2種測定水中總磷含量的方法比較

王鈺蕊，熊曾恒，李春芳，鐘 悅

(海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，海南 海口 571126)

1 引言

在天然水和廢水中，磷幾乎都以各種磷酸鹽的形式存在，它們分為正磷酸鹽，縮合磷酸鹽(焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和多磷酸鹽)和有機結(jié)合的磷(如磷脂等)，其廣泛存在于溶液中，腐殖質(zhì)粒子中或水生生物中[1]。但水體中磷含量過高易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類大量繁殖，并產(chǎn)生一種能對水生生物和人體健康有毒害作用的藻毒素[2]。所以水中磷含量是水質(zhì)評價的重要指標(biāo)[3]。2000年，中國七大重點流域地表水劣Ⅴ類占13.8%，主要淡水湖泊的富營養(yǎng)化問題突出，總氮、總磷及高錳酸鹽指數(shù)為主要污染指標(biāo)[4]。至2010年，全國地表水污染持續(xù)加重，劣Ⅴ類上升至16.4%，26個國控重點湖泊中劣Ⅴ類達38.5%，總氮、總磷為主要污染指標(biāo)[5]。截至2020年12月份，國內(nèi)主要流域、湖泊及水庫的水生生態(tài)系統(tǒng)得到有效恢復(fù)，1940個水質(zhì)斷面中劣Ⅴ類斷面降至1.0%，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、高錳酸鹽指數(shù)和總磷[6]。過量氮和磷等面源污染物進入地表水體，嚴(yán)重威脅我國水環(huán)境安全[7]，使不可再生的資源變成了破壞環(huán)境的主要污染指標(biāo)。

目前針對水體中總磷的測定，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)方法主要有國家標(biāo)準(zhǔn)法[8]和流動注射測定法[9]，其原理均是將試樣中各種形態(tài)的磷通過消解轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，在銻鹽的催化下正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬酸雜多酸，進而在酸性介質(zhì)中被還原為較穩(wěn)定的藍色絡(luò)合物，依據(jù)朗伯比爾定律測定其含量[10]。按照國家標(biāo)準(zhǔn)法進行手工測定水中總磷含量時，高壓蒸汽滅菌鍋消解的加熱時間和冷卻時間共計約3 h[11]，整個分析過程耗時長。相比之下，流動注射法總磷樣品分析頻率為1 h 30樣，樣品分析速度快。流動注射法是一種新型的流動分析技術(shù)，流動注射分析儀具有快速、靈敏、高效等特點[12]。

本文使用北京寶德儀器有限公司生產(chǎn)的BDFIA-8000型全自動流動注射分析儀進行水中總磷的測定。BDFIA-8000型全自動流動注射分析儀的工作原理是通過封閉的管路連接樣品和氧化劑、還原劑、顯色劑和消解液等試劑，試樣與試劑在蠕動泵的推動下進入化學(xué)反應(yīng)模塊，將一定體積的樣品注射到一個流動的、無空氣間隔的連續(xù)載流中，樣品與試劑在分析模塊中按選定的順序和比例混合、反應(yīng)，在非完全反應(yīng)的條件下，進入流動檢測池于波長880 nm處進行光度檢測，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和軟件實現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理的自動化定量測定樣品中被測物質(zhì)的含量，詳見圖1[13]。

圖1 流動注射法測定總磷流程

新時代，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測從環(huán)境管理領(lǐng)域，上升為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，成為國家生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐。生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實、準(zhǔn)確、完整，成為政府改善環(huán)境民生的重要內(nèi)容。提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)代化水平成為必然趨勢。流動分析技術(shù)具有操作簡單、易于自動化、樣品通量高、重復(fù)性好、試劑和樣品消耗低以及封閉分析管道污染少等優(yōu)點[14]。本文選取高中低3種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品和一個地表水實際樣品，分別采用手工測定法(GB 11893-89)和流動注射法(HJ 671-2013)進行總磷含量的測定，通過參照環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則[15]中的相關(guān)規(guī)定進行方法比對研究，對比兩種方法的檢出限、精密度、準(zhǔn)確度和實際樣品檢測結(jié)果，尋找提高檢測效率、適用于大批量樣品的分析方法，提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的現(xiàn)代化水平，以應(yīng)對日益強化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

2 實驗部分

2.1 儀器和試劑

2.1.1 儀器

BDFIA-8000型全自動流動注射分析儀(北京寶德儀器有限公司)：包括自動進樣器、分析模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；可見分光光度計(上海佑科儀器有限公司)；滅菌鍋(廈門致微儀器有限公司)；分析天平(梅特勒托利多國際有限公司)：精度0.1 mg；超聲波清洗器(上海聲松實業(yè)有限公司)：頻率40 kHz；真空泵(予華儀器有限責(zé)任公司)：轉(zhuǎn)速2800 r/min。

