磷酸根離子檢測(cè)的研究方法*

王洋洋，劉慶旺，范振忠，郭 昊，王 彪

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田責(zé)任有限公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163318）

磷酸根離子廣泛存在于自然壞境中，與人們的社會(huì)生活息息相關(guān)，在河流、天然水和工業(yè)廢水中都有其存在形式，但過量的磷酸鹽濃度對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體都有一定程度的傷害，所以關(guān)于磷酸根離子的檢測(cè)顯得非常重要。磷酸根離子種類有很多種，其中主要是以正磷酸的酸根為主，其化學(xué)式為，同時(shí)正磷酸鹽也是植物生長(zhǎng)比較容易獲得的磷形式。

現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)有很多種，但主要是基于國(guó)標(biāo)磷鉬藍(lán)法或離子色譜法，需要大量化學(xué)試劑或借助于復(fù)雜儀器，操作繁瑣，會(huì)造成二次污染，同時(shí)需提前采樣，測(cè)量周期較長(zhǎng)，無法實(shí)現(xiàn)磷酸鹽在線連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)[1]。近些年來，隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，檢測(cè)技術(shù)普遍得到提高，除了文章介紹的主要6 種方法外，本文還將簡(jiǎn)要介紹其它新型檢測(cè)方法，對(duì)于食品、土壤及農(nóng)藥殘留等方面的磷酸根離子檢測(cè)具有一定的借鑒作用。

1 儀器檢測(cè)方法

1.1 比色法

比色法是一種定量分析的方法，最早開始于19世紀(jì)30 年代，以生成有色化合物的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過添加一些物質(zhì)或者色素，比較或測(cè)量有色物質(zhì)溶液顏色深度來確定待測(cè)組分含量的方法，通過配置溶液并滴加顯色物質(zhì)，將溶液顏色與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對(duì)比，來確定磷酸根離子的量[2]。

早期的比色法稱為目視比色法，用肉眼直接觀察反應(yīng)溶液的顏色變化，從而進(jìn)行定量、半定量判斷。其缺點(diǎn)是目視比色法雖然較為方便，但由于此方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果易受主觀意向左右，其測(cè)量精度過低，因此，常用于初步檢測(cè)磷酸根離子的含量[3]。為得到更為精準(zhǔn)的磷酸根離子數(shù)據(jù)，光電比色法應(yīng)運(yùn)而生[4]。光電比色法是根據(jù)朗伯比爾吸收定律，將分光光度計(jì)和比色法結(jié)合到一起，通過吸光度來判斷摩爾吸收系數(shù)，從而得到磷酸根離子的濃度。雖然光電比色法精度高，檢測(cè)速度快，但其昂貴的造價(jià)是不可避免的，因而Firdaus 等[5]研發(fā)出一種新的數(shù)字比色法。這種方法精度較目視比色法更高且價(jià)格較光電比色法更低[6]，可以分析溶液中包含磷酸根離子在內(nèi)的各種離子濃度[7]，只需要使用手機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行拍照再使用APP 進(jìn)行分析即可完成離子濃度測(cè)定[8]，但數(shù)字比色法依然存在很大問題，拍攝時(shí)光源顏色、軟件編程參數(shù)設(shè)定以及溶液反光等[9]問題依然會(huì)影響到最終測(cè)定結(jié)果，因此，Shen 等[10]開始將諸多因素都設(shè)置為分析基本參數(shù)，從軟件算法上對(duì)數(shù)字比色法存在的誤差進(jìn)行修正，迄今為止，數(shù)字比色法可以將不同光源采集的數(shù)字信息通過顏色校正的方法[11]消除光電比色法中產(chǎn)生的絕大部分誤差，從而更好的測(cè)定溶液中磷酸根的含量[12]。

目前，比色法主要適用于作物農(nóng)藥殘留、水樣檢測(cè)、土壤中磷元素測(cè)定和循環(huán)冷卻水等方面，比色法所具有的操作簡(jiǎn)單，成本低，分析速度快，檢測(cè)周期短等優(yōu)點(diǎn)仍廣泛用于化合物的初級(jí)檢測(cè)，但無論是目視比色法、光電比色法，還是數(shù)字比色法其靈敏度較低，當(dāng)準(zhǔn)確度要求較高時(shí)，不能使用比色法。

