便携式分光法在水质总磷应急监测中的 应用研究

郭晶晶，王 琳，张亚尼

（天津市生态环境监测中心，天津 300191）

0 引言

总磷是评价水质的重要指标，天然水和废水中的磷主要以各种磷酸盐的形式存在，可溶性正磷酸盐能被水生植物直接吸收，是引起富营养化的主要形态[1]，其在水体中的存在及含量变化规律近年来一直是各国环境科学界积极进行研究探索的课题[2]。

在突发性环境污染事故监测中，必须现场迅速掌握主要目标物的污染状况，而传统的国标方法[3]虽然精度高于快速方法，但存在成本高、速度慢、分析周期长等缺点，无法满足管理时效性要求，尤其在水质环境条件较差、工作面大、检测任务繁重或应急监测中，便携式分光法具有更加明显的技术优势[3-4]。

通过调研，发现目前市面上便携式分光设备种类众多，但是由于缺少相关标准要求，仪器生产厂家水平参差不齐，而产品的质量直接影响测量结果的准确性。本研究结合当前总磷快速检测技术发展趋势，优化了实验条件，进行了方法比对和仪器比对，提出了总磷应急测定的各项技术要点，能适应我国绝大部分环境监测及相关实验室的技术能力，满足各项管理需求。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂：硫酸、过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸铵、酒石酸锑钾、β-甘油磷酸钠、焦磷酸钠、六偏磷酸钠、磷酸盐磷溶液（生态环境部标准样品研究所生产），预制试剂（与便携式分光光度计配套使用，已配制好的即开即用型试剂）。

仪器：MI-200型便携式多参数水质测定仪（天津众科创谱科技有限公司）、SP1100型便携式智能水质分析仪（深圳市长隆科技有限公司）、DR1900型便携式分光光度计（美国哈希）、多功能智能消解仪MI-A16型（天津众科创谱科技有限公司）、P106型便携式消解仪（深圳市长隆科技有限公司）、DRB200型数字式消解器（美国哈希）、比色管或消解管（玻璃材质；带盖密封；与便携式分光光度计配套使用，用做反应器皿和比色测量器皿）。

1.2 实验原理

在中性或酸性条件下，样品在125±5℃经过硫酸钾消解，水样中有机和无机形式的磷酸盐转化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色络合物，于700±10 nm显色定量。

1.3 实验步骤

通过测定标准样品和实际样品，对消解温度和时间、显色温度和时间、干扰因素等条件进行优化，计算方法的检出限、精密度和正确度。

2 结果与讨论

2.1 消解温度和时间

消解温度和时间直接关系到样品测定结果的准确度。将消解温度梯度确定为100、120和150℃；消解时间梯度确定为10、20、30和60 min。考虑到水中总磷的常见形态，分别选取了β-甘油磷酸钠（目前市售总磷标准样品的主要成分）、磷酸盐磷溶液（生态环境部标准样品研究所生产）、焦磷酸钠、六偏磷酸钠等4种具有代表性的物质分别配制成浓度为0.50 mg/L（以P计）的标准溶液进行消解实验，同时对三个品牌的仪器进行比对实验。结果见表1～表4，图1～图3。

表1 β-甘油磷酸钠消解实验结果

表2 磷酸盐磷溶液消解实验结果

从表1～表4以及图1～图3的实验结果可以得出以下结论：

图1 消解实验结果（众科）

图3 消解实验结果（哈希）

表4 六偏磷酸钠消解实验结果

（1）3个品牌的仪器实验结果趋势一致。

（2）不同的含磷物质通过消解转变为正磷酸盐所需要的温度和时间不同。β-甘油磷酸钠和磷酸盐磷溶液只需在100℃、20 min即可完全被氧化成正磷酸盐；焦磷酸钠和六偏磷酸钠在100℃无法完全被氧化成正磷酸盐。其中六偏磷酸钠在120℃消解时，消解时间需要在30 min以上才能达到消解完全的目的。

表3 焦磷酸钠消解实验结果

（3）根据应急监测的特点，尽量选取消解时间短，又能消解完全的方案。但是实验用到的玻璃样品管耐热温度为160℃，如果选择150℃作为消解温度，会存在一定的安全隐患，同时考虑到现场环境温度差异较大，消解温度不易控制稳定。为了保证数据的准确性，选择消解温度为125±5℃，消解时长为30 min。

