含磷飼料中磷元素含量的EDXRF法測(cè)定

鄧玉福 劉伊初 趙婷偉 孟德川 于桂英

(1.沈陽(yáng)師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110034；2.遼寧省射線儀器儀表工程技術(shù)研究中心，沈陽(yáng) 110034；3.沈陽(yáng)師范大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，沈陽(yáng) 110034)

0 引言

作為動(dòng)物必需的礦物元素之一，飼料中的磷元素影響著畜禽發(fā)育、生長(zhǎng)及生產(chǎn)能力。然而，飼料中的磷元素過量也會(huì)導(dǎo)致土壤中的磷過剩，過剩的磷元素會(huì)通過徑流、滲透等方式流入水體。20世紀(jì)70年代初，SCHINDLER D W小組[1-2]在加拿大實(shí)驗(yàn)湖區(qū)研究證明，過量的磷會(huì)造成水體溶氧率降低、富營(yíng)養(yǎng)化以及水生生物死亡等一系列嚴(yán)重的生態(tài)問題，并且通過控制磷元素的排放改善了水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)分析畜禽飼料中磷元素的含量對(duì)于提高食品質(zhì)量安全、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

目前，飼料中總磷含量的測(cè)量方法主要分為化學(xué)法和儀器法兩大類。化學(xué)方法主要包括磷鉬酸喹啉重量法和光電比色法，化學(xué)方法精度較高，但分析周期長(zhǎng)，操作較為繁瑣[3-4]。儀器法主要有波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法(WDXRF)和能量色散X射線熒光光譜法(EDXRF)。波長(zhǎng)色散X射線熒光光譜法探測(cè)效率較高[5-6]，但儀器本身較為精密、龐大，且價(jià)格昂貴。能量色散X射線熒光光譜法是一種對(duì)物質(zhì)中的元素成分和含量進(jìn)行定性及定量分析的儀器方法，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)定快速、結(jié)果精準(zhǔn)的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但在測(cè)定輕元素(原子序數(shù)Z=11～20)時(shí)，由于熒光產(chǎn)額與EDXRF探測(cè)效率較低，同時(shí)存在譜線間吸收-增強(qiáng)效應(yīng)和能量相近譜線重疊等問題[7-10]，測(cè)量效果并不理想。

為獲得準(zhǔn)確、方便、快捷的飼料磷含量檢測(cè)分析方法，基于EDXRF原理，本文采用間接測(cè)量的方式，通過化學(xué)反應(yīng)將樣品中低原子序數(shù)的目標(biāo)磷元素轉(zhuǎn)換為中等原子序數(shù)的鉬元素，通過對(duì)鉬元素的EDXRF測(cè)量及化學(xué)轉(zhuǎn)化過程中鉬元素與磷元素的定量關(guān)系，計(jì)算出磷元素的含量，從而得到含磷飼料中的總磷量。

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

含磷飼料主要成分為Ca(H2PO4)2·H2O，其中還含有少量的氟及重金屬元素雜質(zhì)。將飼料溶于濃鹽酸和少量水，當(dāng)pH值小于等于1時(shí)，磷元素以正磷酸根離子存在于溶液中，反應(yīng)方程式為

Ca(H2PO4)2·H2O+2HCl=CaCl2+2H3PO4+H2O

此時(shí)，溶液中含有微量酸不溶物(稱為雜質(zhì)沉淀)。取部分溶液向其中滴加自配喹鉬檸酮沉淀劑，在水浴加熱鍋中((75±5)℃條件下)保持30 s，使磷元素轉(zhuǎn)換為鉬元素，反應(yīng)方程式為

H3PO4+3C9H7N+12Na2MoO4+24HCl=

(C9H7N)3·H3PO4·12MoO3·H2O↓

+24NaCl+11H2O

待反應(yīng)完全后將沉淀過濾，在180℃的干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥。反應(yīng)方程式為

(C9H7N)3·H3PO4·12MoO3↓+H2O

取部分沉淀物壓片，并應(yīng)用能量色散X射線熒光光譜儀分析測(cè)量，得到沉淀物中鉬元素的含量，通過生成化合物中磷元素與鉬元素的化學(xué)數(shù)量關(guān)系，計(jì)算出沉淀物中磷元素的含量，再通過壓片沉淀量與實(shí)際總沉淀量的關(guān)系，得到飼料樣品中磷元素的總含量。

1.2 儀器設(shè)備

儀器設(shè)備主要有：X射線源，包括50 kV,1 mA的國(guó)產(chǎn)低功率、小口徑側(cè)窗鉬靶X射線管及自主研制的高頻高壓配電系統(tǒng)；美國(guó)AMPTEK公司生產(chǎn)的X-123-CdTe[11]型探測(cè)器(在5.9 KeV能量處半高全寬為145～230 eV)；德國(guó)賽多利斯萬分之一電子天平；天津科器高新技術(shù)公司生產(chǎn)的769YP-40C型手動(dòng)粉末壓片機(jī)；恒溫水浴加熱鍋；干燥箱。

