水体中PO43--P的主要检测方法

莫珊，高跃昕，李楠，张新申

（四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室，四川成都610065）

1 引言

磷广泛地分布在生物圈中，是生物生长所必需的常量矿物质元素之一。因此，磷含量的高低直接决定着生物的生长态势。在水体中，若磷含量过高（超过0.2mg/L），则会造成藻类过度繁殖，到一定程度，水体的透明度就会降低，水质变差，引发水体富营养化等一系列问题[1]。文献2～5也说明了磷是产生水体产生富营养化的元素之一。因此，磷含量是评价水质的重要指标之一。在环境水样中，磷则主要是以各种磷酸盐的形式存在的，如正磷酸盐、有机结合的磷酸盐和缩合磷酸盐（焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐）[6]。而现阶段，我国很大一部分水体的污染均与磷含量超标有直接关系，虽然总体上污染情况有所好转，但仍不容乐观。以下简单介绍目前国内外检测水体中PO43--P含量的方法。

2 国内外PO43--P的主要检测方法

2.1 分光光度法

2.1.1 磷钼杂多酸法

磷钼杂多酸法的基本原理是：在酸性溶液中，正磷酸盐与钼酸铵反应形成淡黄色的磷钼杂多酸（λmax在紫外区）。该方法的主要限制因素是钼酸根在紫外区同样具有强烈的吸收，这会对测定造成干扰，虽然可利用正丁醇-氯仿等萃取分离过量的钼酸铵来提高灵敏度，但增加了实验的操作难度，并受制于仪器，所以该法较少被采用。

2.1.2 磷钒钼酸法

磷钒钼酸法[7-8]的基本原理是：钼酸盐同含有钒（V）的正磷酸盐溶液反应会生成橙黄色磷钒钼三元杂多酸P2O5·V2O5·22MoO3·nH2O（λmax为 315 nm）。该反应的方程式如下：

董丙成[9]利用此方法原理快速测定铜合金中的磷，其基本步骤是：将铜合金试样经盐硝混合酸溶解，利用过氧化氢把亚磷酸氧化为正磷酸，在酸性介质中，加入钒酸铵和钼酸铵与磷酸形成黄色的磷钒钼三元杂多酸。得到磷钒钼三元缔合物形成的适宜酸度为c（H+）：0.2～1.6 mol·L-1，酸度过高则显色过慢，甚至抑制显色反应的完成，酸度太低则硅会引起干扰。显色温度高于20℃时，加钼酸铵溶液放置5 min显色即可完全，但低于20℃时，则需适当延长时间。该法采用的检测波长为470 nm，对7个样品进行测定时的RSD小于1%（n=6）。

翟莜蔷等[10]对磷钒钼黄比色法测定磷酸盐的显色条件进行选择，找出了最佳的显色条件并作出改进。最终得到的测定范围在0～0.014mg/mL，相关系数可达近1.0000。用改进后的方法对循环冷却水中磷酸盐进行分析测定，回收率为90%～100%，具有良好的选择性和重现性。

虽然此方法较磷钼杂多酸法有一定的改进，但其灵敏度不是很好，成为制约其使用的因素。

2.1.3 磷钼蓝法

磷钼蓝法是最为经典的分光光度法，也是目前应用最为广泛的分光光度法，这种方法是由Murphy和Riley[11]建立的。其基本原理是：在酒石酸锑钾的催化作用下，用抗坏血酸或二氯化锡将磷钼酸盐还原成磷钼蓝蓝色络合物，最后在882 nm处测定其吸光度。

邓金花等[12]采用此方法进行水中总磷的快速检测。当温度低于15℃时，达到最大吸光度的显色时间稍长；当温度在15～40℃之间时，显色反应15 min后体系的吸光度达最大并在15～60min内保持不变，吸光度在90min后升高10%。邓金花等所用检测波长为700 nm，得到的表观摩尔吸光系数为2.60×104L·mol-1cm-1，水中总磷的质量浓度范围在0.02～0.60 mg·L-1内符合比耳定律，所得回收率可达92.8%～106.4%，完成一个水样的测试时间只需16 min。

饶通德等[13]利用这一原理建立了分光光度法测定水样中痕量磷酸盐的浊点萃取分离富集新体系。在最佳条件下，得到的线性范围为0.3～180μg/L，方法的检出限为0.73μg/L，相对标准偏差为2.8%。

2.1.4 三元杂多蓝法

三元杂多蓝法是在磷钼杂多蓝法的基础上扩展出来的方法，其基本原理是：在有有铋、锑、锆、钛、钍、铈、鈮等离子存在时，正磷酸、钼酸盐能与这些离子反应生成相应的三元杂多酸。三元杂多酸相较于二元杂多酸的最大区别在于其配位酸酐中钼的电极电位较高，因而更易被如抗坏血酸等还原性较弱的还原剂在室温下迅速还原。磷铋钼和磷锑钼是目前用于磷测定的主要的三元杂多蓝。

磷铋钼三元杂多蓝是基于铋(Ⅲ)与磷(Ⅴ)和钼(Ⅵ)形成的三元杂多酸（亦称三元络合物），该三元杂多酸在20℃时完全显色时间为5min，可稳定30min。李雪冬[14]利用硝酸铋和钼酸铵同磷反应，并采用抗坏血酸作为还原剂测定硼铁中的磷，其实验结果为在50mL溶液中0～25μg磷符合比尔定律，磷的检出限为2μg/50mL。

磷锑钼三元杂多蓝是基于锑(Ⅲ)与磷(Ⅴ)和钼(Ⅵ)形成三元络合物，用还原剂还原后形成磷锑钼蓝。梁运江等[15]对磷钼蓝比色法合适工作波长及线性范围进行了探讨，在实验中，梁运江等采用的显色剂为抗坏血酸-钼锑抗混合液，形成了稳定的显色液后，用756CRT型紫外可见分光光度计在600～850 nm的波长范围内进行扫描，得到的实验结果是吸收峰在722.2 nm附近，磷质量分数在0～1.0mg/kg内呈线性。

2.1.5 离子缔合物法

离子缔合物法[16]适用于痕量磷的测定，其基本原理是：在适当的酸度下，磷钼酸、磷锑钼三元杂多酸能以杂多阴离子的形式借静电引力与某些碱性染料（如有机碱、三苯甲烷类、醌亚胺类等）阳离子作用形成三元、四元离子络合物，ε值基本在1×105以上。

2.1.6 流动注射光度法

流动注射光度法的主要优点是分析测试的范围广，效率高和精密度好。

谢永洪等[17]建立的流动注射磷锑钼蓝（还原剂为抗坏血酸）光度法能直接测定PO43--P浓度为Ⅰ类～Ⅳ类的海水。实验结果表明，在最适条件下，PO43--P质量浓度在5～80μg/L范围内峰高与质量浓度成线性关系，方法检出限为0.73μg/L，加标回收率为101%～102%，准确性很好，同国标法比对也吻合。

佟玲等[18]利用正磷酸盐、钼酸盐与锑离子形成三元杂多酸能在室温下被抗坏血酸迅速还原成磷锑钼三元杂多蓝的原理建立了反相流动注射-磷锑钼蓝光度法来测定皮革废水中的PO43--P。在最佳实验条件下，PO43--P质量浓度在0～300μg/L范围内呈现良好的线性，相关系数为 0.9994，检出限为 0.72 μg/L，回收率为96.4%～103.4%。

王萍等[19]采用反相FIA-结晶紫-磷钼杂多酸离子缔合体系测定海水中的磷酸盐，有效解决了海水的盐度干扰问题。实验结果所得线性良好，相关系数为0.9997，检出限为0.1μg/L，加标回收率在102%～105%之间。

2.2 质谱法

质谱法（MS）用于测定磷主要是与其他方法联机。

Yang等[20]利用离子排阻色谱与电感耦合等离子体质谱法相结合的方法测定海水中的可溶性磷酸盐，整个测量过程只需要6min即可完成，实验结果的检出限为 0.06μmol/L（以 P计），测定出的海水的磷酸盐质量浓度为（1.69±0.04）μmol/L。

JSabine Becker等[21]用硝酸和过氧化氢将1μg固体蛋白于密闭于微波消解器中消解，然后分别用电感耦合等离子体扇形场质谱法(ICP-SFMS)和电感耦合等离子体四极质谱法(ICP-QMS)进行测定比较。实验结果为：ICP-SFMS法检出限为27.1～30.1mg/g，相对标准偏差为2.0%～12.1%；ICP-QMS法检出限为24.6～27.5mg/g，相对标准偏差为3.0%～11.1%。

虽然质谱法运用于磷的测定具有快速、准确、简单、无需样品与处理、样品用量少等优点，然而仪器昂贵、仪器运转维持费用高，成为阻碍其广泛应用的主要原因。

2.3 色谱法

色谱技术是基于混合物中各组分对两相亲和力的差别进行分离的，因而色谱技术对于复杂混合物的分离功能很强大。色谱法具有应用范围广、分析速率快、分离效率高、灵敏度高、样品用量少、易于自动化等优点。

2.3.1 离子色谱法

离子色谱法的优点在于具有高灵敏度、能同时测定多元素。离子色谱法应用研究的方向主要在于在线分离基体，这同样适合于测磷。

Bruno等[22]运用预分离柱（Dionex AG9-HC 4mm）和分析柱(Dionex AS9-HC 4mm)柱切换离子色谱法测定海水中的磷酸盐，在实验中运用电导检测法和紫外检测法测定，实验得到的检出限为1000μg/L，线性范围为1～60mg/L。

武开业[23]基于NJ-SA-4A阴离子交换柱，0.35mmol/L Na2CO3和0.05mmol/L NaHCO3混合溶液为流动相和电导检测器建立了单柱阴离子色谱测定磷酸盐的方法，整个检测过程可在12min完成。磷酸盐浓度在0.1～4.0mg/L范围内有良好的线性，相关系数为0.9998，方法检出限为0.02mg/L，加标回收率为98.6%～102.3%。此外，武开业[24]用同样的方法测定井水中的磷酸盐也取得了不错的结果。

2.3.2 离子对液相色谱法

离子对液相色谱是一种分离分析离子性质溶质的色谱方法。其基本原理是：在流动相中加入一种与溶质离子带相反电荷的离子对试剂使之与溶质离子形成离子对，这样就有利于在非极性固定相中保留。Yokoyama等[25]通过实验建立了一种高灵敏度的离子对液相色谱法测定环境水体（如江、河水，海水，井水，海水等）中的可溶性磷酸盐，实验结果得到的磷酸盐的检出限为0.003 mg/L，线性范围为0.003～20mg/L，其结果与传统的分光光度法吻合。

离子对色谱的主要优点在于既能分离阳离子，也可以分离阴离子。因此，其应用非常广泛。

2.3.3 离子排阻色谱法

离子排阻色谱法的主要优点在于能有效地分离各种环境水体和工业用水中的阴、阳离子。

Nobutake等[26]采用离子排阻色谱法测定河水中的亚磷酸，在实验中以抗坏血酸为洗脱剂和还原剂，钼酸盐作为显色剂，水样先进行分离，然后通过柱，显色反应完成后再用分光光度法进行测定，得到的磷酸盐的检出限为0.9mg/L。Nobutake等[27]于同年对该方法进行了改进，实验中以钼酸盐-孔雀石绿作为显色剂，通过对钼酸盐和孔雀石绿比例的调整以及对H2SO4、Na2MoO4、孔雀石绿、乙醇的用量的优化，最终测得的磷酸盐的检出限可达到0.3μg/L。

2.4 电化学法

电化学分析法因具有仪器简单、操作方便、易于实现自动化、抗干扰能力强等优点得到了广泛关注，因此电化学法测定磷酸盐也是极具前景意义的。

Quintana等[28]测定海水中的正磷酸盐便采用的是电化学法。在实验中，Quintana等以碳糊电极为指示电极，采取分批进样的方式进行测定，当在碳糊电极上施加0.3V的工作电压时，在酸性介质中的磷酸盐与钼酸铵反应生成的磷钼酸盐化合物发生还原。该实验中，实验装置简单，所用试剂量也少，能彻底消除硅酸盐的干扰，实验结果得到的检出限为0.3μmol/L，线性范围为1～20μmol/L。

2.5 比色管法

白莉等[29]基于显色剂与水样中的磷酸盐快速定量反应生成蓝色多酸络合物，络合物颜色深度与磷酸盐含量成正比的原理，采用真空技术并选用高灵敏度显色剂研制出了检测磷酸盐的比色管。该测试管具有成本低、快速、简便、抗干扰能力强等优点，并且仅需4～8min，方法的测定范围为0.01～1.0mg/L。

3 结语

虽然测定水体中PO43--P的方法众多，然而大多不适合现场的在线分析检测或方法难以普及。传统的分光光度法虽然测定的结果准确可靠，还被定为测定海水中无机磷的国家标准方法，然而由于该方法的操作步骤繁琐，试剂还需要现用现配，标准曲线的绘制也不可或缺，所以该方法耗时又耗化学试剂及样品，工作量大，而且也存在许多干扰因素（如水样的浊度和色度等），因此，该方法难以满足快速、简便的现场测试要求。质谱法虽然能满足快速、简便的现场测试要求，然而因其仪器昂贵，仪器设备运行费用高，并要求真空环境，因而难以普及。离子色谱法主要在于需要预处理，操作比较繁琐。电化学法是一种不错的分析方法，然而有时需要更换电极。比色管法的主要缺点则是难以实现自动化分析以及精度不够高等。所以，追求更快速、更简单、易实现在线分析的方法仍是需要更多人的努力的。

[1]国家环保局水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法（第三版）[M].北京：中国环境科学出版社，1997：280-286.

[2]Han C,Gu X,Geng J,et al.Production and emission of phosphine gas from wetland ecosystems[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22 (9)：1309-1311.

[3]Geng J,Niu X,Wang X,et al.The presence of trace-phosphine in Lake Taihu water[J].International Journal of Environmental Analytical Chemistry,2010,90(9)：737-746.

[4]Feng Z,Song X,Yu Z.Distribution characteristics of matrix-bound phosphine along the coast of China and possible environmental controls[J].Chemosphere,2008,73(4)：519-525.

[5]Feng Z,Song X,Yu Z.Seasonal and spatial distribution of matrix-bound phosphine and its relationship with the environment in the Changjiang River Estuary,China[J].Marine Pollution Bulletin,2008,56(9)：1630-1636.

[6]张宏陶，卢玉棋.水质分析大全[M].北京：科学技术文献出版社重庆分社，1989：168-170.

[7]兰州大学化学系，中国科学院上海药物研究所.有机微量定量分析[M].北京：科学出版社，1978：214-217.

[8]徐静安.复混肥料和功能性肥料分析测试方法[M].北京：化学工业出版社，2000：451-453.

[9]董丙成，李西忠，王玉慧.磷钒钼黄光度法快速测定铜合金中磷的方法应用及理论探讨[J].莱钢科技，2007，（1）：54-55，57.

[10]翟莜蔷，唐国平.磷钼黄比色法测定循环水中磷酸盐的探讨[J].环境监测管理与技术，2006，18（6）：28-33.

[11]Murphy J,Riley J P.A modified single solution method for the determination of phosphate in natural waters[J].Analytica Chimica Acta,1962,27：31-36.

[12]邓金花，吴清平，廖富迎，等.环境水质总磷的快速检测[J].农业环境科学学报，2006，25（B09）：763-765.

[13]饶通德，梁丽娇，潘杰，等.浊点萃取-分光光度法测定水环境中的[J].痕量磷酸盐光谱实验室，2011，28（4）：1880-1884.

[14]李雪冬.硼铁中磷的快速测定[J].冶金分析，2003，23（4）：33，70.

[15]梁运江，谢修鸿，许广波，等.磷钼蓝比色法合适工作波长及线性范围的探讨[J].中国环境监测，2007，23（1）：35-37.

[16]艾同娟，李林，赵守民，等.金属化学分析技术指南[M].贵阳：贵州人民出版社，1989：48-49.

[17]谢永洪，张新申，黄菲，等.流动注射-光度法联用测定海水中PO4-P[J].四川环境，2013，32（2）：1-6.

[18]佟玲，张新申，孙静，等.反相流动注射-磷锑钼蓝光度法测定皮革废水中的PO4-P[J].皮革科学与工程，2009，19（5）：59-63.

[19]王萍，张新申.反相流动注射法测定海水中磷酸盐[J].环境监测技术，2006，18（2）：26-28.

[20]Yang L,Sturgeon R E,Lam J W H.On-line determination of dissolved phosphate in sea-water by ion-exclusion chromatography inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Journal of Analytical Atomic Spectrometry,2001,16(11)：1302-1306.

[21]J Sabine Becker,et al.Determination of phosphorus in small amounts of protein samples by ICP-MS[J].Anal Bioanal Chem,2003,375：561-566.

[22]Bruno P,Caselli M,de Gennaro G,et al.Determination of nutrients in the presence of high chloride concentrations by column-switching ion chromatography[J].JournalofChromatography A,2003,1003 (1-2)：133-141.

[23]武开业.离子色谱法测定地表水中的磷酸盐[J].化学工程与装备，2010，（4）：136-137.

[24]武开业.离子色谱法测定井水中的磷酸盐[J].科技视界，2013，（30）：286.

[25]Yokoyama Y,Danno T,Haginoya M.Simultaneous determination of silicate and phosphate in environmental waters using pre-column derivatization ion-pair liquid chromatography[J].Talanta,2009,79(2)：308-313.

[26]Nobutake N,Wakako M,Daisuke K,et al.Simultaneous spectrophotometric determination of orthophosphate and silicate ions in river water using ion-exclusion Chromatography with an Ascorbate Solution as Both eluent and reducing agent,followed by postcolumn derivatization with molybdate[J].Analytical Sciences,2009,25(3)：379-383.

[27]Nobutake N,Wakako M,Daisuke K,et al.Simultaneous determination of orthophosphate and silicate ions in river water by ion-exclusion chromatography with postcolumn spectrophotometric detection using molybdate and malachite green[J].Bunseki Kagaku,2009,58(4)：305-309.

[28]Quintana J C,Idrissi L,Palleschi G,et al.Investigation of amperometric detection of phosphate Application in seawater and cyanobacterial biofilm samples[J].Talanta,2004,63(3)：567-574.

[29]白莉，王静斌，李树华，等.水中磷酸盐快速测定方法研究[J].河南科学，2002，20（4）：364-366.