郭慶，石鹍，徐翠鋒，侯玲梅

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.蘭州交通大學(xué) 化學(xué)與生物工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

磷的含量是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)[1-2]。由于在線獲取的水樣中膠狀顆粒物含量較多且懸浮物分布不均，使樣品多數(shù)呈現(xiàn)渾濁狀態(tài)。采用分光光度法檢測(cè)樣品時(shí)，為了避免水樣中顆粒物產(chǎn)生的折射、散射等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，事先需濾除水樣中的顆粒物質(zhì)來獲取澄清溶液[3-4]。常見的減小濁度影響的方法有沉淀法、補(bǔ)償法和過濾法等[3,5-11]，這些方法不但增加了樣品的處理步驟和數(shù)量，而且不能解決實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的問題。為了解決這一問題，有學(xué)者提出單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)法和多波長(zhǎng)法等[11-16]在線濁度補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠在一定測(cè)試范圍內(nèi)消除濁度的影響。但這些方法不僅需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)篩選出一個(gè)合適的參考波長(zhǎng)，還會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的操作步驟；并且由于采用不同的分析方法會(huì)使所選取的參考波長(zhǎng)也不完全一致，導(dǎo)致沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

本文以朗伯比爾定律為基礎(chǔ)，建立渾濁溶液中測(cè)定總磷含量的修正分光光度法，能夠根據(jù)待測(cè)溶液的濁度實(shí)現(xiàn)對(duì)水樣中總磷的檢測(cè)。該方法不僅能較便捷檢測(cè)出渾濁水體中的磷的濃度，而且優(yōu)化了水質(zhì)總磷在線檢測(cè)的步驟。

1 材料與試劑

1.1 試劑

抗壞血酸溶液(100 g/L)：將10.000 0 g抗壞血酸溶于水中，并稀釋至100 mL；“鉬酸鹽溶液”：將13.000 0 g鉬酸銨溶于100 mL水中；“1+1硫酸”：分析純硫酸(密度：1.84 g/mL)和蒸餾水1∶1體積比混合；“磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(50 mg/L)”：稱取 0.2197 g于110 ℃干燥2 h在干燥器中放冷的磷酸二氫鉀，用水溶解后轉(zhuǎn)移到1 000 mL 容量瓶中，加入大約800 mL水，加5 mL“1+1 硫酸”，然后用水稀釋至標(biāo)線，混勻；磷標(biāo)準(zhǔn)使用液(2.0 ug/mL)：將10 mL的磷標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液轉(zhuǎn)移至250 mL容量瓶中，用水稀釋至標(biāo)線并混勻[17]。

“硫酸肼溶液(1 g/100 mL)”：準(zhǔn)確稱取1.000 0 g硫酸肼溶于零濁度水,溶液轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，搖勻；“六次甲基四胺溶液(10 g/100 mL)”：稱取10.000 0 g六次甲基四胺溶于零濁度水，并轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，稀至刻度，搖勻；“濁度標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液”：吸取5 mL硫酸肼溶液與5 mL六次甲基四胺溶液定容于100 mL容量瓶中，混勻，于25±3 ℃下靜置反應(yīng)24 h，冷后用水稀釋至標(biāo)線，混勻，此溶液濁度為400度，可保存一個(gè)月[18]。

1.2 儀器

VIS-723N型可見分光光度計(jì)(北京北分瑞利分析儀器公司)；50 mL具塞比色管；100 mL容量瓶，1 000/5 000 μL移液槍；棕色試劑瓶等。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 分析方法

先測(cè)定一系列濁度(t)標(biāo)準(zhǔn)溶液基底下磷濃度(c)溶液的吸光度工作曲線ASt=f(c,t)；接著，采用回歸分析方法得到濁度對(duì)磷吸光度的影響曲線At=f(t)；然后，在同等條件下用曲線At=f(t)修正待測(cè)水樣中磷的吸光度曲線Act=f(c,t)；從而得到待測(cè)水樣中的磷的吸光度曲線Ac=f(c)以及質(zhì)量濃度，實(shí)現(xiàn)對(duì)渾濁溶液中磷含量的在線測(cè)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液下磷工作曲線繪制

取10支具塞刻度管在不同濁度(0～400 NTU)基底下分別加入0.00，0.10，0.20，0.30，0.40，0.60，0.80，1.00，1.20，1.60 mL磷酸鹽標(biāo)準(zhǔn)溶液，加水至25 mL。然后加入1 mL抗壞血酸溶液混勻，30 s后加2 mL鉬酸鹽溶液充分混勻。室溫下放置15 min后，在700 nm波長(zhǎng)下，以水做參比，測(cè)定吸光度，和對(duì)應(yīng)的磷的含量繪制工作曲線[17]。從而可得到一系列在不同濁度基底中磷酸鹽的吸光度曲線ASt=f(c,t)。

2.2.2 濁度的影響曲線及修正公式

對(duì)ASt=f(c,t)采用回歸分析方法得到不同濁度對(duì)應(yīng)磷吸光度的影響值，并繪制濁度對(duì)磷吸光度的影響曲線At=f(t)。從而得到渾濁溶液中磷酸鹽吸光度的修正公式曲線：

Ac=Act-At=f(c,t)-f(t)=f(c)。

(1)

2.2.3 渾濁水樣的測(cè)定及結(jié)果計(jì)算方法

① 采樣和試樣的制備：采集500 mL水樣，不加任何試劑于冷處保存。取25 mL樣品于具塞刻度管中。取時(shí)應(yīng)仔細(xì)搖勻，以得到溶解部分和懸浮部分均具有代表性的試樣。