1.3 試劑

試劑主要有：飼料級(jí)磷酸二氫鈣(四川川恒化工股份有限公司)；硝酸，分析純；鹽酸，分析純；二水合鉬酸鈉，分析純；一水合檸檬酸，分析純；丙酮，分析純；喹啉，分析純；磷鉬酸，分析純。

1.4 樣品制備

1.4.1喹鉬檸酮沉淀劑制備

稱取70 g二水合鉬酸鈉粉末，溶解于100 mL蒸餾水中；稱取60 g一水合檸檬酸，用100 mL蒸餾水溶解，并于溶液中加入80 mL硝酸。將兩種溶液混勻。將35 mL硝酸與100 mL蒸餾水混勻后加入5 mL喹啉，將此溶液加入到混合溶液中，混合均勻。靜置12 h后用濾紙將其過濾，于濾液中加入280 mL丙酮，并用水稀釋至1 000 mL。該沉淀劑為喹鉬檸酮沉淀劑，將此沉淀劑置于暗處，避光避熱保存待用。

1.4.2待測(cè)樣品制備

稱取0.8 g含磷飼料樣品置于100 mL燒杯中，加入10 mL鹽酸和少量水，蓋上表面皿，煮沸10 min，取出燒杯待溶液冷卻后移入250 mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻后待用。取20 mL該試液在燒杯中加水至總體積為100 mL后，緩慢加入50 mL自配喹鉬檸酮溶液[12]，蓋上表面皿，于水浴加熱鍋中加熱(至杯內(nèi)物溫度達(dá)到(75±5)℃)，保持30 s后取出。冷卻至室溫(20℃)后將沉淀過濾洗滌干燥(干燥溫度為180℃，時(shí)間約45 min)。沉淀冷卻后用電子天平稱量，得質(zhì)量W(Z)，取其中0.3 g放置于手動(dòng)壓片機(jī)中，在壓力為5 MPa、壓片時(shí)間為5 min條件下，將沉淀制成直徑為10 mm的圓片樣品，裝入密封袋編號(hào)待測(cè)。

1.4.3標(biāo)準(zhǔn)樣品制備

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，自制一組實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣品。將含磷飼料在室溫下溶解于蒸餾水中，過濾干燥后得到雜質(zhì)沉淀。將雜質(zhì)沉淀與磷鉬酸分析純粉末按照不同的梯度比例均勻混合(見表1)，再對(duì)每組混合粉末進(jìn)行壓片，壓片時(shí)間與壓力均與待測(cè)樣品的制備條件相同。壓片后將圓片樣品裝入密封袋，編號(hào)待測(cè)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)樣品含量配制比例

1.5 最佳激發(fā)條件的確定

光管電壓、電流和測(cè)量時(shí)間等測(cè)量條件影響X射線譜峰的特征峰凈面積和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。通過待測(cè)元素的Kα特征峰凈面積與本底強(qiáng)度的比值(即峰背比)評(píng)估最佳激發(fā)條件[13-15]。

1.5.1最佳電壓

圖1 鉬元素峰背比與管電壓的關(guān)系

根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定管電流為10 μA，測(cè)定時(shí)間為120 s，改變管電壓21～30 kV，對(duì)每個(gè)鉬元素的特征峰進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)工作點(diǎn)測(cè)定10次，計(jì)算其峰背比并取平均值，由圖1可見鉬元素的最佳光管電壓為27 kV。

1.5.2最佳電流

在最佳激發(fā)電壓27 kV和測(cè)量時(shí)間120 s條件下，管電流由4～13 μA逐漸增加，結(jié)果表明最佳管電流為9 μA，如圖2所示。

圖2 鉬元素峰背比與管電流的關(guān)系

1.5.3最佳測(cè)量時(shí)間

樣品的測(cè)量時(shí)間影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。若測(cè)量時(shí)間過短，樣品中待測(cè)元素的特征峰無法識(shí)別；若時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致背景計(jì)數(shù)率較大，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。確定最佳電壓27 kV，電流9 μA，測(cè)量時(shí)間從60～140 s逐次增加20 s，得到鉬元素的最佳測(cè)量時(shí)間為120 s，如圖3所示。

圖3 鉬元素峰背比與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系

1.6 曲線擬合

將表1中不同含量比例的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)樣品放置在能量色散X射線熒光光譜儀上，以最佳激發(fā)條件依次對(duì)Mo元素的Kα譜峰進(jìn)行尋峰[14]，得到其熒光譜峰(圖4)的凈面積。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)樣測(cè)量10次，取其凈面積的平均值。標(biāo)準(zhǔn)樣品中的鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)記為XMo，鉬元素的特征峰凈面積的平均值記為YMo，數(shù)據(jù)擬合鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)XMo與特征峰凈面積YMo之間的曲線，得YMo=99.274XMo+408.113，R2=0.999 3，如圖5所示。

