背景及概述

 尿素又名脲或碳酰胺。無(wú)色晶體。熔點(diǎn)132.7℃。比重1.335(20/4°)。溶于水和乙醇。為人和哺乳動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝的一種終產(chǎn)物，也是動(dòng)物體排出的一種主要的有機(jī)氮化物。在海洋環(huán)境中普遍存在，主要來(lái)自海洋動(dòng)物的排泄和異養(yǎng)微生物對(duì)蛋白質(zhì)、氫基酸的分解；人類活動(dòng)對(duì)近岸海域也有一些輸入。尿素是浮游植物可利用的一個(gè)氮源；在化學(xué)上能參與多官能團(tuán)縮聚物的形成。在海水中的濃度隨浮游植物的盛衰而波動(dòng)，但代表性的濃度值為5微克碳/升。尿素是氨基酸代謝的終產(chǎn)物，在肝內(nèi)合成，可自由地從腎小球?yàn)V出，40%—50%在腎小球的髓質(zhì)部被動(dòng)的重吸收，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道：當(dāng)人體尿素的含量超過(guò)了自身的吸收能力之后，將會(huì)對(duì)人體的肝、腎、肺泡等造成危害。

應(yīng)用

尿素是一種優(yōu)質(zhì)、高效的重要氮肥，適用于各類作物。也可作反芻動(dòng)物的補(bǔ)充飼料。工業(yè)上尿素是合成脲醛、三聚氰胺-甲醛樹(shù)脂等的原料。醫(yī)藥上用于制造四環(huán)素等藥物。染料工業(yè)用它生產(chǎn)還原棕BR、酞青藍(lán)B等。

尿素在土壤中的行為

尿素施入土壤中，在脲酶作用下，水解成NH+4和NH3，NH3在石灰質(zhì)土壤的旱田中或pH值高的水田中，易造成NH3的揮發(fā)損失；在NH+4存在下，促使土壤中硝化細(xì)菌大量繁殖，而將NH+4轉(zhuǎn)化為NO-3。雖然，NH+4、NO-3均為作物所需要的氮源，但NH+4易于被土壤膠粒所吸附，而NO-3則隨雨水或不當(dāng)?shù)墓喔人苁А４送?，土壤中的反硝化?xì)菌還能將NO-3還原為NO-2，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO、NO2、N2而造成氮的損失。這些過(guò)程均隨氮肥過(guò)量施用而加劇。因此，選擇適宜的脲酶抑制劑和硝化抑制劑以抑制脲酶和硝化細(xì)菌等微生物菌群的活性，選擇適合的限制溶解物質(zhì)，或者在尿素顆粒表面包覆一層膜，以限制尿素的溶解，可以減緩尿素溶解和分解的速率，使尿素有效期延長(zhǎng)，減少損失，提高尿素利用率。

檢測(cè)方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)尿素的測(cè)定方法有很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種：直接比色法、間接比色法、色譜法、中紅外光譜法等。

1. 直接比色法

直接比色法即用某種特殊試劑與尿素直接作用，產(chǎn)生顯色反應(yīng)，然后在特定的波長(zhǎng)下用分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度，再換算成尿素含量。較常用的直接比色法有二乙酰一肟法、鄰苯二甲醛法、對(duì)二甲氨基Benjiaquan法3種，而亞硝酸鹽-格里斯試劑法在現(xiàn)階段只能定性不能定量。

1）二乙酰一肟顯色法

二乙酰一肟顯色法也叫丁二酮一肟法，該方法的原理是：在強(qiáng)酸加熱條件下，尿素與二乙酰發(fā)生Fearon反應(yīng)，生成紅色的原二嗪(Diazine)，顏色深淺與尿素含量成正比。因二乙酰不穩(wěn)定，常用二乙酰一肟代替，二乙酰一肟遇酸水解成二乙酰。本法的顯色反應(yīng)中產(chǎn)生的復(fù)合物對(duì)光不穩(wěn)定，目前已經(jīng)有研究證實(shí)向試劑中添加一定濃度的安替比林、硫脲、金屬離子等能提高尿素與雙乙酰反應(yīng)的靈敏度，又能增加其顯色的穩(wěn)定性。該方法所用試劑易得，且成本低，但在操作時(shí)需加熱煮沸，且線性范圍狹窄，所用試劑具有毒性和腐蝕性，易污染環(huán)境。所以該方法只適用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)范操作下進(jìn)行，一般不適用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。

