2种测定水中总磷含量的方法比较

王钰蕊，熊曾恒，李春芳，钟 悦

(海南省生态环境监测中心，海南 海口 571126)

1 引言

在天然水和废水中，磷几乎都以各种磷酸盐的形式存在，它们分为正磷酸盐，缩合磷酸盐(焦磷酸盐、偏磷酸盐和多磷酸盐)和有机结合的磷(如磷脂等)，其广泛存在于溶液中，腐殖质粒子中或水生生物中[1]。但水体中磷含量过高易导致水体富营养化，引发藻类大量繁殖，并产生一种能对水生生物和人体健康有毒害作用的藻毒素[2]。所以水中磷含量是水质评价的重要指标[3]。2000年，中国七大重点流域地表水劣Ⅴ类占13.8%，主要淡水湖泊的富营养化问题突出，总氮、总磷及高锰酸盐指数为主要污染指标[4]。至2010年，全国地表水污染持续加重，劣Ⅴ类上升至16.4%，26个国控重点湖泊中劣Ⅴ类达38.5%，总氮、总磷为主要污染指标[5]。截至2020年12月份，国内主要流域、湖泊及水库的水生生态系统得到有效恢复，1940个水质断面中劣Ⅴ类断面降至1.0%，主要污染指标为化学需氧量、高锰酸盐指数和总磷[6]。过量氮和磷等面源污染物进入地表水体，严重威胁我国水环境安全[7]，使不可再生的资源变成了破坏环境的主要污染指标。

目前针对水体中总磷的测定，现行的标准方法主要有国家标准法[8]和流动注射测定法[9]，其原理均是将试样中各种形态的磷通过消解转化为正磷酸盐，在锑盐的催化下正磷酸盐与钼酸铵反应生成磷钼酸杂多酸，进而在酸性介质中被还原为较稳定的蓝色络合物，依据朗伯比尔定律测定其含量[10]。按照国家标准法进行手工测定水中总磷含量时，高压蒸汽灭菌锅消解的加热时间和冷却时间共计约3 h[11]，整个分析过程耗时长。相比之下，流动注射法总磷样品分析频率为1 h 30样，样品分析速度快。流动注射法是一种新型的流动分析技术，流动注射分析仪具有快速、灵敏、高效等特点[12]。

本文使用北京宝德仪器有限公司生产的BDFIA-8000型全自动流动注射分析仪进行水中总磷的测定。BDFIA-8000型全自动流动注射分析仪的工作原理是通过封闭的管路连接样品和氧化剂、还原剂、显色剂和消解液等试剂，试样与试剂在蠕动泵的推动下进入化学反应模块，将一定体积的样品注射到一个流动的、无空气间隔的连续载流中，样品与试剂在分析模块中按选定的顺序和比例混合、反应，在非完全反应的条件下，进入流动检测池于波长880 nm处进行光度检测，通过数据转换器和软件实现测量和数据处理的自动化定量测定样品中被测物质的含量，详见图1[13]。

图1 流动注射法测定总磷流程

新时代，生态环境监测从环境管理领域，上升为国家发展战略的重要组成部分，成为国家生态文明建设的重要支撑。生态环境监测数据的真实、准确、完整，成为政府改善环境民生的重要内容。提升生态环境监测的现代化水平成为必然趋势。流动分析技术具有操作简单、易于自动化、样品通量高、重复性好、试剂和样品消耗低以及封闭分析管道污染少等优点[14]。本文选取高中低3种不同浓度的标准样品和一个地表水实际样品，分别采用手工测定法(GB 11893-89)和流动注射法(HJ 671-2013)进行总磷含量的测定，通过参照环境监测分析方法标准制订技术导则[15]中的相关规定进行方法比对研究，对比两种方法的检出限、精密度、准确度和实际样品检测结果，寻找提高检测效率、适用于大批量样品的分析方法，提升生态环境监测的现代化水平，以应对日益强化的监测网络。

2 实验部分

2.1 仪器和试剂

2.1.1 仪器

BDFIA-8000型全自动流动注射分析仪(北京宝德仪器有限公司)：包括自动进样器、分析模块、检测模块、数据处理系统；可见分光光度计(上海佑科仪器有限公司)；灭菌锅(厦门致微仪器有限公司)；分析天平(梅特勒托利多国际有限公司)：精度0.1 mg；超声波清洗器(上海声松实业有限公司)：频率40 kHz；真空泵(予华仪器有限责任公司)：转速2800 r/min。

