SMT法插標分析沉積物中磷的地球化學形態(tài)

朱夢圓,朱廣偉,錢君龍,顧 釗,俞振飛,周貝貝,王國祥 (.中國科學院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國家重點實驗室,江蘇 南京 0008；.南京師范大學地理科學學院,江蘇 南京 0046；3.中國科學院研究生院,北京 00049)

沉積物中磷的地球化學形態(tài)是決定其地球化學行為的重要因素[1-3],獲取沉積物中不同形態(tài)磷的含量組成,而不僅是總磷含量,是目前湖泊內(nèi)源磷釋放問題研究的基本手段[4-8].20世紀 90年代,在歐洲標準測試計劃框架下發(fā)展了一種標準化的沉積物磷形態(tài)分析方法,簡稱為SMT法,該方法以分開的3步提取,采用HCl、NaOH提取獲得 5種磷形態(tài),操作簡便、試劑易得、各磷形態(tài)分析之間干擾小[9],是目前普遍應(yīng)用的沉積物磷形態(tài)連續(xù)分級提取方法[10-12].然而,SMT法在具體應(yīng)用中仍存在問題,許多實驗條件的描述仍較模糊,使用儀器的不同,條件控制的不同,轉(zhuǎn)移等關(guān)鍵步驟的操作差異等,都會引入不可忽視的誤差,這就使得實驗室間、分析人員間數(shù)據(jù)的可比性差,影響了該方法的應(yīng)用.因此,采用固定樣品作為標準來檢測每一次SMT過程的質(zhì)量,并以此作為不同批次結(jié)果比較的依據(jù),是值得探討與應(yīng)用的質(zhì)量控制方法.

本研究以我國沉積物標準樣品 GSD-12為例,采用SMT法分級分析該沉積物樣品中不同形態(tài)磷的含量,同時將該標樣用于類似沉積物樣品磷形態(tài)分析中的插標質(zhì)量控制,并指出該方法操作中的具體注意事項,規(guī)范 SMT法的全程操作,使得通過SMT法得到的磷含量數(shù)據(jù)具有可比性,以期為水體沉積物內(nèi)源磷研究提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 沉積物來源

采用中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所研制的水系沉積物成分分析標準物質(zhì)GSD-12 (磷含量235±22mg/kg)作為測試樣品,該標準樣品于1986年定值,保質(zhì)期至2020年.分級提取時,標準樣品共做3批,每批各4個空白,10個平行.另選取太湖21個采樣點的表層沉積物樣品,以SMT法分級提取 5種磷形態(tài)的含量,以GSD-12插測法進行質(zhì)量控制.

1.2 試劑與儀器

1.2.1 試劑準備 提取試劑:鹽酸提取液A:3.5mol/L HCl溶液(優(yōu)級純);鹽酸提取液B:1.0mol/L HCl溶液(優(yōu)級純);氫氧化鈉提取液:1.0mol/L NaOH溶液(分析純).磷酸鹽標準液:南京市環(huán)境保護科學研究院研制,初始濃度(500±5)mg/L,稀釋為0.1mg/L,用于儀器校準.磷酸鹽標準儲備液:磷酸二氫鉀(分析純)于105℃烘 4h,轉(zhuǎn)移至干燥器中冷卻.冷卻后準確稱取0.4394g磷酸二氫鉀溶于去離子水,在1L容量瓶中定容,磷濃度為100mg/L.作磷酸鹽標線時取用,按需稀釋.鉬酸銨儲備液:稱取10g鉬酸銨溶于300mL去離子水,稱取 0.5g酒石酸氧銻鉀溶于100mL去離子水,量取153mL濃硫酸(18.8mol/L)溶于445mL去離子水,將硫酸溶液緩慢倒入鉬酸銨溶液中,不斷攪拌散熱,最后加入酒石酸氧銻鉀溶液,混勻.需貯存于棕色玻璃瓶中.顯色劑:每100mL鉬酸銨儲備液配比1.5g抗壞血酸,攪拌直至溶解.