圖4 鉬元素特征峰譜圖

圖5 鉬元素工作曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品結(jié)果分析

從待測(cè)樣品中稱取0.3 g沉淀粉末進(jìn)行壓片，利用能量色散X射線熒光光譜儀對(duì)鉬元素的Kα譜線進(jìn)行尋峰[14]，得到特征峰的凈面積，每個(gè)待測(cè)樣品測(cè)量10次，取其平均值。將得到的凈面積平均值代入到工作曲線中，計(jì)算出待測(cè)樣品片中鉬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)CMo及相應(yīng)的質(zhì)量WMo，根據(jù)生成化合物的化學(xué)式中鉬元素與磷元素的數(shù)量關(guān)系，得出磷元素的質(zhì)量WP(Mo)。再根據(jù)壓片沉淀量與實(shí)際生成的總沉淀量W(Z)的關(guān)系，求出待測(cè)樣品中磷元素的總質(zhì)量WP(Z)及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)CP(Z)，測(cè)量結(jié)果見表2，得出含磷飼料中磷元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.36%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.46%，相對(duì)極差為0.24%。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.2 定標(biāo)曲線的驗(yàn)證

取空白沉淀與磷鉬酸粉末制成4份不同鉬含量的驗(yàn)證樣品。在相同的激發(fā)條件下對(duì)每個(gè)驗(yàn)證樣品測(cè)量10次，得到鉬元素的特征峰凈面積，并代入定標(biāo)曲線中，求得鉬元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、平均值及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，將其與真實(shí)配比值進(jìn)行比較(表3)。結(jié)果表明，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于1.5%，相對(duì)誤差均小于1%，說明定標(biāo)曲線的準(zhǔn)確性較好。

表3 驗(yàn)證樣品中鉬元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果

2.3 回收率實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)。制作4份加標(biāo)樣品，用上述方法進(jìn)行測(cè)定，其回收率分別為100.95%、99.58%、100.37%、99.85%。其回收率均與標(biāo)準(zhǔn)值100%相近，可以證明本方法的準(zhǔn)確性。

2.4 比對(duì)實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用熔片法(X射線熒光光譜分析)對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)，分析得到待測(cè)樣品中磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.9%，與本方法測(cè)得的磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.36%相比較，絕對(duì)差值為0.46%。本實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.46%，相對(duì)極差為0.24%，說明本實(shí)驗(yàn)具有較好的精密度和準(zhǔn)確度。

2.5 重復(fù)性檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，將4個(gè)待測(cè)樣品在一個(gè)月內(nèi)進(jìn)行4次重復(fù)測(cè)量，并計(jì)算其平均值與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。結(jié)果如表4所示，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.12%，表明本實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好。

2.6 化學(xué)前處理方法的穩(wěn)定性檢驗(yàn)

化學(xué)前處理階段采用磷鉬酸喹啉重量法，為檢驗(yàn)其穩(wěn)定性與可重復(fù)性，在一個(gè)月內(nèi)用同種方法制備了5份磷鉬酸喹啉沉淀，并對(duì)其進(jìn)行稱量，生成的沉淀質(zhì)量在1.115 2～1.121 0 g之間，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.20%，說明該化學(xué)處理方法具有較好的重復(fù)性與穩(wěn)定性。

表4 磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)重復(fù)性檢驗(yàn)結(jié)果

2.7 誤差分析

能量色散X射線熒光光譜定量分析是一種相對(duì)分析方法，影響譜線強(qiáng)度與測(cè)量結(jié)果的因素有很多[16-18]。在化學(xué)前處理階段，磷鉬酸喹啉重量法具有很好的精密性與準(zhǔn)確性，在正確操作的情況下，平行誤差一般不超過0.09%[19]。在制樣過程中，試劑的純度、樣品的顆粒度、污染度與稱量的準(zhǔn)確性會(huì)導(dǎo)致結(jié)果具有一定偏差；此外，在測(cè)量過程中，溫度、濕度、儀器的短期穩(wěn)定性以及長(zhǎng)期漂移也是不確定度的影響因素[20]。本文通過對(duì)樣品進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)曲線驗(yàn)證以及回收率、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)極差等計(jì)算，表明各個(gè)評(píng)價(jià)值與不確定度均在誤差允許的范圍內(nèi)，具有較好的精密度和準(zhǔn)確度。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過化學(xué)反應(yīng)將目標(biāo)元素磷轉(zhuǎn)換為鉬元素，采用間接測(cè)量的方法，應(yīng)用EDXRF法測(cè)定鉬元素，從而推算出含磷飼料樣品中磷元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.36%。該方法克服了能量色散X射線熒光光譜儀在測(cè)量輕元素時(shí)出現(xiàn)的探測(cè)效率和熒光產(chǎn)額低等問題，具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量快捷、結(jié)果精確等特點(diǎn)，為測(cè)定含磷飼料中磷元素提供了一種實(shí)用的解決方案。