磷酸根离子检测的研究方法*

王洋洋，刘庆旺，范振忠，郭 昊，王 彪

（1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.大庆油田责任有限公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163318）

磷酸根离子广泛存在于自然坏境中，与人们的社会生活息息相关，在河流、天然水和工业废水中都有其存在形式，但过量的磷酸盐浓度对生态环境和人体都有一定程度的伤害，所以关于磷酸根离子的检测显得非常重要。磷酸根离子种类有很多种，其中主要是以正磷酸的酸根为主，其化学式为，同时正磷酸盐也是植物生长比较容易获得的磷形式。

现有的检测技术有很多种，但主要是基于国标磷钼蓝法或离子色谱法，需要大量化学试剂或借助于复杂仪器，操作繁琐，会造成二次污染，同时需提前采样，测量周期较长，无法实现磷酸盐在线连续自动检测[1]。近些年来，随着人工智能技术的应用，检测技术普遍得到提高，除了文章介绍的主要6 种方法外，本文还将简要介绍其它新型检测方法，对于食品、土壤及农药残留等方面的磷酸根离子检测具有一定的借鉴作用。

1 仪器检测方法

1.1 比色法

比色法是一种定量分析的方法，最早开始于19世纪30 年代，以生成有色化合物的显色反应为基础，通过添加一些物质或者色素，比较或测量有色物质溶液颜色深度来确定待测组分含量的方法，通过配置溶液并滴加显色物质，将溶液颜色与标准溶液进行对比，来确定磷酸根离子的量[2]。

早期的比色法称为目视比色法，用肉眼直接观察反应溶液的颜色变化，从而进行定量、半定量判断。其缺点是目视比色法虽然较为方便，但由于此方法实验结果易受主观意向左右，其测量精度过低，因此，常用于初步检测磷酸根离子的含量[3]。为得到更为精准的磷酸根离子数据，光电比色法应运而生[4]。光电比色法是根据朗伯比尔吸收定律，将分光光度计和比色法结合到一起，通过吸光度来判断摩尔吸收系数，从而得到磷酸根离子的浓度。虽然光电比色法精度高，检测速度快，但其昂贵的造价是不可避免的，因而Firdaus 等[5]研发出一种新的数字比色法。这种方法精度较目视比色法更高且价格较光电比色法更低[6]，可以分析溶液中包含磷酸根离子在内的各种离子浓度[7]，只需要使用手机对样品进行拍照再使用APP 进行分析即可完成离子浓度测定[8]，但数字比色法依然存在很大问题，拍摄时光源颜色、软件编程参数设定以及溶液反光等[9]问题依然会影响到最终测定结果，因此，Shen 等[10]开始将诸多因素都设置为分析基本参数，从软件算法上对数字比色法存在的误差进行修正，迄今为止，数字比色法可以将不同光源采集的数字信息通过颜色校正的方法[11]消除光电比色法中产生的绝大部分误差，从而更好的测定溶液中磷酸根的含量[12]。

目前，比色法主要适用于作物农药残留、水样检测、土壤中磷元素测定和循环冷却水等方面，比色法所具有的操作简单，成本低，分析速度快，检测周期短等优点仍广泛用于化合物的初级检测，但无论是目视比色法、光电比色法，还是数字比色法其灵敏度较低，当准确度要求较高时，不能使用比色法。

1.2 分光光度法

分光光度法主要利用物质对光的吸收程度随光的波长不同产生变化，进而绘制其吸光度与波长的关系图即可得到被测物质的吸收光谱。其中钼酸铵分光光度法方法原理是将样品高压加热，加入K2S2O8提取试样中的磷，从而反应得到正磷酸盐。酸性条件下，正磷酸盐与（NH4）2MoO4反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，使用抗坏血酸还原，得到蓝色的络合物[13]。继钼酸铵分光光度法，钒钼黄比色法是更为准确的比色方法，首先，将试样通过湿法消解和干法灰化这两种方法进行消解，在酸性条件下，加入一定量的钒钼酸铵，从而产生钒钼黄。由于钒钼黄的吸光度值与磷的浓度成正比。在440nm 时，对溶液吸光度数值进行测量，与标准系列比较定量，从而得到磷酸根含量的具体数值[14]。

而近年来，我国出台了磷酸根含量的分光光度计法的具体测定标准，将样品在酸性条件下进行消解，磷元素能够和钼酸相互反应，得到具有一定的氧化性的磷钼酸铵，能够在还原剂苯二酚、H2SO3等的作用下变为钼篮，这是一种蓝色化合物。对于钼篮来说，其在660nm 的波段处，所具有的吸光度值和磷元素的浓度呈现出正相关，借助分光光度计来检测试样溶液，与标准系列比较定量，从而确定和计算磷酸根含量的具体数值[15]。