1.2.2 儀器設(shè)備與實驗材料干燥箱:BAO250型精密鼓風干燥箱,美國STIK公司.天平:十萬分之一,德國SARTORIUS集團.離心管:PPCO(聚丙烯)螺口離心管,50mL,美國 Thermo公司.馬弗爐:SX2-4-10型,山東省龍口市電爐總廠.恒溫振蕩培養(yǎng)箱:HZQ-X100型,振幅20mm,江蘇省太倉市實驗設(shè)備廠.離心機:TDL-5-A飛鴿牌低速臺式離心機,上海安亭科學儀器廠.旋渦混合儀:WH-2微型旋渦混合儀,轉(zhuǎn)速2000r/min,上海滬西分析儀器廠有限公司.水浴鍋:HH-4數(shù)顯恒溫水浴鍋,國華電器有限公司.連續(xù)流動分析儀:SAN++,荷蘭 SKALAR公司.紫外可見分光光度計:UV-2550,日本Shimadzu公司.

1.3 SMT法分級提取的操作步驟

3.5 mol/L鹽酸提取磷,即SMT法定義的總磷(TP);無機磷(IP);有機磷(OP);氫氧化鈉提取磷(NaOH-P)以及鹽酸提取磷(HCl-P).分級提取方法如表1所示,分為TP、IP和OP、HCl-P和NaOH-P 3級提取.

1.4 磷濃度測定方法

磷濃度測定分別以連續(xù)流動分析儀(以下簡稱機測)和鉬銻抗分光光度法[13](以下簡稱手測)進行.連續(xù)流動分析儀和手測用的分光光度計都以磷酸鹽標準液進行校準.機測檢測限在0.001mg/L,測定標準樣品GSD-12的TP、IP上清液磷酸鹽濃度時稀釋25倍,測定OP、HCl-P和NaOH-P時稀釋10倍.手測檢測限在0.01mg/L,測定GSD-12的TP濃度時稀釋10倍,測定IP濃度時稀釋5倍,測定OP、HCl-P和NaOH-P濃度稀釋2倍.

1.5 GSD-12插標法

測定太湖沉積物樣品時,每7個測定樣品中插測1個GSD-12標準樣(本實驗所用離心機一次可離心8個樣品),采用與上述標準樣品測定時相同的加樣量和實驗條件,進行磷分級測定.

表1 SMT分級提取方法Table 1 Phosphorus sequential extraction by SMT

1.6 統(tǒng)計方法

3批重復測定共計30平行,計算所得標準樣品GSD-12磷形態(tài)的均值、標準偏差及相對標準偏差(RSD)值.RSD值為標準偏差與平均值的比值,表征平行樣之間的偏差大小.

2 結(jié)果與討論

2.1 標準樣品磷形態(tài)分析

比色法測定磷濃度時,溶液酸度的最佳顯色范圍在(0.55±0.10)mol/L.SMT法的提取液呈強酸性,機測時上清液經(jīng)稀釋已達到適宜的酸度范圍,手測的稀釋倍數(shù)則較小,導致稀釋至適宜的濃度時,溶液酸度過高,加顯色劑無法顯色.本實驗中針對該問題采用了兩種處理方法,一是加大稀釋倍數(shù)(以下稱稀釋手測),使溶液酸度降低至顯色范圍;二是在稀釋時加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值(以下稱加堿手測),使之在合適的稀釋倍數(shù)下達到適當?shù)乃岫确秶?

沉積物GSD-12中不同形態(tài)磷含量如表2所示,包括機測法經(jīng)3批重復測定得到的均值、標差、RSD值,以及稀釋手測、加堿手測的結(jié)果.總體而言3組數(shù)據(jù)的相對偏差都較小,RSD值也較小,體現(xiàn)了SMT法良好的穩(wěn)定性.稀釋手測所得結(jié)果的RSD值較其他2種方法略大,這是由于加大稀釋倍數(shù)降低酸度的同時降低了磷濃度,有些測定值已趨近檢測限,甚至出現(xiàn)負值,尤其是 OP與HCl-P的結(jié)果,RSD 值稍大,但均值與其他兩組相差不大.加堿手測的相對偏差最小,但分析純的氫氧化鈉可能有一定的含磷量,使結(jié)果相對機測及加大稀釋倍數(shù)的手測所得含量都略有偏高.

表2 GSD-12中不同形態(tài)磷的含量Table2 Phosphorus contents of different forms in GSD-12

機測、稀釋手測、加堿手測所得3組磷含量數(shù)據(jù)的回收率如表3所示.受氫氧化鈉影響,加堿手測所得 TP含量偏高,占標準總磷含量的比例最高,接近80%,其他3項回收率數(shù)值與機測所得結(jié)果差異不大.稀釋手測的回收率則偏低.

