电感耦合等离子体发射光谱法测定复混肥料中有效磷含量的研究

章明洪，王　露，陈　剑

(1.上海化工研究院有限公司/国家化肥质量监督检验中心〔上海〕　上海　200062；2.深圳市芭田生态工程股份有限公司　广东深圳　518105)

复混肥料是指氮、磷、钾3种养分中，至少有2种养分标明量的由化学方法和(或)掺混方法制成的肥料[1- 2]。由于复混肥料能够提高肥效、减少施肥次数、提高作物产量和品质、避免单质肥料不合理施用造成的环境污染等问题，其生产和使用越来越受到人们的重视。

磷是复混肥料总养分的组成部分，也是植物生长所必需的最基本的营养元素之一，不仅能加速幼芽和根系的生长，还能增强作物的抗逆性，提高抗寒、抗旱和抗病能力，改善果实品质[3]。肥料中的有效磷是指肥料中可以被作物吸收的磷组分[4]，包括水溶性磷、柠檬酸或EDTA可溶性磷，作物吸收磷肥的形态主要为正磷酸(H3PO4)盐、偏磷酸(HPO3)盐和焦磷酸(H4P2O7)盐。国内众多的试验表明，作物吸收磷的重要条件之一是必须有合适的氮磷比，因此，施用复混肥料是提高作物产量和品质的重要手段之一。

磷含量测定的主要差异之一在于有效磷的提取方法，国际上通用的提取剂主要有中性柠檬酸铵溶液、碱性柠檬酸铵溶液、20 g/L柠檬酸溶液[5- 6]和37.5 g/L EDTA溶液，美国公职分析家协会(AOAC)采用EDTA与柠檬酸盐质量比为1∶2的中性溶液作为有效磷的提取剂[7]。目前肥料中磷的测定普遍采用磷钼酸喹啉重量法、磷钼蓝分光光度法或磷钒钼酸铵分光光度法，肥料产品中有效磷的测定标准均以磷钼酸喹啉重量法作为仲裁法[8]。重量法适用于含磷量高的样品测定，磷含量低时通常采用分光光度法测定。我国国家标准《复混肥料中有效磷含量的测定》(GB/T 8573—2010)采用37.5 g/L EDTA溶液提取，喹钼柠酮重量法测定[9]，该方法是测定磷含量的经典方法，但存在操作步骤繁琐、试验周期长、试剂喹啉和丙酮会对操作者的健康构成危害等缺陷。鉴于此，国内有关使用仪器法测定磷含量的研究屡有报道，如王明锐等研究了采用EDTA溶液提取、电感耦合等离子体发射光谱法(ICP法)进行测定[10]，陈洁红等研究了采用硝酸溶液超声提取、重量法进行测定[11]，结果表明仪器法具有快速、便捷的优点。

作为对现有国家标准GB/T 8573—2010检测方法的补充，本研究开发了柠檬酸溶液超声提取与ICP测定相结合的新方法(以下简称ICP法)，即在室温条件下，选用柠檬酸溶液作为提取剂，其浓度和用量参考GB/T 20412—2006[5]，利用超声波具有的机械效应、空化效应和热效应，通过增大介质分子的运动速率和穿透力以提取肥料样品中有效磷成分，以电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP- AES)来分析磷元素的质量分数，根据样品雾化被激发后发射出磷元素的特征谱线的强度确定样品中磷元素的含量(定量分析)。通过与国标法EDTA提取-重量法测定的对比试验分析，验证了2种方法的测定平均值没有显著性差异；国内5家实验室参加的实验室间比对试验结果表明，ICP- AES法精密度高，柠檬酸溶液超声提取、ICP- AES法测定有效磷的新方法具有线性范围宽、精密度好、准确度高、分析速度快等优点，已作为复混肥料中有效磷含量测定新国家标准中的测定方法之一。

1　试验部分

1.1　方法提要

用柠檬酸溶液超声提取复混肥料中有效磷，试样溶液中的磷在ICP光源中原子化并被激发至高能态，处于高能态的原子跃迁至基态时产生具有特征波长的电磁辐射，辐射强度与磷原子浓度成正比。

