CN111721757A - 一种水体磷酸盐连续流动分析仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于分析检测领域，具体涉及一种用于检测水体磷酸盐的连续流动分析仪，进一步涉及使用该分析仪进行水体磷酸盐分析检测的方法。与现有技术相比，本发明的连续流动分析仪省去了不必要的试剂管路，减少了化学反应模块中的两根试剂进液管，保证更多待测样品进入管路***参加反应，减少反应液的稀释，设计了显色反应体系内各试剂的浓度，提高测试灵敏度，保证了检测数据的准确度与精确度。连续流动分析仪经过改装后结合孔雀绿磷钼杂多酸比色法，可用于大批量水样中磷酸盐含量的分析，试剂用量减少，测试效率提高。

Description

一种水体磷酸盐连续流动分析仪及检测方法

技术领域

本发明属于分析检测领域，更具体属于水体污染物分析检测领域，具体涉及一种用于检测水体磷酸盐的连续流动分析仪，进一步涉及使用该分析仪进行水体磷酸盐分析检测的方法。

背景技术

磷是水体浮游植物生命生长所必需的营养元素。由于人类活动和自然因素，磷酸盐排入湖泊、水库等水体，在水体中过量富集，造成富营养化，使水域生态遭到破坏。水体中磷酸盐含量的测定是水质分析的重要组成内容，磷酸盐的测定方法通常采用磷钒钼黄或磷钼蓝法的分析方法，磷钒钼黄原理是：磷酸盐与偏钒酸和钼酸能生成黄色的三元杂多酸，其吸光度与磷浓度成正比。磷钼蓝法原理是：在酸性介质中，磷酸盐与钼酸铵反应生成磷钼黄，用抗坏血酸还原为磷钼蓝后，其吸光度与磷浓度成正比。上述方法的检出限均较高，例如磷钒钼黄检出限一般为5 mg/L、磷钼蓝检出限一般为0.01 mg/L，难以满足水体样品中低含量磷酸盐的检测。

为了提高检测的灵敏度和准确性，以孔雀绿-磷钼杂多酸比色法对于低含量浓度范围磷酸盐的检测得到应用（孔雀绿-磷钼杂多酸分光光度法测定水样中磷的含量. 张莹琪 等. 《工业水处理》, 2011, 31(12), 79.），该方法的原理是：在一定的酸性条件下，染料孔雀绿、钼酸铵混合配成一定酸度的显色液，在聚乙烯醇存在下与磷酸盐反应生成绿色的离子缔合物，从而可以通过比色法测定待测溶液的吸光度，由标准曲线算出样品中磷酸盐含量。为了进一步提高孔雀绿-磷钼杂多酸比色法的灵敏度，发明人团队经研究、通过反复试验，提出了最佳的显色剂配比和用量（利用孔雀绿-磷锢杂多酸分光光度法测定水样中微量磷酸盐. 朱靖蓉 等. 《新疆农业科学》, 2017, 54(8), 1559.），该方法的检出限低至1.2 μg/L，具有灵敏度高、线性范围宽、显色溶液稳定时间长等特点，准确度、精密度符合水质监测需求。

但是目前该方法只是一种适用于实验室内人工操作的检测方法，实施全过程均需要专业分析技术人员进行配制试剂、处理样品、添加液体、定容等工作，，存在分析人员劳动强度大、分析过程自动化水平低、分析结果易受到复杂过程干扰等弊端，不能够直接应用于现代化连续检测的应用场景，也无法直接应用于目前常用的连续流动分析仪。

连续流动分析仪主要由自动进样器、蠕动泵、化学分析模块、比色计和数据处理***组成（San++间隔连续流动分析仪常见故障处理. 黄泉萍. 《广东水利水电》,2012, 4,49.）。样品和标准溶液通过进样器采集，蠕动泵将标准工作液、样品、试剂定量泵入到化学反应模块中，同时注入均匀一致的气泡，使管路中形成连续流体气泡分隔***，既防止了样品扩散，又能除去管壁上污染，使样品与试剂反应保持其完整性。化学模块包含反应需要的混合圈、透析器、加热池、离子交换柱等，经过一系列反应步骤（如混合、加热等）后，被气泡均匀间隔的批量样品待测液，经过透析器过滤，与显色试剂反应后，显色液体被气泡均匀分割，的顺序进入比色计中进行比色，检测器得到相应信号，完成检测的分析过程，通过与标准曲线比较，计算得到待测目标物的浓度。。整个过程完全自动化，由于采用模块化设计，流动分析仪适用于大批量样品分析，省时省力，分析效率大大提高。

