微波消解-磷钒钼黄光度法测定海洋沉积物中总磷_夏炳训.pdf

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2011 年 10 月 October 2011 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 30,No. 5 555 ~559 收稿日期 2010 -12 -21;接受日期 2011 -03 -04 作者简介夏炳训, 工程师, 主要从事海洋环境监测与评价工作。E- mailxbxun126. com。 文章编号 02545357 2011 05055505 微波消解 - 磷钒钼黄光度法测定海洋沉积物中总磷 夏炳训,宋晓丽,丁琳,姜军成,杨鲁宁 国家海洋局烟台海洋环境监测中心站,山东 烟台264006 摘要采用微波消解样品, 磷钒钼黄光度法测定海洋沉积物中总磷。优化了消解用酸的种类和用量、 消解时间、 消解温度等微波消解条件。选择 HNO3作为消解剂, 消解最终温度 190℃, 保持时间 15 min, 总磷的测定快速和准 确。探讨了显色酸度 微波消解液是否需要赶酸 和稀释倍数等测定条件。对两种国家一级沉积物标准物质 GBW07314 和 GBW07311 进行分析验证, 测定值与标准值相符, 相对标准偏差 RSD,n 6 分别为 0. 74 和 1. 66。与常规消解方法进行比对实验, 测定结果无显著性差异。与国标 GB 17378. 5 方法相比, 该法具有简单、 快速、 准确、 空白值低、 环境污染少等优点。在实际样品测定中, 取得了满意的结果, 适用于海洋沉积物中总磷的 测定。 关键词微波消解;磷钒钼黄光度法;海洋沉积物;总磷 Determination of Total Phosphorus in Marine Sediments by Microwave Digestion- Phosphorus Vanadium Molybdenum Yellow Spectrophotometry XIA Bing- xun,SONG Xiao- li,DING Lin,JIANG Jun- cheng,YANG Lu- ning Marine Environmental Monitoring Central Station of Yantai,State Oceanic Administration, Yantai264006,China AbstractA new to determine total phosphorus in marine sediments by phosphorus vanadium molybdenum yellow spectrophotometry with microwave digestion is presented in this paper. The working parameters of the microwave digestion instrument,including digestion reagent species and dosage,digestion time and temperature were optimized. The samples were dissolved by HNO3at the temperature of 190℃ for 15 min. The determination conditions including acidity for color- display and dilution factor were discussed to achieve a fast and accurate measurement for total phosphorus. The has been validated by determination of total phosphorus in National Standard Reference materials GBW0731 and GBW07311. The results are in agreement with certified values and have a precision of 0. 74 and the relative standard deviation RSD,n 6of 1. 66. Compared with the traditional digestion ,there is no significant difference between the two s.However,the microwave digestion is simple,rapid, accurate,low blank and contributes less pollution,compared to the National Standard of GB 17378. 