1.2 分光光度法

分光光度法主要利用物質(zhì)對(duì)光的吸收程度隨光的波長(zhǎng)不同產(chǎn)生變化，進(jìn)而繪制其吸光度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖即可得到被測(cè)物質(zhì)的吸收光譜。其中鉬酸銨分光光度法方法原理是將樣品高壓加熱，加入K2S2O8提取試樣中的磷，從而反應(yīng)得到正磷酸鹽。酸性條件下，正磷酸鹽與（NH4）2MoO4反應(yīng)，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，使用抗壞血酸還原，得到藍(lán)色的絡(luò)合物[13]。繼鉬酸銨分光光度法，釩鉬黃比色法是更為準(zhǔn)確的比色方法，首先，將試樣通過濕法消解和干法灰化這兩種方法進(jìn)行消解，在酸性條件下，加入一定量的釩鉬酸銨，從而產(chǎn)生釩鉬黃。由于釩鉬黃的吸光度值與磷的濃度成正比。在440nm 時(shí)，對(duì)溶液吸光度數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量，從而得到磷酸根含量的具體數(shù)值[14]。

而近年來，我國(guó)出臺(tái)了磷酸根含量的分光光度計(jì)法的具體測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)，將樣品在酸性條件下進(jìn)行消解，磷元素能夠和鉬酸相互反應(yīng)，得到具有一定的氧化性的磷鉬酸銨，能夠在還原劑苯二酚、H2SO3等的作用下變?yōu)殂f籃，這是一種藍(lán)色化合物。對(duì)于鉬籃來說，其在660nm 的波段處，所具有的吸光度值和磷元素的濃度呈現(xiàn)出正相關(guān)，借助分光光度計(jì)來檢測(cè)試樣溶液，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量，從而確定和計(jì)算磷酸根含量的具體數(shù)值[15]。

分光光度法在磷酸根檢測(cè)方面重現(xiàn)性好、靈敏度和準(zhǔn)確度較高，但前期處理較為復(fù)雜，還要與具體的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比且需使用分光光度計(jì)等相關(guān)儀器，均有一定的誤差分析因素。按照GB5009.87-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中磷的測(cè)定》的標(biāo)準(zhǔn)，分光光度法目前主要應(yīng)用于食品中磷含量的檢測(cè)。

1.3 氣相色譜法

氣相色譜法主要是利用各組分物理性質(zhì)的差別，進(jìn)行多組分混合物分離和測(cè)定的方法，在測(cè)定各種磷酸根離子方面的使用較為廣泛。目前，測(cè)定有機(jī)磷色譜的方法有氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀法、快速溶劑萃取氣相色譜法以及QuECHERS 法，氣相色譜法技術(shù)比較成熟，應(yīng)用比較廣泛。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀法檢測(cè)靈敏度高、分析速度快，但采用索氏提取、超聲提取、微波提取、快速溶劑等方法進(jìn)行萃取，實(shí)驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性、價(jià)格昂貴，應(yīng)用范圍較小；用傳統(tǒng)的固相萃取柱進(jìn)行檢測(cè)凈化效果好，但步驟繁瑣，回收率不高；用QuECHERS 方法需要對(duì)待測(cè)液進(jìn)行離心從而提取有機(jī)相，雖然提取回收率較高，但基質(zhì)效應(yīng)明顯[16]。快速溶劑萃取氣相色譜法[17]作為一種高效、快速的測(cè)定方法，首先需要選取固相萃取材料，在配制磷酸根溶液后，即可混合進(jìn)行氣相色譜儀檢測(cè)。

氣相色譜法應(yīng)用范圍廣，不僅可以檢測(cè)食品方面，水資源和蔬菜農(nóng)藥殘留方面的磷酸根離子含量，在土壤磷含量分析、聚合物中磷酸根離子檢測(cè)上都有很大的應(yīng)用前景，但氣相色譜儀操作繁瑣，控制因素較多，色譜柱造價(jià)昂貴且極易污染。近年來，高靈敏選擇性檢測(cè)器的普遍使用，使氣相色譜法具有分析靈敏度高、選擇性高和分析速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2 人工檢測(cè)方法

2.1 重量法

重量法又稱重力測(cè)定法，可分為沉淀法、汽化法、電解法和萃取法，其原理在于用浸提劑提取待測(cè)物質(zhì)中不易溶于水的含磷成分，將磷酸根轉(zhuǎn)化為沉淀，烘干后測(cè)量沉淀的重量計(jì)算出磷酸根的含量。早在1979 年，馮文驤等便采用了磷鉬酸喹啉重量法，通過在酸性條件下加入喹鉬檸酮試劑，將磷酸根轉(zhuǎn)化為磷鉬酸喹啉沉淀的方法測(cè)定了縮聚磷酸鈉中磷酸根的含量，并認(rèn)為重量法是相對(duì)于絡(luò)合滴定法誤差較小的測(cè)定方法。宋學(xué)蘭、季秀霞等[18,19]在測(cè)定溶解度較小的固體物質(zhì)中磷含量時(shí)，通過加入試劑，將難溶于水的磷化合物轉(zhuǎn)化為有效磷的形態(tài)，繼而增加沉淀劑的方法得到沉淀，而后采用重量法測(cè)定水穩(wěn)劑和磷肥中磷酸根的含量。最終認(rèn)定重量法雖然步驟較為繁瑣且耗時(shí)較長(zhǎng)，但相對(duì)于其它測(cè)定方法而言，重量法計(jì)算得到的磷酸根精密度和準(zhǔn)確度極為優(yōu)秀。

隨著工業(yè)發(fā)展日新月異，越來越多的含磷產(chǎn)品被開發(fā)，因此，重量法僅僅采用喹鉬檸酮作為沉淀劑已經(jīng)不能滿足絕大部分含磷產(chǎn)品中磷含量，因此，李原等[20]使用乙二胺、CoCl2以及LiOH 制備出一種用于重量法新的沉淀劑[Co（en）2Cl2]Cl，和熱失重法測(cè)定結(jié)果僅相差0.23%，認(rèn)定此種沉淀劑可以應(yīng)用在縮合磷酸鋁中磷酸根的測(cè)定。

由于重量法測(cè)定中不需要與標(biāo)準(zhǔn)樣或空白樣進(jìn)行對(duì)比，故其準(zhǔn)確度高，但實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)且操作步驟繁瑣，不適用于微量組分分析，一般可用于無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的磷酸根離子的測(cè)定，由于自身的局限性，此方法現(xiàn)在主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)化肥、磷礦石和磷精礦中的磷酸根離子含量測(cè)定分析。

2.2 電位法

電位法是通過在零電流條件下測(cè)定兩電極的電位差，利用指示電極的電極電位與濃度之間的關(guān)系，來獲得溶液中待測(cè)組分的濃度。王孝榮等[21]采用直接電位法，在酸性條件下令Fe3+和發(fā)生氧化還原反應(yīng)，根據(jù)Fe3+電對(duì)的電極電位推算磷酸根離子的含量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)認(rèn)定，對(duì)于磷酸根含量低的液體測(cè)量較為準(zhǔn)確，而磷酸根含量高的測(cè)定結(jié)果無規(guī)律性。周言鳳等[22]認(rèn)定電動(dòng)勢(shì)隨待測(cè)離子濃度的變化取決于離子本身電荷性、指示電極和參比電極跟儀器的正負(fù)極連接情況。劉美霞等[23]認(rèn)為電位滴定法遠(yuǎn)比傳統(tǒng)手工滴定法精度高，回收率可控偏差2%以內(nèi)，但測(cè)定的磷酸根含量比理論值略高。在電位滴定中，通過酸堿滴定、氧化還原滴定、絡(luò)合滴定以及沉淀滴定的方法可以連續(xù)滴定水中多種離子濃度。通過以上分析可以看出，在最近幾年，電位滴定法得到了越來越多的發(fā)展，由于本方法避免依靠指示劑顏色變化來指示滴定終點(diǎn)所帶來的誤差，避免了分析人員的主觀因素和操作技術(shù)等引起的誤差，其重現(xiàn)性、準(zhǔn)確度和精密度要優(yōu)于傳統(tǒng)的人工滴定法。

電位法所具有的較高的準(zhǔn)確度、精密度，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和連續(xù)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，是其它方法不能比擬的。目前，主要應(yīng)用于鋰電池、電鍍液、拋光液、土壤重金屬和工業(yè)污水排放方面，但檢測(cè)化合物的溫度變化、液體接界電勢(shì)和標(biāo)準(zhǔn)電極電位的選擇都會(huì)在一定程度上影響電位法的測(cè)定。

2.3 絡(luò)合滴定法

絡(luò)合滴定法又稱螯合滴定法，其原理是形成穩(wěn)定絡(luò)合物的反應(yīng)來進(jìn)行滴定分析檢驗(yàn)，在化學(xué)分析中應(yīng)用范圍廣泛。不僅可以用于測(cè)定磷酸根離子的濃度[24]，同時(shí)對(duì)鋅離子、鎢離子、硒離子等各種離子的濃度都可以進(jìn)行測(cè)定。陳煥光等認(rèn)為在絡(luò)合滴定法中，螯合劑和金屬指示劑在其中至關(guān)重要，對(duì)于溶液中磷酸根離子濃度的測(cè)定，宋清等采用Bi（NO3）3為沉淀劑，并結(jié)合EDTA 溶液，析出過量的鉍離子測(cè)定磷酸根離子濃度。最終結(jié)果表明，絡(luò)合滴定法測(cè)定磷酸根離子濃度可以不過濾、靈敏性高、反應(yīng)快速且反應(yīng)要求簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)很明顯，存在離子干擾等會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差；鄒運(yùn)香等采用離子交換分離的方法進(jìn)行絡(luò)合滴定，取KCl 為洗提劑將陰離子交換樹脂作為交換柱，用萘酚綠B、酸性絡(luò)蘭K、達(dá)旦黃混合作為指示劑，采用EDTA 二鈉鹽滴定，測(cè)定磷酸根的濃度。

絡(luò)合滴定法具有穩(wěn)定性高、反應(yīng)速度快和操作簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，主要借助絡(luò)合劑的標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定檢測(cè)物質(zhì)的磷酸根離子濃度，同時(shí)還需借助金屬指示劑的變色范圍或其它方法來指示滴定終點(diǎn)。但絡(luò)合滴定法有很大的人為因素，對(duì)金屬指示劑的選擇和變色范圍及顏色的深淺度都有很高的要求，即使是同一檢測(cè)人員也可能對(duì)不同顏色變化的敏感程度不同，因此，會(huì)造成絡(luò)合滴定的準(zhǔn)確度不高、重現(xiàn)性困難，目前，絡(luò)合滴定法主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室化合物溶液和一些含磷礦化物溶解后的磷酸根離子含量測(cè)定。

3 其它檢測(cè)方法

近些年來，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，新的檢測(cè)方法層出不窮，特別是熒光分析法，一種基于分析物改變熒光材料物理化學(xué)性能的檢測(cè)方法，對(duì)于環(huán)境和各種水體污染物中磷酸根離子檢測(cè)具有快速、高敏感性及原位檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，選擇合適的熒光探針結(jié)合熒光分析方法可以實(shí)現(xiàn)原位和定量檢測(cè)目標(biāo)物[25]。此外，核磁共振磷譜（31P NMR）也是一種被廣泛用于含磷物質(zhì)定性定量分析的分析檢測(cè)技術(shù)，31P NMR譜只對(duì)磷原子產(chǎn)生信號(hào)，無其他元素干擾且快速準(zhǔn)確測(cè)定膦酸鈉、亞磷酸根和磷酸根離子[26]。除了上述方法外，高效液相色譜法、薄層色譜法也廣泛被使用，同時(shí)為了減少環(huán)境污染，生物傳感技術(shù)、免疫分析法、各種活性酶抑制法和磷酸根分析儀法也對(duì)檢測(cè)磷酸根離子方面發(fā)揮著很大作用。

4 結(jié)語(yǔ)

磷酸根離子的測(cè)定主要分為儀器檢測(cè)方法和人工檢測(cè)方法，本文詳述分析了磷酸根離子的檢測(cè)方法，同時(shí)對(duì)于不同化合物的磷酸根離子檢測(cè)提出相對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)方法。

（1）儀器檢測(cè)法中，比色法由目視比色法發(fā)展為數(shù)字比色法，對(duì)于磷酸根離子濃度較低的溶液中，數(shù)字比色法更為快速便捷，分光光度計(jì)法前期對(duì)樣品的處理較為復(fù)雜，但重現(xiàn)性好、靈敏度和準(zhǔn)確度較高，目前，還主要應(yīng)用于食品方面，氣相色譜法可以進(jìn)行多組分的分離和檢測(cè)，選擇性高、分析速度快，相較于其它兩種方法應(yīng)用范圍廣，特別適合混合物中磷酸根離子的高靈敏度的檢測(cè)，但同時(shí)色譜柱造價(jià)昂貴，極易污染，因此，不得不考慮成本因素。

（2）人工檢測(cè)法中，重量法測(cè)定對(duì)儀器、藥品以及操作人員技術(shù)要求不高，但實(shí)驗(yàn)步驟過于繁瑣且所需沉淀量較大，適用于磷酸根離子濃度較高的物質(zhì)測(cè)定；電位法通過測(cè)定電極的電位從而計(jì)算磷酸根離子濃度，一定程度上減少了主觀影響因素，同時(shí)可以進(jìn)行連續(xù)測(cè)定，在精密測(cè)定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；絡(luò)合滴定通過滴加金屬指示劑來指示滴定終點(diǎn)，對(duì)于操作人員技術(shù)要求較高，但準(zhǔn)確性較低，由于其操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)常用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定磷酸根離子濃度。

（3）由于磷酸根離子數(shù)目種類眾多，各種檢測(cè)方法只能檢測(cè)一種或幾種，如何做到同時(shí)檢測(cè)出磷酸根離子的數(shù)目仍然是未來的研究方向?，F(xiàn)在隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，僅靠單一方法檢測(cè)有很大的不確定性且準(zhǔn)確度低，因此，儀器檢測(cè)法和人工檢測(cè)法聯(lián)合使用是未來檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的研究方向?？紤]到成本、檢驗(yàn)速度以及實(shí)驗(yàn)誤差，采用數(shù)字比色法和絡(luò)合滴定法聯(lián)合使用是未來磷酸根離子濃度檢測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向。過量的磷酸根離子對(duì)環(huán)境有一定的危害性，因此，如何科學(xué)檢測(cè)還需深入探討研究。