電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定復(fù)混肥料中有效磷含量的研究

章明洪，王　露，陳　劍

(1.上海化工研究院有限公司/國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心〔上?！场∩虾！?00062；2.深圳市芭田生態(tài)工程股份有限公司　廣東深圳　518105)

復(fù)混肥料是指氮、磷、鉀3種養(yǎng)分中，至少有2種養(yǎng)分標(biāo)明量的由化學(xué)方法和(或)摻混方法制成的肥料[1- 2]。由于復(fù)混肥料能夠提高肥效、減少施肥次數(shù)、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)、避免單質(zhì)肥料不合理施用造成的環(huán)境污染等問題，其生產(chǎn)和使用越來越受到人們的重視。

磷是復(fù)混肥料總養(yǎng)分的組成部分，也是植物生長所必需的最基本的營養(yǎng)元素之一，不僅能加速幼芽和根系的生長，還能增強(qiáng)作物的抗逆性，提高抗寒、抗旱和抗病能力，改善果實(shí)品質(zhì)[3]。肥料中的有效磷是指肥料中可以被作物吸收的磷組分[4]，包括水溶性磷、檸檬酸或EDTA可溶性磷，作物吸收磷肥的形態(tài)主要為正磷酸(H3PO4)鹽、偏磷酸(HPO3)鹽和焦磷酸(H4P2O7)鹽。國內(nèi)眾多的試驗(yàn)表明，作物吸收磷的重要條件之一是必須有合適的氮磷比，因此，施用復(fù)混肥料是提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要手段之一。

磷含量測定的主要差異之一在于有效磷的提取方法，國際上通用的提取劑主要有中性檸檬酸銨溶液、堿性檸檬酸銨溶液、20 g/L檸檬酸溶液[5- 6]和37.5 g/L EDTA溶液，美國公職分析家協(xié)會(AOAC)采用EDTA與檸檬酸鹽質(zhì)量比為1∶2的中性溶液作為有效磷的提取劑[7]。目前肥料中磷的測定普遍采用磷鉬酸喹啉重量法、磷鉬藍(lán)分光光度法或磷釩鉬酸銨分光光度法，肥料產(chǎn)品中有效磷的測定標(biāo)準(zhǔn)均以磷鉬酸喹啉重量法作為仲裁法[8]。重量法適用于含磷量高的樣品測定，磷含量低時通常采用分光光度法測定。我國國家標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)混肥料中有效磷含量的測定》(GB/T 8573—2010)采用37.5 g/L EDTA溶液提取，喹鉬檸酮重量法測定[9]，該方法是測定磷含量的經(jīng)典方法，但存在操作步驟繁瑣、試驗(yàn)周期長、試劑喹啉和丙酮會對操作者的健康構(gòu)成危害等缺陷。鑒于此，國內(nèi)有關(guān)使用儀器法測定磷含量的研究屢有報(bào)道，如王明銳等研究了采用EDTA溶液提取、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP法)進(jìn)行測定[10]，陳潔紅等研究了采用硝酸溶液超聲提取、重量法進(jìn)行測定[11]，結(jié)果表明儀器法具有快速、便捷的優(yōu)點(diǎn)。

作為對現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8573—2010檢測方法的補(bǔ)充，本研究開發(fā)了檸檬酸溶液超聲提取與ICP測定相結(jié)合的新方法(以下簡稱ICP法)，即在室溫條件下，選用檸檬酸溶液作為提取劑，其濃度和用量參考GB/T 20412—2006[5]，利用超聲波具有的機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)和熱效應(yīng)，通過增大介質(zhì)分子的運(yùn)動速率和穿透力以提取肥料樣品中有效磷成分，以電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP- AES)來分析磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，根據(jù)樣品霧化被激發(fā)后發(fā)射出磷元素的特征譜線的強(qiáng)度確定樣品中磷元素的含量(定量分析)。通過與國標(biāo)法EDTA提取-重量法測定的對比試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了2種方法的測定平均值沒有顯著性差異；國內(nèi)5家實(shí)驗(yàn)室參加的實(shí)驗(yàn)室間比對試驗(yàn)結(jié)果表明，ICP- AES法精密度高，檸檬酸溶液超聲提取、ICP- AES法測定有效磷的新方法具有線性范圍寬、精密度好、準(zhǔn)確度高、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，已作為復(fù)混肥料中有效磷含量測定新國家標(biāo)準(zhǔn)中的測定方法之一。

1　試驗(yàn)部分

1.1　方法提要

用檸檬酸溶液超聲提取復(fù)混肥料中有效磷，試樣溶液中的磷在ICP光源中原子化并被激發(fā)至高能態(tài)，處于高能態(tài)的原子躍遷至基態(tài)時產(chǎn)生具有特征波長的電磁輻射，輻射強(qiáng)度與磷原子濃度成正比。