5. Results of actual samples indicate that the is suitable for the determination of total phosphorus in marine sediments. Key wordsmicrowave digestion;phosphorus vanadium molybdenum yellow spectrophotometry;marine sediments;total phosphorus 555 ChaoXing 磷是海洋生态系统中重要的生源要素, 是海洋浮游 植物生长和繁殖所必需的成分, 也是海洋初级生产力和 食物链的基础元素。沉积物作为海洋水体中磷的源与 汇, 对海洋环境中磷的循环起着至关重要的作用 [ 1 -4 ]。 因此, 沉积物中总磷 TP 的测定, 越来越成为海洋环境 监测中一个重要的测定项目。目前, 海洋沉积物中总磷 的测定通常采用磷钒钼黄光度法 [ 5 ], 该法前处理过程繁 琐、 费时, 一批样品通常需要消解 3 h 左右, 与目前的分 析测定技术相比, 差距太大, 很不适应大批量样品的处 理, 严重影响了整个分析测定效率。近些年来, 微波溶 样技术因为具有高效、 快速、 易于控制、 试剂用量少、 空 白值低、 不污染工作环境、 自动化程度高等优点 [ 6 ], 已得 到 了 充 分 的 发 展,并 在 生 物 [ 7 -10 ]、地 质[ 11 -14 ]、 环境 [ 15 -18 ]、 食品[ 19 -23 ]、 冶金[ 24 -27 ]等领域得到了广泛的 应用, 有逐步取代传统的湿法消解的趋势。目前, 微波 溶样技术用于海洋沉积物中重金属的报道比较 多 [ 28 -31 ], 但尚未见应用于海洋沉积物中总磷的报道。 本文利用密闭微波消解系统对海洋沉积物中总磷进行 消解, 克服了传统消解方法的缺点, 取得满意结果。 1实验部分 1. 1主要仪器 WFJ -2100 型可见分光光度光度计 上海尤尼柯 仪器有限公司 ; MARSXpress 微波消解系统 美国 CEM 公司 。 1. 2标准溶液和主要试剂 磷标准储备溶液 300 mg/L 国家海洋环境监测 中心 。 磷标准溶液 3. 00 mg/L 准确移取 1. 00 mL 磷标准储备溶液, 用水稀释至 100 mL, 混匀。 GBW07314 近海海洋沉积物标准物质 646 61 μg/g, 国家海洋局海洋二所生产; GBW07311 水系沉积 物标准物质 255 27μg/g, 中国地质科学院地球物 理地球化学勘查研究所生产。 钒钼酸铵显色剂 称取 1. 25 g 偏钒酸铵于烧杯 中, 加入 250 mL 浓 HNO3; 另称取 25 g 钼酸铵溶解于 400 mL 水中。在冷却的条件下将两种溶液混合, 用水 稀释至 1000 mL。 浓 H2SO4, HNO3, HCl, H2O2。 所有实验用水均为超纯水; 试剂均为分析纯。 1. 3实验方法 1. 3. 1样品消解 准确称取0. 25 g 精确至0. 0001 g 沉积物干样于 聚四氟乙烯微波消解罐中, 加数滴水使样品湿润, 加入 8 mL 浓 HNO3, 预消解 15 min, 待反应平稳、 泡沫基本 消除后, 旋紧盖子, 放入微波消解仪中, 按表 1 中的消 解条件进行消解, 消解完毕后, 全部洗入25 mL 比色管 中, 用水定容至刻度, 混匀, 待测。同时做空白实验。 表 1微波消解条件 Table 1Conditions of microwave digestion 步骤 功率 P/W 比例/ 升温时间 t/min 温度 θ/℃ 保持时间 t/min 1160010051201 2160010051605 31600100419015 1. 3. 2样品测定 于 25 mL 比色管中依次加入磷标准溶液 0. 00、 1. 00、 2. 00、 3. 00、 4. 00、 5. 00、 6. 00 mL, 加入 5. 0 mL 钒 钼酸铵显色剂, 用水定容至刻度, 摇匀。10 min 后, 用 1 cm 比色皿于波长 420 nm 处测定吸光度并绘制标准 曲线。取 10. 00 mL 待测液于 25 mL 比色管中, 加入 5. 0 mL 钒钼酸铵显色剂, 用水稀释至刻度, 摇匀。按 上述步骤进行测定, 在标准曲线上查得浓度并计算样 品中总磷的含量。 2结果与讨论 2. 1微波消解条件的确定 对密闭式微波消解效果影响最大的是微波强度、 酸的种类、 比例及消解时间等, 应尽量选择最佳条件进 行样品消解, 以达到省时、 省力, 且分解完全的目 的 [32 ]。 2. 1. 1消解用酸的种类和用量 消解试剂种类和用量的选择主要取决于待消解样 品的基体组成、 待测元素的化学性质和含量等因素。 近海表层沉积物主要是由碎屑、 生物遗体形成的泥和 沙, 以粉砂质黏土居多, 无机成分和有机成分共存。 针对海洋沉积物的这些特点, 本文选择 HNO3、 HNO3 - H2O2、 HNO3- H2SO4、 H2SO4、 H2SO4- H2O2、 王水、 王水 - H2O2等 7 种消解体系, 按表 1 中的条件对近海 海洋沉积物标准物质 GBW07314 进行微波消解试验。 