順序注射平臺-分光光度法測定水中總磷

谷曉明，郝龍騰，王慶飛

1.河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024 2.河北先河環(huán)保科技股份有限公司，河北 石家莊 050035

磷在自然界分布很廣，與氧的結(jié)合能力很強，因此在自然界中沒有單質(zhì)磷存在。在天然水和廢水中，磷幾乎都是以各種磷酸鹽的形式存在的，分別有正磷酸鹽、縮合磷酸鹽(焦磷酸鹽、偏磷酸鹽和多磷酸鹽)和有機磷酸鹽，但是水體中含有過量的磷(如超過0.2 mg/L)，會造成水中藻類的過度繁殖，直至數(shù)量上達到有害的程度，稱為營養(yǎng)化，使水體質(zhì)量惡化[1]。目前國內(nèi)測定磷酸鹽常用方法包括離子色譜法[2]、鉬酸銨分光光度法[3]、氯化亞錫還原鉬藍法[4]、孔雀綠-磷鉬雜多酸法[5]、羅丹明6G熒光分光光度法[6]，但上述測定方法操作煩瑣，在大批量分析方面尤為不便。

總磷是評價水體富營養(yǎng)化的重要指標，是我國地表水監(jiān)測要求必測的指標之一[7]。目前國內(nèi)外投入式的磷酸鹽在線分析儀只有少數(shù)幾家，主要監(jiān)測參數(shù)為磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、硅酸鹽，其中只有意大利的在線分析儀有投入式總磷、總氮的監(jiān)測儀器，而國內(nèi)投入式的磷酸鹽在線分析儀還處于空白階段。該研究基于《基于紫外-可見光譜的LOV及其水質(zhì)微分析系統(tǒng)研制與產(chǎn)業(yè)化示范》課題自主研發(fā)的總磷原位分析儀進行磷含量的平臺測試，根據(jù)國標法的測試原理，采用新型順序注射分析方法對水中總磷含量進行測定，研究目的在于將傳統(tǒng)的濕法化學(xué)法[3]應(yīng)用到投入式順序注射平臺分析儀中，采用分光光度法實現(xiàn)流體的精確測定，解決多種試劑順序進樣、在線消解、在線稀釋及試劑回收等問題，為下一步研發(fā)微功耗投入式水質(zhì)總磷在線分析儀提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支持。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

XH/GL-HT-2012-022型總磷原位分析儀。

過硫酸鉀溶液：50 g/L，置于室溫避光儲存，一周內(nèi)使用。鉬酸銨和酒石酸銻鉀混合溶液：取13.0 g鉬酸銨于100 mL去離子水中，溶解0.35 g酒石酸銻鉀于100 mL去離子水中，在不斷攪拌下將鉬酸銨溶液加入到300 mL(1+1)硫酸中，再加酒石酸銻鉀溶液，混合均勻，置于4 ℃冰箱中儲存，一個月內(nèi)使用。抗壞血酸溶液100 g/L，采用棕色試劑瓶，置于4 ℃冰箱中儲存。磷酸鹽標準溶液50 mg/L，用時稀釋至所需的濃度。清洗液：4.0 g氫氧化鈉溶解于約80 mL水中，冷卻后，加入1.0 g二氯異氰尿酸鈉C3Cl2N3NaO3，用去離子水溶解，定容至100 mL，混勻。

1.2 儀器工作條件

按照所測定濃度，計算吸入母液和載液的體積，混合液最終體積為900 μL，鼓入空氣700 μL后加抗壞血酸105 μL，再鼓入700 μL的空氣，向溶液中加入210 μL鉬酸銨和酒石酸銻鉀混合溶液，鼓入700 μL空氣，延時等待1 200 s，吸取消解后的溶液800 μL，前300 μL排空，剩余500 μL溶液注入顯色池，并檢測吸光度。測量周期10～30 min，進樣流速10～100 μL/s，電壓12V。

