微波消解—流動注射法測定海水中總磷

王盼盼 崔建升 魏福祥 何禮 王中榮 屈加豹 劉大喜

摘要：為了實現實時監測近岸海域海水中的總磷水平，采用微波消解-流動注射-紫外分光光度法進行測定，并通過控制程序實現連續測定。優化了消解條件、進液順序和顯色劑質量濃度等實驗條件，并在最佳實驗條件下測定的海水中總磷濃度與吸光度呈良好線性關系。標準樣品檢驗的相對標準偏差（RSD）為4.095%，樣品的加標回收率在95%～98%之間。研究方法穩定性的檢測結果顯示，零點漂移在±0.1%之內，量程漂移在±3%之內，符合《近岸海域水質自動監測技術規范》（HJ 731—2014）的要求。用微波消解-流動注射-紫外分光光度法測定的大連老虎灘表層海水中總磷的質量濃度為0.068 9 mg/L，與國標法（GB/T 12763.4—2007）測定結果（0.069 3 mg/L）無顯著性差異。因此，該測定方法可用于快速測定海水中總磷的含量，為實現海水富營養化的預警監測提供可靠數據。

關鍵詞：環境生態學；總磷；微波消解；流動注射法（FIA）；海水

中圖分類號：X830.2文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01003

Determination of total phosphorus in seawater by microwave digestionflow injection spectrophotometry

WANG Panpan1，2， CUI Jiansheng1，2， WEI Fuxiang1，2， HE Li1，2， WANG Zhongrong3，

QU Jiabao1，2， LIU Daxi1，2

（1. School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 2. Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province， Shijiazhuang， Hebei 050018， China； 3. College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University， Tianjin 300353， China）

Abstract：In order to monitor the total phosphorus level in the coastal waters in real time. A method for determination of total phosphorus in water by digestion and flow injection spectrophotometry is described. Total nitrogen is determined continuously by controlling program in the coastal area. Effects of experimental conditions have been optimized，including the digestion condition， the order of liquid and the mass concentration of the color developing agent. Under the optimal conditions， the concentration of phosphorus in seawater is in good linear relation with absorbance. The relative standard deviations （RSD） of TP is less than 4.095%. The standard addition recoveries of TP are from 95% to 98%.The method has high sensitivity as well as precision. Zerodrift rate and range drift rate are less than ±0.1% and ±3%respectively. The determination results agree well with those obtained by the specification for automated water quality monitoring in coastal area （HJ 731—2014）. The determination of total phosphorus in surface waters of Dalian Tiger Beach concentration of 0.068 9 mg/L， 0.069 3 mg/L with national standard method（GB/T 12763.4—2007）of measurement results. There is no significant difference. The determination results agree with those obtained by the national standard method. The content of total phosphorus in seawater can be quickly determined by this method. It provides reliable data for the eutrophication of sea water and realize early warning and monitoring.

Keywords：environmental ecology； total phosphorus； microwave digestion； flow injection analysis （FIA）； sea water

磷是很多海域生物生產力的限制因素，無論是在近岸海域還是在寡營養的海洋區，在長時間尺度上，磷都是最終的限制性營養鹽，因此，磷酸鹽超標是世界沿岸海域的一個重要污染問題，磷酸鹽濃度升高是中國海域海水富營養化的主要原因[1]。近幾年磷酸鹽的影響愈發突出[24]，人們不得不重視對海洋中總磷（TP）的監測。導致海水中總磷濃度變化的直接原因比較復雜，主要是人類活動對近岸海域造成的巨大影響，尤其是海水養殖造成海水中磷酸鹽濃度增大[58]。為了預防水質惡化造成嚴重損失，對海水中總磷的及時、快速檢測也就變得尤為重要。用離子色譜法測定水體中總磷，由于海水的成分復雜，因而對淋洗液和色譜柱的影響較大[912]；劉宏欣等[13]使用近紅外光譜測定水體中總磷，但是儀器體積龐大無法實現總磷的快速在線監測；艾仕云等[14]用納米二氧化鈦膜光催化分解電化學法聯用技術測定總磷，但由于納米二氧化鈦膜制備過程復雜，使得樣品測定周期延長。上述方法都不適用于海水總磷的在線連續監測。海水中總磷分為顆粒磷（PP）和總溶解磷（TDP），在大多數開闊的海洋環境中，TDP儲庫一般遠遠超過PP儲庫，所以過濾之后剩余微量的PP對測定結果的影響幾乎為零[15]。筆者研究了一種微波消解-流動注射-紫外分光光度法連續測定海水中總磷的方法，與順序注射紫外分光光度法[16]相比，其抗干擾能力更強，材料更防腐蝕，且費用低，通過控制程序可實現連續進樣并實時傳輸數據。通過控制比例分配閥和柱塞泵，實現氧化劑和樣品定量吸收并注入消解罐，在消解罐中快速升溫消解，并利用磷鉬藍分光光度法快速測定總磷含量。

