微波消解電感耦合等離子體質(zhì)譜法對地表水中痕量磷的監(jiān)測研究

何云勇，豆艷霞，馬貽翠

（安康市環(huán)境保護監(jiān)測站 陜西 安康 725000）

磷(P)是所有生物生長和能量傳遞所必需的營養(yǎng)元素，通常是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)初級生產(chǎn)者的限制性營養(yǎng)元素[1-3]。自然界存在豐富的磷源，其主要儲存在陸地環(huán)境，水環(huán)境和大氣環(huán)境相對較少，但在各種生態(tài)系統(tǒng)中隨能量和物質(zhì)交換不斷地遷移轉(zhuǎn)化，在生物地球化學循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。在過去的幾十年里，由于人類文明發(fā)展過程中對磷的過度使用而導致的富營養(yǎng)化和水華已經(jīng)成為一個世界性的環(huán)境問題[4]。各種人類活動，包括農(nóng)業(yè)、廢水處理、城市擴張和工業(yè)發(fā)展，是磷過度使用的主要因素。

磷在自然水體中有多種存在形式，有研究從實驗操作上根據(jù)是否能夠通過0.45 μm/0.2 μm濾膜，將其區(qū)分為總?cè)芙鈶B(tài)磷和總顆粒態(tài)磷[5]。根據(jù)磷的化學形態(tài)，總?cè)芙鈶B(tài)磷和總顆粒態(tài)磷均可分為無機磷和有機磷兩種。

磷在水生生態(tài)系統(tǒng)中與多種無機/有機物質(zhì)結(jié)合，以多種形式存在，生物活性差異顯著。磷酸鹽是水環(huán)境中最穩(wěn)定、最豐富的磷形態(tài)，可被細菌、藻類、浮游植物等直接利用，是生物最容易獲得的磷形式，也是首要可被吸收的磷源[6]。由于不同的浮游植物對磷酸鹽的需求不同且相互競爭，水體中磷酸鹽濃度的變化可能導致浮游植物群落在季節(jié)或水華過程中發(fā)生更替[7]。

總磷(TP)是指水樣中存在的所有含磷化合物含量的總和，包括正磷酸鹽、磷單酯(C-O-P 鍵)、磷二酯(C-P 鍵)、膦酸酯(C-P 鍵)、聚磷單酯(C-OP-O-P-O-P 鍵)、聚磷酸鹽(P-O-P-O-P 鍵)、焦磷酸鹽(P-O-P 鍵)[8]。總磷代表了生物可利用磷的最大潛在量[9]。因此，在許多標準中總磷是一個重要的環(huán)境指標因子，可以作為水質(zhì)指標和廢水處理過程中的控制參數(shù)。

我國現(xiàn)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中規(guī)定地表水中總磷的標準限值，見表1。總磷的分析方法采用《水質(zhì)總磷的測定鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989）（以下簡稱國標法），方法檢出限為0.01 mg/L。由于標準限值與要求的檢出限接近，在水質(zhì)評價時存在爭議。有研究指出，湖庫地表水中總磷量超過0.02 mg/L 就會造成富營養(yǎng)化，美國環(huán)保局認為中營養(yǎng)化階段總磷為0.01～ 0.02 mg/L，達到0.02～ 0.03 mg/L呈富營養(yǎng)化狀態(tài)[10]。

表1 地表水中總磷的標準限值Tab.1 Standard limits for total phosphorus in surface water

隨著環(huán)境保護政策的進一步加強，管理要求的不斷提高，監(jiān)測數(shù)據(jù)需更加精準，同時現(xiàn)行標準分析方法檢出限為0.01 mg/L，對于全國水體環(huán)境總磷監(jiān)測要求太高，針對I 類地表水總磷監(jiān)測過程中“檢出即超標”，特別是對湖庫標準無法適應問題，急需開發(fā)新的磷測定分析方法。本文主要探討溶解性磷和總磷的監(jiān)測分析方法。

1 磷監(jiān)測過程探討

根據(jù)監(jiān)測目的，水環(huán)境中磷的監(jiān)測選擇不同的方法。水體中磷/總磷檢測原理不同，可以將其分為分光光度法[11]、離子色譜法[10]、電感耦合等離子體法[12]。不同的分析方法都有學者做過一定實驗研究，各自有優(yōu)缺點。受監(jiān)測過程中樣品采集保存和前處理的方式影響，不同方法的檢出限、測定范圍也不同，因此在探討水環(huán)境樣品中磷/總磷測定時不能忽略樣品采集保存和前處理過程。

