微波消解—流動注射法測定海水中總磷

王盼盼 崔建升 魏福祥 何禮 王中榮 屈加豹 劉大喜

摘要：為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測近岸海域海水中的總磷水平，采用微波消解-流動注射-紫外分光光度法進(jìn)行測定，并通過控制程序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測定。優(yōu)化了消解條件、進(jìn)液順序和顯色劑質(zhì)量濃度等實(shí)驗(yàn)條件，并在最佳實(shí)驗(yàn)條件下測定的海水中總磷濃度與吸光度呈良好線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)樣品檢驗(yàn)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為4.095%，樣品的加標(biāo)回收率在95%～98%之間。研究方法穩(wěn)定性的檢測結(jié)果顯示，零點(diǎn)漂移在±0.1%之內(nèi)，量程漂移在±3%之內(nèi)，符合《近岸海域水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 731—2014）的要求。用微波消解-流動注射-紫外分光光度法測定的大連老虎灘表層海水中總磷的質(zhì)量濃度為0.068 9 mg/L，與國標(biāo)法（GB/T 12763.4—2007）測定結(jié)果（0.069 3 mg/L）無顯著性差異。因此，該測定方法可用于快速測定海水中總磷的含量，為實(shí)現(xiàn)海水富營養(yǎng)化的預(yù)警監(jiān)測提供可靠數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)境生態(tài)學(xué)；總磷；微波消解；流動注射法（FIA）；海水

中圖分類號：X830.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01003

Determination of total phosphorus in seawater by microwave digestionflow injection spectrophotometry

WANG Panpan1，2， CUI Jiansheng1，2， WEI Fuxiang1，2， HE Li1，2， WANG Zhongrong3，

QU Jiabao1，2， LIU Daxi1，2

（1. School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 2. Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 3. College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University， Tianjin 300353， China）

Abstract：In order to monitor the total phosphorus level in the coastal waters in real time. A method for determination of total phosphorus in water by digestion and flow injection spectrophotometry is described. Total nitrogen is determined continuously by controlling program in the coastal area. Effects of experimental conditions have been optimized，including the digestion condition， the order of liquid and the mass concentration of the color developing agent. Under the optimal conditions， the concentration of phosphorus in seawater is in good linear relation with absorbance. The relative standard deviations （RSD） of TP is less than 4.095%. The standard addition recoveries of TP are from 95% to 98%.The method has high sensitivity as well as precision. Zerodrift rate and range drift rate are less than ±0.1% and ±3%respectively. The determination results agree well with those obtained by the specification for automated water quality monitoring in coastal area （HJ 731—2014）. The determination of total phosphorus in surface waters of Dalian Tiger Beach concentration of 0.068 9 mg/L， 0.069 3 mg/L with national standard method（GB/T 12763.4—2007）of measurement results. There is no significant difference. The determination results agree with those obtained by the national standard method. The content of total phosphorus in seawater can be quickly determined by this method. It provides reliable data for the eutrophication of sea water and realize early warning and monitoring.

Keywords：environmental ecology； total phosphorus； microwave digestion； flow injection analysis （FIA）； sea water

