連續流動分析用于總磷在線監測的可行性研究

張衛宏，趙 宇，董建民，劉子杰，張茗迪

中節能天融科技有限公司，北京 100085

總磷是水質污染評價的重要指標，當總磷濃度超標時，會加速水體富營養化，從而造成大量的魚蝦死亡，藻類急劇繁殖，破壞地表水生態系統平衡[1-2]。目前地表水中總磷在線監測技術以磷鉬藍法為基礎，通過蠕動泵或注射泵依次加入各固定體積的顯色試劑，然后在密閉的反應池中高壓消解和加熱顯色，該方法與手工方法原理一致，但是檢測時間大于50 min，嚴重影響在線監測的即時性要求[3-6]。連續流動分析(CFA)方法自1957年被提出以來，技術日臻完善，以其靈敏度高、穩定性好、檢測速度快逐漸應用于實驗室水質檢測[7-11]。該方法主要由自動進樣器、蠕動泵、化學反應管和光度計組成，其原理為均勻的空氣泡將樣品與樣品分割開來，在連續流動的作用下，依次通過光度計，通過對吸光度的比較得出結果[12-14]。但是對于在線監測系統，水樣采集一般為1～4 h/次，同時由于野外無人值守，對于試劑消耗量有更高的要求，如何將CFA方法應用于總磷在線監測還未有報道。本研究通過對CFA方法流程的分解優化，使其滿足總磷在線監測應用的需求。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

連續流動分析儀由北京海光儀器有限公司提供，型號為HGCF-100；軟件為HGCF全自動分析儀軟件；總磷標液購自國家標準物質研究中心，使用時用去離子水逐級稀釋至0.5 mg/L；所用試劑均為優級純，由國藥集團化學試劑有限公司生產。實驗用水為電阻率大于10 MΩ·cm(25 ℃)的高純水。

過硫酸鉀溶液：溶解3.3 g過硫酸鉀到700 mL水中，然后緩慢加入85 mL硫酸，邊加入邊攪拌，冷卻至室溫后用水定容至1 L。鉬酸鹽溶液：溶解5 g鉬酸銨、0.1酒石酸銻氧鉀于300 mL水中，用水定容至500 mL。抗壞血酸溶液：溶解15 g抗壞血酸至300 mL水中，用水定容至500 mL。氫氧化鈉溶液：溶解40 g氫氧化鈉至300 mL水中，冷卻至室溫后用水定容至500 mL，加0.5 mL 單(雙)十二烷基硫酸鹽二苯氧鈉(FFD6)。硫酸溶液：量取80 mL硫酸緩慢加入300 mL水中，冷卻至室溫后用水定容至500 mL，加入0.5 mL單(雙)十二烷基硫酸鹽二苯氧鈉(FFD6)混勻。

1.2 實驗方法

將連續流動分析儀實驗室檢測流程進行分步拆解，選擇其對降低試劑消耗量和縮短反應時間有顯著影響的進程，考察反應體系中的壓力波動，然后對各參數進行優化，建立適用于總磷在線監測使用的CFA方法，實驗參數為波長880 nm、取樣時間60 s、清洗時間120 s、加熱溫度97 ℃、保溫溫度37 ℃、積分時間640 s，并對水樣、加標回收率和質控溶液進行測定。

1.3 實驗原理

CFA方法原理：在圖1所示的管路中，水樣和各化學試劑在蠕動泵的推動下進樣、混合、反應，直至顯色出峰。在一個反應全周期里包括進樣時間、輸送反應時間和出峰時間。當檢測一個水樣時，一個反應全周期時間較長，但在連續進樣后，輸送反應時間相互重疊，從而相對縮短樣品檢測時間(見圖2)。同時，輸送反應時間也可作為待機預熱時間，此時出峰時間可視為樣品檢測時間。由于整個反應過程在毛細管路中進行，具有預處理效率高、反應速度快、安全性好、試劑消耗量小的特點[14]。

圖1 總磷CFA流路圖Fig.1 Flow diagram of CFA on total phosphorus

圖2 CFA連續檢測信號圖Fig.2 Signal diagram of continuous flow analysis

總磷-鉬酸銨法光度法原理[15]：試樣中加入過硫酸鉀溶液，經過紫外消解和(107±1)℃酸性水解，各種形態的磷全部氧化為正磷酸鹽，正磷酸鹽在酸性介質中、銻鹽的存在下，與鉬酸銨反應生成磷鉬雜多酸，該化合物立即被抗壞血酸還原生成藍色化合物，于波長880 nm處測量吸光度。

2 結果與討論

CFA方法的優勢有二：其一為化學反應發生在密閉軟管中，結構設計靈巧，便于小型化；其二為檢測速度快。但水樣快速檢測的前提是有連續的水樣進入，如果使用間隔采樣(如在線監測要求的1～4 h采樣周期)，其快速檢測的優勢發揮有限。所以縮短CFA檢測時間，對于該技術應用于在線監測具有重要意義。

