准确性高、干扰少，但设备昂贵、操作复杂，需专业人员维护。

样品采集与预处理的关键环节

主动采样是短时间检测的首选：用多孔玻板吸收瓶，吸收液选稀硫酸或草酸，流量0.5-1L/min，采样体积10-20L，需校准采样泵（误差±5%）。被动采样适用于长期监测：利用分子扩散，吸收剂为草酸浸渍滤纸，采样时间几小时到几天，需校准扩散速率（用主动采样验证）。

预处理需“去干扰保氨气”：颗粒物用0.45μm滤膜过滤；硫化氢用ZnSO₄+NaOH沉淀；甲醛用Na₂SO₃溶液去除；VOCs用活性炭吸附或加热挥发（≤80℃，避免NH₃逸出）。

吸收液的稳定性：稀硫酸吸收的NH₄⁺可稳定48小时，草酸吸收的可稳定24小时，需尽快分析——若放置过久，NH₄⁺会被细菌分解为NH₃挥发，导致结果偏低。

方法选择的实用指南

不同方法的适用场景不同：纳氏试剂法适合基层实验室的常规检测，设备简单但干扰多；靛酚蓝法适合室内低浓度，灵敏但步骤多；电化学法适合实时监测，快速但需校准；气相色谱法适合复杂样品，准确但成本高。

例如，室内空气检测选靛酚蓝法（灵敏）或电化学法（实时）；工业废气检测选气相色谱法（多组分）或纳氏试剂法（常规）；应急监测选便携式电化学仪（快速）。

选择方法的核心是“匹配需求”：若需快速出结果，选电化学法；若需精确分析，选气相色谱法；若需低成本，选纳氏试剂法。同时需考虑干扰因素——如工业废气含硫化氢，需选抗干扰的靛酚蓝法或气相色谱法。