1.2　主要試劑和儀器

主要試劑：檸檬酸溶液，20 g/L；五氧化二磷標(biāo)準(zhǔn)儲備液，1 mg/mL；高純氬氣，體積分?jǐn)?shù)≥99.999%。

主要儀器：超聲波清洗器，超聲功率300 W，上?？茖?dǎo)超聲儀器有限公司；電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，iCAP6300 Duo，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；實(shí)驗(yàn)室用常規(guī)儀器。

1.3　試驗(yàn)樣品

選用不同的復(fù)混肥料作為試驗(yàn)樣品，試驗(yàn)樣品含有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～20%。

1.4　分析步驟

1.4.1試樣溶液的制備

稱取含有100～180 mg(精確至±0.000 2 g)五氧化二磷的試樣于250 mL量瓶中，加入150 mL檸檬酸溶液，在室溫條件下將量瓶置于超聲波清洗器中提取6～8 min，然后用水稀釋至刻度，混勻，干過濾，棄去最初部分濾液。

1.4.2ICP法測定

用移液管依次吸取五氧化二磷標(biāo)準(zhǔn)貯備液0.00、0.20、0.40、0.80和1.00 mL于5個100 mL的量瓶中，分別加入0.60 mL檸檬酸溶液，用水稀釋至刻度線，混勻。此標(biāo)準(zhǔn)系列溶液含五氧化二磷質(zhì)量濃度分別為0.00、2.00、4.00、8.00和10.00 μg/mL。

根據(jù)待測元素性質(zhì)，選用儀器推薦的最優(yōu)工作條件，用等離子發(fā)射光譜儀在波長213.618 nm處測得各標(biāo)準(zhǔn)溶液的輻射強(qiáng)度，以各標(biāo)準(zhǔn)溶液中五氧化二磷的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，相應(yīng)的輻射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線或得出回歸方程。在與測定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液相同的條件下，將試樣溶液適當(dāng)稀釋后測得磷的輻射強(qiáng)度，在工作曲線上查得相應(yīng)的五氧化二磷質(zhì)量濃度。

儀器推薦的最優(yōu)工作條件：高頻發(fā)射器輸出功率1.2 kW，等離子氣流量10 L/min，冷卻氣流量0.6 L/min，載氣流量0.7 L/min，氬氣壓力445～447 kPa，水清洗時間30 s，樣品液清洗時間30 s。

1.5　結(jié)果計(jì)算

有效磷含量(W)以五氧化二磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：C——測定有效磷時從工作曲線上查得的試樣溶液中五氧化二磷質(zhì)量濃度，μg/mL；

V——試樣溶液總體積，mL；

m——測定有效磷時試樣質(zhì)量，g；

D——測定有效磷時試樣溶液的稀釋倍數(shù)。

計(jì)算結(jié)果保留到小數(shù)點(diǎn)后2位，取平行測定結(jié)果的算術(shù)平均值作為測定結(jié)果。

2　結(jié)果與討論

2.1　檸檬酸溶液提取及不同超聲時間試驗(yàn)

以20 g/L檸檬酸溶液作為提取劑，分別對同一樣品同時進(jìn)行不同的超聲提取時間試驗(yàn)，用重量法測定提取的有效磷含量，并與按GB/T 8573—2010測定的結(jié)果進(jìn)行對比，以選擇最佳的提取時間，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　不同超聲時間有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果　%

從表1可看出：含磷量低、中、高的3個有代表性的復(fù)混肥料樣品采用檸檬酸溶液超聲提取5 min，ICP法測定結(jié)果與國標(biāo)法的負(fù)偏差大于0.30%；超聲提取6、8和10 min的測定結(jié)果與國標(biāo)法相比，差值在0.02%～0.08%，結(jié)果正負(fù)偏差在允許差0.20%的要求范圍內(nèi)，說明使用20 g/L檸檬酸溶液可以有效提取復(fù)混肥料中的有效磷。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇超聲時間為6～8 min。

2.2　ICP法測定磷含量的波長選擇

同一樣品用檸檬酸超聲提取后，根據(jù)待測元素性質(zhì)，選用儀器推薦的最優(yōu)工作條件，分別在波長177 nm和213 nm處進(jìn)行磷含量的測定，并將測得的結(jié)果與國標(biāo)法測定結(jié)果進(jìn)行比對，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可看出：ICP法在177 nm處測得的結(jié)果與國標(biāo)法相比誤差明顯偏大；在213 nm處測得的結(jié)果與國標(biāo)法測定結(jié)果的絕對差值在0.01%～0.41%，除個別數(shù)據(jù)外，正負(fù)偏差的絕對值≤0.20%，因此選擇最佳測定波長為213 nm(不同儀器宜選取不同的波長，與重量法進(jìn)行對比選取最佳測定條件)。