分光光度法在磷酸根检测方面重现性好、灵敏度和准确度较高，但前期处理较为复杂，还要与具体的检测标准对比且需使用分光光度计等相关仪器，均有一定的误差分析因素。按照GB5009.87-2016《食品安全国家标准食品中磷的测定》的标准，分光光度法目前主要应用于食品中磷含量的检测。

1.3 气相色谱法

气相色谱法主要是利用各组分物理性质的差别，进行多组分混合物分离和测定的方法，在测定各种磷酸根离子方面的使用较为广泛。目前，测定有机磷色谱的方法有气相色谱法、气相色谱-质谱联用仪法、快速溶剂萃取气相色谱法以及QuECHERS 法，气相色谱法技术比较成熟，应用比较广泛。气相色谱-质谱联用仪法检测灵敏度高、分析速度快，但采用索氏提取、超声提取、微波提取、快速溶剂等方法进行萃取，实验具有一定危险性、价格昂贵，应用范围较小；用传统的固相萃取柱进行检测净化效果好，但步骤繁琐，回收率不高；用QuECHERS 方法需要对待测液进行离心从而提取有机相，虽然提取回收率较高，但基质效应明显[16]。快速溶剂萃取气相色谱法[17]作为一种高效、快速的测定方法，首先需要选取固相萃取材料，在配制磷酸根溶液后，即可混合进行气相色谱仪检测。

气相色谱法应用范围广，不仅可以检测食品方面，水资源和蔬菜农药残留方面的磷酸根离子含量，在土壤磷含量分析、聚合物中磷酸根离子检测上都有很大的应用前景，但气相色谱仪操作繁琐，控制因素较多，色谱柱造价昂贵且极易污染。近年来，高灵敏选择性检测器的普遍使用，使气相色谱法具有分析灵敏度高、选择性高和分析速度快等优点。

2 人工检测方法

2.1 重量法

重量法又称重力测定法，可分为沉淀法、汽化法、电解法和萃取法，其原理在于用浸提剂提取待测物质中不易溶于水的含磷成分，将磷酸根转化为沉淀，烘干后测量沉淀的重量计算出磷酸根的含量。早在1979 年，冯文骧等便采用了磷钼酸喹啉重量法，通过在酸性条件下加入喹钼柠酮试剂，将磷酸根转化为磷钼酸喹啉沉淀的方法测定了缩聚磷酸钠中磷酸根的含量，并认为重量法是相对于络合滴定法误差较小的测定方法。宋学兰、季秀霞等[18,19]在测定溶解度较小的固体物质中磷含量时，通过加入试剂，将难溶于水的磷化合物转化为有效磷的形态，继而增加沉淀剂的方法得到沉淀，而后采用重量法测定水稳剂和磷肥中磷酸根的含量。最终认定重量法虽然步骤较为繁琐且耗时较长，但相对于其它测定方法而言，重量法计算得到的磷酸根精密度和准确度极为优秀。

随着工业发展日新月异，越来越多的含磷产品被开发，因此，重量法仅仅采用喹钼柠酮作为沉淀剂已经不能满足绝大部分含磷产品中磷含量，因此，李原等[20]使用乙二胺、CoCl2以及LiOH 制备出一种用于重量法新的沉淀剂[Co（en）2Cl2]Cl，和热失重法测定结果仅相差0.23%，认定此种沉淀剂可以应用在缩合磷酸铝中磷酸根的测定。

由于重量法测定中不需要与标准样或空白样进行对比，故其准确度高，但实验周期长且操作步骤繁琐，不适用于微量组分分析，一般可用于无机化合物和有机化合物的磷酸根离子的测定，由于自身的局限性，此方法现在主要应用于农业化肥、磷矿石和磷精矿中的磷酸根离子含量测定分析。

2.2 电位法

电位法是通过在零电流条件下测定两电极的电位差，利用指示电极的电极电位与浓度之间的关系，来获得溶液中待测组分的浓度。王孝荣等[21]采用直接电位法，在酸性条件下令Fe3+和发生氧化还原反应，根据Fe3+电对的电极电位推算磷酸根离子的含量，经实验认定，对于磷酸根含量低的液体测量较为准确，而磷酸根含量高的测定结果无规律性。周言凤等[22]认定电动势随待测离子浓度的变化取决于离子本身电荷性、指示电极和参比电极跟仪器的正负极连接情况。刘美霞等[23]认为电位滴定法远比传统手工滴定法精度高，回收率可控偏差2%以内，但测定的磷酸根含量比理论值略高。在电位滴定中，通过酸碱滴定、氧化还原滴定、络合滴定以及沉淀滴定的方法可以连续滴定水中多种离子浓度。通过以上分析可以看出，在最近几年，电位滴定法得到了越来越多的发展，由于本方法避免依靠指示剂颜色变化来指示滴定终点所带来的误差，避免了分析人员的主观因素和操作技术等引起的误差，其重现性、准确度和精密度要优于传统的人工滴定法。

