连续流动分析用于总磷在线监测的可行性研究

张卫宏，赵 宇，董建民，刘子杰，张茗迪

中节能天融科技有限公司，北京 100085

总磷是水质污染评价的重要指标，当总磷浓度超标时，会加速水体富营养化，从而造成大量的鱼虾死亡，藻类急剧繁殖，破坏地表水生态系统平衡[1-2]。目前地表水中总磷在线监测技术以磷钼蓝法为基础，通过蠕动泵或注射泵依次加入各固定体积的显色试剂，然后在密闭的反应池中高压消解和加热显色，该方法与手工方法原理一致，但是检测时间大于50 min，严重影响在线监测的即时性要求[3-6]。连续流动分析(CFA)方法自1957年被提出以来，技术日臻完善，以其灵敏度高、稳定性好、检测速度快逐渐应用于实验室水质检测[7-11]。该方法主要由自动进样器、蠕动泵、化学反应管和光度计组成，其原理为均匀的空气泡将样品与样品分割开来，在连续流动的作用下，依次通过光度计，通过对吸光度的比较得出结果[12-14]。但是对于在线监测系统，水样采集一般为1～4 h/次，同时由于野外无人值守，对于试剂消耗量有更高的要求，如何将CFA方法应用于总磷在线监测还未有报道。本研究通过对CFA方法流程的分解优化，使其满足总磷在线监测应用的需求。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

连续流动分析仪由北京海光仪器有限公司提供，型号为HGCF-100；软件为HGCF全自动分析仪软件；总磷标液购自国家标准物质研究中心，使用时用去离子水逐级稀释至0.5 mg/L；所用试剂均为优级纯，由国药集团化学试剂有限公司生产。实验用水为电阻率大于10 MΩ·cm(25 ℃)的高纯水。

过硫酸钾溶液：溶解3.3 g过硫酸钾到700 mL水中，然后缓慢加入85 mL硫酸，边加入边搅拌，冷却至室温后用水定容至1 L。钼酸盐溶液：溶解5 g钼酸铵、0.1酒石酸锑氧钾于300 mL水中，用水定容至500 mL。抗坏血酸溶液：溶解15 g抗坏血酸至300 mL水中，用水定容至500 mL。氢氧化钠溶液：溶解40 g氢氧化钠至300 mL水中，冷却至室温后用水定容至500 mL，加0.5 mL 单(双)十二烷基硫酸盐二苯氧钠(FFD6)。硫酸溶液：量取80 mL硫酸缓慢加入300 mL水中，冷却至室温后用水定容至500 mL，加入0.5 mL单(双)十二烷基硫酸盐二苯氧钠(FFD6)混匀。

1.2 实验方法

将连续流动分析仪实验室检测流程进行分步拆解，选择其对降低试剂消耗量和缩短反应时间有显著影响的进程，考察反应体系中的压力波动，然后对各参数进行优化，建立适用于总磷在线监测使用的CFA方法，实验参数为波长880 nm、取样时间60 s、清洗时间120 s、加热温度97 ℃、保温温度37 ℃、积分时间640 s，并对水样、加标回收率和质控溶液进行测定。

1.3 实验原理

CFA方法原理：在图1所示的管路中，水样和各化学试剂在蠕动泵的推动下进样、混合、反应，直至显色出峰。在一个反应全周期里包括进样时间、输送反应时间和出峰时间。当检测一个水样时，一个反应全周期时间较长，但在连续进样后，输送反应时间相互重叠，从而相对缩短样品检测时间(见图2)。同时，输送反应时间也可作为待机预热时间，此时出峰时间可视为样品检测时间。由于整个反应过程在毛细管路中进行，具有预处理效率高、反应速度快、安全性好、试剂消耗量小的特点[14]。

图1 总磷CFA流路图Fig.1 Flow diagram of CFA on total phosphorus

图2 CFA连续检测信号图Fig.2 Signal diagram of continuous flow analysis

总磷-钼酸铵法光度法原理[15]：试样中加入过硫酸钾溶液，经过紫外消解和(107±1)℃酸性水解，各种形态的磷全部氧化为正磷酸盐，正磷酸盐在酸性介质中、锑盐的存在下，与钼酸铵反应生成磷钼杂多酸，该化合物立即被抗坏血酸还原生成蓝色化合物，于波长880 nm处测量吸光度。

2 结果与讨论

CFA方法的优势有二：其一为化学反应发生在密闭软管中，结构设计灵巧，便于小型化；其二为检测速度快。但水样快速检测的前提是有连续的水样进入，如果使用间隔采样(如在线监测要求的1～4 h采样周期)，其快速检测的优势发挥有限。所以缩短CFA检测时间，对于该技术应用于在线监测具有重要意义。