1實驗部分

1.1儀器

1.1.1儀器模塊

在線消解流動注射分光光度儀由水樣采集及預處理模塊（柱塞泵比例進液模塊）、消解模塊、TP顯色模塊、分光光度測定模塊、計算機編程控制模塊及數據處理和分析模塊組成，具體見圖1。

圖1中水樣采集及預處理模塊由微型柱塞泵（MP50001LB，保定蘭格恒流泵有限公司提供）和電磁閥（WTA2R4MICG3，24VDC，高砂電氣有限公司提供）控制采樣選擇和采樣體積；消解模塊由自主研發的微波消解裝置和降溫裝置（風冷和蒸發器）組成；TP顯色模塊主要由蠕動泵（蠕動泵泵頭型號為DG4C，oem驅動器型號為T100S56，保定蘭格恒流泵有限公司提供）作為動力源；分光光度測定模塊由流動比色皿及發光二極管組成。儀器使用GS326+360型號接口連接各部件，使用抗酸性較強的pharmed管（2.06 mm×0.85 mm）作為連接軟管，連接硬管為PTFE管（1.6 mm×3.2 mm）。

1.1.2儀器方法

采用微波/過硫酸鉀消解流動注射紫外分光光度法測定海水中總磷，用編程控制器操作儀器，保證了測定全過程無人為干預[1719]，具體流程如圖2所示。消解過程：柱塞泵將氧化劑和海水樣品按時間設定比例（1∶1）打入消解罐，消解模塊自動開啟消解模式，持續一定時間；降溫過程：消解罐風冷降溫500 s，蒸發器管路降溫40 s；顯色過程：利用閥門和蠕動泵嚴格控制不同試劑瓶中的進液量，5，6，7號管路對應連接的三通閥同時打開蠕動泵，以50 r/min的轉速運行一定時間確定進液量，并在化學反應單元顯色；測定過程：檢測器在流動比色皿中獲取信號值，測定樣品的吸光度值，數據處理和分析模塊根據系統已有的線性關系轉化成相應的濃度值，由顯示屏直接讀取。

1.2試劑及樣品

實驗用水為超純水，對所用試劑采用超聲波振蕩20 min以排除液體中的微氣泡。除有特殊標注，實驗所用試劑均為優級純。

顯色劑PA：稱取12.5 g鉬酸銨溶于水中，配制300 mL（體積比1∶6）的硫酸溶液，冷卻至室溫后轉移至500 mL棕色容量瓶中定容混勻；顯色劑PB：分別稱取0.2 g酒石酸銻氧鉀、10.0 g無水硫酸鈉和15.0 g抗壞血酸溶于水中，轉移至500 mL棕色容量瓶中定容混勻；氧化劑：將3.75 g過硫酸鉀（高純，德國Fluka公司提供）與0.970 1 g氫氧化鈉定容于500 mL容量瓶中；加標試劑：甘油磷酸鈉；人工海水：采用KESTER的人工海水配方[20]（鹽度為35）制得1 mg/L（總磷）和4 mg/L（總磷）的人工海水樣品，使用標物編號為BW30031100S50的總磷標準溶液（0.05 mol/L硫酸），以鹽度為35的人工海水為溶劑，配制成100 mg/L（以磷計）溶液；真實海水樣品：大連老虎灘的表層海水（按照《海洋調查規范（第4部分）：海水化學要素調查》（GB/T 12763.4—2007）[21]規定方法保存）。

2結果與討論

2.1條件優化

2.1.1顯色條件優化

實驗采用磷鉬藍分光光度法，結果表明，鉬酸銨質量濃度為25 mg/L、硫酸溶液為300 mL（體積比1∶6）、酒石酸銻鉀質量濃度為25 mg/L、無水硫酸鈉質量濃度為25 mg/L、抗壞血酸質量濃度為25 mg/L時顯色效果最佳。硫酸溶液配比對顯色效果影響最大，圖3為4 mg/L（含磷）標準溶液在不同配比的硫酸溶液條件下吸光度值的變化。由圖3可見，硫酸溶液配比的不同嚴重影響測定結果，當配比大于1∶7（體積比，下同）時，產生一種沉淀性藍色物質，所以吸光度值有一個顯性增大假象，所以選擇1∶6的硫酸溶液為最佳顯色配比。因此，在實驗過程中要嚴格控制整個反應流路的pH值。