2.1.2 试剂

总磷标准样品203979[(0.804±0.029)mg/L]、203988[(0.496±0.020)mg/L]和203985[(0.270±0.016)mg/L]，均来自于生态环境部环境发展中心标准样品研究所。水质磷标准溶液GBW(E)080368(500mg/L)，来自于水利部水环境监测评价研究中心。

所用试剂有过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸盐、酒石酸锑钾和硫酸，以上试剂均为AR级。流动注射分析法显色剂使用北京宝德仪器有限公司生产的专用试剂包。实验使用的水为新鲜制备的去离子水。流动注射法配制好的试剂需使用超声波清洗机和真空泵脱气30 min。

2.1.2.1 流动注射法试剂的配置

过硫酸钾溶液(氧化剂):称取26 g过硫酸钾溶于700 mL去离子水中，溶解后用去离子水稀释至1 L并混匀。

抗坏血酸溶液(还原剂)：称取70.0 g抗坏血酸溶于700 mL去离子水中，溶解后用去离子水稀释至1 L并混匀。

钼酸盐混合溶液(显色剂)：流动注射分析仪专用试剂包，试剂瓶中先加入450 mL去离子水，缓慢加入试剂包2，充分溶解并冷却后，再加入试剂包1，溶解后用去离子水定容至500 mL并混匀。

10%硫酸(消解液)：量取103 mL硫酸，缓慢加入至约800 mL去离子水中，期间用玻璃棒搅拌，待冷却后用去离子水定容至1 L并混匀。

2.1.2.2 手工测定法试剂的配置

过硫酸钾溶液(氧化剂)：称取5 g过硫酸钾溶于80 mL去离子水中，溶解后用去离子水稀释至100 mL并混匀。

10%抗坏血酸溶液(还原剂)：称取10.0 g抗坏血酸溶于80 mL去离子水中，溶解后用去离子水稀释至100 mL并混匀。

钼酸盐溶液(显色剂)：称取13 g钼酸盐溶于100 mL去离子水中，称取0.35 g酒石酸锑钾溶于100 mL去离子水，在不断搅拌下把钼酸盐溶液缓缓加到300 mL(1+1)硫酸中，冷却后加酒石酸锑钾溶液并且混合均匀。

2.2 分析步骤

2.2.1 流动注射法分析步骤

使用BDFIA-8000型全自动流动注射分析仪，按要求将各溶液管路接好后运行，待基线稳定后，取10 mL试样于进样管中，进行空白和样品的测定。该仪器方法主要程序参数为：加热温度125 ℃；洗针时间60 s；进样时间40 s；出峰时间140 s；进载流时间60 s；峰宽100 s；注射时间50 s；到达阀时间50 s；样品周期时间130 s；蠕动泵转速35 r/min。

2.2.2 手工测定法分析步骤

向试样中加4 mL过硫酸钾溶液，将比色管的盖子盖紧后，用一小块布和线将玻璃塞扎紧，置于高压灭菌锅中加热，待压力达到1.1 kg/cm2，相应温度为120 ℃时，保持30 min后停止加热。待压力表读数降至零后，取出放冷。然后用水稀释至刻度线。分别向各份消解液中加入1 mL抗坏血酸溶液混匀，30 s后加2 mL钼酸盐溶液充分混匀。室温下放置15 min后取上清液，使用光程为30 mm比色皿，在700 nm波长下，以水作参比，测定吸光度。

3 结果与分析

3.1 校准曲线的测定

在250.00 mL容量瓶中加入5.00 mL磷标准溶液GBW(E)080368，用水稀释至标线，配制成浓度为10.00 mg/L的总磷标液中间液。在100.00 mL容量瓶中加入20.00 mL总磷标液中间液，用水稀释至标线，配制成浓度为2.00 mg/L的总磷标液使用液。

3.1.1 手工测定法工作曲线

取7支50 mL比色管分别加入0 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL、12.0 mL总磷标液使用液(浓度为2.00 mg/L)，加水至25 mL。按分析步骤测定并绘制工作曲线，详见图2。根据对标准系列的分析，得出总磷在0.00～0.48 mg/L范围内线性良好，手工测定法工作曲线：y=0.0304x+0.0017，相关系数r=0.9998。

