湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)研制

袁 建，王亞平，許春雪

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029； 2.國家地質(zhì)實驗測試中心，北京 100037)

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界面臨的一個嚴重的環(huán)境問題，國際上30%～40%的湖泊遭受不同程度的富營養(yǎng)化影響[1]。在我國大于1 km2的2300多個天然湖泊中，24%介于富營養(yǎng)化和高度富營養(yǎng)化中，32%介于營養(yǎng)化和富營養(yǎng)化之間。富營養(yǎng)化造成了水體的透明度降低，陽光難以穿透水層而影響水中植物的光合作用，減少氧的釋放，水中溶解氧減少，從而造成魚類等生物大量死亡[2]，也會影響水質(zhì)的凈化，造成周邊地區(qū)飲水困難，給人們生活和經(jīng)濟發(fā)展影響巨大。當(dāng)前世界各個國家都有不同程度的湖泊水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，湖泊水體的富營養(yǎng)化問題已經(jīng)成為當(dāng)今世界重要的研究課題。

湖泊水體的富營養(yǎng)化與水體中的磷元素關(guān)系密切，磷是湖泊水體富營養(yǎng)化的限制因素之一[3]。湖泊水體中磷的來源主要分為兩類：外源性和內(nèi)源性。外源性磷主要來自農(nóng)業(yè)上的磷肥和工業(yè)、生活污水中的磷進入湖泊水體，而內(nèi)源性磷主要來自湖泊沉積物的釋放。沉積物是水體的一個重要組成部分，從地質(zhì)尺度來看，湖泊沉積物是湖泊營養(yǎng)物質(zhì)的重要蓄積庫，是湖泊流域磷循環(huán)的重要歸屬。當(dāng)湖泊水體外源性磷的輸入得到有效控制時，內(nèi)源性磷就成為了湖泊水體中磷的主要來源。但是并不是沉積物中所有磷都可以釋放到水體中，不同形態(tài)的磷其釋放能力不同，如某些湖泊沉積物中磷的總量很高，能夠釋放到水體中的量很少，而有的湖泊沉積物中磷的總量不高，但是釋放量很大。因此準確測定沉積物中磷形態(tài)的含量對于湖泊富營養(yǎng)化的防治具有重要意義。

標(biāo)準物質(zhì)是量值準確傳遞的保證。為了準確測定湖泊沉積物中磷形態(tài)的含量，研制出穩(wěn)定性和均勻性良好、量值準確的湖泊沉積物磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)是關(guān)鍵的一環(huán)。歐盟于2000年研制了第一個湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)(BCR 684)，該標(biāo)準物質(zhì)定值數(shù)據(jù)可靠、穩(wěn)定性好，得到了很好的應(yīng)用，對于水體尤其是富營養(yǎng)化水體的水質(zhì)監(jiān)測起到很大的作用[4-7]。但是該標(biāo)準物質(zhì)采樣點為歐洲某湖泊，沉積物類型及污染情況與我國湖泊不匹配，不能代表我國的典型湖泊，而且BCR 684標(biāo)準物質(zhì)研制已經(jīng)超過10年，基本耗盡，不能滿足當(dāng)前需求。我國由于形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)研究起步較晚，加之沒有標(biāo)準的提取方法，盡管湖泊水體富營養(yǎng)化問題已經(jīng)非常嚴重，但一直以來并未研制出湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)。

本文結(jié)合我國沉積物的類型和湖泊污染情況，研制了江蘇太湖、湖南洞庭湖2個湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)。湖泊沉積物中磷形態(tài)的提取方法是本研究的關(guān)鍵，目前國內(nèi)外湖泊沉積物中磷形態(tài)提取方法很多，許春雪等[8]和Ruban等[9-10]多位國內(nèi)外學(xué)者對湖泊沉積物中磷的提取方法作了研究，歐盟在研制BCR 684標(biāo)準物質(zhì)時制定的SMT方法[10]是在比較4種湖泊沉積物中磷形態(tài)提取方法的基礎(chǔ)上建立的，該方法重現(xiàn)性好，提取形態(tài)合理，因此本研究采用歐盟SMT法作為湖泊沉積物中磷形態(tài)的提取方法。磷形態(tài)的測量方法為鉬銻鈧光度法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)，測定項目確定為5種磷形態(tài)：總磷、無機磷、有機磷、磷灰石態(tài)磷、非磷灰石態(tài)磷，其中本次研究中提取的總磷并不是指沉積物中磷元素的總含量，而是用高濃度的鹽酸提取的總有效態(tài)磷的極值。