因此，现有技术中急需一种能够直接应用前述改进的孔雀绿-磷钼杂多酸比色法进行连续流动分析的分析仪，以及对应的水体磷酸盐检测方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的一个目的在于，提供一种适用于水体磷酸盐检测的连续流动分析仪，该分析仪能够直接应用发明人改进的孔雀绿-磷钼杂多酸比色法，从而对水体磷酸盐含量进行灵敏、高效、自动化的检测。

具体而言，本发明所提供的水体磷酸盐连续流动分析仪，沿着样品流向依次包括进样混合装置、过滤装置、第二混合装置、第三混合装置、第四混合装置、化学反应装置、第五混合装置、比色装置。该分析仪在第二混合装置与第三混合装置之间的管路上与显色剂管路相连通、以及在第三混合装置与第四混合装置之间的管路上与稳定剂管路相连通。

现有技术中，如附图1所示，为了保证显色剂与待检测物质充分混合、反应，并且能够在足够长的时间内维持显色，往往需要多次加入显色剂和/或稳定剂，每次加入试剂后均要通过混合装置将试剂与样品混合。结果导致整个流体路径过长，分析仪检测灵敏度下降，管线复杂导致器材成本高、维护难度大。对此，发明人深入研究了影响水体磷酸盐比色法检测的影响因素，从而在现有连续流动分析仪的基础上作出优化改进，省去了不必要的试剂管路及对应的混合装置，极大程度地降低了***复杂程度，能够达到背景技术中实验室手动操作时的精度，从而使水体磷酸盐的高灵敏度自动化检测成为可能。

在此基础上，本发明的分析仪允许更大的样品进样量，能够有效增加检测信号强度。在一种典型的应用场景下，该进样混合装置与样品管路相连通，并且该样品管路的流量是2.5-3.5 mL/min，该显色剂管路的流量是0.2-0.3 mL/min、该稳定剂管路的流量是0.2-0.3 mL/min。

进一步地，第一空气管路与第一缓冲液管路交汇后，送入进样混合装置，该样品管路在该第一空气管路的下游与该第一缓冲液管路交汇后送入该进样混合装置。如此设计，第一空气管路泵入的空气可以起到分隔第一缓冲液管路液体或样品管路液体的作用，同时使缓冲液也起到了冲洗管路、承载样品、调节载样pH值等作用。作为一种优选方案，该空气管路的流量是0.2-0.35 mL/min，该缓冲液管路的流量是0.6-1.0 mL/min。

进一步地，该进样混合装置送出的流体送入该过滤装置，经过滤得到过滤后的流体；第二空气管路与第二缓冲液管路交汇后送入该过滤装置，并与该过滤后的流体混合。其中，第二空气管路送入的空气也起到隔断第二缓冲液管路中液体的作用。作为优选，该过滤装置为透析器，所用透析膜孔径优选为30-50 μm。

进一步地，该混合器没有特别的限定，可以采用本领域中常用的混合设备，在一种优选的方案中，该混合器是循环混合圈。

进一步地，该显色剂是由钼酸铵溶液、孔雀绿溶液与硫酸溶液按照体积比1:0.5-1:0.5-1配制而成，该孔雀绿溶液的浓度是10-15 g/L（优选11.0-11.5 g/L）、该钼酸铵溶液的浓度是150-200 g/L（优选170-180 g/L）。本发明中所称浓硫酸，是指硫酸含量是70wt.%以上的硫酸水溶液，优选硫酸含量是98wt.%或以上。

进一步地，该稳定剂是聚乙烯醇（PVA）水溶液，其浓度为0.8-1.5 wt.%，优选1.0-1.1 wt.%。

进一步地，该化学反应装置的温度高于20℃，优选温度30-37℃。

本发明的另一个目的在于，提供一种水体磷酸盐的检测方法，该方法的检测灵敏度极高，并且能够实现全自动化乃至在线实时监测。

具体而言，本发明的水体磷酸盐的检测方法基于发明人改进的孔雀绿-磷钼杂多酸比色法，具体采用前述水体磷酸盐连续流动分析仪进行检测。

进一步地，该检测方法的检测波长范围是600-900 nm，优选640-700 nm。

进一步地，该方法的进样速率是40-60样品/小时。

进一步地，该方法的进样与清洗比是2-5:1（体积比），优选2.5-3.5:1（体积比），进样时间是40-50 s，清洗时间是10-20 s。

进一步地，以元素磷计，该方法的磷检出限小于等于10 μg/L，。

本发明的有益效果在于，提出了一种优化、快速准确地测定水体磷酸盐的新型水体磷酸盐连续流动分析仪，以及相应的水体磷酸盐检测方法，通过改进连续流动分析仪管路***，减少了化学反应模块中的两根试剂进液管，保证更多待测样品进入管路***参加反应，减少反应液的稀释，设计了显色反应体系内各试剂的浓度，提高测试灵敏度，保证了检测数据的准确度与精确度。改装后的连续流动分析仪结合孔雀绿磷钼杂多酸比色法，可用于大批量水样中磷酸盐含量的分析，具有试剂用量少、灵敏度高、检出限低、测试效率高的优点。

