便攜式分光法在水質(zhì)總磷應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的 應(yīng)用研究

郭晶晶，王 琳，張亞尼

（天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津 300191）

0 引言

總磷是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要指標(biāo)，天然水和廢水中的磷主要以各種磷酸鹽的形式存在，可溶性正磷酸鹽能被水生植物直接吸收，是引起富營(yíng)養(yǎng)化的主要形態(tài)[1]，其在水體中的存在及含量變化規(guī)律近年來(lái)一直是各國(guó)環(huán)境科學(xué)界積極進(jìn)行研究探索的課題[2]。

在突發(fā)性環(huán)境污染事故監(jiān)測(cè)中，必須現(xiàn)場(chǎng)迅速掌握主要目標(biāo)物的污染狀況，而傳統(tǒng)的國(guó)標(biāo)方法[3]雖然精度高于快速方法，但存在成本高、速度慢、分析周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，無(wú)法滿足管理時(shí)效性要求，尤其在水質(zhì)環(huán)境條件較差、工作面大、檢測(cè)任務(wù)繁重或應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，便攜式分光法具有更加明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[3-4]。

通過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前市面上便攜式分光設(shè)備種類眾多，但是由于缺少相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，儀器生產(chǎn)廠家水平參差不齊，而產(chǎn)品的質(zhì)量直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究結(jié)合當(dāng)前總磷快速檢測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行了方法比對(duì)和儀器比對(duì)，提出了總磷應(yīng)急測(cè)定的各項(xiàng)技術(shù)要點(diǎn)，能適應(yīng)我國(guó)絕大部分環(huán)境監(jiān)測(cè)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力，滿足各項(xiàng)管理需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

試劑：硫酸、過(guò)硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、β-甘油磷酸鈉、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、磷酸鹽磷溶液（生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所生產(chǎn)），預(yù)制試劑（與便攜式分光光度計(jì)配套使用，已配制好的即開(kāi)即用型試劑）。

儀器：MI-200型便攜式多參數(shù)水質(zhì)測(cè)定儀（天津眾科創(chuàng)譜科技有限公司）、SP1100型便攜式智能水質(zhì)分析儀（深圳市長(zhǎng)隆科技有限公司）、DR1900型便攜式分光光度計(jì)（美國(guó)哈希）、多功能智能消解儀MI-A16型（天津眾科創(chuàng)譜科技有限公司）、P106型便攜式消解儀（深圳市長(zhǎng)隆科技有限公司）、DRB200型數(shù)字式消解器（美國(guó)哈希）、比色管或消解管（玻璃材質(zhì)；帶蓋密封；與便攜式分光光度計(jì)配套使用，用做反應(yīng)器皿和比色測(cè)量器皿）。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

在中性或酸性條件下，樣品在125±5℃經(jīng)過(guò)硫酸鉀消解，水樣中有機(jī)和無(wú)機(jī)形式的磷酸鹽轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽。在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成藍(lán)色絡(luò)合物，于700±10 nm顯色定量。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

通過(guò)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)樣品和實(shí)際樣品，對(duì)消解溫度和時(shí)間、顯色溫度和時(shí)間、干擾因素等條件進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算方法的檢出限、精密度和正確度。

2 結(jié)果與討論

2.1 消解溫度和時(shí)間

消解溫度和時(shí)間直接關(guān)系到樣品測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。將消解溫度梯度確定為100、120和150℃；消解時(shí)間梯度確定為10、20、30和60 min。考慮到水中總磷的常見(jiàn)形態(tài)，分別選取了β-甘油磷酸鈉（目前市售總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品的主要成分）、磷酸鹽磷溶液（生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所生產(chǎn)）、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉等4種具有代表性的物質(zhì)分別配制成濃度為0.50 mg/L（以P計(jì)）的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行消解實(shí)驗(yàn)，同時(shí)對(duì)三個(gè)品牌的儀器進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表1～表4，圖1～圖3。

表1 β-甘油磷酸鈉消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 磷酸鹽磷溶液消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1～表4以及圖1～圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

