鄧玉福 劉伊初 趙婷偉 孟德川 于桂英

(1.沈陽師范大學物理科學與技術(shù)學院，沈陽 110034；2.遼寧省射線儀器儀表工程技術(shù)研究中心，沈陽 110034；3.沈陽師范大學實驗教學中心，沈陽 110034)

0 引言

作為動物必需的礦物元素之一，飼料中的磷元素影響著畜禽發(fā)育、生長及生產(chǎn)能力。然而，飼料中的磷元素過量也會導致土壤中的磷過剩，過剩的磷元素會通過徑流、滲透等方式流入水體。20世紀70年代初，SCHINDLER D W小組[1-2]在加拿大實驗湖區(qū)研究證明，過量的磷會造成水體溶氧率降低、富營養(yǎng)化以及水生生物死亡等一系列嚴重的生態(tài)問題，并且通過控制磷元素的排放改善了水體水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。因此，準確檢測分析畜禽飼料中磷元素的含量對于提高食品質(zhì)量安全、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

目前，飼料中總磷含量的測量方法主要分為化學法和儀器法兩大類?；瘜W方法主要包括磷鉬酸喹啉重量法和光電比色法，化學方法精度較高，但分析周期長，操作較為繁瑣[3-4]。儀器法主要有波長色散X射線熒光光譜法(WDXRF)和能量色散X射線熒光光譜法(EDXRF)。波長色散X射線熒光光譜法探測效率較高[5-6]，但儀器本身較為精密、龐大，且價格昂貴。能量色散X射線熒光光譜法是一種對物質(zhì)中的元素成分和含量進行定性及定量分析的儀器方法，具有操作簡單、測定快速、結(jié)果精準的特點，得到了廣泛的應用。但在測定輕元素(原子序數(shù)Z=11～20)時，由于熒光產(chǎn)額與EDXRF探測效率較低，同時存在譜線間吸收-增強效應和能量相近譜線重疊等問題[7-10]，測量效果并不理想。

為獲得準確、方便、快捷的飼料磷含量檢測分析方法，基于EDXRF原理，本文采用間接測量的方式，通過化學反應將樣品中低原子序數(shù)的目標磷元素轉(zhuǎn)換為中等原子序數(shù)的鉬元素，通過對鉬元素的EDXRF測量及化學轉(zhuǎn)化過程中鉬元素與磷元素的定量關(guān)系，計算出磷元素的含量，從而得到含磷飼料中的總磷量。

1 實驗與方法

1.1 實驗原理

含磷飼料主要成分為Ca(H2PO4)2·H2O，其中還含有少量的氟及重金屬元素雜質(zhì)。將飼料溶于濃鹽酸和少量水，當pH值小于等于1時，磷元素以正磷酸根離子存在于溶液中，反應方程式為

Ca(H2PO4)2·H2O+2HCl=CaCl2+2H3PO4+H2O

此時，溶液中含有微量酸不溶物(稱為雜質(zhì)沉淀)。取部分溶液向其中滴加自配喹鉬檸酮沉淀劑，在水浴加熱鍋中((75±5)℃條件下)保持30 s，使磷元素轉(zhuǎn)換為鉬元素，反應方程式為

H3PO4+3C9H7N+12Na2MoO4+24HCl=

(C9H7N)3·H3PO4·12MoO3·H2O↓

+24NaCl+11H2O

待反應完全后將沉淀過濾，在180℃的干燥箱內(nèi)進行干燥。反應方程式為

(C9H7N)3·H3PO4·12MoO3↓+H2O

取部分沉淀物壓片，并應用能量色散X射線熒光光譜儀分析測量，得到沉淀物中鉬元素的含量，通過生成化合物中磷元素與鉬元素的化學數(shù)量關(guān)系，計算出沉淀物中磷元素的含量，再通過壓片沉淀量與實際總沉淀量的關(guān)系，得到飼料樣品中磷元素的總含量。

1.2 儀器設備

儀器設備主要有：X射線源，包括50 kV,1 mA的國產(chǎn)低功率、小口徑側(cè)窗鉬靶X射線管及自主研制的高頻高壓配電系統(tǒng)；美國AMPTEK公司生產(chǎn)的X-123-CdTe[11]型探測器(在5.9 KeV能量處半高全寬為145～230 eV)；德國賽多利斯萬分之一電子天平；天津科器高新技術(shù)公司生產(chǎn)的769YP-40C型手動粉末壓片機；恒溫水浴加熱鍋；干燥箱。