在CFA反应体系中，反应盘管决定了反应试剂的混合程度；泵速主要决定了进液速度和基线的稳定程度。为提高进液速度，缩短反应时间，最直接的方法就是提高泵速。在原有实验室CFA化学反应的基础上，利用HGCF全自动分析仪软件对工作泵速、待机泵速的控制和信号的读取，从泵速变化入手，重点考察了反应管路内压力波动、信号稳定性、出峰时间、化学反应的波动变化和废液产生量等因素与泵速的关系。

2.1 泵速对废液产生量的影响

在实验室CFA方法中，蠕动泵一直以工作泵速连续转动，但在在线监测领域中，因为采样频次为每隔1～4 h采样1次，所以如果在待机时间也按照工作泵速运转会造成大量的试剂浪费。如果在待机时间内停止蠕动泵运转，反应体系中加热器的持续工作会引起体系内压力过大，从而造成管路接口崩开或试剂固体析出。所以需要蠕动泵在待机时间内以低泵速运行。本实验对比了2～12 r/min转速下总废液的产生量，发现随着转速下降，废液量明显降低(图3)。在2 r/min下废液产生量比工作状态泵速(15 r/min)产生的废液量减少了85%。本实验选择2 r/min为待机转速。

图3 不同泵速与废液体积变化Fig.3 Relationship between pump speedsand waste liquid generation

2.2 泵速对管内压力稳定的影响

蠕动泵从低泵速切换到高泵速时，进液量突然增加会造成密闭管路内压力骤增，由此引起的压力波动会对混合和反应过程带来影响，进而引起基线不稳和定量计算错误。实验主要研究从低泵速到高泵速的压力变化过程，从而确定合适的工作泵速范围。

从图4可看出，随着工作泵速增加，管路压力波动时间缩短。当泵速5 r/min时波动时间为50 min；随着泵速增加到40 r/min时，波动时间由25 min缩短到5 min；当泵速超过40 r/min后，管路压力波动较为严重，已经无法形成稳定体系压力。由图4可知泵速在25～40 r/min范围内波动较小，且波动幅度较为稳定。所以，泵速增大会逐渐缩短波动时间，有利于压力体系快速稳定。后续实验可针对25～40 r/min范围，根据化学反应出峰时间确定最优的泵速。

图4 不同泵速下体系压力变化图Fig.4 The influence of pump speeds on system pressure

2.3 泵速对检测时间的影响

蠕动泵泵速太慢会出现峰形拖尾，浓度扩散严重，从而造成峰高降低，峰尖平凸，同时也会延长检测时间，降低灵敏度。泵速太快会造成混合反应不充分，峰高降低，甚至压力太大造成接头崩开漏液。实验对比了泵速在5～40 r/min范围内0.25 mg/L总磷标液检测峰形的变化。从图5可以看出，随着泵速增加，起峰时间加快，峰高逐渐增长，在30 r/min时峰高达到最大值，之后峰高逐渐下滑，并且出现平头峰。通过分析可知：出峰提前是由于混合加快；峰高增长是由于进样增加；在峰高增长之后的降低以及平头峰是由于进样量太多，导致无法均匀混合。所以转速30 r/min对检测时间、灵敏度而言是最佳选择。同时，在30 r/min下，起峰时间11 min(图6)，峰顶点时间为13 min，均避开了10 min内的压力波动，可以实现对检测结果的准确定量。

图5 不同泵速下样品信号谱图Fig.5 Sample signal diagram atdifferent pump speeds

图6 泵速与峰顶时间关系图Fig.6 Relationship betweenpump speeds and peak time

2.4 泵速对反应稳定性的影响

泵速的增加会对反应体系的稳定产生影响。当泵速较低时，试剂混合充分，化学反应完全，但结合管内压力波动，又会对反应稳定性产生影响。考察了不同泵速下总磷显色反应的稳定性，用1.60 mg/L标准溶液连续6次检测吸光度的标准偏差(SD)来进行表征。从图7可知，在泵速10～20 r/min范围内和40～50 r/min范围内，SD起伏较大，而在25～35 r/min之间SD最低。这是受泵速变化引起基线波动产生的影响。结合图4、图6、图7分析，在泵速10～20 r/min之间管路压力波动较大，同时起峰时间正是波动较为明显时刻，所以吸光度信号产生并不稳定，SD偏大；而10 r/min时起峰时间正好与管内压力相对稳定的时间重合，所以此时SD较低；同理，在40～50 r/min之间的SD较大，而在25～35 r/min之间管内压力波动已经平复，从而获得较为稳定的结果。综上所述，本实验选择了灵敏度最高、稳定性最好的泵速30 r/min为本方法的最终泵速。