磷是很多海域生物生產(chǎn)力的限制因素，無論是在近岸海域還是在寡營養(yǎng)的海洋區(qū)，在長時間尺度上，磷都是最終的限制性營養(yǎng)鹽，因此，磷酸鹽超標(biāo)是世界沿岸海域的一個重要污染問題，磷酸鹽濃度升高是中國海域海水富營養(yǎng)化的主要原因[1]。近幾年磷酸鹽的影響愈發(fā)突出[24]，人們不得不重視對海洋中總磷（TP）的監(jiān)測。導(dǎo)致海水中總磷濃度變化的直接原因比較復(fù)雜，主要是人類活動對近岸海域造成的巨大影響，尤其是海水養(yǎng)殖造成海水中磷酸鹽濃度增大[58]。為了預(yù)防水質(zhì)惡化造成嚴(yán)重?fù)p失，對海水中總磷的及時、快速檢測也就變得尤為重要。用離子色譜法測定水體中總磷，由于海水的成分復(fù)雜，因而對淋洗液和色譜柱的影響較大[912]；劉宏欣等[13]使用近紅外光譜測定水體中總磷，但是儀器體積龐大無法實(shí)現(xiàn)總磷的快速在線監(jiān)測；艾仕云等[14]用納米二氧化鈦膜光催化分解電化學(xué)法聯(lián)用技術(shù)測定總磷，但由于納米二氧化鈦膜制備過程復(fù)雜，使得樣品測定周期延長。上述方法都不適用于海水總磷的在線連續(xù)監(jiān)測。海水中總磷分為顆粒磷（PP）和總?cè)芙饬祝═DP），在大多數(shù)開闊的海洋環(huán)境中，TDP儲庫一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過PP儲庫，所以過濾之后剩余微量的PP對測定結(jié)果的影響幾乎為零[15]。筆者研究了一種微波消解-流動注射-紫外分光光度法連續(xù)測定海水中總磷的方法，與順序注射紫外分光光度法[16]相比，其抗干擾能力更強(qiáng)，材料更防腐蝕，且費(fèi)用低，通過控制程序可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)樣并實(shí)時傳輸數(shù)據(jù)。通過控制比例分配閥和柱塞泵，實(shí)現(xiàn)氧化劑和樣品定量吸收并注入消解罐，在消解罐中快速升溫消解，并利用磷鉬藍(lán)分光光度法快速測定總磷含量。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器

1.1.1儀器模塊

在線消解流動注射分光光度儀由水樣采集及預(yù)處理模塊（柱塞泵比例進(jìn)液模塊）、消解模塊、TP顯色模塊、分光光度測定模塊、計(jì)算機(jī)編程控制模塊及數(shù)據(jù)處理和分析模塊組成，具體見圖1。

圖1中水樣采集及預(yù)處理模塊由微型柱塞泵（MP50001LB，保定蘭格恒流泵有限公司提供）和電磁閥（WTA2R4MICG3，24VDC，高砂電氣有限公司提供）控制采樣選擇和采樣體積；消解模塊由自主研發(fā)的微波消解裝置和降溫裝置（風(fēng)冷和蒸發(fā)器）組成；TP顯色模塊主要由蠕動泵（蠕動泵泵頭型號為DG4C，oem驅(qū)動器型號為T100S56，保定蘭格恒流泵有限公司提供）作為動力源；分光光度測定模塊由流動比色皿及發(fā)光二極管組成。儀器使用GS326+360型號接口連接各部件，使用抗酸性較強(qiáng)的pharmed管（2.06 mm×0.85 mm）作為連接軟管，連接硬管為PTFE管（1.6 mm×3.2 mm）。

1.1.2儀器方法

采用微波/過硫酸鉀消解流動注射紫外分光光度法測定海水中總磷，用編程控制器操作儀器，保證了測定全過程無人為干預(yù)[1719]，具體流程如圖2所示。消解過程：柱塞泵將氧化劑和海水樣品按時間設(shè)定比例（1∶1）打入消解罐，消解模塊自動開啟消解模式，持續(xù)一定時間；降溫過程：消解罐風(fēng)冷降溫500 s，蒸發(fā)器管路降溫40 s；顯色過程：利用閥門和蠕動泵嚴(yán)格控制不同試劑瓶中的進(jìn)液量，5，6，7號管路對應(yīng)連接的三通閥同時打開蠕動泵，以50 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行一定時間確定進(jìn)液量，并在化學(xué)反應(yīng)單元顯色；測定過程：檢測器在流動比色皿中獲取信號值，測定樣品的吸光度值，數(shù)據(jù)處理和分析模塊根據(jù)系統(tǒng)已有的線性關(guān)系轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的濃度值，由顯示屏直接讀取。

1.2試劑及樣品

實(shí)驗(yàn)用水為超純水，對所用試劑采用超聲波振蕩20 min以排除液體中的微氣泡。除有特殊標(biāo)注，實(shí)驗(yàn)所用試劑均為優(yōu)級純。

