便攜式分光法在水質總磷應急監測中的 應用研究

郭晶晶，王 琳，張亞尼

（天津市生態環境監測中心，天津 300191）

0 引言

總磷是評價水質的重要指標，天然水和廢水中的磷主要以各種磷酸鹽的形式存在，可溶性正磷酸鹽能被水生植物直接吸收，是引起富營養化的主要形態[1]，其在水體中的存在及含量變化規律近年來一直是各國環境科學界積極進行研究探索的課題[2]。

在突發性環境污染事故監測中，必須現場迅速掌握主要目標物的污染狀況，而傳統的國標方法[3]雖然精度高于快速方法，但存在成本高、速度慢、分析周期長等缺點，無法滿足管理時效性要求，尤其在水質環境條件較差、工作面大、檢測任務繁重或應急監測中，便攜式分光法具有更加明顯的技術優勢[3-4]。

通過調研，發現目前市面上便攜式分光設備種類眾多，但是由于缺少相關標準要求，儀器生產廠家水平參差不齊，而產品的質量直接影響測量結果的準確性。本研究結合當前總磷快速檢測技術發展趨勢，優化了實驗條件，進行了方法比對和儀器比對，提出了總磷應急測定的各項技術要點，能適應我國絕大部分環境監測及相關實驗室的技術能力，滿足各項管理需求。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

試劑：硫酸、過硫酸鉀、抗壞血酸、鉬酸銨、酒石酸銻鉀、β-甘油磷酸鈉、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、磷酸鹽磷溶液（生態環境部標準樣品研究所生產），預制試劑（與便攜式分光光度計配套使用，已配制好的即開即用型試劑）。

儀器：MI-200型便攜式多參數水質測定儀（天津眾科創譜科技有限公司）、SP1100型便攜式智能水質分析儀（深圳市長隆科技有限公司）、DR1900型便攜式分光光度計（美國哈希）、多功能智能消解儀MI-A16型（天津眾科創譜科技有限公司）、P106型便攜式消解儀（深圳市長隆科技有限公司）、DRB200型數字式消解器（美國哈希）、比色管或消解管（玻璃材質；帶蓋密封；與便攜式分光光度計配套使用，用做反應器皿和比色測量器皿）。

1.2 實驗原理

在中性或酸性條件下，樣品在125±5℃經過硫酸鉀消解，水樣中有機和無機形式的磷酸鹽轉化為正磷酸鹽。在酸性介質中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成藍色絡合物，于700±10 nm顯色定量。

1.3 實驗步驟

通過測定標準樣品和實際樣品，對消解溫度和時間、顯色溫度和時間、干擾因素等條件進行優化，計算方法的檢出限、精密度和正確度。

2 結果與討論

2.1 消解溫度和時間

消解溫度和時間直接關系到樣品測定結果的準確度。將消解溫度梯度確定為100、120和150℃；消解時間梯度確定為10、20、30和60 min。考慮到水中總磷的常見形態，分別選取了β-甘油磷酸鈉（目前市售總磷標準樣品的主要成分）、磷酸鹽磷溶液（生態環境部標準樣品研究所生產）、焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉等4種具有代表性的物質分別配制成濃度為0.50 mg/L（以P計）的標準溶液進行消解實驗，同時對三個品牌的儀器進行比對實驗。結果見表1～表4，圖1～圖3。

表1 β-甘油磷酸鈉消解實驗結果

表2 磷酸鹽磷溶液消解實驗結果

從表1～表4以及圖1～圖3的實驗結果可以得出以下結論：

圖1 消解實驗結果（眾科）

圖3 消解實驗結果（哈希）

表4 六偏磷酸鈉消解實驗結果

（1）3個品牌的儀器實驗結果趨勢一致。

（2）不同的含磷物質通過消解轉變為正磷酸鹽所需要的溫度和時間不同。β-甘油磷酸鈉和磷酸鹽磷溶液只需在100℃、20 min即可完全被氧化成正磷酸鹽；焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉在100℃無法完全被氧化成正磷酸鹽。其中六偏磷酸鈉在120℃消解時，消解時間需要在30 min以上才能達到消解完全的目的。

表3 焦磷酸鈉消解實驗結果

（3）根據應急監測的特點，盡量選取消解時間短，又能消解完全的方案。但是實驗用到的玻璃樣品管耐熱溫度為160℃，如果選擇150℃作為消解溫度，會存在一定的安全隱患，同時考慮到現場環境溫度差異較大，消解溫度不易控制穩定。為了保證數據的準確性，選擇消解溫度為125±5℃，消解時長為30 min。