附图说明

图1是现有技术中公开的水体磷酸盐连续流动分析仪的结构示意图（不包括前端自动进样器）。

图2是本发明的水体磷酸盐连续流动分析仪的结构示意图（不包括前端自动进样器）。

图3是本发明所用的磷标准工作曲线。

其中：

1 第一空气管路

2 第一缓冲液管路

3 样品管路

4 第二空气管路

5 第二缓冲液管路

6 第一显色剂-稳定剂管路

7 显色剂管路

8 稳定剂管路

9 第二显色剂-稳定剂管路

10 第一废液管路

11 第二废液管路

12-1 进样混合装置

12-2 第二混合装置

12-3 第三混合装置

12-4 第四混合装置

12-5 第五混合装置

13 过滤装置

14 化学反应装置

15 比色装置

16 蠕动泵。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对比例

参见图1所示的现有技术中公开的水体磷酸盐连续流动分析仪的结构示意图。

现有技术中，通过蠕动泵16控制，第一缓冲液管路2输送的缓冲液或浸提夜，待检测的水体磷酸盐样品接入样品管路3，通过流速控制定量进入样品混合装置12-1，而第一空气管路1则间断性提供分隔流体所用的空气。

样品与缓冲液混合后送入过滤装置13，一般可以采用透析设备作为过滤装置13，透析废液通过第一废液管路10排出，透析后的样品与第二缓冲液管路5送入的缓冲液汇流后，第二空气管路4用于向透析后的样品流提供分隔流体所用的空气。

流体向下游输送，与第一显色剂-稳定剂管路6送入的试剂汇流后、送入第二混合装置12-2，出液与显色剂管路7送入的试剂汇流后、送入第三混合装置12-3，出液与稳定剂管路8送入的试剂汇流后、送入第四混合装置12-4，出液进入化学反应装置14进行显色反应，再与第二显色剂-稳定剂管路9送入的试剂汇流并在第五混合装置12-5混匀后，送入比色装置15进行检测，检测废液从第二废液管路11排出。

试剂配制及准备工作

磷标准液：将0.2197 g 经105 ℃烘干的磷酸二氢钾溶于1000 mL水中，溶液磷含量为50 mg/L；

钼酸铵（分析纯）溶液：溶解88.25 g钼酸铵于水中，并稀释定容500 mL；

孔雀绿（分析纯）溶液：加热溶解5.6 g孔雀绿于水中，并稀释定容500 mL；

浓硫酸（分析纯，约70 wt.%）；

显色剂的配比按照40 mL钼酸铵溶液中加入32 mL浓硫酸和35 mL孔雀绿溶液，混合均匀后冷却，过0.45 μm滤膜；

聚乙烯醇（PVA）溶液：加热溶解5 g PVA于水中，并稀释定容至500 mL，滤纸过滤后使用，即1% PVA溶液；

在样品中加入2 mL 显色剂，0.5 mL 1% PVA溶液，定容至25 mL。

采用不同浓度的磷标准液绘制标准工作曲线，如图3所示。标准工作曲线方程为Y=90872X+1915.2， Y表示仪器测定的信号值峰高，X表示标准溶液磷（P）浓度。决定系数R²=0.9991**，**表示统计分析差异达1%显著水平。

实施例1 改进的连续流动分析仪的工作原理

参见图2。待检测的水体磷酸盐样品接入样品管路3，与第一缓冲液管路2输送的缓冲液汇流后，由蠕动泵定量泵入样品到混合装置12-1，而第一空气管路1则间断性提供分隔流体所用的空气。

样品与缓冲液混合后送入过滤装置13，一般可以采用透析设备作为过滤装置13，透析废液通过第一废液管路10排出，透析后的样品与第二缓冲液管路5送入的缓冲液汇流后，流入第二混合装置12-2。第二空气管路4用于向透析后的流体提供分隔所用的空气。

透析后的样品向下游输送，与显色剂管路7送入的孔雀绿显色剂汇流后、送入第三混合装置12-3，出液与稳定剂管路8送入的PVA溶液汇流后、送入第四混合装置12-4，出液进入化学反应装置14进行显色反应，温度控制在35℃，送入第五混合装置12-5进一步混匀，保证反应后气泡分割均匀的溶液，随后进入比色装置15进行检测，检测废液从第二废液管路11排出。

