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。
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。
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。
2.1.1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
2.2.2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。
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。
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。
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
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)。