2.2 顯色溫度和時間

顯色溫度和時間也是總磷測定的關鍵參數。顯色溫度梯度設定為0、5、13℃（國標方法中提到低于13℃需要水浴）、20℃（室溫）和40℃；顯色時間梯度設定為10、15、20和30 min。用磷酸鹽磷溶液配制濃度為0.50 mg/L（以P計）的標準溶液進行實驗，消解溫度為125±5 ℃，消解時長為30 min。

圖2 消解實驗結果（芬克）

同時對三個品牌的儀器進行比對實驗。結果見表5，圖4～圖6。

從表5和圖4～圖6中可得出以下結論：

圖4 顯色實驗結果（眾科）

圖6 顯色實驗結果（哈希）

（1）3個品牌的儀器實驗結果趨勢一致。

（2）目前的國標方法規定，如顯色時室溫低于13℃，可在20～30℃水浴上顯色15 min。從表5中可以看出，當顯色溫度為0℃和5℃時，即使顯色時間達到30 min，測定結果也嚴重偏低；當顯色溫度為13℃、顯色時間為30 min時，可顯色完全；當顯色溫度為室溫（20℃）或40℃時，顯色時間只需要10 min即可顯色完全。

表5 顯色溫度和顯色時間對測定結果的影響

（3）當顯色溫度為室溫（20℃）時，考察了顯色穩定性的問題，從顯色30 min開始，每隔30 min讀取一次儀器示數，結果在顯色3 h后數據依然穩定不變。

圖5 顯色實驗結果（芬克）

根據實驗結果，同時考慮與國標方法的可比性，選擇顯色溫度為15～40℃，顯色時間15 min，如環境溫度極低或極高可采用具有恒溫裝置的儀器設備。

2.3 干擾和消除

2.3.1 色度

分光光度法的原理是通過測定被測物質在特定波長處或一定波長范圍內光的吸收度，對該物質進行定性和定量。比色液的顏色直接影響測定結果，配制了色度分別為5°和50°不同濃度的磷酸鹽磷溶液，消解溫度為125±5℃，消解時間為30 min，顯色溫度為室溫（20℃），顯色時間為15 min，實驗結果見表6。

從表6的實驗結果可以看出，三家儀器的實驗趨勢一致，當色度＜50°時均不干擾測定，原因可能是色度標準溶液中的有色物質在本實驗測定波長處無響應。應急監測工作中，水樣的顏色多種多樣，無法事先預知和估計色度的大小，所以最好將所有樣品進行色度補償。具體方法為：取雙份樣品（取樣量一致）同時消解，一份加入顯色劑（抗壞血酸和鉬·酸鹽）測定吸光度，另一份不加顯色劑測定吸光度，兩者的差值帶入標準曲線計算樣品總磷含量，無需測定實驗室空白。

表6 色度對實驗結果的影響

2.3.2 濁度

濁度影響比色過程，為了考察其對測定結果的影響程度，用硫酸肼和六次甲基四胺配制濁度標準系列，然后與一定濃度的磷酸鹽磷溶液混合，考察濁度對總磷測定結果的影響。消解溫度為125±5℃，消解時間為30 min，顯色溫度為室溫（20℃），顯色時間為15 min，實驗結果見表7。

從表7可以看出，3個品牌的儀器實驗結果趨勢一致。當標液濃度分別為0.10、0.50和2.00 mg/L時，濁度低于200°時不影響測定結果，當濁度＞500°時，測定結果嚴重偏高。考慮到現場應急監測無法判斷濁度高低，因此同消除色度干擾一樣，所有樣品一律進行濁度補償，具體方法同2.3.1所述。

表7 濁度對實驗結果的影響

2.4 自配試劑替代預制試劑可行性研究

由于目前便攜式總磷測定儀的反應原理基本一致（同國標方法GB 11893-89），盡管預制試劑包形態各異（粉劑或液態），試劑濃度和加入量各不相同，但主要成分都包括過硫酸鉀、鉬酸銨、酒石酸銻鉀和抗壞血酸，為了延長試劑的保存期、增加難溶試劑的溶解度，生產廠家還加入了一定量的穩定劑和助溶劑。一般情況下，生產廠家對于預制試劑包的配方是保密的，即使透露主要成分信息，也不會告知具體配制方法。本文按照GB 11893-89方法配制總磷測定的相關試劑，配制校準曲線并測定有證標準樣品，研究使用自配試劑的可行性。