1.3 試劑

試劑主要有：飼料級磷酸二氫鈣(四川川恒化工股份有限公司)；硝酸，分析純；鹽酸，分析純；二水合鉬酸鈉，分析純；一水合檸檬酸，分析純；丙酮，分析純；喹啉，分析純；磷鉬酸，分析純。

1.4 樣品制備

1.4.1喹鉬檸酮沉淀劑制備

稱取70 g二水合鉬酸鈉粉末，溶解于100 mL蒸餾水中；稱取60 g一水合檸檬酸，用100 mL蒸餾水溶解，并于溶液中加入80 mL硝酸。將兩種溶液混勻。將35 mL硝酸與100 mL蒸餾水混勻后加入5 mL喹啉，將此溶液加入到混合溶液中，混合均勻。靜置12 h后用濾紙將其過濾，于濾液中加入280 mL丙酮，并用水稀釋至1 000 mL。該沉淀劑為喹鉬檸酮沉淀劑，將此沉淀劑置于暗處，避光避熱保存待用。

1.4.2待測樣品制備

稱取0.8 g含磷飼料樣品置于100 mL燒杯中，加入10 mL鹽酸和少量水，蓋上表面皿，煮沸10 min，取出燒杯待溶液冷卻后移入250 mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻后待用。取20 mL該試液在燒杯中加水至總體積為100 mL后，緩慢加入50 mL自配喹鉬檸酮溶液[12]，蓋上表面皿，于水浴加熱鍋中加熱(至杯內(nèi)物溫度達到(75±5)℃)，保持30 s后取出。冷卻至室溫(20℃)后將沉淀過濾洗滌干燥(干燥溫度為180℃，時間約45 min)。沉淀冷卻后用電子天平稱量，得質(zhì)量W(Z)，取其中0.3 g放置于手動壓片機中，在壓力為5 MPa、壓片時間為5 min條件下，將沉淀制成直徑為10 mm的圓片樣品，裝入密封袋編號待測。

1.4.3標準樣品制備

為保證實驗結(jié)果的準確性，自制一組實驗室標準樣品。將含磷飼料在室溫下溶解于蒸餾水中，過濾干燥后得到雜質(zhì)沉淀。將雜質(zhì)沉淀與磷鉬酸分析純粉末按照不同的梯度比例均勻混合(見表1)，再對每組混合粉末進行壓片，壓片時間與壓力均與待測樣品的制備條件相同。壓片后將圓片樣品裝入密封袋，編號待測。

表1 標準樣品含量配制比例

1.5 最佳激發(fā)條件的確定

光管電壓、電流和測量時間等測量條件影響X射線譜峰的特征峰凈面積和實驗數(shù)據(jù)的精確度。通過待測元素的Kα特征峰凈面積與本底強度的比值(即峰背比)評估最佳激發(fā)條件[13-15]。

1.5.1最佳電壓

圖1 鉬元素峰背比與管電壓的關(guān)系

根據(jù)實驗經(jīng)驗，確定管電流為10 μA，測定時間為120 s，改變管電壓21～30 kV，對每個鉬元素的特征峰進行測量，每個工作點測定10次，計算其峰背比并取平均值，由圖1可見鉬元素的最佳光管電壓為27 kV。

1.5.2最佳電流

在最佳激發(fā)電壓27 kV和測量時間120 s條件下，管電流由4～13 μA逐漸增加，結(jié)果表明最佳管電流為9 μA，如圖2所示。

圖2 鉬元素峰背比與管電流的關(guān)系

1.5.3最佳測量時間

樣品的測量時間影響實驗結(jié)果的準確性。若測量時間過短，樣品中待測元素的特征峰無法識別；若時間過長則會導致背景計數(shù)率較大，影響實驗結(jié)果。確定最佳電壓27 kV，電流9 μA，測量時間從60～140 s逐次增加20 s，得到鉬元素的最佳測量時間為120 s，如圖3所示。

圖3 鉬元素峰背比與測量時間的關(guān)系

1.6 曲線擬合

將表1中不同含量比例的實驗室標準樣品放置在能量色散X射線熒光光譜儀上，以最佳激發(fā)條件依次對Mo元素的Kα譜峰進行尋峰[14]，得到其熒光譜峰(圖4)的凈面積。對每個實驗室標樣測量10次，取其凈面積的平均值。標準樣品中的鉬元素質(zhì)量分數(shù)記為XMo，鉬元素的特征峰凈面積的平均值記為YMo，數(shù)據(jù)擬合鉬元素質(zhì)量分數(shù)XMo與特征峰凈面積YMo之間的曲線，得YMo=99.274XMo+408.113，R2=0.999 3，如圖5所示。

