張衛(wèi)宏，趙 宇，董建民，劉子杰，張茗迪

中節(jié)能天融科技有限公司，北京 100085

總磷是水質(zhì)污染評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，當(dāng)總磷濃度超標(biāo)時(shí)，會(huì)加速水體富營(yíng)養(yǎng)化，從而造成大量的魚蝦死亡，藻類急劇繁殖，破壞地表水生態(tài)系統(tǒng)平衡[1-2]。目前地表水中總磷在線監(jiān)測(cè)技術(shù)以磷鉬藍(lán)法為基礎(chǔ)，通過(guò)蠕動(dòng)泵或注射泵依次加入各固定體積的顯色試劑，然后在密閉的反應(yīng)池中高壓消解和加熱顯色，該方法與手工方法原理一致，但是檢測(cè)時(shí)間大于50 min，嚴(yán)重影響在線監(jiān)測(cè)的即時(shí)性要求[3-6]。連續(xù)流動(dòng)分析(CFA)方法自1957年被提出以來(lái)，技術(shù)日臻完善，以其靈敏度高、穩(wěn)定性好、檢測(cè)速度快逐漸應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)檢測(cè)[7-11]。該方法主要由自動(dòng)進(jìn)樣器、蠕動(dòng)泵、化學(xué)反應(yīng)管和光度計(jì)組成，其原理為均勻的空氣泡將樣品與樣品分割開來(lái)，在連續(xù)流動(dòng)的作用下，依次通過(guò)光度計(jì)，通過(guò)對(duì)吸光度的比較得出結(jié)果[12-14]。但是對(duì)于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，水樣采集一般為1～4 h/次，同時(shí)由于野外無(wú)人值守，對(duì)于試劑消耗量有更高的要求，如何將CFA方法應(yīng)用于總磷在線監(jiān)測(cè)還未有報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)CFA方法流程的分解優(yōu)化，使其滿足總磷在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

連續(xù)流動(dòng)分析儀由北京海光儀器有限公司提供，型號(hào)為HGCF-100；軟件為HGCF全自動(dòng)分析儀軟件；總磷標(biāo)液購(gòu)自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心，使用時(shí)用去離子水逐級(jí)稀釋至0.5 mg/L；所用試劑均為優(yōu)級(jí)純，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。實(shí)驗(yàn)用水為電阻率大于10 MΩ·cm(25 ℃)的高純水。

過(guò)硫酸鉀溶液：溶解3.3 g過(guò)硫酸鉀到700 mL水中，然后緩慢加入85 mL硫酸，邊加入邊攪拌，冷卻至室溫后用水定容至1 L。鉬酸鹽溶液：溶解5 g鉬酸銨、0.1酒石酸銻氧鉀于300 mL水中，用水定容至500 mL。抗壞血酸溶液：溶解15 g抗壞血酸至300 mL水中，用水定容至500 mL。氫氧化鈉溶液：溶解40 g氫氧化鈉至300 mL水中，冷卻至室溫后用水定容至500 mL，加0.5 mL 單(雙)十二烷基硫酸鹽二苯氧鈉(FFD6)。硫酸溶液：量取80 mL硫酸緩慢加入300 mL水中，冷卻至室溫后用水定容至500 mL，加入0.5 mL單(雙)十二烷基硫酸鹽二苯氧鈉(FFD6)混勻。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將連續(xù)流動(dòng)分析儀實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)流程進(jìn)行分步拆解，選擇其對(duì)降低試劑消耗量和縮短反應(yīng)時(shí)間有顯著影響的進(jìn)程，考察反應(yīng)體系中的壓力波動(dòng)，然后對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，建立適用于總磷在線監(jiān)測(cè)使用的CFA方法，實(shí)驗(yàn)參數(shù)為波長(zhǎng)880 nm、取樣時(shí)間60 s、清洗時(shí)間120 s、加熱溫度97 ℃、保溫溫度37 ℃、積分時(shí)間640 s，并對(duì)水樣、加標(biāo)回收率和質(zhì)控溶液進(jìn)行測(cè)定。

1.3 實(shí)驗(yàn)原理

CFA方法原理：在圖1所示的管路中，水樣和各化學(xué)試劑在蠕動(dòng)泵的推動(dòng)下進(jìn)樣、混合、反應(yīng)，直至顯色出峰。在一個(gè)反應(yīng)全周期里包括進(jìn)樣時(shí)間、輸送反應(yīng)時(shí)間和出峰時(shí)間。當(dāng)檢測(cè)一個(gè)水樣時(shí)，一個(gè)反應(yīng)全周期時(shí)間較長(zhǎng)，但在連續(xù)進(jìn)樣后，輸送反應(yīng)時(shí)間相互重疊，從而相對(duì)縮短樣品檢測(cè)時(shí)間(見圖2)。同時(shí)，輸送反應(yīng)時(shí)間也可作為待機(jī)預(yù)熱時(shí)間，此時(shí)出峰時(shí)間可視為樣品檢測(cè)時(shí)間。由于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程在毛細(xì)管路中進(jìn)行，具有預(yù)處理效率高、反應(yīng)速度快、安全性好、試劑消耗量小的特點(diǎn)[14]。