由表8和圖7～圖9可以得出以下結論：

圖7 校準曲線（眾科）

圖9 校準曲線（哈希）

表8 不同品牌儀器繪制校準曲線情況

（1）當濃度＞1.20 mg/L時，吸光值不穩定，波動很大，無法確定準確的吸光值，原因是待測物的濃度太高，超過了朗伯比爾定律的線性范圍。因此將曲線線性范圍確定為0～1.2 mg/L，濃度點個數為8個（包括0點），分別是：0、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00和1.20 mg/L。

（2）選用自配試劑替代預制試劑來繪制校準曲線，當濃度＜1.20 mg/L時，三個品牌的儀器，相關系數均＞0.999，有證標準樣品均在給定的保證值范圍內。因此用自配試劑替代預制試劑開展實驗是可行的。

2.5 檢出限和測定下限

根據《HJ 168-2020 環境監測分析方法標準制訂技術導則》附錄A中有關方法檢出限的規定，按照樣品分析的全部步驟，重復7次空白加標試驗。以估計方法檢出限的3～5倍含量進行加標，再按照樣品分析的全部步驟進行測定。空白加標濃度為0.10 mg/L。

按下列公式計算方法檢出限，以4倍檢出限作為方法測定下限，結果見表9。

表9 檢出限測定結果

式中：t（n-1,0.99）—置信度為99%、自由度為n-1時的t值；n—重復分析的樣品數。

連續分析7個樣品，在99%的置信區間，t（6,0.99）=3.143；s為7次平行測定的標準偏差。

圖8 校準曲線（芬克）

由表9可知，當取樣體積為5 mL，哈希品牌的儀器檢出限為0.02 mg/L，眾科品牌的儀器檢出限為0.03 mg/L，芬克品牌的儀器檢出限為0.05 mg/L。取三者最大值作為方法檢出限，即0.05 mg/L；以4倍檢出限作為測定下限，即0.20 mg/L；未經稀釋的樣品，測定上限為校準曲線最高點1.20 mg/L，即超出曲線范圍需進行合理的稀釋再進行測定。

2.6 方法精密度

2.6.1 測定有證標準物質

用生態環境部標準樣品研究所生產的有證標準物質（磷酸鹽磷溶液）配制成低、中、高三種濃度的標準溶液，然后用三個品牌的儀器同時進行重復測定，通過計算相對標準偏差來考察方法的精密度。

通過表1 0可以看出，不同品牌的儀器，精密度差異較大。低濃度樣品的相對標準偏差＜10.0%，中濃度樣品的相對標準偏差＜6.0%，高濃度樣品的相對標準偏差＜5%。

表10 標準物質精密度實驗結果

2.6.2 測定實際樣品

選取具有代表性的地表水（代號為①）、地下水（代號為②）、生活污水（代號為③）和工業廢水（代號為④），三家儀器與國標方法同時重復測定，通過計算相對標準偏差來考察方法的精密度。

從表11可以看出，不同品牌的儀器，精密度有差異，從整體上看，高濃度樣品的精密度優于低濃度樣品。便攜式方法同國標方法無顯著差異。

表11 實際樣品測定結果

2.7 方法正確度

2.7.1 測定有證標準樣品

選取生態環境部標準樣品研究所生產的高、中、低三個批次的總磷有證標準樣品，分別用三個品牌的儀器設備同時測定，考察方法的精密度，結果見表12。

從表12中可以看出，三個品牌的儀器同時測定高、中、低三個濃度的總磷有證標準樣品，測定結果均在給定的保證值范圍內。

表12 總磷有證標準樣品測定結果 （mg/L）

2.7.2 實際樣品加標測定結果

從表13中可以看出，三個品牌分別對4種水質樣品進行測定，加標回收率均在80.0%～120%，正確度良好。便攜式方法同國標方法無顯著差異。

表13 實際樣品加標測定結果 （mg/L）

3 結論

目前我國環境標準方法體系中，快速檢測方法幾乎為空白，導致很多快速、準確、實用和經濟的分析方法，不能合法地被使用。本研究建立了便攜式分光法測定水中總磷的方法，優化了實驗條件，提出了消除干擾的方法，確定了方法的檢出限，檢驗了精密度和正確度，完全滿足各項管理需求。建議盡快出臺相關標準，大力發展快速檢測行業，為打贏污染防治攻堅戰提供技術支持和數據支撐。