電感耦合等離子體發射光譜法測定復混肥料中有效磷含量的研究

章明洪，王　露，陳　劍

(1.上海化工研究院有限公司/國家化肥質量監督檢驗中心〔上海〕　上海　200062；2.深圳市芭田生態工程股份有限公司　廣東深圳　518105)

復混肥料是指氮、磷、鉀3種養分中，至少有2種養分標明量的由化學方法和(或)摻混方法制成的肥料[1- 2]。由于復混肥料能夠提高肥效、減少施肥次數、提高作物產量和品質、避免單質肥料不合理施用造成的環境污染等問題，其生產和使用越來越受到人們的重視。

磷是復混肥料總養分的組成部分，也是植物生長所必需的最基本的營養元素之一，不僅能加速幼芽和根系的生長，還能增強作物的抗逆性，提高抗寒、抗旱和抗病能力，改善果實品質[3]。肥料中的有效磷是指肥料中可以被作物吸收的磷組分[4]，包括水溶性磷、檸檬酸或EDTA可溶性磷，作物吸收磷肥的形態主要為正磷酸(H3PO4)鹽、偏磷酸(HPO3)鹽和焦磷酸(H4P2O7)鹽。國內眾多的試驗表明，作物吸收磷的重要條件之一是必須有合適的氮磷比，因此，施用復混肥料是提高作物產量和品質的重要手段之一。

磷含量測定的主要差異之一在于有效磷的提取方法，國際上通用的提取劑主要有中性檸檬酸銨溶液、堿性檸檬酸銨溶液、20 g/L檸檬酸溶液[5- 6]和37.5 g/L EDTA溶液，美國公職分析家協會(AOAC)采用EDTA與檸檬酸鹽質量比為1∶2的中性溶液作為有效磷的提取劑[7]。目前肥料中磷的測定普遍采用磷鉬酸喹啉重量法、磷鉬藍分光光度法或磷釩鉬酸銨分光光度法，肥料產品中有效磷的測定標準均以磷鉬酸喹啉重量法作為仲裁法[8]。重量法適用于含磷量高的樣品測定，磷含量低時通常采用分光光度法測定。我國國家標準《復混肥料中有效磷含量的測定》(GB/T 8573—2010)采用37.5 g/L EDTA溶液提取，喹鉬檸酮重量法測定[9]，該方法是測定磷含量的經典方法，但存在操作步驟繁瑣、試驗周期長、試劑喹啉和丙酮會對操作者的健康構成危害等缺陷。鑒于此，國內有關使用儀器法測定磷含量的研究屢有報道，如王明銳等研究了采用EDTA溶液提取、電感耦合等離子體發射光譜法(ICP法)進行測定[10]，陳潔紅等研究了采用硝酸溶液超聲提取、重量法進行測定[11]，結果表明儀器法具有快速、便捷的優點。

作為對現有國家標準GB/T 8573—2010檢測方法的補充，本研究開發了檸檬酸溶液超聲提取與ICP測定相結合的新方法(以下簡稱ICP法)，即在室溫條件下，選用檸檬酸溶液作為提取劑，其濃度和用量參考GB/T 20412—2006[5]，利用超聲波具有的機械效應、空化效應和熱效應，通過增大介質分子的運動速率和穿透力以提取肥料樣品中有效磷成分，以電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP- AES)來分析磷元素的質量分數，根據樣品霧化被激發后發射出磷元素的特征譜線的強度確定樣品中磷元素的含量(定量分析)。通過與國標法EDTA提取-重量法測定的對比試驗分析，驗證了2種方法的測定平均值沒有顯著性差異；國內5家實驗室參加的實驗室間比對試驗結果表明，ICP- AES法精密度高，檸檬酸溶液超聲提取、ICP- AES法測定有效磷的新方法具有線性范圍寬、精密度好、準確度高、分析速度快等優點，已作為復混肥料中有效磷含量測定新國家標準中的測定方法之一。

1　試驗部分

1.1　方法提要

用檸檬酸溶液超聲提取復混肥料中有效磷，試樣溶液中的磷在ICP光源中原子化并被激發至高能態，處于高能態的原子躍遷至基態時產生具有特征波長的電磁輻射，輻射強度與磷原子濃度成正比。