圖1 消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果（眾科）

圖3 消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果（哈希）

表4 六偏磷酸鈉消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）3個(gè)品牌的儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。

（2）不同的含磷物質(zhì)通過(guò)消解轉(zhuǎn)變?yōu)檎姿猁}所需要的溫度和時(shí)間不同。β-甘油磷酸鈉和磷酸鹽磷溶液只需在100℃、20 min即可完全被氧化成正磷酸鹽；焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉在100℃無(wú)法完全被氧化成正磷酸鹽。其中六偏磷酸鈉在120℃消解時(shí)，消解時(shí)間需要在30 min以上才能達(dá)到消解完全的目的。

表3 焦磷酸鈉消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（3）根據(jù)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，盡量選取消解時(shí)間短，又能消解完全的方案。但是實(shí)驗(yàn)用到的玻璃樣品管耐熱溫度為160℃，如果選擇150℃作為消解溫度，會(huì)存在一定的安全隱患，同時(shí)考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度差異較大，消解溫度不易控制穩(wěn)定。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，選擇消解溫度為125±5℃，消解時(shí)長(zhǎng)為30 min。

2.2 顯色溫度和時(shí)間

顯色溫度和時(shí)間也是總磷測(cè)定的關(guān)鍵參數(shù)。顯色溫度梯度設(shè)定為0、5、13℃（國(guó)標(biāo)方法中提到低于13℃需要水浴）、20℃（室溫）和40℃；顯色時(shí)間梯度設(shè)定為10、15、20和30 min。用磷酸鹽磷溶液配制濃度為0.50 mg/L（以P計(jì)）的標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，消解溫度為125±5 ℃，消解時(shí)長(zhǎng)為30 min。

圖2 消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果（芬克）

同時(shí)對(duì)三個(gè)品牌的儀器進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見(jiàn)表5，圖4～圖6。

從表5和圖4～圖6中可得出以下結(jié)論：

圖4 顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果（眾科）

圖6 顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果（哈希）

（1）3個(gè)品牌的儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。

（2）目前的國(guó)標(biāo)方法規(guī)定，如顯色時(shí)室溫低于13℃，可在20～30℃水浴上顯色15 min。從表5中可以看出，當(dāng)顯色溫度為0℃和5℃時(shí)，即使顯色時(shí)間達(dá)到30 min，測(cè)定結(jié)果也嚴(yán)重偏低；當(dāng)顯色溫度為13℃、顯色時(shí)間為30 min時(shí)，可顯色完全；當(dāng)顯色溫度為室溫（20℃）或40℃時(shí)，顯色時(shí)間只需要10 min即可顯色完全。

表5 顯色溫度和顯色時(shí)間對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

（3）當(dāng)顯色溫度為室溫（20℃）時(shí)，考察了顯色穩(wěn)定性的問(wèn)題，從顯色30 min開(kāi)始，每隔30 min讀取一次儀器示數(shù)，結(jié)果在顯色3 h后數(shù)據(jù)依然穩(wěn)定不變。

圖5 顯色實(shí)驗(yàn)結(jié)果（芬克）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)考慮與國(guó)標(biāo)方法的可比性，選擇顯色溫度為15～40℃，顯色時(shí)間15 min，如環(huán)境溫度極低或極高可采用具有恒溫裝置的儀器設(shè)備。

2.3 干擾和消除

2.3.1 色度

分光光度法的原理是通過(guò)測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸收度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量。比色液的顏色直接影響測(cè)定結(jié)果，配制了色度分別為5°和50°不同濃度的磷酸鹽磷溶液，消解溫度為125±5℃，消解時(shí)間為30 min，顯色溫度為室溫（20℃），顯色時(shí)間為15 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，三家儀器的實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)一致，當(dāng)色度＜50°時(shí)均不干擾測(cè)定，原因可能是色度標(biāo)準(zhǔn)溶液中的有色物質(zhì)在本實(shí)驗(yàn)測(cè)定波長(zhǎng)處無(wú)響應(yīng)。應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作中，水樣的顏色多種多樣，無(wú)法事先預(yù)知和估計(jì)色度的大小，所以最好將所有樣品進(jìn)行色度補(bǔ)償。具體方法為：取雙份樣品（取樣量一致）同時(shí)消解，一份加入顯色劑（抗壞血酸和鉬·酸鹽）測(cè)定吸光度，另一份不加顯色劑測(cè)定吸光度，兩者的差值帶入標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品總磷含量，無(wú)需測(cè)定實(shí)驗(yàn)室空白。