2）鄰苯二甲醛法

鄰苯二甲醛比色法，該方法原理是：在酸性環(huán)境中，尿素與鄰苯二甲醛的結(jié)合物作用于安替比林生成黃色化合物，后者與偏釩酸根結(jié)合后呈深藍(lán)色，色澤深淺與尿素含量呈正比。根據(jù)研究，鄰苯二甲醛是顯色劑，4-氨基安替比林做加速劑，偏釩酸銨做轉(zhuǎn)色劑。其中，4-氨基安替比林和偏釩酸銨的用量對(duì)反應(yīng)速率和顯色程度起到關(guān)鍵性的作用。該法不需煮沸，線性可達(dá)60mmol/L，精密度和準(zhǔn)確度及相關(guān)性都很好，而且不需特殊儀器和特種試劑，成本低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分析，試劑穩(wěn)定可室溫保存，且變異系數(shù)小，干擾因素少，實(shí)踐證明該法不失為經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、值得推廣的尿素測(cè)定技術(shù)。但該法的靈敏度較低，對(duì)于溶液中微量的尿素不容易檢出。而該法在檢測(cè)尿素含量小于3.0mg/L時(shí)靈敏度不夠，故此方法在檢測(cè)尿素濃度較低的樣品時(shí)有一定局限性。

3）對(duì)二甲氨基Benjiaquan法

對(duì)二甲氨基Benjiaquan(PDAB)比色法，該方法原理是：在酸性溶液中，尿素與對(duì)PDAB發(fā)生Ehrlich反應(yīng)，生成對(duì)二氨基Benjiaquan脲，該物質(zhì)呈檸檬黃色，顏色深淺與尿素含量成正比。該法顯色溫度為25—30℃，顯色時(shí)間為5min。根據(jù)文獻(xiàn)資料顯示，該法中PDAB用量控制至為重要。該法在尿素濃度4—60mg/L范圍內(nèi)線性良好，穩(wěn)定性好，干擾少以及操作簡(jiǎn)便，是測(cè)定常量尿素的良好方法。由于該方法的靈敏度不高，一般用于乳制品、飼料等食品方面尿素的檢測(cè)，廢水中也有用該法測(cè)定尿素。

4）亞硝酸鹽-格里斯試劑法

尿素與亞硝酸鹽在酸性溶液中發(fā)生反應(yīng)生成氮?dú)庖莩?，而格里斯試劑可以與亞硝酸鹽發(fā)生偶氮反應(yīng)生成紫紅色染料。因此將待測(cè)的樣品溶液與一定的亞硝酸鹽在酸性條件下反應(yīng)一段時(shí)間后，再加入格里斯試劑，通過(guò)溶液顏色與標(biāo)準(zhǔn)液的顏色的比較來(lái)判斷是否有尿素存在。該方法主要用在乳制品尿素的檢測(cè)當(dāng)中，用于尿素的定性，在朱秀高[15]等人的研究下，改良了格里斯試劑，省卻了用強(qiáng)酸，并且能夠在常溫下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間也縮短為10min，減少了假陰性結(jié)果的出現(xiàn)，反應(yīng)的靈敏度為0.2%，但是目前仍然沒(méi)有用此方法定量檢測(cè)尿素的報(bào)道。

2. 間接比色法

間接比色法就是通過(guò)檢測(cè)尿素在酶解后的產(chǎn)物，再換算成尿素含量。已知尿素在脲酶存在的情況下會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

在一定的條件下，生成的NH+4和CO2的量與尿素的濃度成正比，一般都是通過(guò)用分光光度法檢測(cè)氨的含量來(lái)間接檢測(cè)尿素的含量。脲酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，在37℃下活性大，且隨著溫度、水等的變化，脲酶的活性也會(huì)發(fā)生重大變化，故該方法有一定局限性。如游泳水中經(jīng)常會(huì)加入的抑藻劑硫酸銅，銅離子會(huì)導(dǎo)致脲酶失活而嚴(yán)重干擾測(cè)定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在樣品中加入二乙基二硫代氨基甲酸鈉能夠去除銅離子，避免了銅離子干擾。同時(shí)，另有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泳池水中的余氯會(huì)影響脲酶活性干擾測(cè)定，暫未研究出合適的掩蔽方法。這一類的研究也在逐年增加?，F(xiàn)在常用的間接比色法有如脲酶-波氏比色法、酶偶聯(lián)法、甲酚紅法、酶電極法等。

1）酶偶聯(lián)法

脲酶分解尿素產(chǎn)生的氨在T-酮戊酸和還原型輔酶I(NADH)存在下，經(jīng)谷氨酸脫氫酶(GLDH)催化生成谷氨酸。同時(shí)，NADH被氧化成氧化型輔酶I(NAD)。NADH在340nm波長(zhǎng)處有吸收峰，其吸光度下降的速度與待測(cè)樣品中尿素的含量成正比。此法優(yōu)點(diǎn)是特異性高快速、結(jié)果準(zhǔn)確精密，是目前測(cè)定尿素的化學(xué)方法。2011年頒布的中華人民共和國(guó)衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中血清尿素測(cè)定參考方法也是用谷氨酸酶偶聯(lián)法，但是該法所用的試劑價(jià)格昂貴，且溶解后很不穩(wěn)定，多需紫外分光光度計(jì)，不適于手工和急診分析。

2）脲酶-波氏比色法

脲酶水解尿素，產(chǎn)生NH+4和CO2。在堿性條件下，亞硝基鐵催化NH+4與酚及次氯酸根反應(yīng)生成藍(lán)色化合物。該方法目前目前應(yīng)用的領(lǐng)域較廣，包括臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境等領(lǐng)域。李建元[20]指該法與以前用的二乙酰一肟法相比，能有效縮短反應(yīng)時(shí)間，靈敏度高，線性良好，精密度好，不需要避光處理。其精密度和準(zhǔn)確度在測(cè)定游泳池水尿素方面均能達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。因此，脲酶-波氏比法測(cè)定尿素具有操作簡(jiǎn)便，反應(yīng)時(shí)間短，測(cè)定結(jié)果具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。

3）酶電極法

它是基于脲酶水解尿素產(chǎn)生NH+4，NH+4使溶液的電導(dǎo)率發(fā)生改變，利用特定電極測(cè)定電導(dǎo)率的變化來(lái)測(cè)定樣本中尿素含量的酶電導(dǎo)法。在方法學(xué)上未采用比色分析，因此，其他許多潛在干擾物質(zhì)對(duì)測(cè)定的影響也大大減少。本法反應(yīng)時(shí)間僅需11.5s，是目前測(cè)定尿素方法中的方法，保養(yǎng)簡(jiǎn)單，更適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)分析。在2008年在臨床上進(jìn)行了尿素生物傳感器的開(kāi)發(fā)，將脲酶吸附在聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酰胺(PAA)的復(fù)合聚合物膜上，然后在V射線的照下誘導(dǎo)自由基聚合生成生物膜，響應(yīng)時(shí)間為120s，工作范圍在1—1000mmol之間，雖然測(cè)定時(shí)間延長(zhǎng)了，但是該膜能在含有二硫蘇糖醇、U-巰基乙醇和甘油的磷酸緩沖溶液中保存三個(gè)月以上，克服了以前酶電極壽命短的問(wèn)題。

4）甲酚紅法

應(yīng)用甲酚紅法測(cè)定尿素的主要原理是尿素在脲酶水解作用下產(chǎn)生氨而使溶液pH升高，引甲酚紅溶液顏色發(fā)生相應(yīng)變化，從而根據(jù)顏色是否發(fā)生改變及深淺來(lái)定性半定量溶液中尿素的有無(wú)和含量。當(dāng)前研究一致認(rèn)為該方法具有簡(jiǎn)單、快速、靈敏等優(yōu)勢(shì)，因而可以在樣品快速測(cè)定中予以推廣使用。但是該方法要在堿性環(huán)境下才能顯色，而一般脲酶在偏酸性環(huán)境下活性，在堿性條件下，脲酶活性不高甚至失活，故該方法存在一定局限性。

5）鄰甲酚酞絡(luò)合劑法

根據(jù)脲酶水解尿素后產(chǎn)生的氨，使溶液中氫離子濃度發(fā)生變化這一原理，在一定緩沖體系中，以鄰甲酚酞絡(luò)合劑來(lái)比色定量溶液中氫離子濃度的變化。以鄰甲酚酞絡(luò)合劑(OCPC)作為顯色劑，在波長(zhǎng)570nm下吸光度變化與尿素濃度成正比。用該法測(cè)定血清，操作簡(jiǎn)便，顯色穩(wěn)定性好，線性范圍為0.00—100mmol/L，檢出限為0.36mmol/L。該法靈敏、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、線性范圍廣，適用于自動(dòng)分析。但是該法隨緩沖液的濃度變化關(guān)系很大，緩沖液濃度偏高，減低了靈敏度，偏低線性范圍下降，同時(shí)影響反應(yīng)體系抗酸堿能力。