圖4 鉬元素特征峰譜圖

圖5 鉬元素工作曲線

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品結(jié)果分析

從待測樣品中稱取0.3 g沉淀粉末進行壓片，利用能量色散X射線熒光光譜儀對鉬元素的Kα譜線進行尋峰[14]，得到特征峰的凈面積，每個待測樣品測量10次，取其平均值。將得到的凈面積平均值代入到工作曲線中，計算出待測樣品片中鉬元素的質(zhì)量分數(shù)CMo及相應的質(zhì)量WMo，根據(jù)生成化合物的化學式中鉬元素與磷元素的數(shù)量關(guān)系，得出磷元素的質(zhì)量WP(Mo)。再根據(jù)壓片沉淀量與實際生成的總沉淀量W(Z)的關(guān)系，求出待測樣品中磷元素的總質(zhì)量WP(Z)及其質(zhì)量分數(shù)CP(Z)，測量結(jié)果見表2，得出含磷飼料中磷元素的質(zhì)量分數(shù)為22.36%,相對標準偏差為0.46%，相對極差為0.24%。

表2 實驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

2.2 定標曲線的驗證

取空白沉淀與磷鉬酸粉末制成4份不同鉬含量的驗證樣品。在相同的激發(fā)條件下對每個驗證樣品測量10次，得到鉬元素的特征峰凈面積，并代入定標曲線中，求得鉬元素的質(zhì)量分數(shù)、平均值及相對標準偏差，將其與真實配比值進行比較(表3)。結(jié)果表明，相對標準偏差均小于1.5%，相對誤差均小于1%，說明定標曲線的準確性較好。

表3 驗證樣品中鉬元素質(zhì)量分數(shù)測量結(jié)果

2.3 回收率實驗

為了進一步驗證本方法的準確性，進行了加標回收率實驗。制作4份加標樣品，用上述方法進行測定，其回收率分別為100.95%、99.58%、100.37%、99.85%。其回收率均與標準值100%相近，可以證明本方法的準確性。

2.4 比對實驗

應用熔片法(X射線熒光光譜分析)對待測樣品進行檢測，分析得到待測樣品中磷元素質(zhì)量分數(shù)為21.9%，與本方法測得的磷元素質(zhì)量分數(shù)22.36%相比較，絕對差值為0.46%。本實驗的相對標準偏差為0.46%，相對極差為0.24%，說明本實驗具有較好的精密度和準確度。

2.5 重復性檢驗

為檢驗本實驗的重復性，將4個待測樣品在一個月內(nèi)進行4次重復測量，并計算其平均值與相對標準偏差。結(jié)果如表4所示，相對標準偏差均小于0.12%，表明本實驗的重復性較好。

2.6 化學前處理方法的穩(wěn)定性檢驗

化學前處理階段采用磷鉬酸喹啉重量法，為檢驗其穩(wěn)定性與可重復性，在一個月內(nèi)用同種方法制備了5份磷鉬酸喹啉沉淀，并對其進行稱量，生成的沉淀質(zhì)量在1.115 2～1.121 0 g之間，其相對標準偏差為0.20%，說明該化學處理方法具有較好的重復性與穩(wěn)定性。

表4 磷元素質(zhì)量分數(shù)重復性檢驗結(jié)果

2.7 誤差分析

能量色散X射線熒光光譜定量分析是一種相對分析方法，影響譜線強度與測量結(jié)果的因素有很多[16-18]。在化學前處理階段，磷鉬酸喹啉重量法具有很好的精密性與準確性，在正確操作的情況下，平行誤差一般不超過0.09%[19]。在制樣過程中，試劑的純度、樣品的顆粒度、污染度與稱量的準確性會導致結(jié)果具有一定偏差；此外，在測量過程中，溫度、濕度、儀器的短期穩(wěn)定性以及長期漂移也是不確定度的影響因素[20]。本文通過對樣品進行穩(wěn)定性檢驗、重復性實驗、標準曲線驗證以及回收率、相對標準偏差、相對極差等計算，表明各個評價值與不確定度均在誤差允許的范圍內(nèi)，具有較好的精密度和準確度。

3 結(jié)束語

通過化學反應將目標元素磷轉(zhuǎn)換為鉬元素，采用間接測量的方法，應用EDXRF法測定鉬元素，從而推算出含磷飼料樣品中磷元素質(zhì)量分數(shù)為22.36%。該方法克服了能量色散X射線熒光光譜儀在測量輕元素時出現(xiàn)的探測效率和熒光產(chǎn)額低等問題，具有操作簡單、測量快捷、結(jié)果精確等特點，為測定含磷飼料中磷元素提供了一種實用的解決方案。