2.1.2 試劑

總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品203979[(0.804±0.029)mg/L]、203988[(0.496±0.020)mg/L]和203985[(0.270±0.016)mg/L]，均來自于生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。水質(zhì)磷標(biāo)準(zhǔn)溶液GBW(E)080368(500mg/L)，來自于水利部水環(huán)境監(jiān)測評價研究中心。

所用試劑有過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸鹽、酒石酸銻鉀和硫酸，以上試劑均為AR級。流動注射分析法顯色劑使用北京寶德儀器有限公司生產(chǎn)的專用試劑包。實驗使用的水為新鮮制備的去離子水。流動注射法配制好的試劑需使用超聲波清洗機和真空泵脫氣30 min。

2.1.2.1 流動注射法試劑的配置

過硫酸鉀溶液(氧化劑):稱取26 g過硫酸鉀溶于700 mL去離子水中，溶解后用去離子水稀釋至1 L并混勻。

抗壞血酸溶液(還原劑)：稱取70.0 g抗壞血酸溶于700 mL去離子水中，溶解后用去離子水稀釋至1 L并混勻。

鉬酸鹽混合溶液(顯色劑)：流動注射分析儀專用試劑包，試劑瓶中先加入450 mL去離子水，緩慢加入試劑包2，充分溶解并冷卻后，再加入試劑包1，溶解后用去離子水定容至500 mL并混勻。

10%硫酸(消解液)：量取103 mL硫酸，緩慢加入至約800 mL去離子水中，期間用玻璃棒攪拌，待冷卻后用去離子水定容至1 L并混勻。

2.1.2.2 手工測定法試劑的配置

過硫酸鉀溶液(氧化劑)：稱取5 g過硫酸鉀溶于80 mL去離子水中，溶解后用去離子水稀釋至100 mL并混勻。

10%抗壞血酸溶液(還原劑)：稱取10.0 g抗壞血酸溶于80 mL去離子水中，溶解后用去離子水稀釋至100 mL并混勻。

鉬酸鹽溶液(顯色劑)：稱取13 g鉬酸鹽溶于100 mL去離子水中，稱取0.35 g酒石酸銻鉀溶于100 mL去離子水，在不斷攪拌下把鉬酸鹽溶液緩緩加到300 mL(1+1)硫酸中，冷卻后加酒石酸銻鉀溶液并且混合均勻。

2.2 分析步驟

2.2.1 流動注射法分析步驟

使用BDFIA-8000型全自動流動注射分析儀，按要求將各溶液管路接好后運行，待基線穩(wěn)定后，取10 mL試樣于進樣管中，進行空白和樣品的測定。該儀器方法主要程序參數(shù)為：加熱溫度125 ℃；洗針時間60 s；進樣時間40 s；出峰時間140 s；進載流時間60 s；峰寬100 s；注射時間50 s；到達閥時間50 s；樣品周期時間130 s；蠕動泵轉(zhuǎn)速35 r/min。

2.2.2 手工測定法分析步驟

向試樣中加4 mL過硫酸鉀溶液，將比色管的蓋子蓋緊后，用一小塊布和線將玻璃塞扎緊，置于高壓滅菌鍋中加熱，待壓力達到1.1 kg/cm2，相應(yīng)溫度為120 ℃時，保持30 min后停止加熱。待壓力表讀數(shù)降至零后，取出放冷。然后用水稀釋至刻度線。分別向各份消解液中加入1 mL抗壞血酸溶液混勻，30 s后加2 mL鉬酸鹽溶液充分混勻。室溫下放置15 min后取上清液，使用光程為30 mm比色皿，在700 nm波長下，以水作參比，測定吸光度。

3 結(jié)果與分析

3.1 校準(zhǔn)曲線的測定

在250.00 mL容量瓶中加入5.00 mL磷標(biāo)準(zhǔn)溶液GBW(E)080368，用水稀釋至標(biāo)線，配制成濃度為10.00 mg/L的總磷標(biāo)液中間液。在100.00 mL容量瓶中加入20.00 mL總磷標(biāo)液中間液，用水稀釋至標(biāo)線，配制成濃度為2.00 mg/L的總磷標(biāo)液使用液。

3.1.1 手工測定法工作曲線

取7支50 mL比色管分別加入0 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL、12.0 mL總磷標(biāo)液使用液(濃度為2.00 mg/L)，加水至25 mL。按分析步驟測定并繪制工作曲線，詳見圖2。根據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)系列的分析，得出總磷在0.00～0.48 mg/L范圍內(nèi)線性良好，手工測定法工作曲線：y=0.0304x+0.0017，相關(guān)系數(shù)r=0.9998。

圖2 分光光度法法標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.1.2 流動注射法工作曲線

在7支100 mL容量瓶中分別加入0 mL、0.10 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、5.00 mL、10.00 mL、20.00 mL總磷標(biāo)液中間液(濃度為10.00 mg/L)，加水至100 mL。按分析步驟，由進樣器從低濃度到高濃度依次進行測定。以測定信號值峰面積為縱坐標(biāo)，對應(yīng)的磷濃度為橫坐標(biāo)繪制工作曲線，詳見圖3。分析得出總磷在0.000～2.000 mg/L范圍內(nèi)線性良好，流動注射法工作曲線：y=0.0015x+0.0035，相關(guān)系數(shù)r=0.9999。

