水中總磷的檢測(cè)方法研究進(jìn)展

吳 丹，王 昆，劉 英，程 煥

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310058；2.杭州陸恒生物科技有限公司，浙江杭州 310016；3.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310018）

磷元素是生物生長(zhǎng)和能量輸送所必需的基本營養(yǎng)元素，也是物質(zhì)循環(huán)重要的化學(xué)元素，影響著所有生態(tài)系統(tǒng)。水中總磷主要有正磷酸鹽、有機(jī)磷酸鹽和縮合磷酸鹽等多種形式，它們以溶解態(tài)或顆粒態(tài)存在于水體中。隨著工業(yè)的快速發(fā)展和全球人口的不斷增加，人類活動(dòng)對(duì)于磷的生態(tài)循環(huán)產(chǎn)生了明顯的影響。磷礦開采、化肥施用、食品生產(chǎn)和人類消費(fèi)等過程都會(huì)釋放出大量的磷，使磷的流動(dòng)性大大增強(qiáng)。當(dāng)這些磷大量流向水體時(shí)，會(huì)造成水體富營養(yǎng)化，導(dǎo)致藻類過度繁殖、水體溶解氧下降、水質(zhì)變壞等問題。近些年來由于總磷導(dǎo)致的水體污染屢見不鮮，如貴州烏江受周邊磷礦開發(fā)的污染，生態(tài)受到極大程度的破壞，引發(fā)周圍居民飲用水缺少等問題〔1-2〕。

由于總磷的大量排放會(huì)對(duì)環(huán)境中的水生生物形成潛在危害，加強(qiáng)總磷綜合管理對(duì)人類和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。目前總磷的標(biāo)準(zhǔn)化排放早已被納入各國家和國際準(zhǔn)則，如歐洲《水框架指令》（WFD—2000/60/EC）對(duì)磷在河流、?？诘攘饔虻臐舛茸龀隽酥笇?dǎo)性要求，中國《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）對(duì)總磷的排放進(jìn)行了限制〔3-4〕。這些準(zhǔn)則的實(shí)施也對(duì)總磷的檢測(cè)提出了更高的要求。

總磷檢測(cè)分析的通常做法是通過前處理先將不同形態(tài)的磷通過氧化消解的方式轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，然后再進(jìn)行檢測(cè)。筆者分析了近年來各種總磷前處理技術(shù)和測(cè)定方法的研究進(jìn)展，從工作原理、方法性能、應(yīng)用效果等方面對(duì)前處理技術(shù)中不同的消解手段和預(yù)富集技術(shù)以及檢測(cè)技術(shù)中的光譜法、色譜法、質(zhì)譜法、電化學(xué)法和注射流動(dòng)法進(jìn)行了闡述和對(duì)比，并對(duì)未來的研究方向進(jìn)行了展望。

1 前處理技術(shù)

1.1 消解技術(shù)

磷元素在水中具有不同的化學(xué)形態(tài)，因此分析時(shí)通常需要進(jìn)行消解前處理將水中不同形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽形態(tài)，再通過檢測(cè)正磷酸鹽的含量計(jì)算出總磷含量。常規(guī)的消解方式是在高溫高壓條件下使用氧化劑消解或硝酸-高氯酸等強(qiáng)酸消解。常規(guī)消解過程用時(shí)較長(zhǎng)，容易造成二次污染。近年來，一些學(xué)者針對(duì)以上缺陷對(duì)總磷消解方法進(jìn)行了進(jìn)一步探索，開發(fā)了一些新的消解方法，包括微波消解法、紫外光消解法、超聲波消解法、催化氧化消解法等。

微波消解法可在微波的作用下使樣品分子快速升溫以縮短消解時(shí)間。P. J. JOHNES 等〔5〕在微波條件下使用過硫酸鉀消解并測(cè)試河水總磷，其檢測(cè)范圍為0.2～10 mg/L。M. ALMEIDA 等〔6〕采用微波消解并通過流動(dòng)注射分光光度法在5 min 內(nèi)就完成一次總磷批量檢測(cè)。

紫外光消解法可利用紫外光輻射能量對(duì)樣品進(jìn)行消解。Jin XU 等〔7〕通過紫外光消解-釩鉬磷分光光度法對(duì)總磷質(zhì)量濃度為1 mg/L 和20 mg/L 的工業(yè)循環(huán)水樣品進(jìn)行檢測(cè)，所得總磷結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.6%和2.1%。

