微波消解—流动注射法测定海水中总磷

王盼盼 崔建升 魏福祥 何礼 王中荣 屈加豹 刘大喜

摘要：為了实现实时监测近岸海域海水中的总磷水平，采用微波消解-流动注射-紫外分光光度法进行测定，并通过控制程序实现连续测定。优化了消解条件、进液顺序和显色剂质量浓度等实验条件，并在最佳实验条件下测定的海水中总磷浓度与吸光度呈良好线性关系。标准样品检验的相对标准偏差（RSD）为4.095%，样品的加标回收率在95%～98%之间。研究方法稳定性的检测结果显示，零点漂移在±0.1%之内，量程漂移在±3%之内，符合《近岸海域水质自动监测技术规范》（HJ 731—2014）的要求。用微波消解-流动注射-紫外分光光度法测定的大连老虎滩表层海水中总磷的质量浓度为0.068 9 mg/L，与国标法（GB/T 12763.4—2007）测定结果（0.069 3 mg/L）无显著性差异。因此，该测定方法可用于快速测定海水中总磷的含量，为实现海水富营养化的预警监测提供可靠数据。

关键词：环境生态学；总磷；微波消解；流动注射法（FIA）；海水

中图分类号：X830.2文献标志码：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01003

Determination of total phosphorus in seawater by microwave digestionflow injection spectrophotometry

WANG Panpan1，2， CUI Jiansheng1，2， WEI Fuxiang1，2， HE Li1，2， WANG Zhongrong3，

QU Jiabao1，2， LIU Daxi1，2

（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； 3. College of Electronic Information and Optical Engineering， Nankai University， Tianjin 300353， China）

Abstract：In order to monitor the total phosphorus level in the coastal waters in real time. A method for determination of total phosphorus in water by digestion and flow injection spectrophotometry is described. Total nitrogen is determined continuously by controlling program in the coastal area. Effects of experimental conditions have been optimized，including the digestion condition， the order of liquid and the mass concentration of the color developing agent. Under the optimal conditions， the concentration of phosphorus in seawater is in good linear relation with absorbance. The relative standard deviations （RSD） of TP is less than 4.095%. The standard addition recoveries of TP are from 95% to 98%.The method has high sensitivity as well as precision. Zerodrift rate and range drift rate are less than ±0.1% and ±3%respectively. The determination results agree well with those obtained by the specification for automated water quality monitoring in coastal area （HJ 731—2014）. The determination of total phosphorus in surface waters of Dalian Tiger Beach concentration of 0.068 9 mg/L， 0.069 3 mg/L with national standard method（GB/T 12763.4—2007）of measurement results. There is no significant difference. The determination results agree with those obtained by the national standard method. The content of total phosphorus in seawater can be quickly determined by this method. It provides reliable data for the eutrophication of sea water and realize early warning and monitoring.

Keywords：environmental ecology； total phosphorus； microwave digestion； flow injection analysis （FIA）； sea water

磷是很多海域生物生产力的限制因素，无论是在近岸海域还是在寡营养的海洋区，在长时间尺度上，磷都是最终的限制性营养盐，因此，磷酸盐超标是世界沿岸海域的一个重要污染问题，磷酸盐浓度升高是中国海域海水富营养化的主要原因[1]。近几年磷酸盐的影响愈发突出[24]，人们不得不重视对海洋中总磷（TP）的监测。导致海水中总磷浓度变化的直接原因比较复杂，主要是人类活动对近岸海域造成的巨大影响，尤其是海水养殖造成海水中磷酸盐浓度增大[58]。为了预防水质恶化造成严重损失，对海水中总磷的及时、快速检测也就变得尤为重要。用离子色谱法测定水体中总磷，由于海水的成分复杂，因而对淋洗液和色谱柱的影响较大[912]；刘宏欣等[13]使用近红外光谱测定水体中总磷，但是仪器体积庞大无法实现总磷的快速在线监测；艾仕云等[14]用纳米二氧化钛膜光催化分解电化学法联用技术测定总磷，但由于纳米二氧化钛膜制备过程复杂，使得样品测定周期延长。上述方法都不适用于海水总磷的在线连续监测。海水中总磷分为颗粒磷（PP）和总溶解磷（TDP），在大多数开阔的海洋环境中，TDP储库一般远远超过PP储库，所以过滤之后剩余微量的PP对测定结果的影响几乎为零[15]。笔者研究了一种微波消解-流动注射-紫外分光光度法连续测定海水中总磷的方法，与顺序注射紫外分光光度法[16]相比，其抗干扰能力更强，材料更防腐蚀，且费用低，通过控制程序可实现连续进样并实时传输数据。通过控制比例分配阀和柱塞泵，实现氧化剂和样品定量吸收并注入消解罐，在消解罐中快速升温消解，并利用磷钼蓝分光光度法快速测定总磷含量。