1 候選物的采集和制備

1.1 候選物采集點概況

樣品采集地點選定太湖和洞庭湖2個典型富營養(yǎng)化湖泊。太湖和洞庭湖是我國第二和第三大淡水湖，具有灌溉、航運、漁業(yè)生產(chǎn)、供水、納水、調(diào)節(jié)氣候和美化環(huán)境等多種功能，是我國重要的商品糧、淡水魚、棉、麻生產(chǎn)基地，在各省經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位。但是近年來由于人口增加，經(jīng)濟迅速發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水隨意排放，農(nóng)業(yè)上化肥和農(nóng)藥的過量使用、旅游業(yè)快速發(fā)展等帶來了一系列環(huán)境問題，造成了太湖和洞庭湖地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，水質(zhì)下降、魚類減產(chǎn)等嚴重后果，兩個湖泊的富營養(yǎng)化問題亟待解決[12-13]。

1.2 候選物的采集和制備

沉積物樣品的采集時間為2010年，采樣點用GPS定位，用柱狀采樣器采集太湖和洞庭湖的沉積物樣品，每個湖泊設(shè)定一個具有代表性的采樣點?，F(xiàn)場測定水溫、pH等數(shù)據(jù)，然后用聚乙烯袋低溫密封保存，保證候選物樣品在采集、運輸過程中不受外界污染，運回實驗室備用。候選物樣品在實驗室放置一年左右的時間，以保證待測形態(tài)轉(zhuǎn)化完全。樣品采集概況見表1。

表1 樣品采集概況

將采集的沉積物候選物樣品手工分成小塊，放在干凈的塑料布上風(fēng)干約2周，去除石塊、貝殼及植物根莖等雜物；用木錘反復(fù)將樣品敲碎至約50目，進一步去除雜物，過20目篩；將上述樣品放入高鋁瓷球磨機內(nèi)，加入少許球石輕度球磨2 h左右出料，過1 mm尼龍篩，棄去篩上物。將篩下樣品取出 0.5～1.0 kg，供原樣的礦物鑒定；余下樣品放入高鋁瓷球磨機中研細，直至候選物樣品過0.074 mm篩的過篩率達到99.90%，烘干滅活后用磁選法除去制樣過程中帶入的金屬物質(zhì)；最后在出料口下料，全部樣品裝入25 L塑料桶中保存?zhèn)溆?。在出料口下料過程中，隨機采25瓶樣品，每瓶約30 g留作均勻性檢驗之用。本研究制備的湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)共500個單元，每個單元 50～100 g。

2 均勻性檢驗

標(biāo)準物質(zhì)的均勻性是標(biāo)準物質(zhì)一個重要指標(biāo)，也是標(biāo)準物質(zhì)傳遞準確量值的物質(zhì)基礎(chǔ)。形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)的研制，由于提取流程繁瑣、時間長，測試精密度相對元素總量的測定較低。因此本系列標(biāo)準物質(zhì)的均勻性檢驗嚴格執(zhí)行國家《一級標(biāo)準物質(zhì)研制規(guī)范》(JJG 1006—1994)的有關(guān)要求，由于擬研制500個單元，因此從每個候選物樣品中隨機抽取15個子樣，每個子樣取雙份，用鉬銻鈧光度法[14-15]測定總磷、無機磷、有機磷、磷灰石態(tài)磷、非磷灰石態(tài)磷的含量。此外，為了充分說明樣品的均勻性，還采用X射線熒光光譜法測定15個子樣的全量磷，對全量磷也進行了均勻性檢驗。

對于測定結(jié)果的判斷采用單因素方差分析(F檢驗法)，此法是通過組間方差和組內(nèi)方差的比較來判斷各組測量值之間有無系統(tǒng)誤差，如果二者之比值小于統(tǒng)計檢驗的臨界值(即F

樣品的均勻性檢驗結(jié)果見表2。檢測項目的F實測值均小于列表臨界值F0.05(14,15)=2.42，所有檢測項目的相對標(biāo)準偏差(RSD)小于4%，在良好測試精度下，樣品測試的標(biāo)準偏差較小，說明樣品均勻性良好。雖然太湖樣品的無機磷和洞庭湖樣品的磷灰石態(tài)磷的F值較小，但是這兩種形態(tài)的相對標(biāo)準偏差均小于4%，因為也認為這兩種形態(tài)是均勻的。

表2 候選物樣品均勻性檢驗結(jié)果

3 穩(wěn)定性檢驗

標(biāo)準物質(zhì)的穩(wěn)定性是指在特定的時間和儲存條件下，標(biāo)準物質(zhì)的特性量值保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力。

