流動(dòng)注射法測定不同水體中總磷的比對(duì)研究

黃亮,關(guān)念云,羅清莉,張奇

(廣東省韶關(guān)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,廣東 韶關(guān) 512026)

總磷是反映水體富營養(yǎng)化的主要指標(biāo),也是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)。當(dāng)水體中含磷化合物的含量超過一定范圍時(shí),在適當(dāng)?shù)臈l件下,水體中的藻類會(huì)大量繁殖,出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象,嚴(yán)重影響水生生物和水生態(tài)環(huán)境安全,因此建立一種快速、靈敏而簡便的方法測定水體中總磷具有重要意義[1]。總磷的監(jiān)測方法主要分為手工監(jiān)測方法和自動(dòng)監(jiān)測方法,其中最經(jīng)典、最有代表性的手工方法為鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989),被絕大部分實(shí)驗(yàn)室所采用,已成熟應(yīng)用幾十年,具有良好的分析效果,自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)目前主要應(yīng)用于重點(diǎn)監(jiān)控?cái)嗝嫠镜慕ㄔO(shè)。

流動(dòng)注射分析法測定水中的總磷是近年來發(fā)展起來的一種實(shí)驗(yàn)室分析方法,它是在連續(xù)流動(dòng)分析技術(shù)上發(fā)展而來,而且隨著科技的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)室分析技術(shù)的發(fā)展,流動(dòng)注射分析技術(shù)正越來越多地在科研和生產(chǎn)中得到應(yīng)用和普及[2]。流動(dòng)注射法是通過準(zhǔn)確地控制注入流路系統(tǒng)中的樣品體積和液體流速來獲得最佳的重現(xiàn)性,不需要像連續(xù)流動(dòng)那樣用氣泡隔開也能避免樣品出現(xiàn)交叉污染現(xiàn)象,其非穩(wěn)態(tài)顯色分析理論是傳統(tǒng)分析化學(xué)理論的一次重大突破[3]。通過對(duì)地表水和生活污水兩個(gè)不同類型的樣品分析測試,以及與鉬酸銨分光光度法的比對(duì)研究表明,流動(dòng)注射分析法測定總磷,是集消解、加試劑、定容、顯色和測定為一體的實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)分析技術(shù),具有取樣量少、精確度高、試劑消耗少、廢液產(chǎn)生少、分析速度快等優(yōu)點(diǎn),可使分析人員從繁瑣的體力勞動(dòng)中解放出來[4],既節(jié)約了大量時(shí)間,又避免實(shí)驗(yàn)人員長時(shí)間接觸試劑對(duì)身體帶來的危害。隨著樣品量的日益增多和監(jiān)測要求的不斷提高,鉬酸銨分光光度法已很難滿足分析要求,而流動(dòng)注射法更符合未來生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

水樣經(jīng)過硫酸鉀和紫外線消解將各種形態(tài)的磷全部被氧化為正磷酸鹽,在酸性介質(zhì)和銻鹽的催化下,正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬雜多酸,該化合物被抗壞血酸還原成藍(lán)色絡(luò)合物,于880 nm波長處測量吸光度[5],其信號(hào)值(峰面積)通過工作站采集,由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算分析處理。

1.2 儀器和設(shè)備

流動(dòng)注射分析儀,iFIA7型,北京吉天儀器有限公司,包括自動(dòng)進(jìn)樣器、化學(xué)分析單元、檢測單元、數(shù)據(jù)處理單元、加熱池和紫外消解裝置。超聲波清洗器,頻率40 kHz,上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司。循環(huán)水式真空泵,SHZ-D(III)型,河南予華儀器有限公司。艾柯超純水機(jī),Advanced-IV-32型。表層采水器(聚乙烯),1 L 玻璃樣品瓶。

1.3 試劑和材料

(1)純水:采用新制備的一級(jí)純水,超聲脫氣后待用。

(2)總磷分析試劑:過硫酸鉀溶液、顯色劑、抗壞血酸溶液均使用北京益利精細(xì)化學(xué)品有限公司生產(chǎn)的分析純試劑包,按廠家配制說明配制后超聲脫氣待用,保存期一周左右。

(3)總磷標(biāo)準(zhǔn)貯備液:ρ=500 mg/L,北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司,GBW(E)083181b-1。