1.1 樣品采集

在采樣之前，重要的是要確保采樣策略適合于監(jiān)測的目的[13]。包括確定適當?shù)牟蓸拥攸c(適當考慮到道路和安全問題)、采樣頻率以及監(jiān)測哪種形態(tài)的磷。這就需要明確說明采樣方案的目標，了解磷的生物地球化學和磷形態(tài)[14]的穩(wěn)定性。

采集樣品可以手工采集(離散采單點樣品或斷面樣品)，也可以通過自動采樣器進行時間序列采集。同時在每個地點/時間段采集平行樣。有研究提出在單點樣品至少應采集分析3 個子樣品，以保證定量測定穩(wěn)健性分析[15]。

采樣點布設考慮磷濃度的時間和空間變化，并確保所采集的樣本具有被采樣水體的代表性。水體磷濃度空間變異受點源及面源擴散輸入、水中過程(如植物、藻類和細菌周轉(zhuǎn))、混合區(qū)、湖泊中隨深度的熱分層或河口中的鹽度分層的影響。時間變異受到河流流量和物理化學梯度(例如溫度和鹽度)的季節(jié)性（如夏季徑流量大于冬季）和短期(例如降雨事件)變化的影響[16]。

清潔的樣品容器和采樣器是減少污染的必要先決條件。采樣器具的清潔方法均涉及酸清洗，如在無磷洗滌劑中浸泡一夜，用超純水漂洗，然后在10%的鹽酸中浸泡一夜，最后用超純水[16]沖洗。樣品容器首選聚四氟乙烯(PTFE)或高密度聚乙烯(HDPE)材料。考慮價格因素，一般也可選用石英、硼硅酸鹽玻璃、低密度聚乙烯和聚丙烯等材質(zhì)。采樣的最小體積一般根據(jù)分析方法確定，建議至少500 mL。有研究者建議使用更大尺寸和更小表面積與體積比[17]的容器可以使吸附產(chǎn)生的損失最小化。灌裝樣品時，應將樣品容器使用樣品蕩洗3 次后，裝滿整個容器。在采集樣品時，最好使用樣品空白來監(jiān)測取樣過程。

1.2 保存與前處理過程

地表水測定總磷時加硫酸或者硝酸至pH＜1，測定溶解性正磷酸鹽時不加任何保存劑，樣品于4 ℃以下保存，盡快分析。

測定總磷時水樣的處理方式為消解，一般為消解試劑+加熱的組合方法。常用的消解試劑為過硫酸鉀/過硫酸鈉、硝酸/高氯酸。加熱方式有微波加熱[10]、高壓蒸汽鍋加熱[11]、水浴加熱及烘箱加熱[18]、紫外加熱等[19]。另外也有研究者提出高溫燃燒消解法，即在550 ℃下將所有有機物轉(zhuǎn)化成無機鹽類[20]，溶解后進行測試。

不同的消解方法對不同形態(tài)的磷轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽的效率不同。過硫酸鉀/過硫酸鈉+高壓蒸汽消解測定總磷，通過選取6 種含磷有機物模擬消解過程，發(fā)現(xiàn)不同的消解試劑對不同化合物消解效果不同。存在一些含磷化合物在兩種試劑及兩種加熱作用下均不能完全消解。這說明在傳統(tǒng)的消解方式下，仍然有部分磷未轉(zhuǎn)換成正磷酸鹽，這將會導致后續(xù)測試時測定的正磷酸鹽并非全部的總磷。Zhang[21]指出過硫酸鹽消解法對不同的溶解性磷化合物的轉(zhuǎn)換效率不同，例如肌醇磷酸鹽轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽只有66%，相對濕法消解更推薦高溫燃燒法的干法消解方式。

1.3 測試方法

分光光度法的基本依據(jù)是朗伯比爾定律，總磷國標法的顯色原理是在酸性環(huán)境中，正磷酸鹽與鉬酸銨在銻鹽存在下發(fā)生化學反應生成磷鉬雜多酸，再加入抗壞血酸為還原劑，將其還原成藍色絡合物。此方法已有很多研究報道[22-24]，通過改變?nèi)芤簆H、更換顯色試劑、更換還原劑等方式以提高方法靈敏度，通過增加比色皿厚度、萃取顯色物等方法提高準確度。然而方法的弊端依然存在，在實際樣品測定中色度、濁度的干擾依然是影響實驗結(jié)果的不可避免的因素。通常采用補償法、過濾法和離心法去除干擾。但對于低濃度樣品，如果以色度-濁度補償試驗會產(chǎn)生較大干擾，數(shù)據(jù)精密度、準確度無法保證。

