微順序注射-分光光度法快速測(cè)定海水中總磷

王中榮， 劉寶友， 魏福祥*， 何 禮

(河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

磷是海洋生態(tài)系統(tǒng)中重要的生源要素，它參與和控制了發(fā)生在生物圈中的許多生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。研究表明，磷是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要元素之一[1 - 4]。當(dāng)海洋水體中磷含量過(guò)高時(shí)，會(huì)造成藻類過(guò)度繁殖，導(dǎo)致赤潮等生態(tài)問(wèn)題，因此準(zhǔn)確測(cè)定海水中總磷含量對(duì)于海洋赤潮災(zāi)害預(yù)警，以及保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境意義重大[5]。目前，海水中總磷測(cè)定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法為磷鉬藍(lán)分光光度法，該方法由于測(cè)定過(guò)程繁瑣無(wú)法滿足總磷現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)定的要求。因此，如何對(duì)總磷測(cè)定方法進(jìn)行改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)定對(duì)于海洋水體中總磷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有著重要的意義[6]。

微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室(MicroSIA Lab-on-valve，μSIA-LOV)屬于第三代流動(dòng)注射分析技術(shù)[7]。在μSIA-LOV分析系統(tǒng)中，所有的單元操作，如樣品稀釋、試劑試樣的加入混合等均在計(jì)算機(jī)控制下自動(dòng)連續(xù)進(jìn)行，使得整個(gè)測(cè)定過(guò)程更加快速、高效。該技術(shù)試劑溶液消耗量為微升級(jí)，適用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在線監(jiān)測(cè)[8]。本實(shí)驗(yàn)將磷鉬藍(lán)分光光度法與μSIA-LOV結(jié)合，以光纖作為傳導(dǎo)介質(zhì)，將微順序注射分析儀八通道流通閥、光纖光譜儀、可見(jiàn)光光源連接，用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)樣品在線監(jiān)測(cè)。用建立的方法測(cè)定了秦皇島黃金海岸表層海水樣品中總磷，結(jié)果與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[9]對(duì)照，無(wú)顯著性差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

FIA-3500微量順序注射儀(美國(guó)，F(xiàn)IAlab Instruments公司)；USB-4000微型光纖光譜儀、HL-2000可見(jiàn)光光源、光纖(1.2 m×0.76 mm)，均為美國(guó)Ocean Optics公司產(chǎn)品；實(shí)驗(yàn)流路連接管道為PTFE(0.76 mm i.d.)；紫外微波雙重消解系統(tǒng)(自主研發(fā))。實(shí)驗(yàn)采用安裝有FIAlab for Windows軟件的筆記本電腦對(duì)微量注射儀和微型光纖光譜儀進(jìn)行控制。

磷酸二氫鉀(優(yōu)級(jí)純)標(biāo)準(zhǔn)溶液。顯色劑：顯色劑R1：稱取3 g鉬酸銨溶于水中，加入0.07 g酒石酸銻鉀和60 mL硫酸(1+6)，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至100 mL棕色容量瓶定容混勻；顯色劑R2：稱取5.0 g抗壞血酸溶于水中，轉(zhuǎn)移至100 mL棕色容量瓶中定容混勻。氧化劑：5 g/L過(guò)硫酸鉀溶液。人工海水：采用Kester的人工海水配方[10],此海水鹽度為35。0.2 mg/L和1 mg/L的人工海水樣品：用磷酸二氫鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液配制，以鹽度為35的人工海水為溶劑。其中實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化采用的是1 mg/L人工海水樣品，真實(shí)海水樣品為采自秦皇島北戴河和黃金海岸的表層海水。實(shí)驗(yàn)用水為高純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus 1.Waste；2.Flowcell；3.Reagent A；4.4-notused；5.Sample；6.6-notused；7.7-notused；8.8-notused.

實(shí)驗(yàn)流路如圖1所示。以高純水為載液，在注射泵的驅(qū)動(dòng)下，首先由多通道流通閥的2號(hào)口吸入適量的載液，再通過(guò)注射泵和多通道轉(zhuǎn)換閥的作用，1號(hào)口以40 μL/s的速度吸取顯色劑R2到貯存管，5號(hào)口以40 μL/s的速度吸取經(jīng)消解系統(tǒng)消解[11]后的樣品到貯存管、3號(hào)口以40 μL/s的速度吸取顯色劑R1到貯存管，在注射泵的驅(qū)動(dòng)下，被吸入貯存管中的載液推動(dòng)試劑和樣品迅速混合，形成混合區(qū)帶，停留一段時(shí)間使其充分反應(yīng)，然后再反向以50 μL/s的流速將混合區(qū)帶從連接有光纖的Z型流通池(Z-Flow cell)流出，通過(guò)光纖光譜儀讀取710 nm波長(zhǎng)處反應(yīng)后溶液的吸光度。每次測(cè)定結(jié)束后，用水以150 μL/s流速?zèng)_洗整個(gè)流路。整個(gè)操作過(guò)程均由FIAlab軟件自動(dòng)控制。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的優(yōu)化