1.3 實驗方法

1.3.1 分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

儀器的工作流程：主控板按照預(yù)設(shè)周期調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)流程，從存儲區(qū)讀取流程程序后，按照該任務(wù)中設(shè)定的各模塊所需完成動作的時間及參數(shù)，通過串口向相應(yīng)的模塊發(fā)送指令，直至完成該任務(wù)。任務(wù)完成之后主控板控制整個平臺進入休眠狀態(tài)，直至需要執(zhí)行下一個任務(wù)，儀器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3.2 分析儀的流路圖

采用GB 11893—1989鉬酸銨分光光度法，樣品經(jīng)過硫酸酸化全部轉(zhuǎn)化為無機磷，然后與過硫酸鉀混合，無機磷被消解為正磷酸鹽；在酸性介質(zhì)中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)，在酒石酸銻鉀存在下生成黃色的磷鉬雜多酸，加入還原劑抗壞血酸，磷酸黃被還原為磷酸藍，生成藍色絡(luò)合物。被測溶液的濃度與透過溶液的光強度符合朗伯-比爾定律，吸光度同水樣中正磷酸鹽的濃度呈正比，通過對吸光度的測量，從而間接獲得水樣中正磷酸鹽的含量。

圖1 分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

實驗過程按圖2將儀器的各個管路與試劑連接好并開機預(yù)熱。注射泵吸取一定體積的載液后，用一定體積的硫酸溶液進行酸化處理，后吸入氧化劑并和樣品一起注入儲存管中，采用過硫酸鉀和紫外光雙重消解一定時間，將無機磷全部轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽，再向消解后的溶液中加入顯色劑和還原劑，推入流通池進行吸光度的檢測。

圖2 分析儀的流路示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗條件的選擇

2.1.1 測定波長的選擇

磷酸藍為藍色絡(luò)合物，該體系的吸收光譜見圖3。從圖3可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物在700～900 nm處均有吸收。高濃度溶液在波長大于700 nm下，其吸光度無法區(qū)分，所以該儀器適用于低濃度總磷的檢測。為保證實際水樣檢測的可靠性，儀器分為0～2、0～5、0～10 mg/L 3個量程。0～2 mg/L為基礎(chǔ)量程，高濃度的測定將通過流程中對溶液的進一步稀釋后，再進行檢測。

圖3 不同質(zhì)量濃度總磷的吸收光譜

基于GB 11893—1989檢測波長為700 nm和Systea的投入式總磷顯色體系檢測波長為880 nm，所以該實驗對700 nm和880 nm的吸收光譜和校正曲線進行比較(如圖4)。當(dāng)波長為880 nm時，吸光度大，檢測不受色度干擾。因此，選擇的吸收波長為880 nm。

圖4 檢測波長的影響

2.1.2 測定光程的選擇

采用可調(diào)流通池進行光程實驗，可調(diào)流通池光程范圍為20～40 mm。由圖5可知，隨著光程的增大，檢出限降低。由表1得出，降低光程可以提高檢測器的靈敏度，通過改變可調(diào)流通池的光程，對靈敏度和檢出限2個參數(shù)衡量，采用20 mm作為檢測光程。

2.1.3 消解溫度和消解時間的選擇

消解裝置的最高控制溫度為100 ℃，選擇溫度分別為80、85、90、95、100 ℃進行實驗，標準溶液總磷的質(zhì)量濃度為1.42 mg/L。如圖6所示，實際測定的濃度值隨消解溫度的升高而增大。當(dāng)消解裝置的控制溫度達到100 ℃時，消解管內(nèi)壁會產(chǎn)生大量氣泡，致使檢測器靈敏度降低。因此，選擇總磷的消解溫度為95 ℃。

圖5 流通池光程的影響

表1 不同光程的分析結(jié)果

圖6 消解溫度的影響

為了選擇合理的消解時間進行高溫消解，分別選擇5、8、10、12、15、20 min作為消解時間。如圖7所示，隨著消解時間的增加，吸光度變化很小，所測定濃度值變化也較小。因此，采用10 min作為反應(yīng)管的消解時間，既保證了消解效率，又能避免能源浪費。