離子色譜法的基本原理是將水體中各種形式的磷轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽，正磷酸鹽在色譜柱中隨強堿性淋洗液進入陰離子色譜柱，以磷酸根的形式被分離出來后，用電導檢測器檢測[25]。根據(jù)保留時間定性，外標法定量。這種方法的前提仍然是需要前處理步驟，而且在消解后高濃度的硫酸鹽妨礙磷酸鹽的測定。這可能是以前許多使用離子色譜研究磷酸鹽測定時，避免使用堿性過硫酸鹽消解或開發(fā)出一種更復雜的方法以最小化掩蔽這種干擾的最常見原因[26]。朱紅霞等[10]將環(huán)境監(jiān)測實驗室常用的微波消解前處理技術(shù)和離子色譜測定方法相結(jié)合,優(yōu)化微波消解和離子色譜條件，方法檢出限為0.002 mg/L。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜法主要過程為：經(jīng)過濾或消解的水樣注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀后，目標元素在等離子體火炬中被氣化、電離、激發(fā)并輻射出特征譜線，在一定濃度范圍內(nèi)，其特征譜線的強度與元素的濃度成正比[12]。該方法測定磷的研究也有諸多報道。方法線性范圍寬，可以和其他元素同時測定；檢出限較高，適合廢水中總磷的測定。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法也是一種測定水體中各種元素的方法，其原理是水樣經(jīng)預處理后，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜進行檢測，根據(jù)元素的質(zhì)譜圖或特征離子進行定性，內(nèi)標法定量[27]。待測元素隨進樣系統(tǒng)進入等離子體炬管后，再在高溫電離環(huán)境下轉(zhuǎn)化成帶電荷的正離子，經(jīng)離子采集系統(tǒng)進入質(zhì)譜儀，質(zhì)譜檢測器根據(jù)離子的質(zhì)荷比進行分離并定性、定量。該方法應用總磷檢測的研究較少，主要受限于儀器發(fā)展的水平，以及對儀器操作人員有一定要求。

2 ICP-MS 測定磷的實驗研究

2.1 主要儀器試劑

儀器：ICAP-RQ 型ICP-MS，美國賽默飛世爾科技公司；723 型分光光度計，上海菁華科技有限公司；LDZF-50KB-Ⅱ型立式壓力蒸汽滅菌器，上海申安醫(yī)療器械廠；MARS6 微波消解儀，美國培安科技有限公司（CEM）。

試劑：硝酸（優(yōu)級純，經(jīng)2 次亞沸提純，科密歐試劑公司）；過硫酸鉀（優(yōu)級純，SIGMA 公司）；高氯酸（優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司）；磷標準儲備液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）。

2.2 樣品采集

樣品采集于湖庫、河流原有固定監(jiān)測斷面，用于測試的樣品分組采集：SA1#～SA10#加1%硝酸保護劑，SB1#～SB10#不加保護劑，SC1#～SC10#以0.45 μm 濾膜現(xiàn)場過濾后加1%硝酸保護劑。所有樣品盛裝在經(jīng)硝酸浸泡24 h 并清洗干凈的聚四氟乙烯采樣瓶中。所有組別均采集全程序空白水樣。

2.3 樣品處理

所有樣品按照2 種處理方式。過硫酸鉀消解：取水樣25 mL 置于比色管中，加入飽和過硫酸鉀4 mL，塞蓋以紗布包緊后置于高壓蒸汽鍋內(nèi)（1.1 kg/cm2，121 ℃）保持30 min。微波消解：20 mL 水樣加入到聚四氟乙烯消解管，加入高氯酸1 mL，設置消解溫度為120 ℃，消解時間實驗優(yōu)化后確定。

3 實驗結(jié)果討論

3.1 方法參數(shù)驗證

ICP-MS 測定磷，提前調(diào)整預熱儀器，儀器參數(shù)按照儀器自動調(diào)諧的結(jié)果使用，元素選擇31P，配置濃度為1.0 μg/L、5.0 μg/L、10.0 μg/L、50.0 μg/L、100.0 μg/L、500.0 μg/L 的曲線濃度點，保持2%硝酸酸度。內(nèi)標選擇45Sc，在線添加，內(nèi)標濃度為20 μg/L。線性回歸的結(jié)果為：Y=8.444X+9.515，相關系數(shù)r=0.9999。曲線最低點計算濃度與實際濃度相對偏差為6.5%。

分別以低濃度實際水樣平行測試7 次，計算標準偏差δ，以3 倍的標準偏差δ 認定為方法的檢出限，即0.4 μg/L；4 倍檢出限認定為測定下限，即1.6 μg/L。

正確度驗證，以國家環(huán)境保護部標準樣品研究所標樣驗證，結(jié)果均在保證值范圍內(nèi)。平行樣驗證相對偏差為6.5%，實際水樣加標濃度為5 μg/L，加標回收率為93.2%。

