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尿素的检测方法

发布日期:2019/4/24 14:41:38

背景及概述[1][2]

尿素又名脲或碳酰胺。无色晶体。熔点132.7℃。比重1.335(20/4°)。溶于水和乙醇。为人和哺乳动物体内蛋白质代谢的一种最终产物,也是动物体排出的一种主要的有机氮化物。在海洋环境中普遍存在,主要来自海洋动物的排泄和异养微生物对蛋白质、氢基酸的分解;人类活动对近岸海域也有一些输入。尿素是浮游植物可利用的一个氮源;在化学上能参与多官能团缩聚物的形成。在海水中的浓度随浮游植物的盛衰而波动,但代表性的浓度值为5微克碳/升。尿素是氨基酸代谢的最终产物,在肝内合成,可自由地从肾小球滤出,40%—50%在肾小球的髓质部被动的重吸收,据有关文献报道:当人体尿素的含量超过了自身的吸收能力之后,将会对人体的肝、肾、肺泡等造成危害。

应用[2]

尿素是一种优质、高效的重要氮肥,适用于各类作物。也可作反刍动物的补充饲料。工业上尿素是合成脲醛、三聚氰胺-甲醛树脂等的原料。医药上用于制造四环素、苯巴比妥、咖啡因等药物。染料工业用它生产还原棕BR、酞青蓝B等。

尿素在土壤中的行为[3]

尿素施入土壤中,在脲酶作用下,水解成NH+4和NH3,NH3在石灰质土壤的旱田中或pH值高的水田中,易造成NH3的挥发损失;在NH+4存在下,促使土壤中硝化细菌大量繁殖,而将NH+4转化为NO-3。虽然,NH+4、NO-3均为作物所需要的氮源,但NH+4易于被土壤胶粒所吸附,而NO-3则随雨水或不当的灌溉水所淋失。此外,土壤中的反硝化细菌还能将NO-3还原为NO-2,并进一步转化为NO、NO2、N2而造成氮的损失。这些过程均随氮肥过量施用而加剧。因此,选择适宜的脲酶抑制剂和硝化抑制剂以抑制脲酶和硝化细菌等微生物菌群的活性,选择适合的限制溶解物质,或者在尿素颗粒表面包覆一层膜,以限制尿素的溶解,可以减缓尿素溶解和分解的速率,使尿素有效期延长,减少损失,提高尿素利用率。

检测方法[4]

目前,国内外对尿素的测定方法有很多,归纳起来主要有以下几种:直接比色法、间接比色法、色谱法、中红外光谱法等。

1. 直接比色法

直接比色法即用某种特殊试剂与尿素直接作用,产生显色反应,然后在特定的波长下用分光光度计测定其吸光度,再换算成尿素含量。较常用的直接比色法有二乙酰一肟法、邻苯二甲醛法、对二甲氨基苯甲醛法3种,而亚硝酸盐-格里斯试剂法在现阶段只能定性不能定量。

1)二乙酰一肟显色法

二乙酰一肟显色法也叫丁二酮一肟法,该方法的原理是:在强酸加热条件下,尿素与二乙酰发生Fearon反应,生成红色的原二嗪(Diazine),颜色深浅与尿素含量成正比。因二乙酰不稳定,常用二乙酰一肟代替,二乙酰一肟遇酸水解成二乙酰。本法的显色反应中产生的复合物对光不稳定,目前已经有研究证实向试剂中添加一定浓度的安替比林、硫脲、金属离子等能提高尿素与双乙酰反应的灵敏度,又能增加其显色的稳定性。该方法所用试剂易得,且成本低,但在操作时需加热煮沸,且线性范围狭窄,所用试剂具有毒性和腐蚀性,易污染环境。所以该方法只适用于实验室规范操作下进行,一般不适用于现场快速检测。

2)邻苯二甲醛法

邻苯二甲醛比色法,该方法原理是:在酸性环境中,尿素与邻苯二甲醛的结合物作用于安替比林生成黄色化合物,后者与偏钒酸根结合后呈深蓝色,色泽深浅与尿素含量呈正比。根据研究,邻苯二甲醛是显色剂,4-氨基安替比林做加速剂,偏钒酸铵做转色剂。其中,4-氨基安替比林和偏钒酸铵的用量对反应速率和显色程度起到关键性的作用。该法不需煮沸,线性可达60mmol/L,精密度和准确度及相关性都很好,而且不需特殊仪器和特种试剂,成本低,可实现自动化分析,试剂稳定可室温保存,且变异系数小,干扰因素少,实践证明该法不失为经济、实用、值得推广的尿素测定技术。但该法的灵敏度较低,对于溶液中微量的尿素不容易检出。而该法在检测尿素含量小于3.0mg/L时灵敏度不够,故此方法在检测尿素浓度较低的样品时有一定局限性。