(4)總磷中間液:ρ=20.0 mg/L。取4.00 mL總磷標(biāo)準(zhǔn)貯備液(3)于100 mL容量瓶中,用水稀釋至標(biāo)線后待用。

(5)總磷標(biāo)準(zhǔn)使用液:ρ=1.00 mg/L。取5.00 mL總磷中間液(4)于100 mL容量瓶中,用水稀釋至標(biāo)線后待用。

(6)總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品:ρ=(1.14±0.05) mg/L,生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所,質(zhì)控編號(hào):200219。

(7)總磷標(biāo)準(zhǔn)樣品:ρ=(0.270±0.016) mg/L,生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所,質(zhì)控編號(hào):200645。

1.4 樣品的采集和保存

按照 HJ/T 91—2002[6]和HJ 91.1—2019[7]的相關(guān)規(guī)定采集樣品。在采樣前,用水蕩洗所有接觸樣品的器皿至少三次以上,地表水樣品需在現(xiàn)場自然靜置30 min后取上清液采集于清洗過的聚乙烯或玻璃瓶中,靜置后濁度仍較高需適當(dāng)延長靜置時(shí)間或離心方式處理,污水采樣時(shí)注意避開樹枝等漂浮物,一般在排放口采樣。水樣采集后立即加入硫酸至pH值≤2保存固定,須在24 h內(nèi)分析測定。

2 分析步驟

2.1 設(shè)定參數(shù)

進(jìn)樣時(shí)間40 s,進(jìn)樣針清洗時(shí)間60 s,清洗時(shí)間60 s,進(jìn)樣周期120 s,檢測波長880 nm,前端采集10 k,到達(dá)閥時(shí)間65 s,注射時(shí)間50 s,出峰時(shí)間125 s,積分寬度100 s,泵速30 r/min。

2.2 調(diào)試儀器

嚴(yán)格按照儀器的操作規(guī)程使用儀器,開機(jī)后儀器會(huì)自檢,自檢合格后用純水代替所有試劑,泵入系統(tǒng)檢查整個(gè)分析流路的密閉性及液體流動(dòng)的順暢性,約15 min后基線趨于穩(wěn)定,把各泵管分別放入各試劑瓶,儀器開始泵入試劑,約10 min待基線再次穩(wěn)定后進(jìn)行分析操作。

2.3 制備校準(zhǔn)系列

移取總磷標(biāo)準(zhǔn)使用液(5)至大號(hào)試樣管中,放置到37號(hào)樣品位,自動(dòng)標(biāo)配校準(zhǔn)系列,配置質(zhì)量濃度分別為0.00,0.05,0.1,0.2,0.5,1.00 mg/L,從低濃度到高濃度依次進(jìn)行測試,校準(zhǔn)系列制備見表1。

表1 準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)系列

2.4 繪制校準(zhǔn)曲線

以峰面積為縱坐標(biāo),以總磷質(zhì)量濃度(mg/L)為橫坐標(biāo),按照表1校準(zhǔn)系列繪制校準(zhǔn)曲線,得到回歸方程:y=38.495 7x+0.006 2,其中斜率b=38.495 7,截距a=0.006 2,相關(guān)系數(shù)R=0.999 9,說明線性良好,校準(zhǔn)曲線見下圖1。

圖1 總磷校準(zhǔn)曲線圖

2.5 測定樣品

對(duì)于清潔的地表水樣品可以直接進(jìn)行測定,對(duì)于懸浮物或顆粒物較多的樣品需超聲震碎混勻后經(jīng)適當(dāng)稀釋后再取樣,以免堵塞管路,如果樣品測試濃度高于校準(zhǔn)曲線的最高點(diǎn),要對(duì)樣品進(jìn)行稀釋,50倍以下的樣品可在線自動(dòng)稀釋,否則需手工稀釋。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 空白實(shí)驗(yàn)

在測空白實(shí)驗(yàn)前,一般會(huì)測試幾個(gè)載流,如果出現(xiàn)負(fù)峰或鋸齒形峰形,可能是試劑污染,此時(shí)應(yīng)停機(jī)檢查,出峰正常后用適量的純水代替樣品,按照與樣品分析相同步驟進(jìn)行測定,記錄信號(hào)值(峰面積),空白實(shí)驗(yàn)結(jié)果低于方法檢出限方可進(jìn)行樣品的分析測試。

