English

• 1.   引 言

  我国水体富营养化问题日益加剧,蓝藻、赤潮等环境灾害不断发生^{[1, 2]}。磷是水生态系统初级生产力的主要限制因子和造成水体富营养化的关键营养元素^[3],磷钼蓝比色法^[4]是普遍应用的测磷方法。该方法操作简单,线性范围宽(0.03~28 μmol/L),可满足一般水体中磷的测定。但是由于体系的pH＜1才能保证形成的磷钼杂多酸显色,然而在此强酸性条件下,水体中溶解的聚磷酸盐和部分有机磷化合物将会发生水解形成正磷酸盐;此外,溶解的结合态无机磷也会解离出来,因此该方法的测磷准确性尚存在缺陷。薄膜梯度扩散技术(Diffusive gradients in thin films technique,DGT )^[5] 是一种全新的原位被动采样技术,可以有效避免采用传统采样方法破坏采样点周围的物理、化学和生物环境,使采样的典型性和准确性降低的缺陷,适合于富营养盐水体中正磷酸盐的准确测定。Ding等^[6]以水合氧化锆对可溶性活性磷具有很高的吸附容量的特点,将其作为DGT的结合相,准确测定了沉积物孔隙水中的可溶性活性磷,该法具有良好的稳定性和可重复性。Panther等^[7]利用二氧化钛作为DGT的结合相来测定淡水及海水中的可溶性活性磷,与商品化的Ferrihydrite-DGT比较发现,二氧化钛-DGT在海水中更具有优势。Mason等^[8]将Chelex-100阳离子交换树脂^[9]和水合氧化铁(Ferrihydrite)^[5]结合在一起作为DGT的结合相,发现其也能准确测定土壤中的P,Cd,Cu,Mn,Mo和 Zn。目前,富集测定磷的DGT结合相材料仅限Chelex-100、水合氧化铁、水合氧化锆和二氧化钛等材料。本研究采用含有碱式碳酸镁的聚丙烯酰胺凝胶膜作为DGT的新结合相,利用构建的新DGT实现对富营养水体中活性磷的原位富集测定。系统研究了初始磷浓度、放置时间、温度、pH值、离子强度对新DGT吸附性能的影响,并与商品化的Ferrihydrite-DGT比较应用于不同水体中磷的测定。结果表明,本方法适用于水体中的磷准确测定。

  2.   实验部分

  2.1.   仪器与试剂

  WFJ-7200型可见光分光光度计(尤尼克(上海)仪器有限公司);碱式碳酸镁(无锡市泽辉化工有限公司),丙烯酰胺、抗坏血酸、四水合钼酸铵、酒石酸锑钾(国药集团化学试剂有限公司),其它试剂均为分析纯。实验用水为去离子水。所用商品化Ferrihyride-DGT(DGT piston holders)和用于组装新DGT装置购于英国 DGT Research 公司,与基质接触的窗口面积为3.14 cm²,扩散凝胶层厚度0.8 mm,吸附凝胶为掺入碱式碳酸镁的聚丙烯酰胺凝胶,厚度0.4 mm^[10]。

  2.2.   新结合相的制备

  准确称取14.25 g 丙烯酰胺和0.75 g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺溶解于去离子水中,定容至50 mL,制成储备胶^[6]。取6.5 mL 储备胶,加入3.5 g碱式碳酸镁,再加入同样体积的去离子水,加入70 μL 10% (m/V) 过硫酸铵,10 mL四甲基乙二胺,搅拌混匀,脱气后,立即注入厚度为0.4 mm的玻璃夹板内,42℃±2℃烘箱中反应10 min,冷却,去离子水中浸泡5 h后拆模,新结合相放入去离子水中浸泡待用^[11]。扩散膜按文献^[11]制备。

  2.3.   洗脱率

  以0.03 mol/L NaNO₃为背景溶液(下同),用KH₂PO₄配制20 mg/L(以 P 计)的磷溶液,准确移取20 mL 磷溶液于50 mL离心管中,放入直径2.5 cm的新结合相,25℃恒温振荡吸附24 h。取适量吸附后的上清液,测量其吸光度,计算吸附量。将吸附后的结合膜取出,去离子水多次冲洗后晾干,放入不同浓度不同体积的H₂SO₄(或NaOH)溶液中振荡洗脱 24 h,测定洗脱液中磷的含量,计算洗脱效率^{[5, 12]}。实验平行测定3次。

  2.4.   不同因素对新DGT的吸附性能研究

  将新DGT装置放在50 L 2 mg/L 磷溶液中,pH=7.00,在25℃研究放置时间(1,2,3,4,5,10,15和20 h)的影响,每个时间点平行测定3次。

  将新DGT装置放在5L磷溶液中,分别设置不同实验条件为:磷初始浓度为0.1,1,2,4,6,8,10和15 mg/L;NaNO₃浓度分别为0.001,0.005,0.01,0.03和0.05 mol/L;pH值分别为4.10,4.98,6.05,7.12,8.07和9.15。所有条件实验平行测定3次,计算洗脱量和C_DGT^{[9, 12]}。