表6 色度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

2.3.2 濁度

濁度影響比色過(guò)程，為了考察其對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響程度，用硫酸肼和六次甲基四胺配制濁度標(biāo)準(zhǔn)系列，然后與一定濃度的磷酸鹽磷溶液混合，考察濁度對(duì)總磷測(cè)定結(jié)果的影響。消解溫度為125±5℃，消解時(shí)間為30 min，顯色溫度為室溫（20℃），顯色時(shí)間為15 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

從表7可以看出，3個(gè)品牌的儀器實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致。當(dāng)標(biāo)液濃度分別為0.10、0.50和2.00 mg/L時(shí)，濁度低于200°時(shí)不影響測(cè)定結(jié)果，當(dāng)濁度＞500°時(shí)，測(cè)定結(jié)果嚴(yán)重偏高。考慮到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急監(jiān)測(cè)無(wú)法判斷濁度高低，因此同消除色度干擾一樣，所有樣品一律進(jìn)行濁度補(bǔ)償，具體方法同2.3.1所述。

表7 濁度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

2.4 自配試劑替代預(yù)制試劑可行性研究

由于目前便攜式總磷測(cè)定儀的反應(yīng)原理基本一致（同國(guó)標(biāo)方法GB 11893-89），盡管預(yù)制試劑包形態(tài)各異（粉劑或液態(tài)），試劑濃度和加入量各不相同，但主要成分都包括過(guò)硫酸鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀和抗壞血酸，為了延長(zhǎng)試劑的保存期、增加難溶試劑的溶解度，生產(chǎn)廠家還加入了一定量的穩(wěn)定劑和助溶劑。一般情況下，生產(chǎn)廠家對(duì)于預(yù)制試劑包的配方是保密的，即使透露主要成分信息，也不會(huì)告知具體配制方法。本文按照GB 11893-89方法配制總磷測(cè)定的相關(guān)試劑，配制校準(zhǔn)曲線并測(cè)定有證標(biāo)準(zhǔn)樣品，研究使用自配試劑的可行性。

由表8和圖7～圖9可以得出以下結(jié)論：

圖7 校準(zhǔn)曲線（眾科）

圖9 校準(zhǔn)曲線（哈希）

表8 不同品牌儀器繪制校準(zhǔn)曲線情況

（1）當(dāng)濃度＞1.20 mg/L時(shí)，吸光值不穩(wěn)定，波動(dòng)很大，無(wú)法確定準(zhǔn)確的吸光值，原因是待測(cè)物的濃度太高，超過(guò)了朗伯比爾定律的線性范圍。因此將曲線線性范圍確定為0～1.2 mg/L，濃度點(diǎn)個(gè)數(shù)為8個(gè)（包括0點(diǎn)），分別是：0、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00和1.20 mg/L。

（2）選用自配試劑替代預(yù)制試劑來(lái)繪制校準(zhǔn)曲線，當(dāng)濃度＜1.20 mg/L時(shí)，三個(gè)品牌的儀器，相關(guān)系數(shù)均＞0.999，有證標(biāo)準(zhǔn)樣品均在給定的保證值范圍內(nèi)。因此用自配試劑替代預(yù)制試劑開(kāi)展實(shí)驗(yàn)是可行的。

2.5 檢出限和測(cè)定下限

根據(jù)《HJ 168-2020 環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)制訂技術(shù)導(dǎo)則》附錄A中有關(guān)方法檢出限的規(guī)定，按照樣品分析的全部步驟，重復(fù)7次空白加標(biāo)試驗(yàn)。以估計(jì)方法檢出限的3～5倍含量進(jìn)行加標(biāo)，再按照樣品分析的全部步驟進(jìn)行測(cè)定。空白加標(biāo)濃度為0.10 mg/L。