电位法所具有的较高的准确度、精密度，并可实现自动化和连续测定等优点，是其它方法不能比拟的。目前，主要应用于锂电池、电镀液、抛光液、土壤重金属和工业污水排放方面，但检测化合物的温度变化、液体接界电势和标准电极电位的选择都会在一定程度上影响电位法的测定。

2.3 络合滴定法

络合滴定法又称螯合滴定法，其原理是形成稳定络合物的反应来进行滴定分析检验，在化学分析中应用范围广泛。不仅可以用于测定磷酸根离子的浓度[24]，同时对锌离子、钨离子、硒离子等各种离子的浓度都可以进行测定。陈焕光等认为在络合滴定法中，螯合剂和金属指示剂在其中至关重要，对于溶液中磷酸根离子浓度的测定，宋清等采用Bi（NO3）3为沉淀剂，并结合EDTA 溶液，析出过量的铋离子测定磷酸根离子浓度。最终结果表明，络合滴定法测定磷酸根离子浓度可以不过滤、灵敏性高、反应快速且反应要求简单，但其缺点很明显，存在离子干扰等会对实验结果产生误差；邹运香等采用离子交换分离的方法进行络合滴定，取KCl 为洗提剂将阴离子交换树脂作为交换柱，用萘酚绿B、酸性络兰K、达旦黄混合作为指示剂，采用EDTA 二钠盐滴定，测定磷酸根的浓度。

络合滴定法具有稳定性高、反应速度快和操作简单方便等优点，主要借助络合剂的标准溶液滴定检测物质的磷酸根离子浓度，同时还需借助金属指示剂的变色范围或其它方法来指示滴定终点。但络合滴定法有很大的人为因素，对金属指示剂的选择和变色范围及颜色的深浅度都有很高的要求，即使是同一检测人员也可能对不同颜色变化的敏感程度不同，因此，会造成络合滴定的准确度不高、重现性困难，目前，络合滴定法主要应用于实验室化合物溶液和一些含磷矿化物溶解后的磷酸根离子含量测定。

3 其它检测方法

近些年来，随着纳米技术的快速发展，新的检测方法层出不穷，特别是荧光分析法，一种基于分析物改变荧光材料物理化学性能的检测方法，对于环境和各种水体污染物中磷酸根离子检测具有快速、高敏感性及原位检测等优点，选择合适的荧光探针结合荧光分析方法可以实现原位和定量检测目标物[25]。此外，核磁共振磷谱（31P NMR）也是一种被广泛用于含磷物质定性定量分析的分析检测技术，31P NMR谱只对磷原子产生信号，无其他元素干扰且快速准确测定膦酸钠、亚磷酸根和磷酸根离子[26]。除了上述方法外，高效液相色谱法、薄层色谱法也广泛被使用，同时为了减少环境污染，生物传感技术、免疫分析法、各种活性酶抑制法和磷酸根分析仪法也对检测磷酸根离子方面发挥着很大作用。

4 结语

磷酸根离子的测定主要分为仪器检测方法和人工检测方法，本文详述分析了磷酸根离子的检测方法，同时对于不同化合物的磷酸根离子检测提出相对应的检验方法。

（1）仪器检测法中，比色法由目视比色法发展为数字比色法，对于磷酸根离子浓度较低的溶液中，数字比色法更为快速便捷，分光光度计法前期对样品的处理较为复杂，但重现性好、灵敏度和准确度较高，目前，还主要应用于食品方面，气相色谱法可以进行多组分的分离和检测，选择性高、分析速度快，相较于其它两种方法应用范围广，特别适合混合物中磷酸根离子的高灵敏度的检测，但同时色谱柱造价昂贵，极易污染，因此，不得不考虑成本因素。

（2）人工检测法中，重量法测定对仪器、药品以及操作人员技术要求不高，但实验步骤过于繁琐且所需沉淀量较大，适用于磷酸根离子浓度较高的物质测定；电位法通过测定电极的电位从而计算磷酸根离子浓度，一定程度上减少了主观影响因素，同时可以进行连续测定，在精密测定领域应用广泛；络合滴定通过滴加金属指示剂来指示滴定终点，对于操作人员技术要求较高，但准确性较低，由于其操作简单，现常用于实验室测定磷酸根离子浓度。

（3）由于磷酸根离子数目种类众多，各种检测方法只能检测一种或几种，如何做到同时检测出磷酸根离子的数目仍然是未来的研究方向。现在随着人工智能技术的应用，仅靠单一方法检测有很大的不确定性且准确度低，因此，仪器检测法和人工检测法联合使用是未来检测技术发展的研究方向。考虑到成本、检验速度以及实验误差，采用数字比色法和络合滴定法联合使用是未来磷酸根离子浓度检测技术的主要发展方向。过量的磷酸根离子对环境有一定的危害性，因此，如何科学检测还需深入探讨研究。