3)对二甲氨基苯甲醛法

对二甲氨基苯甲醛(PDAB)比色法,该方法原理是:在酸性溶液中,尿素与对PDAB发生Ehrlich反应,生成对二氨基苯甲醛脲,该物质呈柠檬黄色,颜色深浅与尿素含量成正比。该法最佳显色温度为25—30℃,最佳显色时间为5min。根据文献资料显示,该法中PDAB用量控制至为重要。该法在尿素浓度4—60mg/L范围内线性良好,稳定性好,干扰少以及操作简便,是测定常量尿素的良好方法。由于该方法的灵敏度不高,一般用于乳制品、饲料等食品方面尿素的检测,废水中也有用该法测定尿素。

4)亚硝酸盐-格里斯试剂法

尿素与亚硝酸盐在酸性溶液中发生反应生成氮气逸出,而格里斯试剂可以与亚硝酸盐发生偶氮反应生成紫红色染料。因此将待测的样品溶液与一定的亚硝酸盐在酸性条件下反应一段时间后,再加入格里斯试剂,通过溶液颜色与标准液的颜色的比较来判断是否有尿素存在。该方法主要用在乳制品尿素的检测当中,用于尿素的定性,在朱秀高[15]等人的研究下,改良了格里斯试剂,省却了用强酸,并且能够在常温下进行反应,反应时间也缩短为10min,减少了假阴性结果的出现,反应的灵敏度为0.2%,但是目前仍然没有用此方法定量检测尿素的报道。

2. 间接比色法

间接比色法就是通过检测尿素在酶解后的产物,再换算成尿素含量。已知尿素在脲酶存在的情况下会发生以下反应:

在一定的条件下,生成的NH+4和CO2的量与尿素的浓度成正比,一般都是通过用分光光度法检测氨的含量来间接检测尿素的含量。脲酶的本质是蛋白质,在37℃下活性最大,且随着温度、水等的变化,脲酶的活性也会发生重大变化,故该方法有一定局限性。如游泳水中经常会加入的抑藻剂硫酸铜,铜离子会导致脲酶失活而严重干扰测定,通过实验证明在样品中加入二乙基二硫代氨基甲酸钠-氯仿能够去除铜离子,避免了铜离子干扰。同时,另有实验发现,泳池水中的余氯会影响脲酶活性干扰测定,暂未研究出合适的掩蔽方法。这一类的研究也在逐年增加。现在常用的间接比色法有如脲酶-波氏比色法、酶偶联法、甲酚红法、酶电极法等。

1)酶偶联法

脲酶分解尿素产生的氨在T-酮戊酸和还原型辅酶I(NADH)存在下,经谷氨酸脱氢酶(GLDH)催化生成谷氨酸。同时,NADH被氧化成氧化型辅酶I(NAD)。NADH在340nm波长处有吸收峰,其吸光度下降的速度与待测样品中尿素的含量成正比。此法优点是特异性高快速、结果准确精密,是目前测定尿素的首选化学方法。2011年颁布的中华人民共和国卫生行业标准中血清尿素测定参考方法也是用谷氨酸酶偶联法,但是该法所用的试剂价格昂贵,且溶解后很不稳定,多需紫外分光光度计,不适于手工和急诊分析。

2)脲酶-波氏比色法

脲酶水解尿素,产生NH+4和CO2。在碱性条件下,亚硝基铁氰化钠催化NH+4与酚及次氯酸根反应生成蓝色化合物。该方法目前目前应用的领域较广,包括临床医学、环境等领域。李建元[20]指该法与以前用的二乙酰一肟法相比,能有效缩短反应时间,灵敏度高,线性良好,精密度好,不需要避光处理。其精密度和准确度在测定游泳池水尿素方面均能达到国标要求。因此,脲酶-波氏比法测定尿素具有操作简便,反应时间短,测定结果具有较高的精密度和准确度。

3)酶电极法

它是基于脲酶水解尿素产生NH+4,NH+4使溶液的电导率发生改变,利用特定电极测定电导率的变化来测定样本中尿素含量的酶电导法。在方法学上未采用比色分析,因此,其他许多潜在干扰物质对测定的影响也大大减少。本法反应时间仅需11.5s,是目前测定尿素方法中最快的方法,保养简单,更适合现场快速检测分析。在2008年在临床上进行了尿素生物传感器的开发,将脲酶吸附在聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAA)的复合聚合物膜上,然后在V射线的照下诱导自由基聚合生成生物膜,响应时间为120s,工作范围在1—1000mmol之间,虽然测定时间延长了,但是该膜能在含有二硫苏糖醇、U-巯基乙醇和甘油的磷酸缓冲溶液中保存三个月以上,克服了以前酶电极寿命短的问题。

