顺序注射光度法测定水体中正磷酸盐

张尚正，魏福祥,何 礼，许 嫔

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018)

顺序注射光度法测定水体中正磷酸盐

张尚正1，2，魏福祥1，2,何 礼1，2，许 嫔1，2

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省污染防治生物技术实验室，河北石家庄 050018)

应用FIAlab-3500顺序注射分析仪，采用钼锑抗分光光度法测定水中的正磷酸盐，对实验参数进行了优化。实验结果表明，正磷酸盐质量浓度在0～5 mg/L范围内与吸光度呈良好线性关系，方程为y=0.112 8x-0.005 1(R2=0.999 2)，空白相对标准偏差(RSD)为1.2%，方法的检出限为0.009 3 mg/L。利用该法测定某管网水中正磷酸盐，测得其加标回收率为96%～105%。

顺序注射(SIA)；正磷酸盐；分光光度法

磷在水环境中是浮游植物生长的必要元素，同时也是限制浮游植物生长的营养元素[1-2]。过量的磷元素会造成大量浮游植物过度繁殖，从而改变生态系统的组成，甚至会引发赤潮的产生。以武汉东湖为例，磷元素作为其富营养化超标的主控元素，长期影响着东湖的富营养化[3]。因此实时监测磷元素，掌握富营养化程度，对预测生态环境的变化具有重大意义[4]。而对水中磷元素的测定，必须将各种形态的磷首先转化成正磷酸盐的形式，再利用相应的检测方法进行测定，才能得到总磷含量[5]。

目前，测定正磷酸盐的方法有离子色谱法、钼锑抗分光光度法、氯化亚锡还原钼蓝法、孔雀绿-磷钼杂多酸法、ICP-AES法、数码成像比色法及罗丹明6G荧光分光光度法等[6-7]。手动测定磷酸盐过程繁琐，耗时较长。而大多数自动测量仪测定磷酸盐的方法为流动注射分析[8]。流动注射分析的试剂消耗量大且存在交叉污染，这成为连续流动模式最主要的缺陷[9-12]。顺序注射分析是一种强大的单通道流动分析技术，其相对于流动注射法具有更高的重现性和稳定性，试剂消耗量降低80%～90%[13-14]。在样品来源受限和试剂价格昂贵时，拥有较大优势。顺序注射分析测定管路中的液体流动可通过软件进行流速控制，所以对重现性的要求比流动注射分析更为严格[15]。实验利用顺序注射分析“阀上实验室”技术[16]通过双向泵的作用，按照不同顺序依次吸入一定体积的区带到贮存管中，由于轴向和径向的扩散作用，在推送样品-试剂区带到检测器过程中使得样品-试剂的区带在管路中不同微区产生一系列梯度的重叠与混合，从而使样品和试剂发生反应，得到与时间点相对应的浓度梯度[17-18]。实验基于钼锑抗分光光度法，在酸性介质中，正磷酸盐和钼酸铵发生反应，在锑盐存在的条件下生成磷锑钼杂多酸，后被抗坏血酸迅速还原生成蓝色络合物，并在710 nm下测其吸光度，根据朗伯-比尔定律得到正磷酸盐浓度，用于管网水样的测定。

1 实验部分

1.1仪器

SYZ-550型石英亚沸高纯水整流器(江苏环球石英蒸馏器厂提供)，CQF-50超声波清洗器(中船重工第七二六研究所提供)，FA2004型电子天平(上海良平仪器仪表有限公司提供)。

美国FIAlab-3500顺序注射仪；美国Ocean Optics HL-2000可见光光源；Ocean Optics USB-4000微型光纤光谱仪。

1.2试剂

磷酸二氢钾标准储备液(100 mg/L)：准确称取0.043 9 g经110 ℃烘箱烘干2 h后冷却至室温的磷酸二氢钾，用少量蒸馏水溶解后转移至100 mL容量瓶中，加入80 mL蒸馏水，加入0.5 mL(体积比1∶1)硫酸，定容混匀，置于4 ℃冰箱内，可稳定一个月以上。

显色剂R1：称取2.6 g钼酸铵溶于水中，加入0.07 g酒石酸锑钾和60 mL(体积比1∶6)硫酸，冷却至室温后转移至100 mL棕色容量瓶中定容混匀。

显色剂R2：称取5.0 g抗坏血酸溶于水中，然后转移至100 mL棕色容量瓶中定容混匀。

以上试剂均为分析纯，水为蒸馏水。

1.3实验方法

实验流路如图1所示，以蒸馏水C作为载液，通过注射泵SP和8位多通道转换阀RV的转换依次吸取抗坏血酸溶液、试样和钼酸盐溶液到贮存管HC，然后改变注射阀SV的运行方向及转换阀RV通道，将试样-试剂区带推送至反应管RC，流经Z型流通池，通过检测器Sp检测其信号。整个系统由笔记本电脑PC及配套程序控制，完成对数据的采集及处理。

C―载液；SV―注射阀；SP―注射泵；HC―贮存管；RV―多通道转换阀；RC―反应管；Z―Z型流通池；Sp―检测器；LS―光源；W―废液；PC―笔记本电脑；R1―钼酸盐溶液；S―试样；R2―抗坏血酸溶液

2 结果与讨论

2.1实验参数的优化

2.1.1 体积

2.1.1.1 显色剂体积

显色剂体积是影响试样-试剂区带在管道中混合、扩散和反应灵敏度的重要参数。实验所用2种显色剂采用相同的体积。当吸入显色剂体积过小时，显色体系在注射泵推送过程中，扩散不充分，不足以完全显色。当通过注射泵SP吸入显色剂体积过大时，显色剂在贮存管HC的管路中相对变长，在推送到检测器过程中，磷钼蓝颜色由浅入深后又被载液稀释，当试样-试剂区带到达检测器时吸光度降低，流路如图1所示。在只改变显色剂体积参数，保持其他条件不变的情况下，考察了显色剂体积在20～160 μL下对实验的影响。如图2所示，实验观察到，显色剂随着体积的增大反应颜色加深，当体积为100 μL时，试样-试剂区带相互渗透、重叠混合较为充分，反应完全，吸光度最大。当体积超过100 μL时，吸光度随着显色剂体积的增大而减小。体积的增大使试样-试剂区带距检测器的相对距离变长，推动过程中试样-试剂区带在逐渐反应完全后，反应产物被载液稀释。当体积为100 μL时，为顺序注射显色剂的最佳体积。

图2 试剂体积对吸光度的影响Fig.2 Effect of reagent volume on absorbance

2.1.1.2 试样体积

实验为使显色反应充分，采用试样在中间、显色剂分别在两头的进样顺序。试样作为中间区带，其体积的大小影响着试样区带向两边试剂区带的扩散和重叠。在保证其他参数不变的条件下，实验考察了10～80 μL范围内，试样体积对吸光度的影响。如图3所示。实验表明，吸光度随着试样体积的增加而增加。当体积大于60 μL时，显色剂和试样三者的混合扩散程度开始变得不充分，增加速率减小。实验最终选取试样体积为60 μL。

图3 试样体积对吸光度的影响Fig.3 Effect of sample volume on absorbance

2.1.2 显色剂浓度

2.1.2.1 钼酸铵质量浓度的影响

在显色过程中，一定酸度和锑离子存在的条件下，钼酸铵与正磷酸盐发生反应，钼酸铵的浓度直接影响着磷锑钼杂多酸的生成。在100 mL钼酸盐溶液中，对10～30 g/L范围内，考察了钼酸铵质量浓度对测定的影响。如图4所示，实验结果表明：吸光度随着钼酸铵浓度的增加而增加，当质量浓度大于25 g/L时，钼酸铵、正磷酸盐及锑离子的反应相对充分，增加速率较为平缓。过高的浓度并没有使灵敏度增加太多。实验最终选取钼酸铵质量浓度为26 g/L。

图4 钼酸铵质量浓度对吸光度的影响Fig.4 Effect of ammonium molybdate concentration on absorbance

2.1.2.2 酒石酸锑钾质量浓度的影响

在钼锑抗分光光度法的反应中，钼酸盐和正磷酸盐需在一定浓度锑离子的存在下发生反应生成磷锑钼杂多酸。若没有锑离子存在，在一定酸度溶液中的正磷酸与钼酸络合形成磷钼杂多酸:H3PO4+12H2MoO4=H3(PMo12O40)+12H2O。磷钼酸的铵盐不溶于水，因此在过量铵离子存在，同时磷的浓度又较高时，会生成磷钼酸铵的黄色沉淀，即(NH4)3(PMo12O40)，但当少量磷存在时，加钼酸铵不会生成沉淀，仅使溶液略显黄色，故酒石酸锑钾的浓度同样决定着显色的最终结果。对酒石酸锑钾质量浓度为0.2～0.9 g/L时进行了实验。实验发现，吸光度随着锑离子浓度的增加而增加，当酒石酸锑钾质量浓度大于0.5 g/L时，吸光度增加速率开始变缓。锑离子浓度较低时，反应物以黄色的磷钼酸铵为主，生成的磷锑钼杂多酸不充分，故在被抗坏血酸还原后，吸光度较低。而锑离子高浓度时，正磷酸盐与钼酸盐和锑离子主要形成磷锑钼杂多酸，相应的在被抗坏血酸还原后吸光度较高。在灵敏度变化不大，同时反应完全的情况下，最终确定酒石酸锑钾最佳质量浓度为0.7 g/L。如图5所示。

图5 酒石酸锑钾质量浓度对吸光度的影响Fig.5 Effect of antimony potassium concentration on absorbance

2.1.2.3 钼酸铵溶液中硫酸浓度的影响

显色剂R1需要在一定酸性范围内与正磷酸盐反应生成磷锑钼杂多酸。钼锑抗-H2SO4体系的灵敏度较高，颜色稳定，受干扰离子影响较小，有利于测定方法的自动化，故以硫酸作为控制反应体系酸度的试剂。硫酸浓度影响显色体系的pH值，进而影响显色反应。当硫酸浓度过高时，阻碍磷钼蓝的生成，使吸光度偏低。当硫酸浓度过低时，显色反应不稳定，重复性较差。在实验中，加入的硫酸分别以体积比1∶1，1∶2，1∶3，1∶4，1∶5，1∶6配制R1试剂。在其他条件均不变的情况下，测其吸光度，如图6所示。实验表明：吸光度随着硫酸与R1试剂的配制体积比的减小而增大，pH值的减小使显色体系颜色加深，当硫酸与R1试剂的配制体积比小于1∶6时，重复性差。选取1∶6为加入硫酸与R1试剂的配制最佳体积比。

图6 硫酸与R1试剂配制体积比对吸光度的影响Fig.6 Effect of sulfuric acid volume ratio on absorbance

2.1.2.4 抗坏血酸质量浓度的影响

抗坏血酸溶液作为还原剂在钼锑抗法中，使磷锑钼杂多酸中的一部分Mo6+还原为Mo5+，生成磷钼蓝。在显色剂体积确定的条件下，抗坏血酸浓度是磷钼蓝生成的重要因素。在10～70 g/L范围内，优化了抗坏血酸的质量浓度。实验表明：吸光度随着抗坏血酸浓度的增加而增加。抗坏血酸浓度过低，其反应不够充分，不足以完全还原所生成的磷锑钼杂多酸。当其质量浓度大于30 g/L时，吸光度变化速率趋于稳定。综合各种因素，实验最终选取抗坏血酸质量浓度为50 g/L。实验结果如图7所示。

图7 抗坏血酸质量浓度对吸光度的影响Fig.7 Effect of ascorbic acid concentration on absorbance

2.1.3 流速的影响

在顺序注射系统中，流速影响着试样-试剂区带在管内存留时间和相互渗透、重叠的混合程度。流速过快，区带在管内的停留时间变短，影响其反应的完全程度。而当流速过慢时，区带物理分散产生的稀释效应变强，降低吸光度。通过注射泵依次吸取试剂、试样到贮存管后，对形成的试样-试剂带推送到检测器的速度20～80 μL/s进行了考察。随着流速的增加其吸光度逐渐增加，当速度为50 μL/s时，达到了最大吸光度，而后随着速度的增加其吸光度逐渐减小。实验确定最终以50 μL/s为最佳流速。

2.2工作曲线和线性响应范围及检出限

配制质量浓度分别为0，0.5，1，3，5，7，9 mg/L的标准溶液。用顺序注射仪测定，并绘制标准曲线。实验发现质量浓度在0～5 mg/L时呈现良好线性关系。结果如图8所示。配制空白溶液以11次重复测定的3倍标准偏差值作为方法的检出限，测得其相对标准偏差为1.2%。本方法测得磷检出限为0.009 3 mg/L。

图8 磷酸盐标准曲线Fig.8 Calibration curve for determination of phosphate

3 样品分析

分别在管网的3处不同地点取得水样，将其中的悬浮物过滤后，分别按照上述实验方法测定。水样中正磷酸盐的测定结果和加标回收率如表1所示。

表1 水样中正磷酸盐的测定值及加标回收率

4 结 语

应用顺序注射分析技术测定了水体中正磷酸盐，优化了显色剂的体积、浓度及检测流速等参数，经实验证明该分析方法灵活、重复性好、稳定性高。其最大特点是，试样和试剂的加入剂量、反应时间、流速等可完全通过软件控制，最大程度地减少了人为的干预，同时减少了试剂、试样的消耗及废液的污染。该方法可进行改进，应用于复杂的环境现场监测。

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Determination of orthophosphate in water by sequential injection analysis and spectrophotometry

ZHANG Shangzheng1，2, WEI Fuxiang1，2, HE Li1，2, XU Pin1，2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang Hebei 050018, China；2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang Hebei 050018, China)

By using ammonium molybdate spectrophotometric method, orthophosphate in water was determinated by FIAlab-3500 sequential injection analysis system, and the experimental parameters were optimized. The results show that orthophosphate concentration is in the range of 0～5 mg/L and the absorbance is linear. The linear equation isy=0.112 8x-0.005 1(R2=0.999 2), and blank relative standard deviation (RSD) is 1.2%. The limit of detection is 0.009 3 mg/L. The orthophosphate in pipe network water is analyzed and the recovery of standard addition is 96%～105%.

sequential injection analysis (SIA); orthophosphate; spectrophotometry

1008-1534(2014)02-0124-05

2013-10-14;

2013-11-29

国家863计划(2007AA09210109)

张尚正(1987-)，男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事环境监测技术与装备方面的研究。

魏福祥教授。E-mail： wfxss@sohu.com

X830.2

A

10.7535/hbgykj.2014yx0210

责任编辑：王海云

张尚正，魏福祥，何 礼，等.顺序注射光度法测定水体中正磷酸盐[J].河北工业科技，2014，31(2)：124-128.

ZHANG Shangzheng, WEI Fuxiang, HE Li, et al.Determination of orthophosphate in water by sequential injection analysis[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2014,31(2):124-128.