本研究中2個候選物樣品完成分裝后，室溫下(15℃)避光保存。穩(wěn)定性檢驗中，2個候選物樣品5種形態(tài)的特性量值的提取和測定方法同均勻性檢驗。2個候選物樣品分別在2010年12月至2011年12月進行4次穩(wěn)定性檢查，結(jié)果見表3。獲得的分析數(shù)據(jù)采用ISO導(dǎo)則35[16]推薦的穩(wěn)定性檢驗方法進行統(tǒng)計檢驗。由穩(wěn)定性檢驗結(jié)果可知，采用ISO導(dǎo)則35推薦的方法計算得到的擬合直線斜率b1均不顯著[|b1|

表3 候選物樣品穩(wěn)定性檢驗結(jié)果

為了驗證本系列標(biāo)準物質(zhì)的穩(wěn)定性，本課題組又分別在2012年和2013年進行了2次驗證實驗，實驗過程中用歐盟BCR 684作為質(zhì)量監(jiān)控，結(jié)果見表4。通過2次驗證可知，該標(biāo)準物質(zhì)特性量值的含量沒有明顯變化，測量值均在規(guī)定的范圍內(nèi)，因此可以認定穩(wěn)定性良好。本課題組以后還會對該系列標(biāo)準物質(zhì)進行跟蹤監(jiān)測，確保有效期內(nèi)樣品具有良好的穩(wěn)定性。

表4 穩(wěn)定性驗證結(jié)果

4 標(biāo)準物質(zhì)定值

4.1 五種磷形態(tài)的提取方法

歐盟在研制BCR 684標(biāo)準物質(zhì)時采用的SMT方法[8]是在比較了4種湖泊沉積物中磷形態(tài)提取方法的基礎(chǔ)上建立的標(biāo)準提取方法，該方法流程簡單，重現(xiàn)性好，形態(tài)提取合理。因此本研究采用歐盟的SMT方法為湖泊沉積物中磷形態(tài)的提取方法，5種磷形態(tài)的提取方法如下(各步驟振蕩頻率均為180～190 r/min,振幅約20 mm)。

(1)總磷的提取

準確稱取200 mg樣品于10 mL瓷坩堝中，450℃煅燒3 h，樣品冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中，用單標(biāo)線移液管加入3.5 mol/L 20 mL鹽酸，封閉離心管振蕩16 h，2000 g離心15 min。上清液中磷的含量即為總磷。

(2) 無機磷和有機磷的提取

準確稱取200 mg樣品到50 mL離心管中,用單標(biāo)線移液管移取1 mol/L鹽酸20 mL，封閉離心管，振蕩16 h，2000 g離心15 min，上清液中磷的含量即為無機磷。加入12 mL去離子水洗滌離心管中的殘渣，振蕩5 min,在2000 g離心15 min，去掉上清液,重復(fù)洗滌一次，在80℃鼓風(fēng)干燥箱中將樣品干燥，然后轉(zhuǎn)移到瓷坩堝中，在450℃煅燒3 h，樣品冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到50 mL離心管中，用單標(biāo)線移液管加入1 mol/L 20 mL鹽酸，封閉離心管振蕩16 h，2000 g離心15 min。上清液中磷的含量即為有機磷。

(3)磷灰石態(tài)磷和非磷灰石態(tài)磷的提取

準確稱取200 mg樣品于50 mL離心管中，用單標(biāo)線移液管移取1 mol/L 20 mL氫氧化鈉溶液，樣品封閉振蕩16 h，2000 g離心15 min，將上層清液倒入塑料瓶中，用單標(biāo)線移液管移10 mL上清液至50 mL離心管中，加3.5 mol/L 4 mL鹽酸，封閉離心管，振蕩20 s后靜置16 h，有棕色沉淀物出現(xiàn)并逐漸下沉，200 g離心15 min，測量上清液中磷的含量即為非磷灰石態(tài)磷。用1 mol/L 12 mL氯化鈉溶液洗滌離心管中的殘渣，振蕩5 min，2000 g離心15 min,除去上清液，重復(fù)洗一次，用單標(biāo)線移液管加入1 mol/L 20 mL鹽酸，封閉離心管振蕩16 h，2000 g離心15 min。上清液中磷的含量即為磷灰石態(tài)磷。

4.2 五種磷形態(tài)的定值方法

5個定值項目(總磷、無機磷、有機磷、磷灰石態(tài)磷、非磷灰石態(tài)磷)的提取液由鉬銻鈧光度法和ICP-AES測定。

各形態(tài)磷的定值采用多個實驗室聯(lián)合定值，由我國分析測試水平高、儀器設(shè)備先進，并多次參加國內(nèi)形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)定值測試的8家實驗室，在統(tǒng)一作業(yè)指導(dǎo)書下協(xié)作完成。參加定值測試的8家實驗室有：國家地質(zhì)實驗測試中心，沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，國土資源部南京礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，國土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心，國土資源部哈爾濱礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心。