图2 分光光度法法标准曲线

3.1.2 流动注射法工作曲线

在7支100 mL容量瓶中分别加入0 mL、0.10 mL、0.20 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、5.00 mL、10.00 mL、20.00 mL总磷标液中间液(浓度为10.00 mg/L)，加水至100 mL。按分析步骤，由进样器从低浓度到高浓度依次进行测定。以测定信号值峰面积为纵坐标，对应的磷浓度为横坐标绘制工作曲线，详见图3。分析得出总磷在0.000～2.000 mg/L范围内线性良好，流动注射法工作曲线：y=0.0015x+0.0035，相关系数r=0.9999。

图3 流动注射法标准曲线

3.2 方法检出限

参照HJ 168-2020环境监测分析方法标准制订技术导则中规定，取7个空白试样使用以上两种分析方法，按照样品的分析步骤进行总磷的测定，计算该两种方法中7个平行样测定结果的平均值、标准偏差，方法检出限=标准偏差×t(n-1)(t(6)=3.143)，以4倍检出限作为测定下限，详见表1。手工测定法总磷的检出限为0.009 mg/L，测定下限为0.036 mg/L；流动注射法总磷的检出限为0.003 mg/L，测定下限为0.012 mg/L。这两种方法的检出限分别低于手工法国家标准GB 11893-89的检出限0.01 mg/L和流动注射法国家环境标准HJ 671-2013的检出限0.005 mg/L。

表1 检出限测定结果

3.3 精密度和准确度

按照HJ 168-2020的相关规定，对地表水实际样品采集6个总磷浓度水平接近的样品进行加标，分别采用这2种方法测定加标回收率，详见表2。手工法测定总磷加标样品的回收率为98.5%。流动注射法测定总磷加标样品的回收率为102.5%。这2种方法的加标回收率均满足水和废水监测分析方法中总磷浓度大于0.025 mg/L时，加标回收率在90%～110%范围内的要求。

表2 加标回收率测定结果

选择3种不同浓度的生态环境部环境发展中心标准样品研究所的总磷标准样品203979[(0.804±0.029)mg/L]、203988[(0.496±0.020)mg/L]和203985[(0.270±0.016)mg/L]分别使用这2种方法重复测定6次，根据测定结果计算相对标准偏差RSD(%)和相对误差RE(%)，详见表3。手工法测定总磷高浓度标准样品的RE为0.75%、RSD为1.21%；测定总磷中浓度标准样品的RE为0.81%、RSD为1.50%；测定总磷低浓度标准样品的RE为0.37%、RSD为1.85%。流动注射法测定总磷高浓度标准样品的RE为0.12%、RSD为1.24%；测定总磷中浓度标准样品的RE为0.60%、RSD为1.32%；测定总磷低浓度标准样品的RE为0.37%、RSD为1.51%。高中低3种不同浓度的总磷标准样品分别使用两种方法的测定结果均在各自的标准值范围内，RE均小于1%，RSD均小于2%。这2种分析方法测定水中总磷含量的准确度和精确度良好。

表3 精密度和准确度测定结果

3.4 显著性差异分析

根据HJ 168-2020对两种检验方法的测定结果进行显著性差异分析，对地表水实际样品采集7个总磷浓度水平接近的样品，分别采用这两种方法进行测定获得7组配对测定数据。对这两种方法均分别进行平行双样测定，平行双样测定的平均值分别记做测定值(A)和测定值(B)，获得该总磷浓度样品的测定结果配对差值(d=A-B)，详见表4。

表4 实际样品总磷测定结果

4 结论

在地表水的总磷测定中，手工法在0.00～0.48 mg/L范围具有良好的线性关系(r≥0.9998)，同时流动注射法在0.000～2.000 mg/L范围内具有良好的线性关系(r≥0.9999)。手工测定法总磷的检出限为0.009 mg/L，流动注射法总磷的检出限为0.003 mg/L。这两种分析方法的检出限均低于国家标准的检出限，但与手工法检出限相比，流动注射法的检出限更低，相对提高了总磷检出的灵敏性。手工法与流动注射法没有显著性差异，重复性较好。手工法测定总磷加标样品的回收率为98.5%。流动注射法测定总磷加标样品的回收率为102.5%。这2种方法的加标回收率均满足要求。高中低3种不同浓度的标准样品使用流动注射法和手工法的测定结果均在标准值范围内，RE均小于1%，RSD均小于2%，这2种分析方法的准确度和精确度良好，都能为防治和保护环境污染政策提供有效、真实的数据。但是与经典的国标法相比，流动注射法具有检测效率高、检测线性范围更宽、灵敏度更高、可检测样品的浓度范围更广等优点。同时使用试剂量少，减少了检测废液，是一种更为环保、高效的分析方法，在进行大批量样品检测时更具优势。