1.2　主要试剂和仪器

主要试剂：柠檬酸溶液，20 g/L；五氧化二磷标准储备液，1 mg/mL；高纯氩气，体积分数≥99.999%。

主要仪器：超声波清洗器，超声功率300 W，上海科导超声仪器有限公司；电感耦合等离子体发射光谱仪，iCAP6300 Duo，赛默飞世尔科技(中国)有限公司；实验室用常规仪器。

1.3　试验样品

选用不同的复混肥料作为试验样品，试验样品含有效磷质量分数在5%～20%。

1.4　分析步骤

1.4.1试样溶液的制备

称取含有100～180 mg(精确至±0.000 2 g)五氧化二磷的试样于250 mL量瓶中，加入150 mL柠檬酸溶液，在室温条件下将量瓶置于超声波清洗器中提取6～8 min，然后用水稀释至刻度，混匀，干过滤，弃去最初部分滤液。

1.4.2ICP法测定

用移液管依次吸取五氧化二磷标准贮备液0.00、0.20、0.40、0.80和1.00 mL于5个100 mL的量瓶中，分别加入0.60 mL柠檬酸溶液，用水稀释至刻度线，混匀。此标准系列溶液含五氧化二磷质量浓度分别为0.00、2.00、4.00、8.00和10.00 μg/mL。

根据待测元素性质，选用仪器推荐的最优工作条件，用等离子发射光谱仪在波长213.618 nm处测得各标准溶液的辐射强度，以各标准溶液中五氧化二磷的质量浓度为横坐标，相应的辐射强度为纵坐标，绘制标准曲线或得出回归方程。在与测定标准系列溶液相同的条件下，将试样溶液适当稀释后测得磷的辐射强度，在工作曲线上查得相应的五氧化二磷质量浓度。

仪器推荐的最优工作条件：高频发射器输出功率1.2 kW，等离子气流量10 L/min，冷却气流量0.6 L/min，载气流量0.7 L/min，氩气压力445～447 kPa，水清洗时间30 s，样品液清洗时间30 s。

1.5　结果计算

有效磷含量(W)以五氧化二磷质量分数计，按式(1)计算：

(1)

式中：C——测定有效磷时从工作曲线上查得的试样溶液中五氧化二磷质量浓度，μg/mL；

V——试样溶液总体积，mL；

m——测定有效磷时试样质量，g；

D——测定有效磷时试样溶液的稀释倍数。

计算结果保留到小数点后2位，取平行测定结果的算术平均值作为测定结果。

2　结果与讨论

2.1　柠檬酸溶液提取及不同超声时间试验

以20 g/L柠檬酸溶液作为提取剂，分别对同一样品同时进行不同的超声提取时间试验，用重量法测定提取的有效磷含量，并与按GB/T 8573—2010测定的结果进行对比，以选择最佳的提取时间，试验结果如表1所示。

表1　不同超声时间有效磷质量分数测定结果　%

从表1可看出：含磷量低、中、高的3个有代表性的复混肥料样品采用柠檬酸溶液超声提取5 min，ICP法测定结果与国标法的负偏差大于0.30%；超声提取6、8和10 min的测定结果与国标法相比，差值在0.02%～0.08%，结果正负偏差在允许差0.20%的要求范围内，说明使用20 g/L柠檬酸溶液可以有效提取复混肥料中的有效磷。根据试验结果，选择超声时间为6～8 min。

2.2　ICP法测定磷含量的波长选择

同一样品用柠檬酸超声提取后，根据待测元素性质，选用仪器推荐的最优工作条件，分别在波长177 nm和213 nm处进行磷含量的测定，并将测得的结果与国标法测定结果进行比对，试验结果如表2所示。

由表2可看出：ICP法在177 nm处测得的结果与国标法相比误差明显偏大；在213 nm处测得的结果与国标法测定结果的绝对差值在0.01%～0.41%，除个别数据外，正负偏差的绝对值≤0.20%，因此选择最佳测定波长为213 nm(不同仪器宜选取不同的波长，与重量法进行对比选取最佳测定条件)。