就操作而言,手測法需要人工顯色,手動比色,機測法則只需進樣等待,尤其是進行大批量檢測的時候,機測比手測方便快捷,甚至可在測樣的同時進行其他樣品的測前準備處理,可大大提高工作效率,這對于需要及時進行的磷測定而言是十分有益的.同時,上機檢測也不會因為顯色時間或是比色快慢的個人操作差異而產(chǎn)生誤差.但是,相較于連續(xù)流動分析儀,目前紫外可見分光光度計的使用要普遍的多.

表3 GSD-12磷含量的回收率(%)Table 3 Recovery of Phosphorus contents in GSD-12(%)

綜上所述,機測法所得數(shù)據(jù)準確,相對偏差小,回收率高,且操作簡便,工作效率高,在有條件的情況下,是測定磷濃度值得推薦的方法.尤其是當待測沉積物中磷含量較低的時候,手測法檢測限高,可能使測定結(jié)果偏差較大,因此更適宜使用機測法.手測法是傳統(tǒng)測定磷濃度的方法,但相對而言效率低下,特別是需要大批量操作的時候,待測液可能無法及時測定.且由于受到酸度影響,稀釋手測可能使磷濃度過低,逼近檢測限,結(jié)果易產(chǎn)生偏差,回收率也略低;若是待測沉積物中磷含量較高,稀釋至適宜的酸度范圍后濃度仍在檢測限范圍及標線范圍內(nèi)適中的位置,可采用此法測定磷濃度;加堿手測則可能受到分析純的氫氧化鈉影響,使結(jié)果略偏高.

如表2所示,3種測定方法測定的IP、HCl-P和NaOH-P含量都較為接近,而TP和OP含量差異較大,不僅加堿手測使得結(jié)果偏高,機測與稀釋手測之間的差異也較大,同時表現(xiàn)出了較大的相對偏差,這與 TP、OP在提取過程中要經(jīng)過馬弗爐灼燒有關(guān).馬弗爐內(nèi)不同位置在灼燒時達到的溫度存在一定差異[14],尤其是放置在靠近角落、爐壁或是爐門位置的樣品,TP、OP最終結(jié)果與均值相比有較大差異.因此,在馬弗爐內(nèi)放置坩堝時應(yīng)避免邊角位置,每次灼燒樣品數(shù)不可過多,盡量使用小坩堝,或改用其他體積更小的適宜容器進行灼燒.

2.2 太湖沉積物磷形態(tài)分析

將本實驗所采用的太湖21個采樣點分為河口、北部、西部、東部4個湖區(qū),SMT法測得的四個湖區(qū)沉積物磷含量及回收率列于表 4,SMT過程中磷濃度以連續(xù)流動分析儀測定,以GSD-12插標作質(zhì)量控制.如表 4所示,插測的GSD-12的各形態(tài)磷含量基本都在表2所示機測的均值±標差范圍內(nèi),除2號略微偏高外,1號和3號結(jié)果都在許可范圍內(nèi);GSD-12的回收率相比表3略有升高,同樣是2號有所增大,1號與3號尚可.其中TP、IP和OP含量與表2中標樣含量較為一致,HCl-P和NaOH-P含量則略高,相應(yīng)的使得部分回收率有所升高.但總體而言插測的標樣值體現(xiàn)出了SMT法的精密性,也保證了該批次沉積物數(shù)據(jù)的可靠性.

表4 太湖沉積物磷含量及回收率Table 4 Phosphorus contents and recovery in the sediments from Lake Taihu

太湖21個采樣點的沉積物采集于2010年8月,其磷含量與其他年份或其他季節(jié)所采沉積物有一定差異,但本實驗中SMT法測得的全湖磷形態(tài)分布趨勢與其他太湖沉積物研究中的結(jié)果一致[15-17],TP與IP都有較好的回收率,并與以往研究結(jié)果一致[15],TP中IP和OP的回收率在95%左右,TP中OP、HCl-P和NaOH-P的回收率接近或超過了100%,IP中HCl-P和NaOH-P的回收率都達到或超過了 100%.河口區(qū)由于污染較嚴重,NaOH-P含量較高,回收率也較高.

另以電感耦合等離子體(ICP)、過硫酸鉀消煮法兩種方法測得同一批21個沉積物樣品的TP值,分別以ICP-TP、XZ-TP為名與SMT法中得到的TP含量(SMT-TP)繪于圖 1,其中橫坐標為“G”的點即為GSD-12插標所得結(jié)果,3個數(shù)據(jù)十分接近且都在標樣含量范圍內(nèi),體現(xiàn)了SMT方法的可重復性和可比性.