圖1 總磷CFA流路圖Fig.1 Flow diagram of CFA on total phosphorus

圖2 CFA連續(xù)檢測(cè)信號(hào)圖Fig.2 Signal diagram of continuous flow analysis

總磷-鉬酸銨法光度法原理[15]：試樣中加入過(guò)硫酸鉀溶液，經(jīng)過(guò)紫外消解和(107±1)℃酸性水解，各種形態(tài)的磷全部氧化為正磷酸鹽，正磷酸鹽在酸性介質(zhì)中、銻鹽的存在下，與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬雜多酸，該化合物立即被抗壞血酸還原生成藍(lán)色化合物，于波長(zhǎng)880 nm處測(cè)量吸光度。

2 結(jié)果與討論

CFA方法的優(yōu)勢(shì)有二：其一為化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在密閉軟管中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈巧，便于小型化；其二為檢測(cè)速度快。但水樣快速檢測(cè)的前提是有連續(xù)的水樣進(jìn)入，如果使用間隔采樣(如在線監(jiān)測(cè)要求的1～4 h采樣周期)，其快速檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮有限。所以縮短CFA檢測(cè)時(shí)間，對(duì)于該技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。

在CFA反應(yīng)體系中，反應(yīng)盤管決定了反應(yīng)試劑的混合程度；泵速主要決定了進(jìn)液速度和基線的穩(wěn)定程度。為提高進(jìn)液速度，縮短反應(yīng)時(shí)間，最直接的方法就是提高泵速。在原有實(shí)驗(yàn)室CFA化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，利用HGCF全自動(dòng)分析儀軟件對(duì)工作泵速、待機(jī)泵速的控制和信號(hào)的讀取，從泵速變化入手，重點(diǎn)考察了反應(yīng)管路內(nèi)壓力波動(dòng)、信號(hào)穩(wěn)定性、出峰時(shí)間、化學(xué)反應(yīng)的波動(dòng)變化和廢液產(chǎn)生量等因素與泵速的關(guān)系。

2.1 泵速對(duì)廢液產(chǎn)生量的影響

在實(shí)驗(yàn)室CFA方法中，蠕動(dòng)泵一直以工作泵速連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，但在在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，因?yàn)椴蓸宇l次為每隔1～4 h采樣1次，所以如果在待機(jī)時(shí)間也按照工作泵速運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成大量的試劑浪費(fèi)。如果在待機(jī)時(shí)間內(nèi)停止蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，反應(yīng)體系中加熱器的持續(xù)工作會(huì)引起體系內(nèi)壓力過(guò)大，從而造成管路接口崩開或試劑固體析出。所以需要蠕動(dòng)泵在待機(jī)時(shí)間內(nèi)以低泵速運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了2～12 r/min轉(zhuǎn)速下總廢液的產(chǎn)生量，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速下降，廢液量明顯降低(圖3)。在2 r/min下廢液產(chǎn)生量比工作狀態(tài)泵速(15 r/min)產(chǎn)生的廢液量減少了85%。本實(shí)驗(yàn)選擇2 r/min為待機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖3 不同泵速與廢液體積變化Fig.3 Relationship between pump speedsand waste liquid generation

2.2 泵速對(duì)管內(nèi)壓力穩(wěn)定的影響

蠕動(dòng)泵從低泵速切換到高泵速時(shí)，進(jìn)液量突然增加會(huì)造成密閉管路內(nèi)壓力驟增，由此引起的壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)混合和反應(yīng)過(guò)程帶來(lái)影響，進(jìn)而引起基線不穩(wěn)和定量計(jì)算錯(cuò)誤。實(shí)驗(yàn)主要研究從低泵速到高泵速的壓力變化過(guò)程，從而確定合適的工作泵速范圍。

從圖4可看出，隨著工作泵速增加，管路壓力波動(dòng)時(shí)間縮短。當(dāng)泵速5 r/min時(shí)波動(dòng)時(shí)間為50 min；隨著泵速增加到40 r/min時(shí)，波動(dòng)時(shí)間由25 min縮短到5 min；當(dāng)泵速超過(guò)40 r/min后，管路壓力波動(dòng)較為嚴(yán)重，已經(jīng)無(wú)法形成穩(wěn)定體系壓力。由圖4可知泵速在25～40 r/min范圍內(nèi)波動(dòng)較小，且波動(dòng)幅度較為穩(wěn)定。所以，泵速增大會(huì)逐漸縮短波動(dòng)時(shí)間，有利于壓力體系快速穩(wěn)定。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可針對(duì)25～40 r/min范圍，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)出峰時(shí)間確定最優(yōu)的泵速。