1.2　主要試劑和儀器

主要試劑：檸檬酸溶液，20 g/L；五氧化二磷標準儲備液，1 mg/mL；高純氬氣，體積分數≥99.999%。

主要儀器：超聲波清洗器，超聲功率300 W，上海科導超聲儀器有限公司；電感耦合等離子體發射光譜儀，iCAP6300 Duo，賽默飛世爾科技(中國)有限公司；實驗室用常規儀器。

1.3　試驗樣品

選用不同的復混肥料作為試驗樣品，試驗樣品含有效磷質量分數在5%～20%。

1.4　分析步驟

1.4.1試樣溶液的制備

稱取含有100～180 mg(精確至±0.000 2 g)五氧化二磷的試樣于250 mL量瓶中，加入150 mL檸檬酸溶液，在室溫條件下將量瓶置于超聲波清洗器中提取6～8 min，然后用水稀釋至刻度，混勻，干過濾，棄去最初部分濾液。

1.4.2ICP法測定

用移液管依次吸取五氧化二磷標準貯備液0.00、0.20、0.40、0.80和1.00 mL于5個100 mL的量瓶中，分別加入0.60 mL檸檬酸溶液，用水稀釋至刻度線，混勻。此標準系列溶液含五氧化二磷質量濃度分別為0.00、2.00、4.00、8.00和10.00 μg/mL。

根據待測元素性質，選用儀器推薦的最優工作條件，用等離子發射光譜儀在波長213.618 nm處測得各標準溶液的輻射強度，以各標準溶液中五氧化二磷的質量濃度為橫坐標，相應的輻射強度為縱坐標，繪制標準曲線或得出回歸方程。在與測定標準系列溶液相同的條件下，將試樣溶液適當稀釋后測得磷的輻射強度，在工作曲線上查得相應的五氧化二磷質量濃度。

儀器推薦的最優工作條件：高頻發射器輸出功率1.2 kW，等離子氣流量10 L/min，冷卻氣流量0.6 L/min，載氣流量0.7 L/min，氬氣壓力445～447 kPa，水清洗時間30 s，樣品液清洗時間30 s。

1.5　結果計算

有效磷含量(W)以五氧化二磷質量分數計，按式(1)計算：

(1)

式中：C——測定有效磷時從工作曲線上查得的試樣溶液中五氧化二磷質量濃度，μg/mL；

V——試樣溶液總體積，mL；

m——測定有效磷時試樣質量，g；

D——測定有效磷時試樣溶液的稀釋倍數。

計算結果保留到小數點后2位，取平行測定結果的算術平均值作為測定結果。

2　結果與討論

2.1　檸檬酸溶液提取及不同超聲時間試驗

以20 g/L檸檬酸溶液作為提取劑，分別對同一樣品同時進行不同的超聲提取時間試驗，用重量法測定提取的有效磷含量，并與按GB/T 8573—2010測定的結果進行對比，以選擇最佳的提取時間，試驗結果如表1所示。

表1　不同超聲時間有效磷質量分數測定結果　%

從表1可看出：含磷量低、中、高的3個有代表性的復混肥料樣品采用檸檬酸溶液超聲提取5 min，ICP法測定結果與國標法的負偏差大于0.30%；超聲提取6、8和10 min的測定結果與國標法相比，差值在0.02%～0.08%，結果正負偏差在允許差0.20%的要求范圍內，說明使用20 g/L檸檬酸溶液可以有效提取復混肥料中的有效磷。根據試驗結果，選擇超聲時間為6～8 min。

2.2　ICP法測定磷含量的波長選擇

同一樣品用檸檬酸超聲提取后，根據待測元素性質，選用儀器推薦的最優工作條件，分別在波長177 nm和213 nm處進行磷含量的測定，并將測得的結果與國標法測定結果進行比對，試驗結果如表2所示。

由表2可看出：ICP法在177 nm處測得的結果與國標法相比誤差明顯偏大；在213 nm處測得的結果與國標法測定結果的絕對差值在0.01%～0.41%，除個別數據外，正負偏差的絕對值≤0.20%，因此選擇最佳測定波長為213 nm(不同儀器宜選取不同的波長，與重量法進行對比選取最佳測定條件)。