在CFA反應體系中，反應盤管決定了反應試劑的混合程度；泵速主要決定了進液速度和基線的穩定程度。為提高進液速度，縮短反應時間，最直接的方法就是提高泵速。在原有實驗室CFA化學反應的基礎上，利用HGCF全自動分析儀軟件對工作泵速、待機泵速的控制和信號的讀取，從泵速變化入手，重點考察了反應管路內壓力波動、信號穩定性、出峰時間、化學反應的波動變化和廢液產生量等因素與泵速的關系。

2.1 泵速對廢液產生量的影響

在實驗室CFA方法中，蠕動泵一直以工作泵速連續轉動，但在在線監測領域中，因為采樣頻次為每隔1～4 h采樣1次，所以如果在待機時間也按照工作泵速運轉會造成大量的試劑浪費。如果在待機時間內停止蠕動泵運轉，反應體系中加熱器的持續工作會引起體系內壓力過大，從而造成管路接口崩開或試劑固體析出。所以需要蠕動泵在待機時間內以低泵速運行。本實驗對比了2～12 r/min轉速下總廢液的產生量，發現隨著轉速下降，廢液量明顯降低(圖3)。在2 r/min下廢液產生量比工作狀態泵速(15 r/min)產生的廢液量減少了85%。本實驗選擇2 r/min為待機轉速。

圖3 不同泵速與廢液體積變化Fig.3 Relationship between pump speedsand waste liquid generation

2.2 泵速對管內壓力穩定的影響

蠕動泵從低泵速切換到高泵速時，進液量突然增加會造成密閉管路內壓力驟增，由此引起的壓力波動會對混合和反應過程帶來影響，進而引起基線不穩和定量計算錯誤。實驗主要研究從低泵速到高泵速的壓力變化過程，從而確定合適的工作泵速范圍。

從圖4可看出，隨著工作泵速增加，管路壓力波動時間縮短。當泵速5 r/min時波動時間為50 min；隨著泵速增加到40 r/min時，波動時間由25 min縮短到5 min；當泵速超過40 r/min后，管路壓力波動較為嚴重，已經無法形成穩定體系壓力。由圖4可知泵速在25～40 r/min范圍內波動較小，且波動幅度較為穩定。所以，泵速增大會逐漸縮短波動時間，有利于壓力體系快速穩定。后續實驗可針對25～40 r/min范圍，根據化學反應出峰時間確定最優的泵速。

圖4 不同泵速下體系壓力變化圖Fig.4 The influence of pump speeds on system pressure

2.3 泵速對檢測時間的影響

蠕動泵泵速太慢會出現峰形拖尾，濃度擴散嚴重，從而造成峰高降低，峰尖平凸，同時也會延長檢測時間，降低靈敏度。泵速太快會造成混合反應不充分，峰高降低，甚至壓力太大造成接頭崩開漏液。實驗對比了泵速在5～40 r/min范圍內0.25 mg/L總磷標液檢測峰形的變化。從圖5可以看出，隨著泵速增加，起峰時間加快，峰高逐漸增長，在30 r/min時峰高達到最大值，之后峰高逐漸下滑，并且出現平頭峰。通過分析可知：出峰提前是由于混合加快；峰高增長是由于進樣增加；在峰高增長之后的降低以及平頭峰是由于進樣量太多，導致無法均勻混合。所以轉速30 r/min對檢測時間、靈敏度而言是最佳選擇。同時，在30 r/min下，起峰時間11 min(圖6)，峰頂點時間為13 min，均避開了10 min內的壓力波動，可以實現對檢測結果的準確定量。

圖5 不同泵速下樣品信號譜圖Fig.5 Sample signal diagram atdifferent pump speeds

圖6 泵速與峰頂時間關系圖Fig.6 Relationship betweenpump speeds and peak time

2.4 泵速對反應穩定性的影響

泵速的增加會對反應體系的穩定產生影響。當泵速較低時，試劑混合充分，化學反應完全，但結合管內壓力波動，又會對反應穩定性產生影響。考察了不同泵速下總磷顯色反應的穩定性，用1.60 mg/L標準溶液連續6次檢測吸光度的標準偏差(SD)來進行表征。從圖7可知，在泵速10～20 r/min范圍內和40～50 r/min范圍內，SD起伏較大，而在25～35 r/min之間SD最低。這是受泵速變化引起基線波動產生的影響。結合圖4、圖6、圖7分析，在泵速10～20 r/min之間管路壓力波動較大，同時起峰時間正是波動較為明顯時刻，所以吸光度信號產生并不穩定，SD偏大；而10 r/min時起峰時間正好與管內壓力相對穩定的時間重合，所以此時SD較低；同理，在40～50 r/min之間的SD較大，而在25～35 r/min之間管內壓力波動已經平復，從而獲得較為穩定的結果。綜上所述，本實驗選擇了靈敏度最高、穩定性最好的泵速30 r/min為本方法的最終泵速。