圖4 不同泵速下體系壓力變化圖Fig.4 The influence of pump speeds on system pressure

2.3 泵速對(duì)檢測(cè)時(shí)間的影響

蠕動(dòng)泵泵速太慢會(huì)出現(xiàn)峰形拖尾，濃度擴(kuò)散嚴(yán)重，從而造成峰高降低，峰尖平凸，同時(shí)也會(huì)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間，降低靈敏度。泵速太快會(huì)造成混合反應(yīng)不充分，峰高降低，甚至壓力太大造成接頭崩開漏液。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了泵速在5～40 r/min范圍內(nèi)0.25 mg/L總磷標(biāo)液檢測(cè)峰形的變化。從圖5可以看出，隨著泵速增加，起峰時(shí)間加快，峰高逐漸增長(zhǎng)，在30 r/min時(shí)峰高達(dá)到最大值，之后峰高逐漸下滑，并且出現(xiàn)平頭峰。通過(guò)分析可知：出峰提前是由于混合加快；峰高增長(zhǎng)是由于進(jìn)樣增加；在峰高增長(zhǎng)之后的降低以及平頭峰是由于進(jìn)樣量太多，導(dǎo)致無(wú)法均勻混合。所以轉(zhuǎn)速30 r/min對(duì)檢測(cè)時(shí)間、靈敏度而言是最佳選擇。同時(shí)，在30 r/min下，起峰時(shí)間11 min(圖6)，峰頂點(diǎn)時(shí)間為13 min，均避開了10 min內(nèi)的壓力波動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確定量。

圖5 不同泵速下樣品信號(hào)譜圖Fig.5 Sample signal diagram atdifferent pump speeds

圖6 泵速與峰頂時(shí)間關(guān)系圖Fig.6 Relationship betweenpump speeds and peak time

2.4 泵速對(duì)反應(yīng)穩(wěn)定性的影響

泵速的增加會(huì)對(duì)反應(yīng)體系的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。當(dāng)泵速較低時(shí)，試劑混合充分，化學(xué)反應(yīng)完全，但結(jié)合管內(nèi)壓力波動(dòng)，又會(huì)對(duì)反應(yīng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響?？疾炝瞬煌盟傧驴偭罪@色反應(yīng)的穩(wěn)定性，用1.60 mg/L標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)6次檢測(cè)吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)來(lái)進(jìn)行表征。從圖7可知，在泵速10～20 r/min范圍內(nèi)和40～50 r/min范圍內(nèi)，SD起伏較大，而在25～35 r/min之間SD最低。這是受泵速變化引起基線波動(dòng)產(chǎn)生的影響。結(jié)合圖4、圖6、圖7分析，在泵速10～20 r/min之間管路壓力波動(dòng)較大，同時(shí)起峰時(shí)間正是波動(dòng)較為明顯時(shí)刻，所以吸光度信號(hào)產(chǎn)生并不穩(wěn)定，SD偏大；而10 r/min時(shí)起峰時(shí)間正好與管內(nèi)壓力相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)間重合，所以此時(shí)SD較低；同理，在40～50 r/min之間的SD較大，而在25～35 r/min之間管內(nèi)壓力波動(dòng)已經(jīng)平復(fù)，從而獲得較為穩(wěn)定的結(jié)果。綜上所述，本實(shí)驗(yàn)選擇了靈敏度最高、穩(wěn)定性最好的泵速30 r/min為本方法的最終泵速。

圖7 泵速對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性的影響Fig.7 The influence of pump speedson detection stability

2.5 泵速對(duì)消解效率的影響

與傳統(tǒng)高溫高壓消解方法不同，CFA方法使用加熱和紫外照射，通過(guò)過(guò)硫酸鉀氧化實(shí)現(xiàn)各種復(fù)合態(tài)的含磷化合物轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽。消解時(shí)間通過(guò)控制加熱盤管和紫外盤管圈數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)增加泵速時(shí)，樣品的消解時(shí)間縮短，可能會(huì)對(duì)消解效率造成影響。本實(shí)驗(yàn)參照《水質(zhì) 磷酸鹽和總磷的測(cè)定 連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法》(HJ 670—2013)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)總磷的消解效率進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在原泵速15r/min下，5-磷酸吡哆醛的消解效率為97.8%；在其他條件不變、泵速增加為30 r/min時(shí)，消解效率為94.3%，雖然消解效率下降明顯，但是仍在標(biāo)準(zhǔn)允許的消解效率范圍(>90%)內(nèi)。所以30 r/min時(shí)仍可以保持較好的消解效率。