3.2 方法檢出限和測定下限

根據(jù)HJ 168—2020中方法檢出限的一般確定方法,按照樣品分析的全部步驟[8],將曲線最低濃度點(diǎn)0.02 mg/L(即方法標(biāo)準(zhǔn)檢出限的4倍值)平行測定11次,計(jì)算11次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差,當(dāng)n=11,置信水平為99%時(shí),t=2.764,按公式1計(jì)算方法檢出限,檢出限為0.004 mg/L低于0.005 mg/L的方法檢出限,說明用流動(dòng)注射法測試低濃度總磷樣品時(shí),比較穩(wěn)定,靈敏度較高,具體結(jié)果如下表2。

表2 方法檢出限和測定下限試驗(yàn)

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

3.3 精密度與正確度

按照2.1的實(shí)驗(yàn)條件,取高低兩種濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行精密度與正確度測試,將低濃度標(biāo)樣200645和高濃度標(biāo)樣200219在線稀釋2倍后分別平行測定7次,測試值和均值均在標(biāo)樣保證值范圍內(nèi),其中低濃度標(biāo)樣RSD測試值為1.55%,高濃度標(biāo)樣RSD測試值為0.67%,均遠(yuǎn)低于方法中當(dāng)總磷濃度>0.02 mg/L時(shí)RSD≤10%的要求,說明用流動(dòng)注射法測試總磷準(zhǔn)確度較高,結(jié)果見表3。

表3 正確度和精密度試驗(yàn)

3.4 平行雙樣和加標(biāo)回收率

對(duì)地表水樣品849進(jìn)行6次平行測定,對(duì)地表水樣品DB1318、DB1326、DB1322、DB1311和污水樣品WS773、WS773-XP1進(jìn)行了平行雙樣和加標(biāo)回收率的測試。樣品849、DB1318、DB1326、DB1311、WS773用濃度為10 mg/L的總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加標(biāo)0.5,5,1,0.5,2 mL,然后定容到100 mL。實(shí)際樣品平行雙樣測試的RSD最高為7.9%,最低為0.0%,RSD均≤10%,說明樣品測試平行性和重現(xiàn)性較好。實(shí)測加標(biāo)回收率在90.5%～106%之間,說明樣品測試準(zhǔn)確度較高,測試具體結(jié)果見下表4。

表4 實(shí)際樣品加標(biāo)回收率試驗(yàn)

3.5 方法比對(duì)試驗(yàn)

分析總磷時(shí)實(shí)驗(yàn)室最常用的方法為鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—89),所以本次選擇該方法與流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法(HJ 671—2013)作方法比對(duì)。選擇以下地表水和污水實(shí)際樣品進(jìn)行方法比對(duì),結(jié)果顯示,RSD最小值為0.0%,最大值為8.8%,RSD值均<10%,表明兩種方法的相關(guān)性較好,結(jié)果見表5。

表5 兩種方法比對(duì)試驗(yàn)

4 方法差異比對(duì)分析

4.1 鉬酸銨分光光度法

在樣品預(yù)處理階段,鉬酸銨分光光度法一般不需要對(duì)水樣進(jìn)行預(yù)處理,而是在樣品消解后采取相應(yīng)的措施[9],直接取樣品25 mL加入4 mL過硫酸鉀溶液后放入高壓滅菌器在120 ℃消解30 min,等高壓滅菌器壓力降為零時(shí)取出放冷,先后分別加入1 mL抗壞血酸溶液和2 mL鉬酸銨溶液充分混勻后顯色15 min,使用光程為30 mm的比色皿在700 nm波長處以水作參比測定吸光度[10]。該方法從室溫到120 ℃消解完畢需要約2 h,自然降壓至儀器可開蓋溫度約1 h,高壓消解前處理耗時(shí)長,此外,樣品消解后仍然有顆粒物時(shí),樣品需要抽濾(采測分離要求對(duì)所有樣品消解后進(jìn)行抽濾),消解液顏色較深時(shí)需要用色度濁度補(bǔ)償液進(jìn)行校正,這些都是導(dǎo)致效率不高的主要原因,在應(yīng)急加密監(jiān)測時(shí),總磷數(shù)據(jù)出具時(shí)間慢的缺點(diǎn)尤為突出。此外,遇到加急樣品急需報(bào)數(shù)時(shí),為節(jié)約時(shí)間分析人員會(huì)在儀器消解完后手工泄壓,具有一定的危險(xiǎn)性。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是測試準(zhǔn)確度和精密度高,測試穩(wěn)定性、重現(xiàn)性較好,缺點(diǎn)也顯而易見,就是耗時(shí)長,取樣量較大,操作比較繁瑣,消解時(shí)間長,需經(jīng)常使用高壓滅菌器,操作安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

4.2 流動(dòng)注射法

在樣品預(yù)處理階段,水樣中不含懸浮物,低色度的清潔地表水可直接測定,對(duì)混濁、色度較深的水樣,用0.45 μm 濾膜過濾[11]。儀器完成自檢、清洗后可開始檢測,從進(jìn)樣、加試劑、消解、比色、測定、數(shù)據(jù)處理全過程自動(dòng)化處理,平均不到3 min分析一個(gè)樣品,測試效率極高,且進(jìn)樣量小每次約4 mL,還可以實(shí)現(xiàn)在線消解和紫外消解同步進(jìn)行,消解時(shí)間短,保證同一批樣品的分析測試條件基本一致,利于減少外界干擾,保證樣品測試的穩(wěn)定性,尤其有助于大批量樣品和加急樣品的分析測試。對(duì)于濁度高的樣品,尤其是滲濾液等污水樣品,需超聲混勻后經(jīng)適當(dāng)稀釋取樣分析測定。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是分析速度快,準(zhǔn)確度、精密度高,試劑和樣品消耗少,且可以自動(dòng)稀釋,自動(dòng)計(jì)算結(jié)果,可直接報(bào)數(shù),缺點(diǎn)是載流溶液被污染,容易出現(xiàn)負(fù)峰,泵管容易疲勞影響進(jìn)樣量。

5 注意事項(xiàng)

(1)對(duì)懸浮物較多或顆粒粒徑大于250 μm的樣品,測試前必須超聲10 min以上,然后再視情況適當(dāng)稀釋后測定,因?yàn)榱鲃?dòng)注射儀泵管較細(xì)容易堵塞。

(2)流動(dòng)注射實(shí)驗(yàn)室應(yīng)安裝空調(diào)保證分析過程中室溫波動(dòng)控制士2 ℃以內(nèi),貯存在冰箱的試劑取出后必須放置至室溫后再使用,因?yàn)樵噭┖铜h(huán)境溫度都會(huì)影響分析結(jié)果。

(3)配制的試劑必須保證溶液澄清,且均需經(jīng)超聲脫氣完全后才能進(jìn)入流路,因?yàn)闅馀菰诜忾]的化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)中會(huì)干擾測定。

(4)每次分析前后,必須用純水對(duì)所有分析管路進(jìn)行清洗,以免造成污染。

(5)分析完畢須排空管路中的液體后將所有泵管拔出卡槽,因?yàn)楸霉芷趯?dǎo)致使用壽命變短。

(6)當(dāng)樣品pH值<2或pH值>10時(shí)均會(huì)對(duì)測定產(chǎn)生干擾,為減少pH值對(duì)樣品測試的干擾,應(yīng)在分析前將樣品的pH值調(diào)至中性。

(7)廢液管不能過長,應(yīng)保持跟儀器在同一水平面上,否則易導(dǎo)致堵管和漏液。

6 結(jié)論

采用流動(dòng)注射法測定水質(zhì)中的總磷,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 9,檢出限為0.004 mg/L,測定下限為0.016 mg/L,用實(shí)際樣品測得加標(biāo)回收率為96.2%～106%。對(duì)高低兩個(gè)不同濃度標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行7次平行測定,測得值均在保證值范圍內(nèi),其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.67%和1.55%。以上結(jié)果表明,使用流動(dòng)注射法測定地表水和污水中總磷,方法靈敏度高、檢出限低、操作簡便快捷、試劑用量少,分析速度快,每小時(shí)可連續(xù)分析幾十個(gè)樣品。經(jīng)與鉬酸銨分光光度法比對(duì),其方法的線性、精密度和準(zhǔn)確度符合分析要求,尤其在分析大批量樣品時(shí),優(yōu)先推薦使用該方法測定水中總磷。