用过硫酸铵消解测定天然水体中总磷的方法研究

赵金博，李蕾芳，王雪琪

（1.北京师范大学环境学院；2.水环境模拟国家重点实验室，北京 100875）

目前，测定水体中的总磷含量常用的分析方法是钼酸铵分光光度法。《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）规定，在中性条件下，采用过硫酸钾溶液对样品进行消解。由于过硫酸钾溶解性差，配制过程较为复杂，其溶液不易保存，需现用现配，人为误差较大，本文研究了用过硫酸铵代替过硫酸钾对样品进行消解的可行性。通过对比在同等条件下过硫酸铵消解法和过硫酸钾消解法对样品的消解率，笔者发现，两种消解法得出的结果基本没有差异。在利用钼酸铵分光光度法测量水体中磷的含量时，人们完全可以用过硫酸铵代替过硫酸钾对水样进行消解，这是一种操作简单、重复性好、误差率小的消解方法。本文将利用分析速度更快、操作更加简单的AA3型流动分析仪测定水样中磷的含量。

1 研究背景

水体中的磷是以各种磷酸盐的形式存在的，包括正磷酸盐、缩合磷酸盐和有机磷酸盐，总磷是指水体中各种形态的磷的总和[1]。水体中含磷量的增加，使水体中的浮游生物和藻类大量繁殖而消耗水中的溶解氧，从而加速水体的富营养化。因此，准确测定水体中的总磷含量非常重要[2-3]。

一般情况下，天然水体主要含有以下有机磷：植酸、三磷酸腺苷、三聚磷酸钠、甲基三苯基溴化磷、对硝基苯磷酸二钠、葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸和辅羧酶等。

植酸，难溶于水，是磷元素最稳定的化合物，豆、麦和其他谷物富含植酸。植酸在植物体中不是独立存在的，它同二价、三价阳离子结合形成不溶性复合物。它通常与K+、Ca2+、Mg2+、Zn2+等离子先形成盐，然后再与蛋白形成具有单层膜的泡状小球，这些小球进一步聚集为更大体积的球状体，这是植酸在生物体中的主要沉积形式。植酸是植物体内最重要的含磷化合物，60%～80%有机磷以植酸为载体存在[4]。

三磷酸腺苷（ATP），难溶于水，是一种核苷酸，参与细胞能量代谢、细胞内外信号转导、细胞结构维持、DNA和RNA合成等[5]。三聚磷酸钠，白色粉末状结晶，可溶于水，因其无毒、廉价、鳌合Ca2+和Mg2+能力强，具有乳化、分散、增溶及与LAS显著的协同效应等性能，被广泛用为洗涤助剂，在食品行业中用作水分保持剂、品质改良剂、软化剂和增稠剂等[6]。甲基三苯基溴化磷，难溶于水。

对硝基苯磷酸二钠，可溶于水，是测定酸性和碱性磷酸酶的显色底物，可以以对硝基苯磷酸二钠为基质测定土壤磷酸酶的活性[7]。葡萄糖-6-磷酸（G6P），易溶于水，是糖代谢和糖异生途径的重要中间产物，广泛存在于动植物和微生物体中。在糖酵解途径（EMP），葡萄糖经由己糖激酶反应磷酸化为G6P[8]。葡萄糖-1-磷酸（G-1-P），易溶于水，是糖代谢中重要的中间产物，由磷酸化酶催化体内多糖磷酸解而产生的，在葡萄糖磷酸变位酶的作用下转变成葡萄糖-6-磷酸进入糖酵解。作为重要的起始反应物，G-1-P可用于二磷酸葡萄糖核苷、麦芽寡糖及海藻糖的生物合成[9]。辅羧酶，易溶于水，参与催化许多有机酸的脱羧反应，可对细胞色素C的活性起到促进作用[10]。

目前，测定水体中的总磷含量常用的分析方法是钼酸铵分光光度法[11-12]，其原理是在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐作用下生成磷钼杂多酸后，立即被还原剂抗坏血酸还原，生成蓝色络合物，通常称为磷钼蓝。在测定水体中的总磷含量前，人们通常需要将水体样品进行消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐，GB11893-89规定在中性条件下采用过硫酸钾溶液对样品进行消解。但是，过硫酸钾不稳定、易分解，其溶液长期储存会导致浓度发生变化，因此必须在临用前进行配置，否则有可能导致样品消解不完全，且重复性差。当待测水体是工业废水或有机质浓度较高的水体时，由于有机物含量较高，研究者一般会加入过量的过硫酸钾来保证水体中所有的有机磷被消解完全，但国内现有过硫酸钾的纯度有限，加入过硫酸钾的量越多，其结果相对误差越大，重复性差。此外，过硫酸钾溶解性较差，0℃时溶解度为1.75 g/mL，室温下（20℃）为5.3 g/mL，而GB11893-89中试验要求为每100 mL溶解5 g过硫酸钾，这将造成在冬季室内气温较低时，过硫酸钾溶液易结晶，严重影响样品的消解率[13]。这还将导致过硫酸钾的溶解速度非常慢，必须以加热方式来加快溶解速度。若要加快溶解，绝对不能盲目加热，最好采用水浴加热法，水浴温度一定要低于60℃，否则过硫酸钾会分解失效。

有学者用过硫酸钠代替过硫酸钾进行试验[13]，但是过量钠盐与显色剂反应会产生白色絮状物质堵塞泵管，经试验，该方法不适用于AA3型流动分析仪。

本文目的在于验证一种高效便捷、误差较小的测量天然水体总磷的新方法，此方法主要针对AA3型流动分析仪。笔者选取天然水体中常见的8种有机磷，通过此创新方法和国标GB11893-89测量方法的对比，验证本方法的可信度和可行性，并通过对标样极值反复测量的方法明确新消解方法的适用浓度范围。

2 试验方法

2.1 主要仪器和试剂

主要仪器：消解瓶；高压灭菌锅；AA3型流动分析仪。

试剂：将天然水体中常见的8种有机磷配制成溶液。表1将常见的天然有机磷按照化学键的构成分为难溶（三磷酸腺苷、植酸、甲基三苯基溴化磷）、可溶（三聚磷酸钠、对硝基苯磷酸二钠）和易溶（葡萄糖-6-磷酸、葡萄糖-1-磷酸、辅羧酶）三种。其具体参数为：0.5 mL 1.4 mol/L的过硫酸铵溶液；0.5 mL 1.0 mol/L的硫酸；50 g/L的过硫酸钾溶液；其余试剂同GB11893-89中规定的试剂。

2.2 配制天然水体中常见的8种有机磷水样

2.2.1 三磷酸腺苷

称量三磷酸腺苷1.285 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。注意：为了避免有机磷光解，所有水样均用棕色1 L广口瓶保存。

表1 待消解水体样品中有机磷选取标准

2.2.2 植酸

称量植酸3.548 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.3 三聚磷酸钠

称量三聚磷酸钠3.837 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.4 甲基三苯基溴化磷

称量甲基三苯基溴化磷11.512 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.5 对硝基苯磷酸二钠

称量对硝基苯磷酸二钠8.487 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.6 葡萄糖-6-磷酸

称量葡萄糖-6-磷酸7.39 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.7 葡萄糖-1-磷酸

称量葡萄糖-1-磷酸7.648 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.2.8 辅羧酶

称量辅羧酶7.432 g，用去离子水稀释至1 000 mL，混合均匀，得到1 g/L贮备液，保存在4℃冰箱内冷藏备用。

2.3 消解方法

（1）在消解瓶中加入15 mL 2.2中所述的待消解水体样品、0.5 mL 1.4 mol/L的过硫酸铵和0.5 mL 1.0 mol/L的硫酸，将得到的装有所述混合物料的消解瓶瓶盖拧紧后松弛半圈，然后置于高压灭菌锅中进行消解处理，待压力达1.1 kg/cm2、相应温度为120℃时，保持30 min后停止加热，待压力表读数降至零后，取出放冷，自然冷却至室温即可。

（2）按照GB11893-89中所述方法，取25 mL 2.2中所述的待消解水体样品，加入4 mL 50 g/L过硫酸钾溶液，将具塞刻度管的盖塞紧后用一小块布和线将玻璃塞扎紧或用其他方法固定在大烧杯中置于高压蒸气消毒器中加热，待压力达1.1 kg/cm2、相应温度为120℃时，保持30 min后停止加热。待压力表读数降至零后，取出放冷，然后用水稀释至标线。

2.4 测量磷的含量

将消解后的样品利用AA3型流动分析仪测量出样品中磷的含量，根据2.2中配制的溶液磷含量，计算出各个样品的消解率，结果如图1所示。

2.5 对照试验

根据GB11893-89，用过硫酸钾作为消解时的氧化剂对8种水样进行消解处理，并用AA3型流动分析仪测出水样中的磷含量，计算出各个样品的消解率。

2.6 浓度范围测量

以植酸（phytic acid）为例，分别配置浓度2 μg/L、5 μg/L、10 μg/L、20 μg/L的样品，用过硫酸铵法消解测量，每个浓度的样品取3次平行样，每个平行样测量3次。植酸代表了极难溶于水的有机磷。

以植酸（phytic acid）为例，分别配置浓度0 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L的样品，每个浓度的样品重复消解5次，每个消解样品连续测量3次（n=15），以样品浓度的5%为基准，测量样品在不同浓度下的重复性。

3 试验结果与讨论

对比图1和图2可知，本文提供的方法与国标法对天然水体样品中常见的8种有机磷的消解率都超过了90%。与国标提供的消解方法相比，利用过硫酸铵作为消解时的氧化剂具有相同或更好的消解率，如采用本方法提供的方法对植酸进行消解，消解率达93.3%，而采用国标法的消解率为90%。此外，本方法消解有机磷的误差率明显小于国标法，如采用本方法对硝基苯磷酸二钠和辅羧酶进行消解，误差率在5%以内，而采用国标法误差率均超过15%。这说明采用过硫酸铵作为消解时的氧化剂对水体样品进行消解处理，重复性好、误差率小、数据可靠性强。

图1 用过硫酸铵消解法测量天然水体常见有机磷的消解率

图2 过硫酸钾消解法测量天然水体中常见有机磷的消解率

从图3可以看出，过硫酸铵法消解极难溶于水的植酸在浓度0.002～0.01 mg/L的范围内回收率并不稳定，在浓度为0.02 mg/L时，回收率稳定并且重复性高，因此，该方法适用的最低有机磷浓度建议值为0.02 mg/L。

图3 过硫酸铵消解法对低浓度植酸样品的回收率

如图4所示，在0 mg/L的样品时，样品的吸光度是高于基线值的。这也验证了图3的结论，可能是因为过硫酸铵药品不纯导致本方法无法测量总磷浓度极低的样品，同时8 mg/L的样品重复性最差，误差线已经大于样品的5%，其消解结果可信度存在一定风险。由于植酸代表了天然有机物中最难降解的有机磷成分，该方法在实践结果上适用于样品总磷浓度在0.02～6 mg/L。

图4 不同浓度植酸消解效率

4 结论

在使用AA3型流动分析仪测量天然水体总磷时，用过硫酸铵代替过硫酸钾的方法进行消解是可行的，此创新方法操作更加简便，误差更小。

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