4.3 定值及數(shù)據(jù)統(tǒng)計

定值數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理以國家標(biāo)準JJF 1343—2012為指導(dǎo)，先對全部數(shù)據(jù)進行技術(shù)審核，剔除方法原理上明顯缺陷的數(shù)據(jù)組，對有明顯系統(tǒng)偏倚或精確度差的數(shù)據(jù)組提請測試實驗室進行復(fù)查或予以剔除。以各協(xié)作定值單位提供的各形態(tài)平均值為統(tǒng)計單元，離群值剔除采用Grubbs法和Dixon法，8家定值單位所有數(shù)據(jù)經(jīng)檢驗均符合Grubbs法和Dixon法的檢驗要求，所有數(shù)據(jù)均保留。因此，本次定值的有效數(shù)據(jù)為8組，參加計算的數(shù)據(jù)8組。用夏皮羅-威爾克法(Shapiro-Wilk)進行數(shù)據(jù)的正態(tài)檢驗，所有測試數(shù)據(jù)組均滿足正態(tài)性檢驗的要求，數(shù)據(jù)組呈正態(tài)或近似正態(tài)分布。

4.4 標(biāo)準值的確定和不確定度的計算

本系列標(biāo)準物質(zhì)定值項目的數(shù)據(jù)為正態(tài)或近似正態(tài)分布，根據(jù)JJG 1006—1994的要求，以算術(shù)平均值為最佳估計值。在各實驗室合作定值中，本課題組也購買了BCR 684標(biāo)準物質(zhì)作為質(zhì)量監(jiān)控。

標(biāo)準物質(zhì)的不確定度是標(biāo)準物質(zhì)的一個重要量值指標(biāo)。由于形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)的研制相比成分分析標(biāo)準物質(zhì)流程復(fù)雜，受提取條件的影響較大，因此本次研究充分考慮2個樣品的均勻性、穩(wěn)定性和定值所帶來的不確定度[17-19]。分別計算穩(wěn)定性、均勻性和定值的各分量不確定度，最后合成總不確定度，保證該標(biāo)準物質(zhì)特性量值定值數(shù)據(jù)的準確性。

均勻性不確定度，按照以下公式計算：

式中：n表示測定次數(shù)；MS1表示單元間方差；MS2表示單元內(nèi)方差。

穩(wěn)定性不確定度，按照以下公式計算：

U穩(wěn)=s(bt)×t

式中：s(bt)由ISO導(dǎo)則35給出的穩(wěn)定性檢驗方法計算得到；t表示最后一次穩(wěn)定性實驗的時間。

本次研究采用多家實驗室協(xié)作定值，定值產(chǎn)生的不確定度采用下式計算：

最后合成總不確定度，不確定度的修約采用只進不舍的方法。

表5列出了2個標(biāo)準物質(zhì)的不確定度計算結(jié)果以及BCR 684標(biāo)準物質(zhì)給出的不確定度。

表5 湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)認定值和總不確定度數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文報道了我國首次研制的2個湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)的研制過程。嚴格按照國家《一級標(biāo)準物質(zhì)規(guī)范》和ISO導(dǎo)則35的要求執(zhí)行，樣品的采集和運輸過程中避免外界的污染，樣品的加工制備注重樣品的穩(wěn)定性和均勻性。標(biāo)準物質(zhì)的定值采用統(tǒng)一的提取方法進行，測定方法選用國家標(biāo)準方法，定值單位是國內(nèi)具有權(quán)威性的分析測試實驗室，在定值過程中采用歐盟的BCR 684標(biāo)準物質(zhì)作為質(zhì)量監(jiān)控，確保了定值數(shù)據(jù)的準確。

研制的2個湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)具有良好的適用性和代表性，均勻性和穩(wěn)定性良好，定值項目選擇合理、量值準確，可應(yīng)用于環(huán)境、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、地球化學(xué)等多個領(lǐng)域的沉積物的磷形態(tài)樣品質(zhì)量監(jiān)控，填補了我國在該類別標(biāo)準物質(zhì)的研制空白。2013年被國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局批準為一級標(biāo)準物質(zhì)(編號GBW 07462、GBW 07463)。通過研制湖泊沉積物中磷形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)，也為今后研制湖泊沉積物中氮形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)等與水體富營養(yǎng)化關(guān)系密切的元素形態(tài)標(biāo)準物質(zhì)的研制工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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