1实验部分

1.1仪器

1.1.1仪器模块

在线消解流动注射分光光度仪由水样采集及预处理模块（柱塞泵比例进液模块）、消解模块、TP显色模块、分光光度测定模块、计算机编程控制模块及数据处理和分析模块组成，具体见图1。

图1中水样采集及预处理模块由微型柱塞泵（MP50001LB，保定兰格恒流泵有限公司提供）和电磁阀（WTA2R4MICG3，24VDC，高砂电气有限公司提供）控制采样选择和采样体积；消解模块由自主研发的微波消解装置和降温装置（风冷和蒸发器）组成；TP显色模块主要由蠕动泵（蠕动泵泵头型号为DG4C，oem驱动器型号为T100S56，保定兰格恒流泵有限公司提供）作为动力源；分光光度测定模块由流动比色皿及发光二极管组成。仪器使用GS326+360型号接口连接各部件，使用抗酸性较强的pharmed管（2.06 mm×0.85 mm）作为连接软管，连接硬管为PTFE管（1.6 mm×3.2 mm）。

1.1.2仪器方法

采用微波/过硫酸钾消解流动注射紫外分光光度法测定海水中总磷，用编程控制器操作仪器，保证了测定全过程无人为干预[1719]，具体流程如图2所示。消解过程：柱塞泵将氧化剂和海水样品按时间设定比例（1∶1）打入消解罐，消解模块自动开启消解模式，持续一定时间；降温过程：消解罐风冷降温500 s，蒸发器管路降温40 s；显色过程：利用阀门和蠕动泵严格控制不同试剂瓶中的进液量，5，6，7号管路对应连接的三通阀同时打开蠕动泵，以50 r/min的转速运行一定时间确定进液量，并在化学反应单元显色；测定过程：检测器在流动比色皿中获取信号值，测定样品的吸光度值，数据处理和分析模块根据系统已有的线性关系转化成相应的浓度值，由显示屏直接读取。

1.2试剂及样品

实验用水为超纯水，对所用试剂采用超声波振荡20 min以排除液体中的微气泡。除有特殊标注，实验所用试剂均为优级纯。

显色剂PA：称取12.5 g钼酸铵溶于水中，配制300 mL（体积比1∶6）的硫酸溶液，冷却至室温后转移至500 mL棕色容量瓶中定容混匀；显色剂PB：分别称取0.2 g酒石酸锑氧钾、10.0 g无水硫酸钠和15.0 g抗坏血酸溶于水中，转移至500 mL棕色容量瓶中定容混匀；氧化剂：将3.75 g过硫酸钾（高纯，德国Fluka公司提供）与0.970 1 g氢氧化钠定容于500 mL容量瓶中；加标试剂：甘油磷酸钠；人工海水：采用KESTER的人工海水配方[20]（鹽度为35）制得1 mg/L（总磷）和4 mg/L（总磷）的人工海水样品，使用标物编号为BW30031100S50的总磷标准溶液（0.05 mol/L硫酸），以盐度为35的人工海水为溶剂，配制成100 mg/L（以磷计）溶液；真实海水样品：大连老虎滩的表层海水（按照《海洋调查规范（第4部分）：海水化学要素调查》（GB/T 12763.4—2007）[21]规定方法保存）。

2结果与讨论

2.1条件优化

2.1.1显色条件优化

实验采用磷钼蓝分光光度法，结果表明，钼酸铵质量浓度为25 mg/L、硫酸溶液为300 mL（体积比1∶6）、酒石酸锑钾质量浓度为25 mg/L、无水硫酸钠质量浓度为25 mg/L、抗坏血酸质量浓度为25 mg/L时显色效果最佳。硫酸溶液配比对显色效果影响最大，图3为4 mg/L（含磷）标准溶液在不同配比的硫酸溶液条件下吸光度值的变化。由图3可见，硫酸溶液配比的不同严重影响测定结果，当配比大于1∶7（体积比，下同）时，产生一种沉淀性蓝色物质，所以吸光度值有一个显性增大假象，所以选择1∶6的硫酸溶液为最佳显色配比。因此，在实验过程中要严格控制整个反应流路的pH值。