按下列公式計(jì)算方法檢出限，以4倍檢出限作為方法測(cè)定下限，結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 檢出限測(cè)定結(jié)果

式中：t（n-1,0.99）—置信度為99%、自由度為n-1時(shí)的t值；n—重復(fù)分析的樣品數(shù)。

連續(xù)分析7個(gè)樣品，在99%的置信區(qū)間，t（6,0.99）=3.143；s為7次平行測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖8 校準(zhǔn)曲線（芬克）

由表9可知，當(dāng)取樣體積為5 mL，哈希品牌的儀器檢出限為0.02 mg/L，眾科品牌的儀器檢出限為0.03 mg/L，芬克品牌的儀器檢出限為0.05 mg/L。取三者最大值作為方法檢出限，即0.05 mg/L；以4倍檢出限作為測(cè)定下限，即0.20 mg/L；未經(jīng)稀釋的樣品，測(cè)定上限為校準(zhǔn)曲線最高點(diǎn)1.20 mg/L，即超出曲線范圍需進(jìn)行合理的稀釋再進(jìn)行測(cè)定。

2.6 方法精密度

2.6.1 測(cè)定有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

用生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所生產(chǎn)的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（磷酸鹽磷溶液）配制成低、中、高三種濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后用三個(gè)品牌的儀器同時(shí)進(jìn)行重復(fù)測(cè)定，通過(guò)計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)考察方法的精密度。

通過(guò)表1 0可以看出，不同品牌的儀器，精密度差異較大。低濃度樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜10.0%，中濃度樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜6.0%，高濃度樣品的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差＜5%。

表10 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.6.2 測(cè)定實(shí)際樣品

選取具有代表性的地表水（代號(hào)為①）、地下水（代號(hào)為②）、生活污水（代號(hào)為③）和工業(yè)廢水（代號(hào)為④），三家儀器與國(guó)標(biāo)方法同時(shí)重復(fù)測(cè)定，通過(guò)計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)考察方法的精密度。

從表11可以看出，不同品牌的儀器，精密度有差異，從整體上看，高濃度樣品的精密度優(yōu)于低濃度樣品。便攜式方法同國(guó)標(biāo)方法無(wú)顯著差異。

表11 實(shí)際樣品測(cè)定結(jié)果

2.7 方法正確度

2.7.1 測(cè)定有證標(biāo)準(zhǔn)樣品

選取生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所生產(chǎn)的高、中、低三個(gè)批次的總磷有證標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別用三個(gè)品牌的儀器設(shè)備同時(shí)測(cè)定，考察方法的精密度，結(jié)果見(jiàn)表12。

從表12中可以看出，三個(gè)品牌的儀器同時(shí)測(cè)定高、中、低三個(gè)濃度的總磷有證標(biāo)準(zhǔn)樣品，測(cè)定結(jié)果均在給定的保證值范圍內(nèi)。

表12 總磷有證標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果 （mg/L）

2.7.2 實(shí)際樣品加標(biāo)測(cè)定結(jié)果

從表13中可以看出，三個(gè)品牌分別對(duì)4種水質(zhì)樣品進(jìn)行測(cè)定，加標(biāo)回收率均在80.0%～120%，正確度良好。便攜式方法同國(guó)標(biāo)方法無(wú)顯著差異。

表13 實(shí)際樣品加標(biāo)測(cè)定結(jié)果 （mg/L）

3 結(jié)論

目前我國(guó)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)方法體系中，快速檢測(cè)方法幾乎為空白，導(dǎo)致很多快速、準(zhǔn)確、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的分析方法，不能合法地被使用。本研究建立了便攜式分光法測(cè)定水中總磷的方法，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件，提出了消除干擾的方法，確定了方法的檢出限，檢驗(yàn)了精密度和正確度，完全滿足各項(xiàng)管理需求。建議盡快出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，大力發(fā)展快速檢測(cè)行業(yè)，為打贏污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)提供技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐。