磷酸根離子檢測的研究方法*

王洋洋，劉慶旺，范振忠，郭 昊，王 彪

（1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.大慶油田責(zé)任有限公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163318）

磷酸根離子廣泛存在于自然壞境中，與人們的社會生活息息相關(guān)，在河流、天然水和工業(yè)廢水中都有其存在形式，但過量的磷酸鹽濃度對生態(tài)環(huán)境和人體都有一定程度的傷害，所以關(guān)于磷酸根離子的檢測顯得非常重要。磷酸根離子種類有很多種，其中主要是以正磷酸的酸根為主，其化學(xué)式為，同時正磷酸鹽也是植物生長比較容易獲得的磷形式。

現(xiàn)有的檢測技術(shù)有很多種，但主要是基于國標(biāo)磷鉬藍(lán)法或離子色譜法，需要大量化學(xué)試劑或借助于復(fù)雜儀器，操作繁瑣，會造成二次污染，同時需提前采樣，測量周期較長，無法實現(xiàn)磷酸鹽在線連續(xù)自動檢測[1]。近些年來，隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，檢測技術(shù)普遍得到提高，除了文章介紹的主要6 種方法外，本文還將簡要介紹其它新型檢測方法，對于食品、土壤及農(nóng)藥殘留等方面的磷酸根離子檢測具有一定的借鑒作用。

1 儀器檢測方法

1.1 比色法

比色法是一種定量分析的方法，最早開始于19世紀(jì)30 年代，以生成有色化合物的顯色反應(yīng)為基礎(chǔ)，通過添加一些物質(zhì)或者色素，比較或測量有色物質(zhì)溶液顏色深度來確定待測組分含量的方法，通過配置溶液并滴加顯色物質(zhì)，將溶液顏色與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行對比，來確定磷酸根離子的量[2]。

早期的比色法稱為目視比色法，用肉眼直接觀察反應(yīng)溶液的顏色變化，從而進(jìn)行定量、半定量判斷。其缺點是目視比色法雖然較為方便，但由于此方法實驗結(jié)果易受主觀意向左右，其測量精度過低，因此，常用于初步檢測磷酸根離子的含量[3]。為得到更為精準(zhǔn)的磷酸根離子數(shù)據(jù)，光電比色法應(yīng)運而生[4]。光電比色法是根據(jù)朗伯比爾吸收定律，將分光光度計和比色法結(jié)合到一起，通過吸光度來判斷摩爾吸收系數(shù)，從而得到磷酸根離子的濃度。雖然光電比色法精度高，檢測速度快，但其昂貴的造價是不可避免的，因而Firdaus 等[5]研發(fā)出一種新的數(shù)字比色法。這種方法精度較目視比色法更高且價格較光電比色法更低[6]，可以分析溶液中包含磷酸根離子在內(nèi)的各種離子濃度[7]，只需要使用手機(jī)對樣品進(jìn)行拍照再使用APP 進(jìn)行分析即可完成離子濃度測定[8]，但數(shù)字比色法依然存在很大問題，拍攝時光源顏色、軟件編程參數(shù)設(shè)定以及溶液反光等[9]問題依然會影響到最終測定結(jié)果，因此，Shen 等[10]開始將諸多因素都設(shè)置為分析基本參數(shù)，從軟件算法上對數(shù)字比色法存在的誤差進(jìn)行修正，迄今為止，數(shù)字比色法可以將不同光源采集的數(shù)字信息通過顏色校正的方法[11]消除光電比色法中產(chǎn)生的絕大部分誤差，從而更好的測定溶液中磷酸根的含量[12]。

目前，比色法主要適用于作物農(nóng)藥殘留、水樣檢測、土壤中磷元素測定和循環(huán)冷卻水等方面，比色法所具有的操作簡單，成本低，分析速度快，檢測周期短等優(yōu)點仍廣泛用于化合物的初級檢測，但無論是目視比色法、光電比色法，還是數(shù)字比色法其靈敏度較低，當(dāng)準(zhǔn)確度要求較高時，不能使用比色法。

1.2 分光光度法

分光光度法主要利用物質(zhì)對光的吸收程度隨光的波長不同產(chǎn)生變化，進(jìn)而繪制其吸光度與波長的關(guān)系圖即可得到被測物質(zhì)的吸收光譜。其中鉬酸銨分光光度法方法原理是將樣品高壓加熱，加入K2S2O8提取試樣中的磷，從而反應(yīng)得到正磷酸鹽。酸性條件下，正磷酸鹽與（NH4）2MoO4反應(yīng)，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，使用抗壞血酸還原，得到藍(lán)色的絡(luò)合物[13]。繼鉬酸銨分光光度法，釩鉬黃比色法是更為準(zhǔn)確的比色方法，首先，將試樣通過濕法消解和干法灰化這兩種方法進(jìn)行消解，在酸性條件下，加入一定量的釩鉬酸銨，從而產(chǎn)生釩鉬黃。由于釩鉬黃的吸光度值與磷的濃度成正比。在440nm 時，對溶液吸光度數(shù)值進(jìn)行測量，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量，從而得到磷酸根含量的具體數(shù)值[14]。

而近年來，我國出臺了磷酸根含量的分光光度計法的具體測定標(biāo)準(zhǔn)，將樣品在酸性條件下進(jìn)行消解，磷元素能夠和鉬酸相互反應(yīng)，得到具有一定的氧化性的磷鉬酸銨，能夠在還原劑苯二酚、H2SO3等的作用下變?yōu)殂f籃，這是一種藍(lán)色化合物。對于鉬籃來說，其在660nm 的波段處，所具有的吸光度值和磷元素的濃度呈現(xiàn)出正相關(guān)，借助分光光度計來檢測試樣溶液，與標(biāo)準(zhǔn)系列比較定量，從而確定和計算磷酸根含量的具體數(shù)值[15]。

分光光度法在磷酸根檢測方面重現(xiàn)性好、靈敏度和準(zhǔn)確度較高，但前期處理較為復(fù)雜，還要與具體的檢測標(biāo)準(zhǔn)對比且需使用分光光度計等相關(guān)儀器，均有一定的誤差分析因素。按照GB5009.87-2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中磷的測定》的標(biāo)準(zhǔn)，分光光度法目前主要應(yīng)用于食品中磷含量的檢測。

1.3 氣相色譜法

氣相色譜法主要是利用各組分物理性質(zhì)的差別，進(jìn)行多組分混合物分離和測定的方法，在測定各種磷酸根離子方面的使用較為廣泛。目前，測定有機(jī)磷色譜的方法有氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀法、快速溶劑萃取氣相色譜法以及QuECHERS 法，氣相色譜法技術(shù)比較成熟，應(yīng)用比較廣泛。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀法檢測靈敏度高、分析速度快，但采用索氏提取、超聲提取、微波提取、快速溶劑等方法進(jìn)行萃取，實驗具有一定危險性、價格昂貴，應(yīng)用范圍較小；用傳統(tǒng)的固相萃取柱進(jìn)行檢測凈化效果好，但步驟繁瑣，回收率不高；用QuECHERS 方法需要對待測液進(jìn)行離心從而提取有機(jī)相，雖然提取回收率較高，但基質(zhì)效應(yīng)明顯[16]?？焖偃軇┹腿庀嗌V法[17]作為一種高效、快速的測定方法，首先需要選取固相萃取材料，在配制磷酸根溶液后，即可混合進(jìn)行氣相色譜儀檢測。

氣相色譜法應(yīng)用范圍廣，不僅可以檢測食品方面，水資源和蔬菜農(nóng)藥殘留方面的磷酸根離子含量，在土壤磷含量分析、聚合物中磷酸根離子檢測上都有很大的應(yīng)用前景，但氣相色譜儀操作繁瑣，控制因素較多，色譜柱造價昂貴且極易污染。近年來，高靈敏選擇性檢測器的普遍使用，使氣相色譜法具有分析靈敏度高、選擇性高和分析速度快等優(yōu)點。

2 人工檢測方法

2.1 重量法

重量法又稱重力測定法，可分為沉淀法、汽化法、電解法和萃取法，其原理在于用浸提劑提取待測物質(zhì)中不易溶于水的含磷成分，將磷酸根轉(zhuǎn)化為沉淀，烘干后測量沉淀的重量計算出磷酸根的含量。早在1979 年，馮文驤等便采用了磷鉬酸喹啉重量法，通過在酸性條件下加入喹鉬檸酮試劑，將磷酸根轉(zhuǎn)化為磷鉬酸喹啉沉淀的方法測定了縮聚磷酸鈉中磷酸根的含量，并認(rèn)為重量法是相對于絡(luò)合滴定法誤差較小的測定方法。宋學(xué)蘭、季秀霞等[18,19]在測定溶解度較小的固體物質(zhì)中磷含量時，通過加入試劑，將難溶于水的磷化合物轉(zhuǎn)化為有效磷的形態(tài)，繼而增加沉淀劑的方法得到沉淀，而后采用重量法測定水穩(wěn)劑和磷肥中磷酸根的含量。最終認(rèn)定重量法雖然步驟較為繁瑣且耗時較長，但相對于其它測定方法而言，重量法計算得到的磷酸根精密度和準(zhǔn)確度極為優(yōu)秀。

隨著工業(yè)發(fā)展日新月異，越來越多的含磷產(chǎn)品被開發(fā)，因此，重量法僅僅采用喹鉬檸酮作為沉淀劑已經(jīng)不能滿足絕大部分含磷產(chǎn)品中磷含量，因此，李原等[20]使用乙二胺、CoCl2以及LiOH 制備出一種用于重量法新的沉淀劑[Co（en）2Cl2]Cl，和熱失重法測定結(jié)果僅相差0.23%，認(rèn)定此種沉淀劑可以應(yīng)用在縮合磷酸鋁中磷酸根的測定。

由于重量法測定中不需要與標(biāo)準(zhǔn)樣或空白樣進(jìn)行對比，故其準(zhǔn)確度高，但實驗周期長且操作步驟繁瑣，不適用于微量組分分析，一般可用于無機(jī)化合物和有機(jī)化合物的磷酸根離子的測定，由于自身的局限性，此方法現(xiàn)在主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)化肥、磷礦石和磷精礦中的磷酸根離子含量測定分析。

2.2 電位法

電位法是通過在零電流條件下測定兩電極的電位差，利用指示電極的電極電位與濃度之間的關(guān)系，來獲得溶液中待測組分的濃度。王孝榮等[21]采用直接電位法，在酸性條件下令Fe3+和發(fā)生氧化還原反應(yīng)，根據(jù)Fe3+電對的電極電位推算磷酸根離子的含量，經(jīng)實驗認(rèn)定，對于磷酸根含量低的液體測量較為準(zhǔn)確，而磷酸根含量高的測定結(jié)果無規(guī)律性。周言鳳等[22]認(rèn)定電動勢隨待測離子濃度的變化取決于離子本身電荷性、指示電極和參比電極跟儀器的正負(fù)極連接情況。劉美霞等[23]認(rèn)為電位滴定法遠(yuǎn)比傳統(tǒng)手工滴定法精度高，回收率可控偏差2%以內(nèi)，但測定的磷酸根含量比理論值略高。在電位滴定中，通過酸堿滴定、氧化還原滴定、絡(luò)合滴定以及沉淀滴定的方法可以連續(xù)滴定水中多種離子濃度。通過以上分析可以看出，在最近幾年，電位滴定法得到了越來越多的發(fā)展，由于本方法避免依靠指示劑顏色變化來指示滴定終點所帶來的誤差，避免了分析人員的主觀因素和操作技術(shù)等引起的誤差，其重現(xiàn)性、準(zhǔn)確度和精密度要優(yōu)于傳統(tǒng)的人工滴定法。

電位法所具有的較高的準(zhǔn)確度、精密度，并可實現(xiàn)自動化和連續(xù)測定等優(yōu)點，是其它方法不能比擬的。目前，主要應(yīng)用于鋰電池、電鍍液、拋光液、土壤重金屬和工業(yè)污水排放方面，但檢測化合物的溫度變化、液體接界電勢和標(biāo)準(zhǔn)電極電位的選擇都會在一定程度上影響電位法的測定。

2.3 絡(luò)合滴定法

絡(luò)合滴定法又稱螯合滴定法，其原理是形成穩(wěn)定絡(luò)合物的反應(yīng)來進(jìn)行滴定分析檢驗，在化學(xué)分析中應(yīng)用范圍廣泛。不僅可以用于測定磷酸根離子的濃度[24]，同時對鋅離子、鎢離子、硒離子等各種離子的濃度都可以進(jìn)行測定。陳煥光等認(rèn)為在絡(luò)合滴定法中，螯合劑和金屬指示劑在其中至關(guān)重要，對于溶液中磷酸根離子濃度的測定，宋清等采用Bi（NO3）3為沉淀劑，并結(jié)合EDTA 溶液，析出過量的鉍離子測定磷酸根離子濃度。最終結(jié)果表明，絡(luò)合滴定法測定磷酸根離子濃度可以不過濾、靈敏性高、反應(yīng)快速且反應(yīng)要求簡單，但其缺點很明顯，存在離子干擾等會對實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差；鄒運香等采用離子交換分離的方法進(jìn)行絡(luò)合滴定，取KCl 為洗提劑將陰離子交換樹脂作為交換柱，用萘酚綠B、酸性絡(luò)蘭K、達(dá)旦黃混合作為指示劑，采用EDTA 二鈉鹽滴定，測定磷酸根的濃度。

絡(luò)合滴定法具有穩(wěn)定性高、反應(yīng)速度快和操作簡單方便等優(yōu)點，主要借助絡(luò)合劑的標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定檢測物質(zhì)的磷酸根離子濃度，同時還需借助金屬指示劑的變色范圍或其它方法來指示滴定終點。但絡(luò)合滴定法有很大的人為因素，對金屬指示劑的選擇和變色范圍及顏色的深淺度都有很高的要求，即使是同一檢測人員也可能對不同顏色變化的敏感程度不同，因此，會造成絡(luò)合滴定的準(zhǔn)確度不高、重現(xiàn)性困難，目前，絡(luò)合滴定法主要應(yīng)用于實驗室化合物溶液和一些含磷礦化物溶解后的磷酸根離子含量測定。

3 其它檢測方法

近些年來，隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，新的檢測方法層出不窮，特別是熒光分析法，一種基于分析物改變熒光材料物理化學(xué)性能的檢測方法，對于環(huán)境和各種水體污染物中磷酸根離子檢測具有快速、高敏感性及原位檢測等優(yōu)點，選擇合適的熒光探針結(jié)合熒光分析方法可以實現(xiàn)原位和定量檢測目標(biāo)物[25]。此外，核磁共振磷譜（31P NMR）也是一種被廣泛用于含磷物質(zhì)定性定量分析的分析檢測技術(shù)，31P NMR譜只對磷原子產(chǎn)生信號，無其他元素干擾且快速準(zhǔn)確測定膦酸鈉、亞磷酸根和磷酸根離子[26]。除了上述方法外，高效液相色譜法、薄層色譜法也廣泛被使用，同時為了減少環(huán)境污染，生物傳感技術(shù)、免疫分析法、各種活性酶抑制法和磷酸根分析儀法也對檢測磷酸根離子方面發(fā)揮著很大作用。

4 結(jié)語

磷酸根離子的測定主要分為儀器檢測方法和人工檢測方法，本文詳述分析了磷酸根離子的檢測方法，同時對于不同化合物的磷酸根離子檢測提出相對應(yīng)的檢驗方法。

（1）儀器檢測法中，比色法由目視比色法發(fā)展為數(shù)字比色法，對于磷酸根離子濃度較低的溶液中，數(shù)字比色法更為快速便捷，分光光度計法前期對樣品的處理較為復(fù)雜，但重現(xiàn)性好、靈敏度和準(zhǔn)確度較高，目前，還主要應(yīng)用于食品方面，氣相色譜法可以進(jìn)行多組分的分離和檢測，選擇性高、分析速度快，相較于其它兩種方法應(yīng)用范圍廣，特別適合混合物中磷酸根離子的高靈敏度的檢測，但同時色譜柱造價昂貴，極易污染，因此，不得不考慮成本因素。

（2）人工檢測法中，重量法測定對儀器、藥品以及操作人員技術(shù)要求不高，但實驗步驟過于繁瑣且所需沉淀量較大，適用于磷酸根離子濃度較高的物質(zhì)測定；電位法通過測定電極的電位從而計算磷酸根離子濃度，一定程度上減少了主觀影響因素，同時可以進(jìn)行連續(xù)測定，在精密測定領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；絡(luò)合滴定通過滴加金屬指示劑來指示滴定終點，對于操作人員技術(shù)要求較高，但準(zhǔn)確性較低，由于其操作簡單，現(xiàn)常用于實驗室測定磷酸根離子濃度。

（3）由于磷酸根離子數(shù)目種類眾多，各種檢測方法只能檢測一種或幾種，如何做到同時檢測出磷酸根離子的數(shù)目仍然是未來的研究方向。現(xiàn)在隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，僅靠單一方法檢測有很大的不確定性且準(zhǔn)確度低，因此，儀器檢測法和人工檢測法聯(lián)合使用是未來檢測技術(shù)發(fā)展的研究方向。考慮到成本、檢驗速度以及實驗誤差，采用數(shù)字比色法和絡(luò)合滴定法聯(lián)合使用是未來磷酸根離子濃度檢測技術(shù)的主要發(fā)展方向。過量的磷酸根離子對環(huán)境有一定的危害性，因此，如何科學(xué)檢測還需深入探討研究。