2.1.2消解條件的優化

在120 ℃條件下，持續消解25 min，則可使過硫酸鉀反應完全，將樣品中的有機磷徹底消解。在此條件下，氧化劑對實驗所測吸光度值造成的影響幾乎為0。對質量濃度為1 mg/L的樣品（含有機磷）進行實驗。綜合考慮實驗消解效率及測定時間因素，選擇消解時間為27 min（如圖4所示），消解溫度為135 ℃（如圖5所示），定為最佳消解條件，且在此條件下過硫酸鉀本身產生的吸光度值對樣品測定結果的影響幾乎為0。

2.1.3管路進液順序優化

實驗初期采用PA—樣品—PB的進液順序，由于蠕動泵的壓力在非進液管路中容易進入氣泡，而對實驗結果產生嚴重干擾，造成測定結果的不穩定。最終，實驗選擇PA、樣品和PB同時進液至反應管路，并在反應管路中增加了氣囊以排除少量氣泡的干擾。圖6中展示了某次實驗的測定結果，每秒對應一個吸光度值，取有效區間平均值作為此次測得的有效數據。

2.1.4泵速優化

為了驗證樣品及顯色劑的推送速度對測定結果的影響，在保證進液總量相同的情況下，通過改變蠕動泵的轉速來考察不同進液速度（泵速為10，20，30，40，50，60，70 r/min時，對應液體的流速分別為2.8，5.6，8.4，11.2，140，16.8 mL/min）時的吸光度值。由圖7可見，蠕動泵的轉速對實驗結果基本無影響，但是綜合考慮蠕動泵的安全轉速與測定時間2個因素，選擇50 r/min作為實驗最佳泵速。

2.2測定結果

2.2.1標準曲線（線性范圍）及檢出限

對實驗數據進行分析可知，在總磷質量濃度為0.003～5 mg/L時，y=0.038x+0.003，相關系數r=0.997 0，線性關系良好。根據檢出限MDL=t（n-1，0.99）·S，（n=21時，t=2.528），測得檢出限為0.000 71 mg/L。

2.2.2準確度和精密度

采用產品編號為GBW（E）081228的1.09 mg/L（以磷計）水質總磷標準樣品進行校正檢測，測定結果如表1所示。連續測定3組配制樣品（含磷007 mg/L，與海水中成分接近）和3組加標樣，結果如表2所示。

2.2.3方法穩定性

儀器穩定性是檢測儀器方法的重要指標，穩定性檢驗包括零點漂移和量程漂移，量程漂移檢驗選擇儀器量程的20%（含磷1 mg/L）和80%（含磷4 mg/L）的標準溶液。如圖8和圖9所示，24 h零點漂移量在±0.02%之內，量程漂移量在±05%之內；30 d零點漂移量在±0.1%之內，量程漂移量在±3%之內，符合《近岸海域水質自動監測技術規范》（HJ 731—2014）的要求。

2.2.4國標法對比檢測

對微波消解-流動注射-紫外分光光度法（簡稱流動注射法）與《海洋調查規范（第4部分）：海水化學要素調查》（GB/T 12763.4—2007）中的總磷測定方法[20]（簡稱國標法）進行對比。實驗分別采用流動注射法與國標法對產品編號分別為GSB073169—2014和GBW（E）081228的標準樣品（標準值分別為0.403 mg/L和1.09 mg/L（以磷計，質量濃度））進行測定，實驗結果如表3所示，可以看出2種方法測定結果的RSD均在3%以內。

用微波消解-流動注射-紫外分光光度法測定大連老虎灘表層海水的總磷質量濃度為0.068 9 mg/L，如表4所示，與國標法的測定結果（0.069 3 mg/L）無顯著性差異。

3結語

流動注射法與順序注射法使用試劑量和樣品量均較小，但是流動注射法抗干擾能力更強。本研究方法的測定結果不是某一時刻的測定值而是有效區間內的平均值，可以排除由于其他干擾因素造成的偶然性誤差。通過實驗確定了最佳測定條件：最佳消解時間為27 min，消解溫度為135 ℃，進液順序為PA、樣品和PB同時經過蠕動泵進入反應器，泵速為50 r/min。結果顯示，總磷在測定濃度范圍內具有較好的線性關系，標準樣品的RSD為4.095%，樣品的加標回收率在95%～98%之間，零點漂移量在±0.1%之內，量程漂移量在±3%之內，符合《近岸海域水質自動監測技術規范》（HJ 731—2014）的要求。采用微波消解-流動注射-紫外分光光度法可以快速測定海水中總磷的含量，為實現海水富營養化的預警監測提供可靠數據。

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