圖7 消解時間的影響

2.1.4 過硫酸鉀濃度的選擇

按照國標法配制的過硫酸鉀溶液有結(jié)晶析出，所以該實驗配制不同濃度的過硫酸鉀溶液，比較該濃度下測定的正磷酸鹽數(shù)值與標準濃度的偏差，實驗發(fā)現(xiàn)，在20～50 mg/L范圍內(nèi)，隨著過硫酸鉀濃度的增加，吸光度變化很小，所測定濃度值變化也較小。因此，采用過硫酸鉀質(zhì)量濃度為50 g/L。

2.2 方法的精密度和準確度

按順序流動注射-分光光度法對質(zhì)量濃度分別為0.50、1.00、1.50 mg/L 的磷標準溶液(試樣濃度在檢測量程范圍內(nèi)取值)平行測定5次，精密度標準偏差分別為2.97%、3.79%、1.80%，準確度相對標準偏差分別為3.02%、3.84%、2.00%(表2)。由此可見，該方法具有一定的可靠性和較好的重現(xiàn)性。

表2 樣品分析結(jié)果(n=5)

2.3 標準曲線及檢出限

在優(yōu)化的實驗條件下，按照實驗方法得到的標準曲線如圖8所示。在總磷質(zhì)量濃度0.10～2.00 mg/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，建立的線性回歸方程y=0.970 3x-0.025 3，相關(guān)系數(shù)為0.999 5，方法的檢出限為1.36×10-2mg/L。

2.4 實際樣品分析

按順序流動注射-分光光度法分別對石家莊藁城市污水處理廠出口水樣(水樣1)和石家莊南二環(huán)外民心河水樣(水樣2)進行測試，測試的精密度標準偏差分別為2.51%和1.60%，并將該測試值與GB11893—1989的測定結(jié)果進行比較，結(jié)果見表3。可見，準確度相對標準偏差分別為2.68%和2.00%，表明該分析方法準確性和穩(wěn)定性良好，能夠滿足實際地表水樣的在線監(jiān)測。

表3 樣品分析結(jié)果(n=5) mg/L

3 結(jié)論

投入式總磷在線分析儀解決了多種試劑順序進樣、在線稀釋、在線消解以及試劑回收等問題，采用分光光度法實現(xiàn)了流體的精確測定。順序注射分析技術(shù)硬件簡單可靠，樣品和試劑的混合程度、反應(yīng)時間可完全通過計算機程序控制，樣品和試劑的消耗量很小，特別適合于進行時間長、可靠性和自動化有較高要求的過程分析。將傳統(tǒng)的濕法化學(xué)應(yīng)用到投入式在線原位測量儀器中，實現(xiàn)微量流體的精確控制和儀器的高度自動化，可為總磷在線檢測儀進一步向小型化、集成化的方向發(fā)展提供依據(jù)。

[1] 應(yīng)海佳,楊慧中．總磷在線檢測技術(shù)的探索[J].光譜實驗室，2012，29(2):912-917．

[2] 張維.離子色譜法在公共衛(wèi)生檢測中的新進展[J].中國衛(wèi)生監(jiān)督雜志，2012, 19(2):44-48.

[3] GB 11893—1989 水質(zhì)總磷的測定——鉬酸銨分光光度法[S].

[4] 黎海珊, 翁艷, 蔡展航.水體中總磷測定的兩種鉬藍光度法的比較[J].理化檢驗：化學(xué)分冊，2008, 44(8):786-787.

[5] 張瑩琪, 馮文珊, 陳林.孔雀綠-磷鉬雜多酸分光光度法測定水樣中磷的含量[J].工業(yè)水處理，2011, 31(12):79-81.

[6] 熊宇迪, 劉霞, 馮長根.雜多酸(藍)分光光度法在測定痕量元素中的研究進展[J].光譜學(xué)與光譜分析，2008,20(1):231-234.

[7] 國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版) [M].北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002: 243.