6）甲基麝香草酚藍(lán)法

脲酶水解尿素產(chǎn)生的氨，使溶液pH升高，pH升高的幅度與尿素含量呈線性關(guān)系，以甲基麝香草酚藍(lán)作為顯色劑檢測(cè)溶液pH的變化，從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)對(duì)尿素濃度進(jìn)行測(cè)定，該方法原理是尿素和ATP發(fā)生以下的水解反應(yīng)檢測(cè)定量限可達(dá)5μmol/L，具有很高的檢測(cè)靈敏度。

3. 色譜法

色譜分析方法具有高速、高效、高靈敏等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜混合物的分離，實(shí)現(xiàn)多組分的同時(shí)測(cè)定，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。經(jīng)文獻(xiàn)的查閱，色譜法測(cè)定尿素主要是基于液相色譜相關(guān)聯(lián)的技術(shù)。

1）高效液相色譜-熒光檢測(cè)器法

在近來(lái)通過(guò)測(cè)定尿素與次溴酸在一定條件下反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)光體，結(jié)合熒光檢測(cè)器的高效液相色譜法側(cè)耳尿素的濃度，該方法主要運(yùn)用在臨床上，但是該方法目前來(lái)說(shuō)精確性一般，線性相關(guān)系數(shù)r只達(dá)到0.93，且存在干擾，故該方法還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2）液相色譜同位素稀釋串聯(lián)質(zhì)譜法

以尿素同位素標(biāo)記物(Urea-13C，15N2)為內(nèi)標(biāo)，ZORBAXRX-SIL為色譜分離柱，乙腈溶液為流動(dòng)相，使用電噴霧三重四級(jí)桿串聯(lián)質(zhì)譜的多重反應(yīng)監(jiān)測(cè)模式測(cè)定，以及同位素稀釋的括號(hào)法進(jìn)行定量。在血清尿素檢測(cè)中，該法前處理操作簡(jiǎn)單、快速，不需進(jìn)行復(fù)雜的衍生化反應(yīng)且定量準(zhǔn)確，重復(fù)精度高。采用美國(guó)NIST血清標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)偏差小于0.5%，證明了該法具有較高準(zhǔn)確性。

4.中紅外光譜法

中紅外光譜法分析技術(shù)具有無(wú)需對(duì)樣品處理、成本低、試樣用量少、對(duì)樣品無(wú)損檢測(cè)等特點(diǎn)，適合分析各種狀態(tài)的試樣。采用中紅外光譜技術(shù)檢測(cè)了牛奶中尿素，以尿素在牛奶中兩個(gè)吸收峰的比值與牛奶中尿素濃度之間的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)牛奶中尿素的定量分析。該方法線性相關(guān)系數(shù)r雖能達(dá)到0.96以上，但是準(zhǔn)確度方面還有較大缺陷，不過(guò)這為尿素的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

5、在線尿素濃度分析儀，請(qǐng)選擇美國(guó)EMC公司MPR E-Scan濃度分析儀。

制備

工業(yè)上用液氨和二氧化碳在180～200℃，15～20MPa的條件下直接合成。反應(yīng)分兩步：先生成氨基甲酸銨，然后脫水而得尿素。反應(yīng)式如下：

實(shí)際生產(chǎn)中兩步都在合成塔內(nèi)連續(xù)進(jìn)行。為提高產(chǎn)率，氨過(guò)量0.5～2倍。反應(yīng)(2)進(jìn)行得不*，反應(yīng)約1h，氨基甲酸銨轉(zhuǎn)化率只有70%，這時(shí)合成塔中的物料除尿素和水外，還有未反應(yīng)的物料氨基甲酸銨和過(guò)量的氨，將未反應(yīng)的物料分離出去，余下尿素水溶液進(jìn)一步加工得到固體成品。若將未反應(yīng)的物料部分送回原合成系統(tǒng)循環(huán)使用，另部分加工成其他氮肥，這種工藝路線稱為“半循環(huán)法”，氨利用率為42%～73%。若將未反應(yīng)的物料全部送回合成系統(tǒng)循環(huán)使用，則稱為“全循環(huán)法”，氨利用率高達(dá)98%。

近年來(lái)，世界各國(guó)新建的尿素廠，絕大多數(shù)采用全循環(huán)法生產(chǎn)工藝。