超聲波消解法是借助超聲波空化效應(yīng)瞬間產(chǎn)生的高溫高壓對(duì)樣品進(jìn)行消解的方法。劉凱等〔8〕采用紫外光-超聲聯(lián)用在10 min 內(nèi)完成了樣品消解過程，測(cè)試相對(duì)誤差在2%以內(nèi)。

催化氧化消解法主要是利用Fenton、類Fenton 對(duì)樣品進(jìn)行消解。單治國等〔9〕采用紫外光輔助Fenton試劑消解處理水樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能將硫磷等化合物徹底氧化為小分子。魏康林〔10〕提出一種超聲波-Fenton催化消解法，該方法在消解時(shí)間為13.5 min時(shí)，對(duì)樣品的測(cè)試結(jié)果與采用GB/T 11893—1989 過硫酸鉀消解法所得結(jié)果一致。由于Fenton 試劑成本高，所以目前也有研究者利用電化學(xué)法來生產(chǎn)H2O2，再配合Fe2+進(jìn)行催化氧化〔11〕，該方法可大幅度降低消解成本。此外，部分學(xué)者也提出采用光催化氧化法進(jìn)行消解，如葉友勝〔12〕提出了一種紫外光-TiO2催化-過硫酸鉀的消解模式，消解后再通過分光光度法測(cè)試，與國標(biāo)GB11893—1989 法相比，該方法節(jié)省了大量時(shí)間，且測(cè)試結(jié)果與之相同。

2014年8月20日，郭恒信又一次來到阿里甫·司馬義家中，將2000元的學(xué)費(fèi)遞到兒子買買江·阿里甫手中，又一次圓了孩子上學(xué)的夢(mèng)想。

1.2 預(yù)富集技術(shù)

預(yù)富集技術(shù)主要是針對(duì)微量磷提出的樣品前處理技術(shù)。在水質(zhì)總磷太低，一般的分光光度法靈敏度不夠的情況下，可以采用預(yù)富集的方法來濃縮樣品中的磷，從而提高檢測(cè)的靈敏度。常用的預(yù)富集技術(shù)有氫氧化鎂共沉淀法（MAGIC）、固相萃取法（SPE）、濁點(diǎn)萃取法（CPE）、懸滴微萃取法（SDME）等。

氫氧化鎂共沉淀法是基于Mg2+和OH-反應(yīng)生成沉淀時(shí)會(huì)共沉淀PO43-的特性，將產(chǎn)生的含磷沉淀物通過酸液溶解得到富集的PO43-溶液。該法最早在1992 年由D. M. KARL 等〔13〕提出，富集倍數(shù)可達(dá)100倍，濃度檢測(cè)范圍在10～100 nmol/L。徐燕青等〔14〕采用MAGIC 法成功預(yù)富集磷，并通過優(yōu)化酸液量縮短了沉淀溶解時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。但該方法存在試劑耗費(fèi)量大、分析耗時(shí)長(zhǎng)等問題。

固相萃取法具有富集試劑用量少、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，在微量磷檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛〔15〕。S.TAGUCHI 等〔16〕采用醋酸纖維膜將磷絡(luò)合物富集，經(jīng)二甲基亞砜溶解后在710 nm 處用分光光度法進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明總磷的檢出限是0.02 μg/L。黃鋒〔17〕通過固相萃取-分光光度法檢測(cè)飲用水中的痕量磷，檢出限為0.14 μg/L。Jian MA 等〔18〕通過固相萃取法富集海水磷酸鹽，使分光光度法的檢出限降低到1.0 nmol/L，對(duì)硅酸鹽和砷酸鹽等離子也具有較高的抗干擾能力。

濁點(diǎn)萃取法是通過改變使用的表面活性劑的溶解性等特性來實(shí)現(xiàn)樣品的分離和富集。該方法使用的有機(jī)溶劑少、測(cè)試成本低，但萃取過程需要持續(xù)加熱并且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。針對(duì)此問題，一些學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了改良，如Shengchun YANG 等〔19〕采用超聲縮短了濁點(diǎn)萃取過程的時(shí)間，D. SNIGUR 等〔20〕基于雜多藍(lán)復(fù)合物的形成在室溫條件下實(shí)現(xiàn)了磷的快速萃取，總磷檢測(cè)范圍在1.58～63 μg/L。

懸滴微萃取法通過單滴有機(jī)溶劑對(duì)檢測(cè)物進(jìn)行吸著，其溶劑使用量少、吸附容量大。P.FRANCISCO等〔21〕采用懸滴微萃取和分光光度法來檢測(cè)淡水中的磷酸鹽，該方法將鉬磷酸鹽與孔雀石綠形成的絡(luò)合物萃取到甲基異丁基酮微滴上，增強(qiáng)了吸光度，檢出限為6.1 nmol/L。