MARSXpress 微波消解系统要求消解时溶剂量最少为 8 mL, 最多不超过 30 mL。在称样量为 2. 5 g 的情况 下, 本文选择消解酸用量为 8 mL。测定结果见表 2。 由表 2 可以看出, H2SO4、 H2SO4- H2O2消解体系 的测定值非常低, HNO3- H2SO4消解体系的测定值也 655 第 5 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2011 年 ChaoXing 偏低, 这些消解体系中都含有 H2SO4, 可能是H2SO4的 沸点比较高, 样品消解不完全所致; 王水、 王水 - H2O2 消解体系的测定值都非常高, 原因是消解液呈现黄色, 与磷钒钼黄络合物的黄色产生了叠加, 导致测定值严 重高于标准值; HNO3和 HNO3- H2O2消解体系消解完 全并且试液澄清, 符合总磷测定要求, 但 HNO3- H2O2 消解体系的测定值稍稍偏离标准值范围。另外, 从 表 2还可以看出, 加 H2O2的混合消解体系的测定值普 遍低于单独使用一种酸的测定值, 故本文选择 HNO3 作为消解剂。 表 2不同消解体系总磷测定结果比较 Table 2Comparison of analytical results of total phosphorus under different digestion system 消解体系消解液颜色 w TP / μg g - 1 平均值 n 4标准值 8 mL HNO3 无色644 8 mL HNO3-1 mL H2O2 无色581 4 mL HNO3-4 mL H2SO4 无色442 8 mL H2SO4 无色185646 61 8 mL H2SO4-1 mL H2O2 无色121 8 mL 王水淡黄色 4431 8 mL 王水 -1 mL H2O2 淡黄色3325 2. 1. 2消解温度和保持时间 温度是消解反应中最重要的参数, 它最终决定消解 效果的好坏, 但同时也导致了罐内压力的增加, 带来了 安全隐患。本文根据 MARSXpress 密闭微波消解系统 的特点, 首先进行预消化试验, 通过观察实时温度/压力 曲线, 找出样品的温度反应临界点, 初步确定消解的最 终温度为185℃, 保持时间为15 min, 然后在180 ~190℃ 范围内, 以 HNO3为消解剂对标准物质 GBW07314 进行 不同保持时间的试验, 测定结果见表3。 表 3不同消解温度和保持时间下总磷的测定结果 Table 3Analytical results of total phosphorus with microwave digestion at different temperature and time 最终温度 t/℃ 保持时间 t/min w TP / μg g - 1 本法分次测定值平均值 18010416420423419420 18015440434438433436 18020448452462457455 18510527530522524526 18515540537542543541 18520555560558551556 19010637631633640635 19015644647645641644 19020648642647650647 从表 3 可以看出, 温度是消解完不完全的决定因 素, 保持时间对消解效果影响不是很大。在 180℃ 和 185℃消解温度下, 保持时间为 10、 15、 20 min 时, 测定 结果均不在标准值范围内; 190℃消解温度下, 不同保 持时间的测定值都在标准值范围内。考虑到快速和准 确性, 本文选择消解的最终温度为 190℃, 保持时间为 15 min。 2. 1. 3样品的称样量 称样量的大小首先应考虑检测方法的灵敏度和检 出限, 要求消解液定容后的浓度要高于检出限, 一般高 于检出限几倍, 几十倍更好, 同时还要考虑样品的均匀 性和代表性, 这将影响检测结果的准确性。上述两方 面都希望称样量不能太小, 要多一些好, 但从安全性来 说, 微波消解又要求称样量要少些好, 因为样品量越 多, 试样与酸在密闭系统中反应产生的气体越多, 压力 就越大, 如果反应很激烈, 产生的气体非常快, 使压力 瞬间增大, 就有引起爆炸的危险, 所以要限制称样 量 [33 -34 ]。通常无机样品称样量为 0. 2 ~2 g, 有机样品 为 0. 1 ~1 g。在确定酸用量 8 mL 的情况下, 称取不 同量的标准物质 GBW07314 进行分析, 因其最小取样 量要求为 0. 20 g, 故本文分别称取 0. 25 g 和 0. 50 g 样 品进行实验。结果表明, 0. 50 g 样品量的消解液浑浊 不清, 有大量沉淀存在, 且沉淀呈淡黄色, 说明称样量 过大、 消解不完全; 0. 25 g 样品量的消解液无色透明, 只有少量的沉淀存在, 沉淀呈淡灰白色, 说明消解完 全, 故本文选择称样量为 0. 25 g。 2. 2测定条件的确定 2. 2. 1显色酸度 磷钒钼黄法要求比色液中酸的浓度 即终浓度 范围很宽, 极限是 0. 