顯色劑PA：稱取12.5 g鉬酸銨溶于水中，配制300 mL（體積比1∶6）的硫酸溶液，冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至500 mL棕色容量瓶中定容混勻；顯色劑PB：分別稱取0.2 g酒石酸銻氧鉀、10.0 g無水硫酸鈉和15.0 g抗壞血酸溶于水中，轉(zhuǎn)移至500 mL棕色容量瓶中定容混勻；氧化劑：將3.75 g過硫酸鉀（高純，德國Fluka公司提供）與0.970 1 g氫氧化鈉定容于500 mL容量瓶中；加標(biāo)試劑：甘油磷酸鈉；人工海水：采用KESTER的人工海水配方[20]（鹽度為35）制得1 mg/L（總磷）和4 mg/L（總磷）的人工海水樣品，使用標(biāo)物編號為BW30031100S50的總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.05 mol/L硫酸），以鹽度為35的人工海水為溶劑，配制成100 mg/L（以磷計(jì)）溶液；真實(shí)海水樣品：大連老虎灘的表層海水（按照《海洋調(diào)查規(guī)范（第4部分）：海水化學(xué)要素調(diào)查》（GB/T 12763.4—2007）[21]規(guī)定方法保存）。

2結(jié)果與討論

2.1條件優(yōu)化

2.1.1顯色條件優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)采用磷鉬藍(lán)分光光度法，結(jié)果表明，鉬酸銨質(zhì)量濃度為25 mg/L、硫酸溶液為300 mL（體積比1∶6）、酒石酸銻鉀質(zhì)量濃度為25 mg/L、無水硫酸鈉質(zhì)量濃度為25 mg/L、抗壞血酸質(zhì)量濃度為25 mg/L時顯色效果最佳。硫酸溶液配比對顯色效果影響最大，圖3為4 mg/L（含磷）標(biāo)準(zhǔn)溶液在不同配比的硫酸溶液條件下吸光度值的變化。由圖3可見，硫酸溶液配比的不同嚴(yán)重影響測定結(jié)果，當(dāng)配比大于1∶7（體積比，下同）時，產(chǎn)生一種沉淀性藍(lán)色物質(zhì)，所以吸光度值有一個顯性增大假象，所以選擇1∶6的硫酸溶液為最佳顯色配比。因此，在實(shí)驗(yàn)過程中要嚴(yán)格控制整個反應(yīng)流路的pH值。

2.1.2消解條件的優(yōu)化

在120 ℃條件下，持續(xù)消解25 min，則可使過硫酸鉀反應(yīng)完全，將樣品中的有機(jī)磷徹底消解。在此條件下，氧化劑對實(shí)驗(yàn)所測吸光度值造成的影響幾乎為0。對質(zhì)量濃度為1 mg/L的樣品（含有機(jī)磷）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。綜合考慮實(shí)驗(yàn)消解效率及測定時間因素，選擇消解時間為27 min（如圖4所示），消解溫度為135 ℃（如圖5所示），定為最佳消解條件，且在此條件下過硫酸鉀本身產(chǎn)生的吸光度值對樣品測定結(jié)果的影響幾乎為0。

2.1.3管路進(jìn)液順序優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)初期采用PA—樣品—PB的進(jìn)液順序，由于蠕動泵的壓力在非進(jìn)液管路中容易進(jìn)入氣泡，而對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，造成測定結(jié)果的不穩(wěn)定。最終，實(shí)驗(yàn)選擇PA、樣品和PB同時進(jìn)液至反應(yīng)管路，并在反應(yīng)管路中增加了氣囊以排除少量氣泡的干擾。圖6中展示了某次實(shí)驗(yàn)的測定結(jié)果，每秒對應(yīng)一個吸光度值，取有效區(qū)間平均值作為此次測得的有效數(shù)據(jù)。