2.6 線性關(guān)系、精密度和檢出限

研究過(guò)程中，對(duì)方法的線性范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。按照水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)要求，常規(guī)采用單點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，然后多點(diǎn)線性核查進(jìn)行方法可靠性的評(píng)價(jià)[16]。本方法直接采用多位閥控制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液的曲線校準(zhǔn)和多點(diǎn)線性核查。配制系列質(zhì)量濃度的總磷標(biāo)準(zhǔn)溶液為0.00、0.25、1.00、2.00 mg/L，在泵速為30 r/min時(shí)測(cè)定總磷的峰高，并以峰高對(duì)質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸，線性范圍為0～2.00 mg/L，線性方程為

y=0.227 1x+ 0.004 4，相關(guān)系數(shù)r=0.999 8。

對(duì)質(zhì)量濃度為1.60 mg/L的總磷溶液進(jìn)行7次平行測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果在1.586～1.603之間，測(cè)得其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4%。

平行測(cè)定空白溶液11次，得出測(cè)定濃度標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 8，按照公式[17]計(jì)算檢出限為0.002 mg/L。

2.7 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

采用生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的總磷質(zhì)控樣品(編號(hào)為203984，標(biāo)準(zhǔn)值為1.14 mg/L，不確定度為±0.05 mg/L)對(duì)方法及儀器進(jìn)行檢驗(yàn)。質(zhì)控溶液配制過(guò)程：用大肚移液管吸取10 mL所購(gòu)質(zhì)控溶液于250 mL容量瓶中，再用去離子水定容至刻度，搖勻后待機(jī)測(cè)定，結(jié)果見表1。由表1可知，檢測(cè)濃度在質(zhì)控允許范圍內(nèi)，證明儀器穩(wěn)定可靠。

表1 質(zhì)控樣的測(cè)定Table 1 Determination of quality control samples

2.8 實(shí)際水樣檢測(cè)

從山東省東營(yíng)市六干排、溢洪河、南望參、老廣蒲溝和北京市通州區(qū)馬駒橋監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)采集地表水水樣，分別用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)定，并進(jìn)行加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)，具體過(guò)程：取100 mL待測(cè)水樣，加入1 mL 100 mg/L的磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，混勻之后上機(jī)測(cè)定，結(jié)果見表2。從表2可知，該方法回收率在79.7%～109.4%之間，證明方法穩(wěn)定可靠。

表2 水樣回收率測(cè)定結(jié)果(n=3)Table 2 Results of sample recovery

從表1和表2可以看出，檢測(cè)結(jié)果滿足生態(tài)環(huán)境部水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)要求[16]，可用于地表水在線監(jiān)測(cè)。

2.9 方法對(duì)比

本實(shí)驗(yàn)選取潮白河、溫榆河、江蘇省沭陽(yáng)縣古泊河水樣作為待測(cè)水樣，分別用本實(shí)驗(yàn)方法、常規(guī)在線監(jiān)測(cè)儀器方法和《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》(GB 11893—1989)標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比。由表3可知，本實(shí)驗(yàn)方法與手工標(biāo)準(zhǔn)方法無(wú)顯著性差異，比對(duì)結(jié)果符合《地表水自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 915—2017)要求。

表3 本實(shí)驗(yàn)方法與常規(guī)在線監(jiān)測(cè)方法、標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)比(n=3)Table 3 Comparation between the preparation method with conventional online monitoring methods

2.10 峰形對(duì)比

用3個(gè)不同質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.25、1.00、2.00 mg/L)來(lái)模擬水樣的連續(xù)檢測(cè)過(guò)程，通過(guò)觀察出峰情況，來(lái)與實(shí)驗(yàn)室CFA方法(泵速15r/min)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知，泵速提高后峰高均略有增加，出峰時(shí)間顯著提前，連續(xù)3個(gè)模擬水樣可在7 min內(nèi)完成檢測(cè)，同時(shí)也顯著優(yōu)于常規(guī)在線監(jiān)測(cè)儀器單水樣的檢測(cè)時(shí)間(≥50 min)。

圖8 實(shí)驗(yàn)室CFA方法與在線監(jiān)測(cè)CFA方法的峰形對(duì)比圖Fig.8 Signal comparison of laboratory CFAmethod and online monitoring CFA method

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以連續(xù)流動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)考察廢液量、體系壓力穩(wěn)定性、化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定性和檢測(cè)時(shí)間等因素，驗(yàn)證了將連續(xù)流動(dòng)方法應(yīng)用于環(huán)境在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的可行性。利用本文改進(jìn)的CFA方法可在15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)水樣檢測(cè)，并能保持良好的分析性能，更加滿足在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)的要求，為CFA方法應(yīng)用于在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。