圖7 泵速對檢測穩定性的影響Fig.7 The influence of pump speedson detection stability

2.5 泵速對消解效率的影響

與傳統高溫高壓消解方法不同，CFA方法使用加熱和紫外照射，通過過硫酸鉀氧化實現各種復合態的含磷化合物轉化為正磷酸鹽。消解時間通過控制加熱盤管和紫外盤管圈數來實現。當增加泵速時，樣品的消解時間縮短，可能會對消解效率造成影響。本實驗參照《水質 磷酸鹽和總磷的測定 連續流動-鉬酸銨分光光度法》(HJ 670—2013)標準對總磷的消解效率進行了驗證，發現在原泵速15r/min下，5-磷酸吡哆醛的消解效率為97.8%；在其他條件不變、泵速增加為30 r/min時，消解效率為94.3%，雖然消解效率下降明顯，但是仍在標準允許的消解效率范圍(>90%)內。所以30 r/min時仍可以保持較好的消解效率。

2.6 線性關系、精密度和檢出限

研究過程中，對方法的線性范圍進行了實驗。按照水質在線自動監測儀的技術要求，常規采用單點進行校準，然后多點線性核查進行方法可靠性的評價[16]。本方法直接采用多位閥控制，可同時實現4個標準溶液的曲線校準和多點線性核查。配制系列質量濃度的總磷標準溶液為0.00、0.25、1.00、2.00 mg/L，在泵速為30 r/min時測定總磷的峰高，并以峰高對質量濃度進行線性回歸，線性范圍為0～2.00 mg/L，線性方程為

y=0.227 1x+ 0.004 4，相關系數r=0.999 8。

對質量濃度為1.60 mg/L的總磷溶液進行7次平行測定，檢測結果在1.586～1.603之間，測得其相對標準偏差為0.4%。

平行測定空白溶液11次，得出測定濃度標準偏差為0.000 8，按照公式[17]計算檢出限為0.002 mg/L。

2.7 準確性驗證

采用生態環境部標準樣品研究所的總磷質控樣品(編號為203984，標準值為1.14 mg/L，不確定度為±0.05 mg/L)對方法及儀器進行檢驗。質控溶液配制過程：用大肚移液管吸取10 mL所購質控溶液于250 mL容量瓶中，再用去離子水定容至刻度，搖勻后待機測定，結果見表1。由表1可知，檢測濃度在質控允許范圍內，證明儀器穩定可靠。

表1 質控樣的測定Table 1 Determination of quality control samples

2.8 實際水樣檢測

從山東省東營市六干排、溢洪河、南望參、老廣蒲溝和北京市通州區馬駒橋監測網點采集地表水水樣，分別用實驗方法直接測定，并進行加標回收率實驗，具體過程：取100 mL待測水樣，加入1 mL 100 mg/L的磷酸鹽標準溶液，混勻之后上機測定，結果見表2。從表2可知，該方法回收率在79.7%～109.4%之間，證明方法穩定可靠。

表2 水樣回收率測定結果(n=3)Table 2 Results of sample recovery

從表1和表2可以看出，檢測結果滿足生態環境部水質在線自動監測技術要求[16]，可用于地表水在線監測。

2.9 方法對比

本實驗選取潮白河、溫榆河、江蘇省沭陽縣古泊河水樣作為待測水樣，分別用本實驗方法、常規在線監測儀器方法和《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)標準方法進行對比。由表3可知，本實驗方法與手工標準方法無顯著性差異，比對結果符合《地表水自動監測技術規范(試行)》(HJ 915—2017)要求。

表3 本實驗方法與常規在線監測方法、標準方法對比(n=3)Table 3 Comparation between the preparation method with conventional online monitoring methods

2.10 峰形對比

用3個不同質量濃度的標準溶液(0.25、1.00、2.00 mg/L)來模擬水樣的連續檢測過程，通過觀察出峰情況，來與實驗室CFA方法(泵速15r/min)進行對比，結果如圖8所示。從圖8可知，泵速提高后峰高均略有增加，出峰時間顯著提前，連續3個模擬水樣可在7 min內完成檢測，同時也顯著優于常規在線監測儀器單水樣的檢測時間(≥50 min)。

圖8 實驗室CFA方法與在線監測CFA方法的峰形對比圖Fig.8 Signal comparison of laboratory CFAmethod and online monitoring CFA method

3 結論

本實驗以連續流動技術應用于在線監測為出發點，通過考察廢液量、體系壓力穩定性、化學反應穩定性和檢測時間等因素，驗證了將連續流動方法應用于環境在線監測領域的可行性。利用本文改進的CFA方法可在15 min內實現水樣檢測，并能保持良好的分析性能，更加滿足在線監測系統實時采樣監測的要求，為CFA方法應用于在線水質監測奠定了基礎。