2 總磷檢測(cè)方法

2.1 光譜法

2.1.1 常規(guī)分光光度法

水中總磷測(cè)試常用的分光光度法是釩鉬磷酸分光光度法、氯化亞錫分光光度法和鉬銻抗分光光度法。釩鉬磷酸分光光度法在硝酸-高氯酸消解水樣后，投加釩鉬酸銨并在波長(zhǎng)400 nm 處進(jìn)行定量測(cè)試。此方法前處理復(fù)雜、靈敏度較低〔22〕。氯化亞錫分光光度法在正磷酸鹽和鉬酸銨形成磷鉬雜多酸后，用氯化亞錫進(jìn)行還原得到藍(lán)色溶液并在690 nm 處進(jìn)行測(cè)定。此法靈敏度高，但是穩(wěn)定性差、易受氯離子等干擾〔23〕。鉬銻抗分光光度法是總磷檢測(cè)使用最廣的分光光度法。種園園〔24〕采用鉬銻抗分光光度法檢測(cè)水體中總磷，該方法檢出限為0.01 mg/L，加標(biāo)回收率在90.0%～110%。B. GENTLE 等〔25〕研制了一種用紫外光消解，而后用鉬銻抗分光光度法進(jìn)行總磷檢測(cè)的方法，該方法線性區(qū)間在0～200 μg/L，可用于實(shí)際海水的總磷測(cè)試。

分光光度法雖然應(yīng)用廣泛，但仍存在一些缺點(diǎn)，如對(duì)于微量磷的檢測(cè)靈敏度不夠、干擾因素多、難以對(duì)水體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。針對(duì)這些不足，不少學(xué)者提出可以從以下2 方面進(jìn)行改良：（1）優(yōu)化顯色試劑，提高分光光度法的靈敏度；（2）使用其他更靈敏的光譜法。

孔雀綠分光光度法先將孔雀綠顯色劑和磷鉬雜多酸反應(yīng)生成綠色絡(luò)合物，而后通過分光光度法檢測(cè)總磷。張瑩琪等〔26〕在非離子型微乳液和吸收波長(zhǎng)650 nm的條件下，得到孔雀綠分光光度法測(cè)試線性范圍是8～140 μg/L。S.MOTOMIZU 等〔27〕通過加入聚乙烯醇來穩(wěn)定綠色絡(luò)合物，并加入硫代硫酸鈉消除砷酸鹽干擾。

結(jié)晶紫分光光度法利用磷鉬雜多酸化合物能夠和結(jié)晶紫形成穩(wěn)定有色絡(luò)合物的原理，通過測(cè)試絡(luò)合物吸光度來確定水中微量磷的含量。萬益群等〔28〕采用結(jié)晶紫分光光度法測(cè)試了含鐵水樣中的微量磷，該方法的測(cè)試范圍在0～480 μg/L。

鉍磷鉬藍(lán)分光光度法是基于鉍（Ⅲ）-磷（Ⅴ）-鉬（Ⅵ）形成的三元雜多酸化合物顯色穩(wěn)定、靈敏度高而建立的方法。R. P. MIHAJLOVI? 等〔29〕采用此方法來檢測(cè)天然水和礦泉水中的磷酸鹽，檢測(cè)線性范圍分別在0～0.6 mg/L 和0～1.2 mg/L。李雪冬〔30〕利用硝酸鉍和鉬酸銨檢測(cè)硼鐵溶液中的磷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法的檢測(cè)范圍是0～500 μg/L。

2.1.3 其他光譜法

羅丹明6 G 熒光分光光度法是利用羅丹明6 G 與磷鉬雜多酸形成的化合物能使羅丹明6 G 熒光猝滅的原理來對(duì)磷進(jìn)行檢測(cè)。宋功武等〔31〕確認(rèn)了在激發(fā)波長(zhǎng)350 nm、發(fā)射波長(zhǎng)555 nm 處，采用羅丹明6 G 熒光分光光度法檢測(cè)總磷的線性范圍是0～20 μg/L。劉保生等〔32〕建立了吖啶橙-羅丹明6 G 熒光體系，該體系在十二烷基苯磺酸鈉存在下，熒光強(qiáng)度大幅度提高，使得測(cè)試檢出限更低。

液芯波導(dǎo)毛細(xì)管流通池法可通過增加光程來提高檢測(cè)靈敏度。液芯波導(dǎo)毛細(xì)管的折射率小于水的折射率，可使檢測(cè)光全反射，減少了光衰減和干擾物質(zhì)的影響〔33-34〕。Qian LI 等〔35〕采用液芯波導(dǎo)毛細(xì)管流通池法與氫氧化鎂共沉淀法聯(lián)合使用測(cè)試超貧營養(yǎng)湖泊或海水的磷含量，該方法測(cè)試靈敏，檢測(cè)限可降低到約0.3 nmol/L。Jian MA 等〔36〕使用2 m 的波導(dǎo)纖維，在波長(zhǎng)為710 nm 下，檢測(cè)到了海水中納摩爾級(jí)磷酸鹽，該方法對(duì)不同的海水樣品的加標(biāo)回收率為87.8%～101.8%。

近紅外反射光譜法是通過測(cè)定物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)的特征光譜信息對(duì)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析的一種方法，該方法檢測(cè)快速準(zhǔn)確、對(duì)樣品無破壞，在農(nóng)業(yè)環(huán)境的總磷測(cè)定中應(yīng)用廣泛〔37〕。目前，有許多學(xué)者開始將近紅外光譜法應(yīng)用在水質(zhì)檢測(cè)中。李恢宏〔38〕設(shè)計(jì)的總磷近紅外光譜法能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同湖水的總磷檢測(cè)誤差＜5%，檢測(cè)效果良好。

化學(xué)發(fā)光法常采用魯米諾發(fā)光試劑對(duì)磷酸鹽進(jìn)行檢測(cè)，其靈敏度高、檢測(cè)限達(dá)納摩爾級(jí)，但是水中鈣鎂離子容易對(duì)檢測(cè)造成干擾。Ying LIANG 等〔39〕使用固相萃取法對(duì)海水磷進(jìn)行富集并消除鈣鎂離子干擾，采用化學(xué)發(fā)光法檢測(cè)出了海水中的痕量磷。

2.2 色譜法

色譜法具有分離效率高、樣品用量少和易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在總磷檢測(cè)方面可以分為離子色譜法、離子對(duì)液相色譜法和離子排阻色譜法〔40〕。刁小東等〔41〕采用堿性過硫酸鉀對(duì)樣品消解后，以離子色譜法測(cè)定樣品總磷，檢出限為0.009 mg/L。與傳統(tǒng)分光光度法相比，離子色譜法操作簡(jiǎn)便，對(duì)試劑的要求低。H. L. D. MEDINA 等〔42〕采用電位滴定-離子色譜法測(cè)試河水中磷酸鹽，其檢出限為1 μg/L。Y.YOKOYAMA 等〔43〕通過離子對(duì)液相色譜法對(duì)水中磷酸鹽進(jìn)行測(cè)定，并通過柱前衍生反應(yīng)形成黃色雜多鉬酸鹽使檢測(cè)范圍更廣。離子對(duì)液相色譜法的檢測(cè)靈敏度是傳統(tǒng)分光光度法的20 倍以上。Lu YANG 等〔44〕通過離子排阻色譜法在線檢測(cè)海水中的磷酸鹽，檢出限為0.06 μmol/L，整個(gè)測(cè)量過程可在6 min內(nèi)完成。

2.3 質(zhì)譜法

質(zhì)譜法不僅可用于有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的測(cè)定，還可以對(duì)無機(jī)、生物大分子以及混合物進(jìn)行組分分析。常用的質(zhì)譜法有電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）和電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICPMS）。ICP-AES 法中的樣品經(jīng)過電離和激發(fā)等過程，以光的形式釋放能量，根據(jù)不同元素的特征峰及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，可以對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析。劉佳等〔45〕通過ICP-AES 法測(cè)定水中磷酸鹽，其檢出限為0.084 mg/L，與鉬銻抗分光光度法進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)果基本一致，具有較好的精確度和回收率。ICPMS 法對(duì)微量元素的分析具有檢測(cè)效果好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。A. A. ROCHA 等〔46〕采用ICP-MS 法測(cè)試水樣磷酸鹽，得到其檢出限為0.20 μg/L，加標(biāo)回收率為90.0%～100.0%。

2.4 電化學(xué)法

電化學(xué)法靈敏度高、測(cè)量范圍寬，測(cè)定中不受樣品色度、濁度等影響。電化學(xué)方法中的重要部件是高精度電極傳感器，其精確性會(huì)對(duì)總磷結(jié)果產(chǎn)生重要影響，不少學(xué)者在此方面進(jìn)行了研究。艾仕云等〔47〕采用自制的磷鉬酸修飾電極對(duì)水樣進(jìn)行了測(cè)試，該方法測(cè)試質(zhì)量濃度范圍在0.04～16 mg/L。A.V. KOLLIOPOULOS 等〔48〕建立了一種使用絲網(wǎng)印刷的石墨電極測(cè)試廢水磷酸鹽的電化學(xué)法，該方法的檢測(cè)范圍是0.5～20 μg/L。Yin BAI 等〔49〕通過對(duì)微電極電沉積多孔納米金來提高電極靈敏度，改良后電極的電流響應(yīng)提高了6 倍。J. JO?CA 等〔50〕自制了一種自動(dòng)化原位電化學(xué)系統(tǒng)來檢測(cè)微量磷，該方法檢出限為0.12 μmol/L，且不受硅酸鹽的干擾。

2.5 流動(dòng)注射法

流動(dòng)注射法是通過應(yīng)用非空氣間隔斷流體系在載液中注入樣品，在非穩(wěn)態(tài)的情況下進(jìn)行檢測(cè)的一種自動(dòng)化分析技術(shù)。該方法具有進(jìn)樣快速、試劑消耗少、可與多種檢測(cè)手段相結(jié)合等特點(diǎn)，在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用〔51-54〕。

注射流動(dòng)分析技術(shù)常與分光光度法聯(lián)用測(cè)試水體總磷，測(cè)試結(jié)果與國標(biāo)鉬酸銨分光光度法無顯著性差異〔55-57〕。Ying LIANG等〔58〕建立了一種通過固相萃取并采用流動(dòng)注射-分光光度測(cè)定海水中低濃度磷的方法，該方法對(duì)實(shí)際海水的檢測(cè)結(jié)果與采用MAGIC法所得檢測(cè)結(jié)果無顯著性差異。L. J. GIMBERT 等〔59〕將注射流動(dòng)技術(shù)和波導(dǎo)毛細(xì)管流通技術(shù)相結(jié)合，用1 m 長(zhǎng)的波導(dǎo)纖維測(cè)試河水中的磷酸鹽濃度，檢出限為10 nmol/L。

3 存在的問題

經(jīng)過多年的發(fā)展，總磷樣品前處理技術(shù)和檢測(cè)方法均已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在所有方法中光譜法仍然是主流的方法，其中鉬銻抗分光光度法是應(yīng)用最廣的檢測(cè)方法，但該方法存在著操作步驟繁瑣、干擾因素多、對(duì)痕量磷的測(cè)試不準(zhǔn)確等問題，還需要在此基礎(chǔ)上提出改良方向，包括對(duì)顯色劑改良和操作方法改進(jìn)等，以進(jìn)一步提高檢測(cè)范圍和精度。色譜法具有分析速度快、樣品用量少、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于復(fù)雜水質(zhì)的前處理過程會(huì)比較繁瑣。質(zhì)譜法能夠快速簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地完成檢測(cè)，但儀器設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用高，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求嚴(yán)格。電化學(xué)法不受水體濁度色度的影響，適合與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合，但是對(duì)電極的要求嚴(yán)格，需要定期更換電極。流動(dòng)注射法自動(dòng)化程度高、檢測(cè)范圍寬，適合大批量的樣品檢測(cè)，但首先要依賴于光譜技術(shù)的發(fā)展。

4 總結(jié)與展望

總磷檢測(cè)方法種類眾多，每種方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和適用條件。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)，選擇最合適有效的檢測(cè)方法。但是目前大部分方法都只能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)，若想要能應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)或者復(fù)雜多變的檢測(cè)環(huán)境中，就需要對(duì)檢測(cè)方法的靈敏度、穩(wěn)定性和抗干擾性等提出更高的要求。此外，針對(duì)總磷的原位檢測(cè)方法還缺乏先進(jìn)的技術(shù)手段，如何提高原位檢測(cè)方法的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性需要進(jìn)一步探討。

未來，具有高靈敏度、低檢測(cè)限、自動(dòng)化程度高的檢測(cè)方法是水質(zhì)總磷檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢(shì)。這就需要：（1）將化學(xué)分析技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、集成化技術(shù)緊密相連，同時(shí)也需要對(duì)不同學(xué)科之間的交叉應(yīng)用進(jìn)行探索；（2）對(duì)水中不同形態(tài)磷之間的特性及內(nèi)在相關(guān)性進(jìn)行全面分析，開發(fā)出更先進(jìn)的定向檢測(cè)方法，有效避免復(fù)雜的樣品預(yù)處理過程和檢測(cè)中的干擾因素；（3）未來不僅需要精確分析水樣中總磷含量，還需要關(guān)注磷在生態(tài)圈中引發(fā)的相關(guān)積累，提高環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性。