2.1.4泵速優(yōu)化

為了驗(yàn)證樣品及顯色劑的推送速度對測定結(jié)果的影響，在保證進(jìn)液總量相同的情況下，通過改變?nèi)鋭颖玫霓D(zhuǎn)速來考察不同進(jìn)液速度（泵速為10，20，30，40，50，60，70 r/min時，對應(yīng)液體的流速分別為2.8，5.6，8.4，11.2，140，16.8 mL/min）時的吸光度值。由圖7可見，蠕動泵的轉(zhuǎn)速對實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本無影響，但是綜合考慮蠕動泵的安全轉(zhuǎn)速與測定時間2個因素，選擇50 r/min作為實(shí)驗(yàn)最佳泵速。

2.2測定結(jié)果

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線（線性范圍）及檢出限

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在總磷質(zhì)量濃度為0.003～5 mg/L時，y=0.038x+0.003，相關(guān)系數(shù)r=0.997 0，線性關(guān)系良好。根據(jù)檢出限MDL=t（n-1，0.99）·S，（n=21時，t=2.528），測得檢出限為0.000 71 mg/L。

2.2.2準(zhǔn)確度和精密度

采用產(chǎn)品編號為GBW（E）081228的1.09 mg/L（以磷計(jì)）水質(zhì)總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行校正檢測，測定結(jié)果如表1所示。連續(xù)測定3組配制樣品（含磷007 mg/L，與海水中成分接近）和3組加標(biāo)樣，結(jié)果如表2所示。

2.2.3方法穩(wěn)定性

儀器穩(wěn)定性是檢測儀器方法的重要指標(biāo)，穩(wěn)定性檢驗(yàn)包括零點(diǎn)漂移和量程漂移，量程漂移檢驗(yàn)選擇儀器量程的20%（含磷1 mg/L）和80%（含磷4 mg/L）的標(biāo)準(zhǔn)溶液。如圖8和圖9所示，24 h零點(diǎn)漂移量在±0.02%之內(nèi)，量程漂移量在±05%之內(nèi)；30 d零點(diǎn)漂移量在±0.1%之內(nèi)，量程漂移量在±3%之內(nèi)，符合《近岸海域水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 731—2014）的要求。

2.2.4國標(biāo)法對比檢測

對微波消解-流動注射-紫外分光光度法（簡稱流動注射法）與《海洋調(diào)查規(guī)范（第4部分）：海水化學(xué)要素調(diào)查》（GB/T 12763.4—2007）中的總磷測定方法[20]（簡稱國標(biāo)法）進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)分別采用流動注射法與國標(biāo)法對產(chǎn)品編號分別為GSB073169—2014和GBW（E）081228的標(biāo)準(zhǔn)樣品（標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.403 mg/L和1.09 mg/L（以磷計(jì)，質(zhì)量濃度））進(jìn)行測定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出2種方法測定結(jié)果的RSD均在3%以內(nèi)。

用微波消解-流動注射-紫外分光光度法測定大連老虎灘表層海水的總磷質(zhì)量濃度為0.068 9 mg/L，如表4所示，與國標(biāo)法的測定結(jié)果（0.069 3 mg/L）無顯著性差異。

3結(jié)語

流動注射法與順序注射法使用試劑量和樣品量均較小，但是流動注射法抗干擾能力更強(qiáng)。本研究方法的測定結(jié)果不是某一時刻的測定值而是有效區(qū)間內(nèi)的平均值，可以排除由于其他干擾因素造成的偶然性誤差。通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳測定條件：最佳消解時間為27 min，消解溫度為135 ℃，進(jìn)液順序?yàn)镻A、樣品和PB同時經(jīng)過蠕動泵進(jìn)入反應(yīng)器，泵速為50 r/min。結(jié)果顯示，總磷在測定濃度范圍內(nèi)具有較好的線性關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)樣品的RSD為4.095%，樣品的加標(biāo)回收率在95%～98%之間，零點(diǎn)漂移量在±0.1%之內(nèi)，量程漂移量在±3%之內(nèi)，符合《近岸海域水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ 731—2014）的要求。采用微波消解-流動注射-紫外分光光度法可以快速測定海水中總磷的含量，為實(shí)現(xiàn)海水富營養(yǎng)化的預(yù)警監(jiān)測提供可靠數(shù)據(jù)。

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