從不同方法測得的沉積物 TP含量來看,(ICP-TP)≈(SMT-TP)＞(XZ-TP),其中SMT-TP與 ICP-TP (r2=0.991,P=0.000,n=21)、SMT-TP 與XZ-TP (r2=0.988,P=0.000,n=21)都高度正相關(guān).過硫酸鉀消煮法所得結(jié)果相較而言偏低,這與氧化劑提取能力相對較弱有關(guān),ICP法和SMT法所得數(shù)據(jù)則差異不大.

同樣的沉積物,采用不同方法測得的磷含量由于原理不同總會存在一定差異,即使采用相同的SMT方法,如進行太湖沉積物磷含量的測定,各文獻數(shù)據(jù)之間總是存在差異,這些差異到底是因為采集時間不同還是測定時有操作差異,很難說清楚.因此,采用統(tǒng)一的標準沉積物樣品進行插標,使得不同操作人員測定的或是不同年份季節(jié)采集的沉積物樣品之間可根據(jù)標樣數(shù)據(jù)進行對比,是值得推廣的沉積物磷分級分析的質(zhì)量控制方法.

圖1 太湖沉積物中TP含量Fig.1 TP contents in sediment of Taihu lake G為標準樣GSD-12的值

2.3 操作中的注意事項

SMT法相對其他磷分級提取方法而言操作相對簡單,但過程仍然繁復,需嚴格按照具體的步驟要求執(zhí)行,才能得到一致的標準樣品數(shù)據(jù),不同操作人員得到近似的插標值,才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確性、可比性.

操作過程中應(yīng)保持溫度、操作時間的統(tǒng)一,盡可能做到完全轉(zhuǎn)移,時間控制應(yīng)嚴格按照要求進行,否則極易產(chǎn)生偏差.每次振蕩結(jié)束后立即離心,否則離心管取出后的靜置過程也會影響提取效率.離心后立即收集上清液,防止上清液與沉淀物的界面產(chǎn)生磷的交換.磷不穩(wěn)定,應(yīng)及時測定上清液磷濃度,不可過夜.

鹽酸提取液、氫氧化鈉提取液盡量現(xiàn)配,做標線用的磷的標準儲備液現(xiàn)配,顯色劑必須現(xiàn)用現(xiàn)配,鉬酸銨儲備液可貯藏在棕色瓶中保質(zhì) 2個月.

沉積物稱量前于105 ℃烘2h除去水分,稱量時應(yīng)在準確稱量的前提下(質(zhì)量允許±10mg的差異)加快稱量速度,防止沉積物吸水而使質(zhì)量有異.需要注意的是,沉積物的稱量質(zhì)量與提取試劑量的比例需保持一致.

振蕩過程中應(yīng)保持水與沉積物混合,始終呈懸浮狀,振蕩時離心管水平放置為宜,垂直放置易使沉積物沉于管底,混合不均.

測定磷濃度時盡量按照先空白后樣品的順序測定,每組樣品測定結(jié)束后可插測純水樣,以防該組沉積物樣品磷濃度較高,影響后一組空白樣.

對于手測稀釋倍數(shù)小的問題,有條件的實驗室還可以考慮增加比色皿的光程,如用 10cm 的比色皿比色,靈敏度可增加大約7倍,從而采用較大的稀釋倍數(shù),避免加減手測的誤差.

3 結(jié)語

采用SMT法對沉積物標準樣品GSD-12進行磷形態(tài)分級提取,機測得到TP、IP、OP、HCl-P和NaOH-P 含量分別為155±5,77±2,39±3,41±2,42±2mg/kg.在沉積物磷含量測定中可采用插測此標準樣品的方法進行質(zhì)量控制,以便于不同時期不同人員測定所得磷含量的對比.

SMT法易受馬弗爐灼燒位置、上清液稀釋倍數(shù)以及測定磷濃度的儀器方法的影響,在測定過程中應(yīng)嚴格按照操作步驟執(zhí)行,及時測定.連續(xù)流動分析儀測定磷濃度具有較高的準確性,且操作方便,在條件允許的情況下推薦使用.

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致謝：誠摯感謝湖泊與環(huán)境國家重點實驗室張成英、王樹標及河海大學趙林林、林煜等在分析測定時的幫助.