② 濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[18]：吸取濁度標(biāo)準(zhǔn)液0.00，0.50，1.00，2.00，3.00，4.00，5.00 及6.25 mL，置于50 mL的比色管中，加水至25 mL標(biāo)線。搖勻后，即得濁度為0，4，8，16，24，32，40及50度的標(biāo)準(zhǔn)系列。于680 nm波長(zhǎng)，繪制校準(zhǔn)曲線。

③ 水樣濁度的測(cè)定：吸取50.0 mL搖勻水樣于50 mL比色管中，按繪制校準(zhǔn)曲線步驟(2)測(cè)定吸光度，由濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得水樣濁度。

④ 磷標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備：按照2.2.1中的處理方法制作磷標(biāo)準(zhǔn)曲線。

⑤ 理論質(zhì)量濃度測(cè)定：即過濾水樣中的磷濃度，按照步驟④的處理方法處理過濾水樣，測(cè)定其吸光度，根據(jù)繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線算出過濾水樣中磷吸光值所對(duì)應(yīng)的理論質(zhì)量濃度。

⑥ 實(shí)驗(yàn)質(zhì)量濃度測(cè)定：即渾濁水樣中的磷濃度，按照步驟④的處理方法處理渾濁水樣，結(jié)合“2.2.1”和“2.2.2”的實(shí)驗(yàn)方法繪制修正后的吸光度曲線，并算出渾濁水樣磷吸光值所對(duì)應(yīng)的測(cè)量質(zhì)量濃度。

2.2.4 修正公式的驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬水樣驗(yàn)證：根據(jù)修正公式的檢測(cè)上下限，配置隨機(jī)度數(shù)的濁度做基底，隨機(jī)設(shè)定磷濃度的溶液，測(cè)定溶液的吸光度，再使用修正公式倒推溶液濃度并計(jì)算偏差。

實(shí)際水樣驗(yàn)證：在校園隨機(jī)取3處水樣，測(cè)定其修正前后的濁度和吸光度，并推算出相對(duì)應(yīng)的樣品中磷的濃度，將兩者對(duì)比計(jì)算偏差。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同濁度基底下吸光度與濃度關(guān)系

按照“2.2”中的方法，測(cè)定了濁度基底在0～400 NTU、磷標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度在0～3.2 mg/L范圍內(nèi)待測(cè)水樣的吸光度，得到一系列在不同濁度基底中磷吸光度曲線ASt=f(c,t)的回歸方程，其構(gòu)建的三維關(guān)系如圖1所示。

從圖1中可以看出，在不同濁度基底下，吸光度與磷質(zhì)量濃度成正比；同樣，在相同磷濃度下，吸光度與濁度成正比。而且不同濁度和濃度與吸光度的回歸方程的斜率基本保持一致，從而說明，濁度和濃度的單一變化不會(huì)影響方法的靈敏度，亦即在測(cè)定渾濁水樣中磷的吸光度時(shí)可以認(rèn)為濁度與濃度是相互獨(dú)立的兩個(gè)變量。因此，磷產(chǎn)生的吸光度與濁度基底產(chǎn)生的吸光度具有加和性。

3.2 濁度對(duì)吸光度的影響及修正公式

對(duì)ASt=f(c,t)采用回歸分析方法得到不同濁度對(duì)應(yīng)磷吸光度的影響值，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后繪制出濁度對(duì)磷吸光度的影響曲線At=f(t)如圖2所示。

圖1 吸光度與磷濃度和濁度的關(guān)系圖

Fig.1 Relationship of absorbance, phosphorus concentration, and turbidity

圖2 濁度對(duì)吸光度的影響曲線

Fig.2 Influence of turbidity on absorbance

由圖2可以看出，濁度對(duì)吸光度的影響曲線為：

At=0.000 4t+0.000 7。

(2)

將式(2)代入式(1)中可推導(dǎo)出渾濁溶液中磷吸光度的修正公式：

Ac=Act-At=Act-(0.000 4t+0.000 7)。

(3)

由式(3)可知，通過測(cè)量含磷渾濁溶液的吸光度即可得到修正濁度影響后水樣中磷的吸光度，再將其帶入到標(biāo)準(zhǔn)的磷酸鹽吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)渾濁溶液中總磷的測(cè)定。

3.3 修正分光光度法驗(yàn)證

為了檢測(cè)濁度修正公式的效果，利用濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液和磷標(biāo)準(zhǔn)使用溶液配制隨機(jī)濁度和總磷濃度的10個(gè)混合溶液，實(shí)驗(yàn)測(cè)得濁度修正前后的總磷濃度值及相對(duì)誤差如表1所示。

表1 隨機(jī)濁度溶液的總磷濃度分析

由表1可知，在同一濁度基底下，經(jīng)修正之后的吸光值與標(biāo)準(zhǔn)值基本一致，其濃度測(cè)量值的相對(duì)誤差在9 %以內(nèi)，滿足分析要求。說明修正后的分光光度法能夠大大減少水樣濁度對(duì)總磷檢測(cè)造成的影響。

3.4 實(shí)際試樣的測(cè)定

在校園取三處湖水樣品，采用修正分光光度法進(jìn)行測(cè)量，并與國(guó)標(biāo)濁度過濾法[15-16]做了對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可見修正后的相對(duì)誤差在8 %以內(nèi)，能夠消除濁度對(duì)磷吸光度的影響。

表2 實(shí)際水樣總磷濃度測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

渾濁溶液中磷濃度的修正分光光度法，主要是探尋消除濁度對(duì)總磷在線檢測(cè)的影響的新思路。經(jīng)過與國(guó)標(biāo)濁度過濾法做對(duì)比，驗(yàn)證了修正方法的可行性和準(zhǔn)確性。該方法可根據(jù)水樣濁度合理選擇預(yù)處理方式，還簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的操作步驟，適用于環(huán)境水質(zhì)中總磷的在線檢測(cè)。