2.2 显色温度和时间

显色温度和时间也是总磷测定的关键参数。显色温度梯度设定为0、5、13℃（国标方法中提到低于13℃需要水浴）、20℃（室温）和40℃；显色时间梯度设定为10、15、20和30 min。用磷酸盐磷溶液配制浓度为0.50 mg/L（以P计）的标准溶液进行实验，消解温度为125±5 ℃，消解时长为30 min。

图2 消解实验结果（芬克）

同时对三个品牌的仪器进行比对实验。结果见表5，图4～图6。

从表5和图4～图6中可得出以下结论：

图4 显色实验结果（众科）

图6 显色实验结果（哈希）

（1）3个品牌的仪器实验结果趋势一致。

（2）目前的国标方法规定，如显色时室温低于13℃，可在20～30℃水浴上显色15 min。从表5中可以看出，当显色温度为0℃和5℃时，即使显色时间达到30 min，测定结果也严重偏低；当显色温度为13℃、显色时间为30 min时，可显色完全；当显色温度为室温（20℃）或40℃时，显色时间只需要10 min即可显色完全。

表5 显色温度和显色时间对测定结果的影响

（3）当显色温度为室温（20℃）时，考察了显色稳定性的问题，从显色30 min开始，每隔30 min读取一次仪器示数，结果在显色3 h后数据依然稳定不变。

图5 显色实验结果（芬克）

根据实验结果，同时考虑与国标方法的可比性，选择显色温度为15～40℃，显色时间15 min，如环境温度极低或极高可采用具有恒温装置的仪器设备。

2.3 干扰和消除

2.3.1 色度

分光光度法的原理是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量。比色液的颜色直接影响测定结果，配制了色度分别为5°和50°不同浓度的磷酸盐磷溶液，消解温度为125±5℃，消解时间为30 min，显色温度为室温（20℃），显色时间为15 min，实验结果见表6。

从表6的实验结果可以看出，三家仪器的实验趋势一致，当色度＜50°时均不干扰测定，原因可能是色度标准溶液中的有色物质在本实验测定波长处无响应。应急监测工作中，水样的颜色多种多样，无法事先预知和估计色度的大小，所以最好将所有样品进行色度补偿。具体方法为：取双份样品（取样量一致）同时消解，一份加入显色剂（抗坏血酸和钼·酸盐）测定吸光度，另一份不加显色剂测定吸光度，两者的差值带入标准曲线计算样品总磷含量，无需测定实验室空白。

表6 色度对实验结果的影响

2.3.2 浊度

浊度影响比色过程，为了考察其对测定结果的影响程度，用硫酸肼和六次甲基四胺配制浊度标准系列，然后与一定浓度的磷酸盐磷溶液混合，考察浊度对总磷测定结果的影响。消解温度为125±5℃，消解时间为30 min，显色温度为室温（20℃），显色时间为15 min，实验结果见表7。

从表7可以看出，3个品牌的仪器实验结果趋势一致。当标液浓度分别为0.10、0.50和2.00 mg/L时，浊度低于200°时不影响测定结果，当浊度＞500°时，测定结果严重偏高。考虑到现场应急监测无法判断浊度高低，因此同消除色度干扰一样，所有样品一律进行浊度补偿，具体方法同2.3.1所述。

表7 浊度对实验结果的影响

2.4 自配试剂替代预制试剂可行性研究

由于目前便携式总磷测定仪的反应原理基本一致（同国标方法GB 11893-89），尽管预制试剂包形态各异（粉剂或液态），试剂浓度和加入量各不相同，但主要成分都包括过硫酸钾、钼酸铵、酒石酸锑钾和抗坏血酸，为了延长试剂的保存期、增加难溶试剂的溶解度，生产厂家还加入了一定量的稳定剂和助溶剂。一般情况下，生产厂家对于预制试剂包的配方是保密的，即使透露主要成分信息，也不会告知具体配制方法。本文按照GB 11893-89方法配制总磷测定的相关试剂，配制校准曲线并测定有证标准样品，研究使用自配试剂的可行性。