4)甲酚红法

应用甲酚红法测定尿素的主要原理是尿素在脲酶水解作用下产生氨而使溶液pH升高,引甲酚红溶液颜色发生相应变化,从而根据颜色是否发生改变及深浅来定性半定量溶液中尿素的有无和含量。当前研究一致认为该方法具有简单、快速、灵敏等优势,因而可以在样品快速测定中予以推广使用。但是该方法要在碱性环境下才能显色,而一般脲酶在偏酸性环境下活性最佳,在碱性条件下,脲酶活性不高甚至失活,故该方法存在一定局限性。

5)邻甲酚酞络合剂法

根据脲酶水解尿素后产生的氨,使溶液中氢离子浓度发生变化这一原理,在一定缓冲体系中,以邻甲酚酞络合剂来比色定量溶液中氢离子浓度的变化。以邻甲酚酞络合剂(OCPC)作为显色剂,在波长570nm下吸光度变化与尿素浓度成正比。用该法测定血清,操作简便,显色稳定性好,线性范围为0.00—100mmol/L,检出限为0.36mmol/L。该法灵敏、简便、准确、线性范围广,适用于自动分析。但是该法随缓冲液的浓度变化关系很大,缓冲液浓度偏高,减低了灵敏度,偏低线性范围下降,同时影响反应体系抗酸碱能力。

6)甲基麝香草酚蓝法

脲酶水解尿素产生的氨,使溶液pH升高,pH升高的幅度与尿素含量呈线性关系,以甲基麝香草酚蓝作为显色剂检测溶液pH的变化,从而推算出尿素的含量。

7)ATP水解酶法

利用尿素氨基水解酶(ATP水解酶)对尿素浓度进行测定,该方法原理是尿素和ATP发生以下的水解反应:

检测定量限可达5μmol/L,具有很高的检测灵敏度。

3. 色谱法

色谱分析方法具有高速、高效、高灵敏等特点,适用于复杂混合物的分离,实现多组分的同时测定,被广泛应用于环境监测、食品、农业等领域。经文献的查阅,色谱法测定尿素主要是基于液相色谱相关联的技术。

1)高效液相色谱-荧光检测器法

在近来通过测定尿素与次溴酸在一定条件下反应产生的发光体,结合荧光检测器的高效液相色谱法侧耳尿素的浓度,该方法主要运用在临床上,但是该方法目前来说精确性一般,线性相关系数r只达到0.93,且存在干扰,故该方法还需要进一步改进。

2)液相色谱同位素稀释串联质谱法

以尿素同位素标记物(Urea-13C,15N2)为内标,ZORBAXRX-SIL为色谱分离柱,乙腈溶液为流动相,使用电喷雾三重四级杆串联质谱的多重反应监测模式测定,以及同位素稀释的括号法进行定量。在血清尿素检测中,该法前处理操作简单、快速,不需进行复杂的衍生化反应且定量准确,重复精度高。采用美国NIST血清标准物质进行验证,测定结果与标准值的相对偏差小于0.5%,证明了该法具有较高准确性。

4.中红外光谱法

中红外光谱法分析技术具有无需对样品处理、成本低、试样用量少、对样品无损检测等特点,适合分析各种状态的试样。采用中红外光谱技术检测了牛奶中尿素,以尿素在牛奶中两个吸收峰的比值与牛奶中尿素浓度之间的关系实现对牛奶中尿素的定量分析。该方法线性相关系数r虽能达到0.96以上,但是准确度方面还有较大缺陷,不过这为尿素的现场快速检测奠定了实验基础。

制备[2]

工业上用液氨和二氧化碳在180~200℃,15~20MPa的条件下直接合成。反应分两步:先生成氨基甲酸铵,然后脱水而得尿素。反应式如下:

实际生产中两步都在合成塔内连续进行。为提高产率,氨过量0.5~2倍。反应(2)进行得不完全,反应约1h,氨基甲酸铵转化率只有70%,这时合成塔中的物料除尿素和水外,还有未反应的物料氨基甲酸铵和过量的氨,将未反应的物料分离出去,余下尿素水溶液进一步加工得到固体成品。若将未反应的物料部分送回原合成系统循环使用,另部分加工成其他氮肥,这种工艺路线称为“半循环法”,氨利用率为42%~73%。若将未反应的物料全部送回合成系统循环使用,则称为“全循环法”,氨利用率高达98%。近年来,世界各国新建的尿素厂,绝大多数采用全循环法生产工艺。

主要参考资料

[1] 海洋化学辞典

[2] 中国成人教育百科全书·化学·化工

[3] 缓释和控释尿素的研究与开发综述

[4] 尿素检测方法的研究进展及其快速检测产品现状

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