圖3 流動注射法標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2 方法檢出限

參照HJ 168-2020環(huán)境監(jiān)測分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則中規(guī)定，取7個空白試樣使用以上兩種分析方法，按照樣品的分析步驟進行總磷的測定，計算該兩種方法中7個平行樣測定結(jié)果的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，方法檢出限=標(biāo)準(zhǔn)偏差×t(n-1)(t(6)=3.143)，以4倍檢出限作為測定下限，詳見表1。手工測定法總磷的檢出限為0.009 mg/L，測定下限為0.036 mg/L；流動注射法總磷的檢出限為0.003 mg/L，測定下限為0.012 mg/L。這兩種方法的檢出限分別低于手工法國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11893-89的檢出限0.01 mg/L和流動注射法國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 671-2013的檢出限0.005 mg/L。

表1 檢出限測定結(jié)果

3.3 精密度和準(zhǔn)確度

按照HJ 168-2020的相關(guān)規(guī)定，對地表水實際樣品采集6個總磷濃度水平接近的樣品進行加標(biāo)，分別采用這2種方法測定加標(biāo)回收率，詳見表2。手工法測定總磷加標(biāo)樣品的回收率為98.5%。流動注射法測定總磷加標(biāo)樣品的回收率為102.5%。這2種方法的加標(biāo)回收率均滿足水和廢水監(jiān)測分析方法中總磷濃度大于0.025 mg/L時，加標(biāo)回收率在90%～110%范圍內(nèi)的要求。

表2 加標(biāo)回收率測定結(jié)果

選擇3種不同濃度的生態(tài)環(huán)境部環(huán)境發(fā)展中心標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品203979[(0.804±0.029)mg/L]、203988[(0.496±0.020)mg/L]和203985[(0.270±0.016)mg/L]分別使用這2種方法重復(fù)測定6次，根據(jù)測定結(jié)果計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(%)和相對誤差RE(%)，詳見表3。手工法測定總磷高濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.75%、RSD為1.21%；測定總磷中濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.81%、RSD為1.50%；測定總磷低濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.37%、RSD為1.85%。流動注射法測定總磷高濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.12%、RSD為1.24%；測定總磷中濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.60%、RSD為1.32%；測定總磷低濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品的RE為0.37%、RSD為1.51%。高中低3種不同濃度的總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品分別使用兩種方法的測定結(jié)果均在各自的標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，RE均小于1%，RSD均小于2%。這2種分析方法測定水中總磷含量的準(zhǔn)確度和精確度良好。

表3 精密度和準(zhǔn)確度測定結(jié)果

3.4 顯著性差異分析

根據(jù)HJ 168-2020對兩種檢驗方法的測定結(jié)果進行顯著性差異分析，對地表水實際樣品采集7個總磷濃度水平接近的樣品，分別采用這兩種方法進行測定獲得7組配對測定數(shù)據(jù)。對這兩種方法均分別進行平行雙樣測定，平行雙樣測定的平均值分別記做測定值(A)和測定值(B)，獲得該總磷濃度樣品的測定結(jié)果配對差值(d=A-B)，詳見表4。

表4 實際樣品總磷測定結(jié)果

4 結(jié)論

在地表水的總磷測定中，手工法在0.00～0.48 mg/L范圍具有良好的線性關(guān)系(r≥0.9998)，同時流動注射法在0.000～2.000 mg/L范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系(r≥0.9999)。手工測定法總磷的檢出限為0.009 mg/L，流動注射法總磷的檢出限為0.003 mg/L。這兩種分析方法的檢出限均低于國家標(biāo)準(zhǔn)的檢出限，但與手工法檢出限相比，流動注射法的檢出限更低，相對提高了總磷檢出的靈敏性。手工法與流動注射法沒有顯著性差異，重復(fù)性較好。手工法測定總磷加標(biāo)樣品的回收率為98.5%。流動注射法測定總磷加標(biāo)樣品的回收率為102.5%。這2種方法的加標(biāo)回收率均滿足要求。高中低3種不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品使用流動注射法和手工法的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，RE均小于1%，RSD均小于2%，這2種分析方法的準(zhǔn)確度和精確度良好，都能為防治和保護環(huán)境污染政策提供有效、真實的數(shù)據(jù)。但是與經(jīng)典的國標(biāo)法相比，流動注射法具有檢測效率高、檢測線性范圍更寬、靈敏度更高、可檢測樣品的濃度范圍更廣等優(yōu)點。同時使用試劑量少，減少了檢測廢液，是一種更為環(huán)保、高效的分析方法，在進行大批量樣品檢測時更具優(yōu)勢。