由表8和图7～图9可以得出以下结论：

图7 校准曲线（众科）

图9 校准曲线（哈希）

表8 不同品牌仪器绘制校准曲线情况

（1）当浓度＞1.20 mg/L时，吸光值不稳定，波动很大，无法确定准确的吸光值，原因是待测物的浓度太高，超过了朗伯比尔定律的线性范围。因此将曲线线性范围确定为0～1.2 mg/L，浓度点个数为8个（包括0点），分别是：0、0.05、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00和1.20 mg/L。

（2）选用自配试剂替代预制试剂来绘制校准曲线，当浓度＜1.20 mg/L时，三个品牌的仪器，相关系数均＞0.999，有证标准样品均在给定的保证值范围内。因此用自配试剂替代预制试剂开展实验是可行的。

2.5 检出限和测定下限

根据《HJ 168-2020 环境监测分析方法标准制订技术导则》附录A中有关方法检出限的规定，按照样品分析的全部步骤，重复7次空白加标试验。以估计方法检出限的3～5倍含量进行加标，再按照样品分析的全部步骤进行测定。空白加标浓度为0.10 mg/L。

按下列公式计算方法检出限，以4倍检出限作为方法测定下限，结果见表9。

表9 检出限测定结果

式中：t（n-1,0.99）—置信度为99%、自由度为n-1时的t值；n—重复分析的样品数。

连续分析7个样品，在99%的置信区间，t（6,0.99）=3.143；s为7次平行测定的标准偏差。

图8 校准曲线（芬克）

由表9可知，当取样体积为5 mL，哈希品牌的仪器检出限为0.02 mg/L，众科品牌的仪器检出限为0.03 mg/L，芬克品牌的仪器检出限为0.05 mg/L。取三者最大值作为方法检出限，即0.05 mg/L；以4倍检出限作为测定下限，即0.20 mg/L；未经稀释的样品，测定上限为校准曲线最高点1.20 mg/L，即超出曲线范围需进行合理的稀释再进行测定。

2.6 方法精密度

2.6.1 测定有证标准物质

用生态环境部标准样品研究所生产的有证标准物质（磷酸盐磷溶液）配制成低、中、高三种浓度的标准溶液，然后用三个品牌的仪器同时进行重复测定，通过计算相对标准偏差来考察方法的精密度。

通过表1 0可以看出，不同品牌的仪器，精密度差异较大。低浓度样品的相对标准偏差＜10.0%，中浓度样品的相对标准偏差＜6.0%，高浓度样品的相对标准偏差＜5%。

表10 标准物质精密度实验结果

2.6.2 测定实际样品

选取具有代表性的地表水（代号为①）、地下水（代号为②）、生活污水（代号为③）和工业废水（代号为④），三家仪器与国标方法同时重复测定，通过计算相对标准偏差来考察方法的精密度。

从表11可以看出，不同品牌的仪器，精密度有差异，从整体上看，高浓度样品的精密度优于低浓度样品。便携式方法同国标方法无显著差异。

表11 实际样品测定结果

2.7 方法正确度

2.7.1 测定有证标准样品

选取生态环境部标准样品研究所生产的高、中、低三个批次的总磷有证标准样品，分别用三个品牌的仪器设备同时测定，考察方法的精密度，结果见表12。

从表12中可以看出，三个品牌的仪器同时测定高、中、低三个浓度的总磷有证标准样品，测定结果均在给定的保证值范围内。

表12 总磷有证标准样品测定结果 （mg/L）

2.7.2 实际样品加标测定结果

从表13中可以看出，三个品牌分别对4种水质样品进行测定，加标回收率均在80.0%～120%，正确度良好。便携式方法同国标方法无显著差异。

表13 实际样品加标测定结果 （mg/L）

3 结论

目前我国环境标准方法体系中，快速检测方法几乎为空白，导致很多快速、准确、实用和经济的分析方法，不能合法地被使用。本研究建立了便携式分光法测定水中总磷的方法，优化了实验条件，提出了消除干扰的方法，确定了方法的检出限，检验了精密度和正确度，完全满足各项管理需求。建议尽快出台相关标准，大力发展快速检测行业，为打赢污染防治攻坚战提供技术支持和数据支撑。