表2　不同波长处有效磷质量分数测定结果　%

2.3　ICP法测定磷含量的工作曲线线性范围和检出限

标准工作溶液按1.4.2配制，在仪器最佳工作条件及213 nm下测定五氧化二磷标准工作溶液系列，根据测定值绘制的五氧化二磷工作曲线(图1)得到的回归方程为y=323.16x+5.608 5，相关系数r2=1.000。由图1可知，在该标准工作溶液系列范围内，工作曲线线性关系良好，可以满足复混肥料中磷含量的测定需要。

图1　五氧化二磷工作曲线

取连续10次平行测定试验空白溶液的测定结果，定量检出限按10倍试验空白溶液的标准差进行计算，则ICP法测定有效磷含量的检出限为0.050 72 μg/mL。

2.4　ICP法与国标法测定结果比较

同一样品的有效磷质量分数分别采用ICP法和国标法测定并进行比较，以考察新方法的精密度和准确度，比对结果见表3。

从表3可看出：不同的复混肥料采用ICP法测定的有效磷质量分数平行值的绝对差在0.01%～0.14%，满足GB/T 8573—2010的要求，说明新方法具有很好的精密度；ICP法测得的结果与国标法测得结果的绝对差值在0.02%～0.18%。

表3　ICP法和国标法测定有效磷质量分数结果比较　%

将上述8个样品作为研究对象，应用t检验法[12]研究新方法与国标法对有效磷测定结果的平均值是否存在显著性差异。

对表3的数据检验如下：

(1) 选择检验的显著性水平α为0.05；

(3) 当自由度为7时，t0.975=2.365

通过t检验发现，ICP法与国标法对有效磷测定结果的平均值没有显著性差异，证明ICP法具有的准确度是可信的。因此，采用柠檬酸溶液超声提取、电感耦合等离子体发射光谱法测定复混肥料中的有效磷含量是可行的，具有很好的精密度和准确度。

2.5　不同实验室间重现性分析

为了分析确定不同实验室间的极差，选取国内5家实验室进行了不同实验室间ICP法有效磷含量测定结果比对，试验结果如表4所示。

表4不同实验室间ICP法有效磷含量测定结果比对%

样品编号实验室ABCDE极差除实验室C外极差SZ09220.2120.5720.1720.2720.320.400.36SZ08817.9418.2917.3817.8817.970.910.41SZ11118.3718.4717.8518.1618.270.620.31SZ00715.9515.6615.2615.6415.830.690.31SZ12313.7313.5613.1913.3813.220.540.51SZ08911.2711.1110.6711.2211.120.600.16SZ0869.849.919.5410.029.690.480.33SZ0986.836.656.706.626.660.210.21SZ0875.065.104.884.965.020.220.14

从表4可看出，不同实验室测定结果的最大极差为0.91%，其中SZ088、SZ111和SZ007的极差异常高。进一步观察发现，实验室C的测定数据普遍偏低，排除实验室C的测定数据后再次进行极差统计，结果极差在0.14%～0.51%，均未超过0.60%，且有7组数据的极差<0.40%，说明ICP法的重现性很好。根据上述数据分析，可初步确定不同实验室间绝对偏差≤0.60%。

3　结语

研究建立了采用20 g/L柠檬酸溶液超声提取、电感耦合等离子体发射光谱法测定复混肥料中有效磷含量的新方法(ICP法)。试验结果表明：ICP法测定磷含量的工作曲线在试验范围内(0～10 μg/mL)线性良好，相关系数为1.000，最低检出质量浓度为0.050 72 μg/mL，平行测定的绝对差在0.01%～0.14%，不同实验室间的极差在0.14%～0.51%；采用t检验法验证了ICP法与国标法对有效磷测定的平均值没有显著性差异。ICP法具有便捷、快速、精密度好、准确度高等优点，在修订的国家标准《复混肥料中有效磷含量的测定》(GB/T 8573—2017)中，已被列入作为复混肥料中有效磷含量测定的方法之一。