与对比例相比，实施例1的连续流动分析仪省去了第一显色剂-稳定剂管路6与第二显色剂-稳定剂管路9，设备结构更加简单，不仅设备成本降低，也便于维护保养，并显著提高检出灵敏度。

实施例2 水体磷酸盐检测方法

采用实施例1所示的分析仪进行检测。

启动连续流动分析仪仪器，去离子水清洗管路***后，按照图2所示，设置样品和试剂进样管路***：样品进液管路3，采用2.90 mL/min进液管，管路1和4泵入空气，透析式过滤装置前的管路2和5分别泵入去离子水和4%硫酸溶液。透析式器过滤装置后的管路7和8分别泵入孔雀绿试剂和聚乙烯醇（PVA）试剂。样品、去离子水和4%硫酸溶液在透析器前混合，与显色剂、PVA试剂在混合装置里混匀充分，反应在化学反应装置里再次混匀反应，显色后待测液，再次混匀，气泡均匀分割，进入比色装置中进行比色，检测吸光度，得到相应的峰值电信号，与标准曲线比较，计算得到待测磷（P）浓度。

选择防酸进样针和高浓度进样管，设置进样速率50个样/h，进样与清洗比为3:1，进样时间45 s，清洗时间15 s。仪器默认设置基线和漂移校正，自动基线参比为5％；比色滤光片波长为660 nm，检测模块的灯强度大于l000 mV。

依据重复20次试剂空白测定结果，计算方法检出限为0.006 mg/L。对5个不同浓度的磷标准液分别重复测定3次，相对标准偏差均在2%以下，且回收率均在95%-100%之间（表1）。选取湖水样品，重复测定10次，相对标准偏差为2.6%。

以上结果表明：方法可行，可满足水样中磷酸盐含量的分析要求。

表1 连续流动分析仪-孔雀绿磷钼杂多酸比色法测定水体P含量结果

注：测定值为平均值±标准方差（n=3）。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种水体磷酸盐连续流动分析仪，沿着样品流向依次包括进样混合装置（12-1）、过滤装置（13）、第二混合装置（12-2）、第三混合装置（12-3）、第四混合装置（12-4）、化学反应装置（14）、第五混合装置（12-5）、比色装置（15），其特征在于，所述分析仪仅在所述第二混合装置（12-2）与所述第三混合装置（12-3）之间的管路上与显色剂管路（7）相连通、以及仅在所述第三混合装置（12-3）与所述第四混合装置（12-4）之间的管路上与稳定剂管路（8）相连通。

2. 根据权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述进样混合装置（12-1）与样品管路（3）相连通，并且所述样品管路（3）的流量是2.5-3.5 mL/min，所述显色剂管路（7）的流量是0.2-0.3 mL/min、所述稳定剂管路（8）的流量是0.2-0.3 mL/min。

3.根据权利要求1或2所述的分析仪，其特征在于，第一空气管路（1）与第一缓冲液管路（2）交汇后，送入所述进样混合装置（12-1），所述样品管路（3）在所述第一空气管路（1）的下游与所述第一缓冲液管路（2）交汇后送入所述进样混合装置（12-1）。

4.根据权利要求1或2所述的分析仪，其特征在于，所述进样混合装置（12-1）送出的流体送入所述过滤装置（13），经过滤得到过滤后的流体；第二空气管路（4）与第二缓冲液管路（5）交汇后送入所述过滤装置（13），并与所述过滤后的流体混合，优选所述过滤装置（13）为透析器。

5.根据权利要求1或2所述的分析仪，其特征在于，所述混合器是循环混合圈。

6. 根据权利要求1-5任一项所述的分析仪，其特征在于，所述显色剂是由钼酸铵溶液、孔雀绿溶液与硫酸溶液按照体积比1:0.5-1:0.5-1配制而成，所述孔雀绿溶液的浓度是10-15 g/L、优选11.0-11.5 g/L、所述钼酸铵溶液的浓度是150-200 g/L、优选170-180 g/L。

7. 根据权利要求1-5任一项所述的分析仪，其特征在于，所述稳定剂是 0.8-1.5wt.%、优选1.0-1.1 wt.%的聚乙烯醇（PVA）水溶液。

8.一种水体磷酸盐的检测方法，其特征在于，所述检测方法采用权利要求1-7任一项所述的水体磷酸盐连续流动分析仪进行检测。

9. 根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法的检测波长范围是600-900 nm，优选640-700 nm。

10. 根据权利要求8或9所述的检测方法，其特征在于，以元素磷计，所述方法的磷检出限小于等于10 μg/L。

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