04 ~1. 6 mol/L H , 最好为 0. 5 ~1. 0 mol/L。酸度太高显色不完全或不显色, 太低则 可能生成沉淀或其它物质的颜色 [35 ]。不少学者也对 此作了大量的研究, 瞿莜蔷等 [36 ]指出酸度应控制在 0. 2 ~0. 8 mol/L, 酸度小于0. 2 mol/L 偏钒酸铵与钼酸 铵形成桔黄色的钒钼络合物, 使测定吸光度偏高; 酸度 大于 0. 8 mol/L 显色速度慢, 重现性较差, 而且灵敏度 降低。王爱萍等 [37 ]在不同酸度下测定显色溶液的吸 光度, 发现溶液最适宜的酸度范围为0. 5 ~1. 0 mol/L, 酸度不足时, 即使溶液中不存在正磷酸根, 也会产生浅 黄色; 酸度过大时, 显色时间较长, 磷的显色受到抑制, 显色反应不完全, 使测定结果偏低。为了考察消解液 中的酸度是否合适, 本文对标准物质 GBW07314 按实 验方法消解后, 进行了赶酸与不赶酸实验。表 4 结果 755 第 5 期夏炳训, 等 微波消解 - 磷钒钼黄光度法测定海洋沉积物中总磷第 30 卷 ChaoXing 表明, 赶酸的测定结果大大高于不赶酸的测定结果, 这 可能是赶酸后样品中的酸度太低造成的。由此可见, 样品处理过程中的酸度合适, 不需进行赶酸处理。 表 4微波消解液赶酸与不赶酸测定结果比较 Table 4Comparison of analytical results of total phosphorus microwave digestion with acid and without acid 赶酸情况 w TP / μgg - 1 分次测定值平均值 不赶酸645641644647644 赶酸24622551248325212504 2. 2. 2稀释倍数 消解液稀释倍数过大或过小都将影响测定结果的 准确性, 稀释倍数应根据称样量的多少, 同时还应考虑 稀释后试液的酸度。在上述确定的实验条件下, 分别 移取 5、 10、 20 mL 待测液按上述样品测定步骤进行测 定 即对待测液分别稀释 5 倍、 2. 5 倍和 1. 25 倍进行 测定 。结果发现, 稀释 2. 5 倍进行测定比较合适, 故 本文选择稀释 2. 5 倍进行实验。 2. 3方法精密度和准确度 按 实 验 方 法 对 近 海 海 洋 沉 积 物 标 准 物 质 GBW07314 和水系沉积物标准物质 GBW07311 进 行 6 次平行测定, 测定结果列于表 5。两种标准物质 的平均值分别为 642 μg/g、 252 μg/g, 相对标准偏差 RSD 分别为 0. 74和 1. 66, 可见该方法具有良好 的准确度和精密度。 表 5方法精密度与准确度数据 Table 5Precision and accuracy tests of the 标准物质 编号 w TP / μgg - 1 分次测定值平均值 RSD/ GBW073146446416476346456396420.74 GBW073112472562532492512582521.66 2. 4微波消解与常规消解方法比对 分别用微波消解法和常规消解法 电热板消 解 [5 ], 对莱州湾近海沉积物样品以及分析空白进行 4 次平行测定。由表 6 测定结果可以看出, 微波消解法 的空白值明显低于常规消解法的空白值, 这主要是由 于微波消解法是在密闭的状态下消解, 避免了外部环 境的污染, 而常规消解法是在敞开的状态下消解, 外部 环境和人为的污染比较大。 为了判定两种消解方法之间有无显著性差异, 对两法的样品测定结果用配对 t 检验法加以检验, 经 计算 t 1. 14, tα 0. 05 3. 18, t < tα 0. 05。由此可见, 微 波消解法与常规消解法之间不存在显著性差异, 两者 的测定结果有较好的一致性。 表 6微波消解法和常规消解法测定总磷结果比较 Table 6Comparison of analytical results of total phosphorus between microwave digestion and traditional digestion w TP / μgg - 1 消解方法 分析空白 分次测定值平均值 样品 分次测定值平均值 微波消解法 0.0180.021 0.0190.019 0.019243 240 238245242 常规消解法 0.0300.031 0.0290.030 0.030240 232 243 237238 3结语 采用微波溶样技术对海洋沉积物中总磷进行前处 理, 大大提高了工作效率, 减轻了工作强度, 并且操作 简便, 自动化程度高, 实验结果准确、 重复性好、 空白值 低。与传统的电热板消解法相比, 无显著性差异, 已应 用于实际样品的测定中, 取得了满意的效果, 值得推广 和应用。 4参考文献 [ 1]冯世笮, 李凤岐, 李少菁. 海洋科学导论[ M] . 北京 高等 教育出版社, 1999 136 -144. 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