表2　不同波長處有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果　%

2.3　ICP法測定磷含量的工作曲線線性范圍和檢出限

標(biāo)準(zhǔn)工作溶液按1.4.2配制，在儀器最佳工作條件及213 nm下測定五氧化二磷標(biāo)準(zhǔn)工作溶液系列，根據(jù)測定值繪制的五氧化二磷工作曲線(圖1)得到的回歸方程為y=323.16x+5.608 5，相關(guān)系數(shù)r2=1.000。由圖1可知，在該標(biāo)準(zhǔn)工作溶液系列范圍內(nèi)，工作曲線線性關(guān)系良好，可以滿足復(fù)混肥料中磷含量的測定需要。

圖1　五氧化二磷工作曲線

取連續(xù)10次平行測定試驗(yàn)空白溶液的測定結(jié)果，定量檢出限按10倍試驗(yàn)空白溶液的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行計(jì)算，則ICP法測定有效磷含量的檢出限為0.050 72 μg/mL。

2.4　ICP法與國標(biāo)法測定結(jié)果比較

同一樣品的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別采用ICP法和國標(biāo)法測定并進(jìn)行比較，以考察新方法的精密度和準(zhǔn)確度，比對結(jié)果見表3。

從表3可看出：不同的復(fù)混肥料采用ICP法測定的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)平行值的絕對差在0.01%～0.14%，滿足GB/T 8573—2010的要求，說明新方法具有很好的精密度；ICP法測得的結(jié)果與國標(biāo)法測得結(jié)果的絕對差值在0.02%～0.18%。

表3　ICP法和國標(biāo)法測定有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)結(jié)果比較　%

將上述8個樣品作為研究對象，應(yīng)用t檢驗(yàn)法[12]研究新方法與國標(biāo)法對有效磷測定結(jié)果的平均值是否存在顯著性差異。

對表3的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)如下：

(1) 選擇檢驗(yàn)的顯著性水平α為0.05；

(3) 當(dāng)自由度為7時，t0.975=2.365

通過t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，ICP法與國標(biāo)法對有效磷測定結(jié)果的平均值沒有顯著性差異，證明ICP法具有的準(zhǔn)確度是可信的。因此，采用檸檬酸溶液超聲提取、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定復(fù)混肥料中的有效磷含量是可行的，具有很好的精密度和準(zhǔn)確度。

2.5　不同實(shí)驗(yàn)室間重現(xiàn)性分析

為了分析確定不同實(shí)驗(yàn)室間的極差，選取國內(nèi)5家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同實(shí)驗(yàn)室間ICP法有效磷含量測定結(jié)果比對，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4不同實(shí)驗(yàn)室間ICP法有效磷含量測定結(jié)果比對%

樣品編號實(shí)驗(yàn)室ABCDE極差除實(shí)驗(yàn)室C外極差SZ09220.2120.5720.1720.2720.320.400.36SZ08817.9418.2917.3817.8817.970.910.41SZ11118.3718.4717.8518.1618.270.620.31SZ00715.9515.6615.2615.6415.830.690.31SZ12313.7313.5613.1913.3813.220.540.51SZ08911.2711.1110.6711.2211.120.600.16SZ0869.849.919.5410.029.690.480.33SZ0986.836.656.706.626.660.210.21SZ0875.065.104.884.965.020.220.14

從表4可看出，不同實(shí)驗(yàn)室測定結(jié)果的最大極差為0.91%，其中SZ088、SZ111和SZ007的極差異常高。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室C的測定數(shù)據(jù)普遍偏低，排除實(shí)驗(yàn)室C的測定數(shù)據(jù)后再次進(jìn)行極差統(tǒng)計(jì)，結(jié)果極差在0.14%～0.51%，均未超過0.60%，且有7組數(shù)據(jù)的極差<0.40%，說明ICP法的重現(xiàn)性很好。根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析，可初步確定不同實(shí)驗(yàn)室間絕對偏差≤0.60%。

3　結(jié)語

研究建立了采用20 g/L檸檬酸溶液超聲提取、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定復(fù)混肥料中有效磷含量的新方法(ICP法)。試驗(yàn)結(jié)果表明：ICP法測定磷含量的工作曲線在試驗(yàn)范圍內(nèi)(0～10 μg/mL)線性良好，相關(guān)系數(shù)為1.000，最低檢出質(zhì)量濃度為0.050 72 μg/mL，平行測定的絕對差在0.01%～0.14%，不同實(shí)驗(yàn)室間的極差在0.14%～0.51%；采用t檢驗(yàn)法驗(yàn)證了ICP法與國標(biāo)法對有效磷測定的平均值沒有顯著性差異。ICP法具有便捷、快速、精密度好、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《復(fù)混肥料中有效磷含量的測定》(GB/T 8573—2017)中，已被列入作為復(fù)混肥料中有效磷含量測定的方法之一。