图7 泵速对检测稳定性的影响Fig.7 The influence of pump speedson detection stability

2.5 泵速对消解效率的影响

与传统高温高压消解方法不同，CFA方法使用加热和紫外照射，通过过硫酸钾氧化实现各种复合态的含磷化合物转化为正磷酸盐。消解时间通过控制加热盘管和紫外盘管圈数来实现。当增加泵速时，样品的消解时间缩短，可能会对消解效率造成影响。本实验参照《水质 磷酸盐和总磷的测定 连续流动-钼酸铵分光光度法》(HJ 670—2013)标准对总磷的消解效率进行了验证，发现在原泵速15r/min下，5-磷酸吡哆醛的消解效率为97.8%；在其他条件不变、泵速增加为30 r/min时，消解效率为94.3%，虽然消解效率下降明显，但是仍在标准允许的消解效率范围(>90%)内。所以30 r/min时仍可以保持较好的消解效率。

2.6 线性关系、精密度和检出限

研究过程中，对方法的线性范围进行了实验。按照水质在线自动监测仪的技术要求，常规采用单点进行校准，然后多点线性核查进行方法可靠性的评价[16]。本方法直接采用多位阀控制，可同时实现4个标准溶液的曲线校准和多点线性核查。配制系列质量浓度的总磷标准溶液为0.00、0.25、1.00、2.00 mg/L，在泵速为30 r/min时测定总磷的峰高，并以峰高对质量浓度进行线性回归，线性范围为0～2.00 mg/L，线性方程为

y=0.227 1x+ 0.004 4，相关系数r=0.999 8。

对质量浓度为1.60 mg/L的总磷溶液进行7次平行测定，检测结果在1.586～1.603之间，测得其相对标准偏差为0.4%。

平行测定空白溶液11次，得出测定浓度标准偏差为0.000 8，按照公式[17]计算检出限为0.002 mg/L。

2.7 准确性验证

采用生态环境部标准样品研究所的总磷质控样品(编号为203984，标准值为1.14 mg/L，不确定度为±0.05 mg/L)对方法及仪器进行检验。质控溶液配制过程：用大肚移液管吸取10 mL所购质控溶液于250 mL容量瓶中，再用去离子水定容至刻度，摇匀后待机测定，结果见表1。由表1可知，检测浓度在质控允许范围内，证明仪器稳定可靠。

表1 质控样的测定Table 1 Determination of quality control samples

2.8 实际水样检测

从山东省东营市六干排、溢洪河、南望参、老广蒲沟和北京市通州区马驹桥监测网点采集地表水水样，分别用实验方法直接测定，并进行加标回收率实验，具体过程：取100 mL待测水样，加入1 mL 100 mg/L的磷酸盐标准溶液，混匀之后上机测定，结果见表2。从表2可知，该方法回收率在79.7%～109.4%之间，证明方法稳定可靠。

表2 水样回收率测定结果(n=3)Table 2 Results of sample recovery

从表1和表2可以看出，检测结果满足生态环境部水质在线自动监测技术要求[16]，可用于地表水在线监测。

2.9 方法对比

本实验选取潮白河、温榆河、江苏省沭阳县古泊河水样作为待测水样，分别用本实验方法、常规在线监测仪器方法和《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》(GB 11893—1989)标准方法进行对比。由表3可知，本实验方法与手工标准方法无显著性差异，比对结果符合《地表水自动监测技术规范(试行)》(HJ 915—2017)要求。

表3 本实验方法与常规在线监测方法、标准方法对比(n=3)Table 3 Comparation between the preparation method with conventional online monitoring methods

2.10 峰形对比

用3个不同质量浓度的标准溶液(0.25、1.00、2.00 mg/L)来模拟水样的连续检测过程，通过观察出峰情况，来与实验室CFA方法(泵速15r/min)进行对比，结果如图8所示。从图8可知，泵速提高后峰高均略有增加，出峰时间显著提前，连续3个模拟水样可在7 min内完成检测，同时也显著优于常规在线监测仪器单水样的检测时间(≥50 min)。

图8 实验室CFA方法与在线监测CFA方法的峰形对比图Fig.8 Signal comparison of laboratory CFAmethod and online monitoring CFA method

3 结论

本实验以连续流动技术应用于在线监测为出发点，通过考察废液量、体系压力稳定性、化学反应稳定性和检测时间等因素，验证了将连续流动方法应用于环境在线监测领域的可行性。利用本文改进的CFA方法可在15 min内实现水样检测，并能保持良好的分析性能，更加满足在线监测系统实时采样监测的要求，为CFA方法应用于在线水质监测奠定了基础。