2.1.1顯色劑與樣品體積優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在兩種顯色劑體積相同的條件下進(jìn)行，在保持其它參數(shù)不變的情況下，考察顯色劑體積由40～140 μL變化時(shí)吸光度的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖2。當(dāng)吸入顯色劑體積小于60 μL時(shí)，吸光度隨著顯色劑體積增大而增大，這是由于隨著顯色劑體積增加，貯存管中顯色劑和樣品反應(yīng)逐漸完全；當(dāng)顯色劑體積在60～120 μL時(shí)吸光度基本趨于穩(wěn)定；而當(dāng)顯色劑體積大于120 μL時(shí)，由于吸入顯色劑體積過(guò)大，造成了貯存管中混合區(qū)帶過(guò)長(zhǎng)，在推送到檢測(cè)器的過(guò)程中磷鉬藍(lán)顏色被載液稀釋，因此吸光度降低。最終選取120 μL作為顯色劑最佳體積。

實(shí)驗(yàn)采用顯色劑在兩頭、樣品在中間的進(jìn)樣順序。在保持其它參數(shù)不變的情況下，考察了樣品體積由0～140 μL變化時(shí)吸光度的變化情況，結(jié)果如圖3所示。隨著樣品體積增加，吸光度逐漸升高，當(dāng)加入樣品體積大于100 μL時(shí)，吸光度增加速率減小，這可能是由于加入樣品體積過(guò)大，導(dǎo)致貯存管中顯色劑和樣品的混合不充分所致。最終，選取100 μL作為最佳樣品體積。

圖2 顯色劑體積對(duì)吸光度的影響Fig.2 Effect of color reagent volume on absorbance

圖3 樣品體積對(duì)吸光度的影響Fig.3 Effect of sample volume on absorbance

2.1.2顯色時(shí)間優(yōu)化實(shí)驗(yàn)考察了顯色時(shí)間在0～300 s時(shí)吸光度的變化情況，如圖4所示。隨著顯色時(shí)間的增加，顯色劑和樣品反應(yīng)逐漸完全，吸光度逐漸增大，當(dāng)顯色時(shí)間大于240 s時(shí)，吸光度增大速率減小，此時(shí)顯色劑和樣品已基本反應(yīng)完全。實(shí)驗(yàn)最終選取240 s作為最佳顯色時(shí)間。

2.1.3推送速度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)在保持其它參數(shù)不變的情況下，考察了推送速度在10～100 μL/s時(shí)吸光度的變化情況，如圖5所示。當(dāng)推送速度小于50 μL/s時(shí)，隨著推送速度的增大，吸光度逐漸增加，這是由于隨著推送速度增大，貯存管中混合區(qū)帶的混合程度逐漸完全；當(dāng)推送速度大于50 μL/s時(shí)，由于混合區(qū)帶在貯存管中停留時(shí)間過(guò)短，使得混合區(qū)帶反應(yīng)不完全，因此吸光度逐漸降低，最終選取50 μL/s作為最佳推送速度。

圖4 顯色時(shí)間對(duì)吸光度的影響Fig.4 Effect of color rendering time on absorbance

圖5 推送速度對(duì)吸光度的影響Fig.5 Effect of flow rate on absorbance

2.2 干擾實(shí)驗(yàn)

2.2.2鹽度的干擾以NaCl配制鹽度為25、30、35、40的溶液，以此溶液定容配制標(biāo)準(zhǔn)系列，做標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果顯示不同鹽度標(biāo)準(zhǔn)曲線都有很好的線性關(guān)系，鹽度越大，折光效應(yīng)越大，因此測(cè)定同一濃度水樣吸光度越大。海水鹽度一般在25～40之間，本文選用鹽度為35人工海水繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

2.3 工作曲線、方法重復(fù)性和檢出限

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，吸光度與磷酸鹽濃度成正比，線性范圍為0.009～1 mg/L時(shí)，工作曲線回歸方程為:A=0.0448c+0.0064，相關(guān)系數(shù)r=0.9995。

連續(xù)測(cè)定磷酸鹽濃度為0.2 mg/L的人工海水樣品，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.4%(n=11)，說(shuō)明本方法重復(fù)性良好，精密度高。對(duì)除磷后的空白海水連續(xù)測(cè)定11次，得吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)，以3倍空白的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以工作曲線斜率(3 SD/k)，得本方法的檢出限為0.003 mg/L。

2.4 基底加標(biāo)回收率

以采自秦皇島北戴河的表層海水水樣為基底(測(cè)量值為0.059 mg/L)，加入不同量的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化好的實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得加標(biāo)回收率，回收率在94.4%～95.7%之間，表明該方法準(zhǔn)確度良好。

2.5 與磷鉬藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法(GB/T 12763.4-2007)的比較

采用本文方法與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法中的磷鉬藍(lán)法，測(cè)定采自秦皇島黃金海岸的海水水樣，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，本方法用于測(cè)定海水，當(dāng)置信度為95%時(shí)，與標(biāo)準(zhǔn)方法得到的結(jié)果無(wú)顯著性差異。

表1 兩種測(cè)試方法的結(jié)果比較

3 結(jié)論

利用微順序注射-閥上實(shí)驗(yàn)室(μSIA-LOV),結(jié)合磷鉬藍(lán)分光光度法測(cè)定海水中總磷。方法以紫外微波雙重消解系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行消解,在LOV模塊上以分光光度測(cè)定模式對(duì)消解后樣品進(jìn)行顯色測(cè)定,簡(jiǎn)化了操作步驟,每一步操作采用程序化控制,提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性,且整個(gè)系統(tǒng)微升級(jí)的進(jìn)樣量大大降低了試劑和樣品的消耗。方法實(shí)現(xiàn)了海水樣品的在線監(jiān)測(cè)。