2.1.2消解条件的优化

在120 ℃条件下，持续消解25 min，则可使过硫酸钾反应完全，将样品中的有机磷彻底消解。在此条件下，氧化剂对实验所测吸光度值造成的影响几乎为0。对质量浓度为1 mg/L的样品（含有机磷）进行实验。综合考虑实验消解效率及测定时间因素，选择消解时间为27 min（如图4所示），消解温度为135 ℃（如图5所示），定为最佳消解条件，且在此条件下过硫酸钾本身产生的吸光度值对样品测定结果的影响几乎为0。

2.1.3管路进液顺序优化

实验初期采用PA—样品—PB的进液顺序，由于蠕动泵的压力在非进液管路中容易进入气泡，而对实验结果产生严重干扰，造成测定结果的不稳定。最终，实验选择PA、样品和PB同时进液至反应管路，并在反应管路中增加了气囊以排除少量气泡的干扰。图6中展示了某次实验的测定结果，每秒对应一个吸光度值，取有效区间平均值作为此次测得的有效数据。

2.1.4泵速优化

为了验证样品及显色剂的推送速度对测定结果的影响，在保证进液总量相同的情况下，通过改变蠕动泵的转速来考察不同进液速度（泵速为10，20，30，40，50，60，70 r/min时，对应液体的流速分别为2.8，5.6，8.4，11.2，140，16.8 mL/min）时的吸光度值。由图7可见，蠕动泵的转速对实验结果基本无影响，但是综合考虑蠕动泵的安全转速与测定时间2个因素，选择50 r/min作为实验最佳泵速。

2.2测定结果

2.2.1标准曲线（线性范围）及检出限

对实验数据进行分析可知，在总磷质量浓度为0.003～5 mg/L时，y=0.038x+0.003，相关系数r=0.997 0，线性关系良好。根据检出限MDL=t（n-1，0.99）·S，（n=21时，t=2.528），测得检出限为0.000 71 mg/L。

2.2.2准确度和精密度

采用产品编号为GBW（E）081228的1.09 mg/L（以磷计）水质总磷标准样品进行校正检测，测定结果如表1所示。连续测定3组配制样品（含磷007 mg/L，与海水中成分接近）和3组加标样，结果如表2所示。

2.2.3方法稳定性

仪器稳定性是检测仪器方法的重要指标，稳定性检验包括零点漂移和量程漂移，量程漂移检验选择仪器量程的20%（含磷1 mg/L）和80%（含磷4 mg/L）的标准溶液。如图8和图9所示，24 h零点漂移量在±0.02%之内，量程漂移量在±05%之内；30 d零点漂移量在±0.1%之内，量程漂移量在±3%之内，符合《近岸海域水质自动监测技术规范》（HJ 731—2014）的要求。

2.2.4国标法对比检测

对微波消解-流动注射-紫外分光光度法（简称流动注射法）与《海洋调查规范（第4部分）：海水化学要素调查》（GB/T 12763.4—2007）中的总磷测定方法[20]（简称国标法）进行对比。实验分别采用流动注射法与国标法对产品编号分别为GSB073169—2014和GBW（E）081228的标准样品（标准值分别为0.403 mg/L和1.09 mg/L（以磷计，质量浓度））进行测定，实验结果如表3所示，可以看出2种方法测定结果的RSD均在3%以内。

用微波消解-流动注射-紫外分光光度法测定大连老虎滩表层海水的总磷质量浓度为0.068 9 mg/L，如表4所示，与国标法的测定结果（0.069 3 mg/L）无显著性差异。

3结语

流动注射法与顺序注射法使用试剂量和样品量均较小，但是流动注射法抗干扰能力更强。本研究方法的测定结果不是某一时刻的测定值而是有效区间内的平均值，可以排除由于其他干扰因素造成的偶然性误差。通过实验确定了最佳测定条件：最佳消解时间为27 min，消解温度为135 ℃，进液顺序为PA、样品和PB同时经过蠕动泵进入反应器，泵速为50 r/min。结果显示，总磷在测定浓度范围内具有较好的线性关系，标准样品的RSD为4.095%，样品的加标回收率在95%～98%之间，零点漂移量在±0.1%之内，量程漂移量在±3%之内，符合《近岸海域水质自动监测技术规范》（HJ 731—2014）的要求。采用微波消解-流动注射-紫外分光光度法可以快速测定海水中总磷的含量，为实现海水富营养化的预警监测提供可靠数据。

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