以上結(jié)果說明ICP-MS 可以用于水中痕量磷的測定。

3.2 前處理優(yōu)化

國標法中應用過硫酸鉀作氧化劑，高壓蒸汽鍋消解法已經(jīng)應用多年，存在高溫高壓消解安全隱患、消解時間長等缺點。本實驗研究微波消解，提高效率，降低風險。

實驗分別采用標準樣品和實際樣品在微波消解管中消解，評定在不同消解時間下的測定結(jié)果。分別采用ICP-MS 和光度法測定消解完成的水樣。總磷質(zhì)控樣品編號為200540，濃度為(193±22) ug/L，經(jīng)稀釋后進行消解測定，結(jié)果見表2。

表2 不同消解時間下測定結(jié)果Tab.2 Determination results under different digestion time

從表2 可以看出，質(zhì)控樣無論消解時間多久，ICP-MS 法測定結(jié)果總能在給定范圍內(nèi)，用光度法測定時消解10 min 以上，結(jié)果能夠在給定范圍內(nèi)。以實際樣品消解測定，15 min 能完全消解。因此，為提高樣品分析的效率，建議水樣消解時間為15 min。

3.3 不同監(jiān)測方法對結(jié)果的影響

根據(jù)不同的采樣預處理、消解方法、分析方法，分析地表水斷面樣品，結(jié)果見表3。

表3 不同采樣點位監(jiān)測結(jié)果Tab.3 Monitoring results of different sampling points

從表3 可知，未經(jīng)過濾測定水樣（SA 組）樣品磷的測定結(jié)果比經(jīng)0.45 μm 過濾處理的水樣（SC組）磷含量高，說明水體中懸浮顆粒物吸附有部分含磷物質(zhì)，水樣過濾會使部分水樣磷含量監(jiān)測結(jié)果偏低，這符合實際情況。

微波消解ICP-MS 測定磷的結(jié)果，總體比國標光度法測定的結(jié)果高，這可能與消解方式和測定方式有關。表2 數(shù)據(jù)也表明測定質(zhì)控樣品時，微波ICP-MS 法對消解時間沒有限制，測定值均能在給定范圍內(nèi)；光度法必須消解完全后，測定值才能在給定范圍內(nèi)。采用過硫酸鉀+高溫蒸汽消解的方式測定結(jié)果總體偏小，可能是由于水樣中磷未完全轉(zhuǎn)化成正磷酸所致。而使用ICP-MS測定時，可以不考慮消解不完全的問題，只要樣品能夠進入ICP 等離子體中，在高達幾千攝氏度的溫度下，所有含P 化合物電離成P+，進而均能檢測到。同時對于較清潔地表水可以不用前處理，直接進樣檢測。

加酸保存的水樣（SA 組）比沒有加酸保存的水樣（SC 組）監(jiān)測出磷的濃度高，說明水樣采集和保存方法對監(jiān)測結(jié)果有重要影響；樣品采集后磷會有一定的變化，因此加酸保護是重要的步驟。數(shù)據(jù)表明，樣品采集后加酸保護能夠促進磷在水體中的穩(wěn)定，防止吸附在容器表面導致監(jiān)測結(jié)果偏小。

4 結(jié)論與展望

水體中磷的監(jiān)測要根據(jù)監(jiān)測目的，考慮采樣過程中的預處理和保存劑的使用。總磷監(jiān)測過程中加1%的硝酸保存是可行的方法。本文比較了過硫酸鉀+高溫蒸汽消解+分光光度法與微波消解ICP-MS 法測定水中的磷。應用微波消解后ICP-MS 法測定水中微量磷，曲線范圍為1.0～500 μg/L，線性相關系數(shù)為0.9999，檢出限為0.4 μg/L，能夠滿足Ⅰ類、Ⅱ類水體（特別是湖、庫）低濃度磷的監(jiān)測。同時優(yōu)化了微波消解時間，提高分析效率。實驗發(fā)現(xiàn)在一些監(jiān)測過程中使用濾膜過濾水樣會使水樣監(jiān)測濃度偏低，使用國標分析方法也會低估了水體總磷的含量。微波消解ICP-MS法基于檢測過程中高溫電離環(huán)境能夠克服樣品前處理消解不完全的問題，同時可以不考慮水樣色度帶來的影響，是一種值得推廣的方法。

隨著儀器水平不斷進步，本論文中還有許多地方需要進一步研究，如：水樣的鹽度、有機物含量對儀器的干擾、ICP-MS 本身多原子離子干擾消除、消解后酸度控制對儀器靈敏度的影響等方面。