表2　不同波長處有效磷質量分數測定結果　%

2.3　ICP法測定磷含量的工作曲線線性范圍和檢出限

標準工作溶液按1.4.2配制，在儀器最佳工作條件及213 nm下測定五氧化二磷標準工作溶液系列，根據測定值繪制的五氧化二磷工作曲線(圖1)得到的回歸方程為y=323.16x+5.608 5，相關系數r2=1.000。由圖1可知，在該標準工作溶液系列范圍內，工作曲線線性關系良好，可以滿足復混肥料中磷含量的測定需要。

圖1　五氧化二磷工作曲線

取連續10次平行測定試驗空白溶液的測定結果，定量檢出限按10倍試驗空白溶液的標準差進行計算，則ICP法測定有效磷含量的檢出限為0.050 72 μg/mL。

2.4　ICP法與國標法測定結果比較

同一樣品的有效磷質量分數分別采用ICP法和國標法測定并進行比較，以考察新方法的精密度和準確度，比對結果見表3。

從表3可看出：不同的復混肥料采用ICP法測定的有效磷質量分數平行值的絕對差在0.01%～0.14%，滿足GB/T 8573—2010的要求，說明新方法具有很好的精密度；ICP法測得的結果與國標法測得結果的絕對差值在0.02%～0.18%。

表3　ICP法和國標法測定有效磷質量分數結果比較　%

將上述8個樣品作為研究對象，應用t檢驗法[12]研究新方法與國標法對有效磷測定結果的平均值是否存在顯著性差異。

對表3的數據檢驗如下：

(1) 選擇檢驗的顯著性水平α為0.05；

(3) 當自由度為7時，t0.975=2.365

通過t檢驗發現，ICP法與國標法對有效磷測定結果的平均值沒有顯著性差異，證明ICP法具有的準確度是可信的。因此，采用檸檬酸溶液超聲提取、電感耦合等離子體發射光譜法測定復混肥料中的有效磷含量是可行的，具有很好的精密度和準確度。

2.5　不同實驗室間重現性分析

為了分析確定不同實驗室間的極差，選取國內5家實驗室進行了不同實驗室間ICP法有效磷含量測定結果比對，試驗結果如表4所示。

表4不同實驗室間ICP法有效磷含量測定結果比對%

樣品編號實驗室ABCDE極差除實驗室C外極差SZ09220.2120.5720.1720.2720.320.400.36SZ08817.9418.2917.3817.8817.970.910.41SZ11118.3718.4717.8518.1618.270.620.31SZ00715.9515.6615.2615.6415.830.690.31SZ12313.7313.5613.1913.3813.220.540.51SZ08911.2711.1110.6711.2211.120.600.16SZ0869.849.919.5410.029.690.480.33SZ0986.836.656.706.626.660.210.21SZ0875.065.104.884.965.020.220.14

從表4可看出，不同實驗室測定結果的最大極差為0.91%，其中SZ088、SZ111和SZ007的極差異常高。進一步觀察發現，實驗室C的測定數據普遍偏低，排除實驗室C的測定數據后再次進行極差統計，結果極差在0.14%～0.51%，均未超過0.60%，且有7組數據的極差<0.40%，說明ICP法的重現性很好。根據上述數據分析，可初步確定不同實驗室間絕對偏差≤0.60%。

3　結語

研究建立了采用20 g/L檸檬酸溶液超聲提取、電感耦合等離子體發射光譜法測定復混肥料中有效磷含量的新方法(ICP法)。試驗結果表明：ICP法測定磷含量的工作曲線在試驗范圍內(0～10 μg/mL)線性良好，相關系數為1.000，最低檢出質量濃度為0.050 72 μg/mL，平行測定的絕對差在0.01%～0.14%，不同實驗室間的極差在0.14%～0.51%；采用t檢驗法驗證了ICP法與國標法對有效磷測定的平均值沒有顯著性差異。ICP法具有便捷、快速、精密度好、準確度高等優點，在修訂的國家標準《復混肥料中有效磷含量的測定》(GB/T 8573—2017)中，已被列入作為復混肥料中有效磷含量測定的方法之一。