  2.5.   在合成海水标样及实际海域、淡水域的应用

  参考文献 ^[13],分别配制60 μg/L两组体积为1 L 的合成海水,将15个碱式碳酸镁-DGT和15个商品化的Ferrihydrite-DGT分别放入配制好的合成海水中,分别在8,16,32,48和56 h后,回收DGT装置(n=3),计算DGT的M值^{[5, 12]}。将上述两种DGT采样装置放置于厦门近岸海水、校园易海湖水和富营养化严重的巢湖^[14]、南淝河水中,分别在5,10,24,35,72,144,168和264 h后采样。同时分别采集部分水样,过0.45 μm滤膜后分析测定磷含量。

  3.   结果与讨论

  3.1.   洗脱率的测定

  新结合相的洗脱效率是影响磷含量准确测定的重要参数之一,H₂SO₄(或NaOH)可以有效洗脱结合相上吸附的磷。以不同体积的0.1,0.25,0.5和1.0 mol/L NaOH洗脱时发现,5 mL 1.0 mol/L NaOH的洗脱效果最佳,洗脱率为78%±5%。在洗脱液为0.1~0.25 mol/L H₂SO₄时,洗脱效率从72%±6.5%增加至85%±5%,随后浓度再增加,洗脱效率降低,由于本实验采用磷钼蓝法测定磷含量,H₂SO₄为洗脱液,可以简化磷含量测定流程,故本研究选择10 mL 0.25 mol/L H₂SO₄洗脱新结合相吸附的磷。

  3.2.   磷初始浓度对新DGT原位吸附磷的影响

  磷初始浓度对新DGT原位吸附磷的影响如图 1所示,当磷浓度从0.1 mg/L升高到15 mg/L时,实际吸附量呈线性增加,从(0.33±0.13) μg增加到(50.3±7.5) μg,与理论值有明显的线性相关性。计算可知理论值与实际值的相对误差分别为3.07%±0.38%,3.05%±0.42%,3.04%±0.7%,5.18%±0.2%,0.5%±0.03%,3.68%±0.22%,0.28%±0.06%,1.9%±0.14%。结果表明,在本实验的研究条件下,碱式碳酸镁-DGT可用于测定水体中磷的浓度。

  图 1

  

  图 1  不同磷浓度对薄膜梯度扩散技术(DGT)吸附的影响

  Figure 1.  Effect of phosphorus concentration on the mass of P accumulated by diffusive gradients in thin films technique (DGT)

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  3.3.   放置时间对新DGT原位吸附磷的影响

  DGT对待测物质的吸附量与放置时间之间有对应关系^[15],明确了 DGT 的吸附量就可以确定待测物的浓度,但是只有在未超过吸附剂有效吸附量的前提下,才能利用 DGT 计算方程式表达定量化的关系^[16]。当磷初始浓度为2 mg/L时,放置时间大于4 h,新DGT吸附量的增加会趋于平缓,放置20 h 后,新DGT的吸附量为 20.6 μg。当放置时间≤4 h时,实际吸附量与理论计算出的吸附量之间呈线性相关。在放置时间为4 h时,通过DGT公式可推算出有效吸附容量为6.84 μg;当放置时间 5 h时,凝胶膜的实际吸附量为10.21 μg,而计算出的理论吸附量为8.5 μg,此时新DGT实际吸附量与理论吸附量之间的差异超过10%,而由此计算出的 DGT测定浓度值与溶液实际浓度值之间会产生很大差异。因此,在磷初始浓度为2 mg/L时,温度25℃,pH=7.00的条件下,碱式碳酸镁-DGT对磷的最大吸附容量20.6 μg,其有效吸附容量 6.84 μg。

  3.4.   离子强度对新DGT原位吸附磷的影响

  Santner等^[17]利用Ferrihydrite-DGT测定土壤及沉积物中的不稳定磷时,离子强度在 0.001~0.5 mol /L范围内,P浓度的测定不受溶液离子强度的影响。Panter等^[7]利用Metsorb (二氧化钛)-DGT测定淡水和海水中的可溶性活性磷,研究离子条件的影响时,NaNO₃浓度在0.0001~1.0 mol /L 范围内,也未发现其对吸附有明显影响。本研究结果表明,NaNO₃浓度从0.001~0.05 mol/L范围内变化时,碱式碳酸镁-DGT的C_DGT/C_soln≈1.0,DGT测定的磷浓度值C_DGT 与磷钼蓝比色法^[18]直接测得本体溶液的浓度C_soln 差异小于10%。说明离子强度同样不会影响碱式碳酸镁-DGT对磷的吸附。因此,本方法可用于含有大量离子干扰(尤其是高盐海水)的复杂水体中磷的准确测定。

  3.5.   pH值对新DGT原位吸附磷的影响

  Ding等^[6]研究了不同pH值(3~10)条件下氧化锆-DGT测量水体中的可溶性活性磷,结果表明,在较大pH范围内,DGT装置对磷的吸附量影响不大。Huynh等^[19]以混合型结合膜(Chelex-100和 Ferrihydrite)为DGT装置的结合相,测定了水和土壤中的无机砷,研究表明,在pH 3~8范围内,pH值对As浓度测定几乎没有影响。本实验中,pH值从4.10~9.15变化,C_DGT/C_soln= 1.0±0.03,两者的相对误差≤10%,说明pH值对碱式碳酸镁-DGT吸附凝胶的吸附量不存在显著影响。DGT的测定结果可以很好地反映溶液的真实浓度。

  3.6.   方法的检出限、精密度及线性范围

  重复18次空白实验,对空白样的磷累积量进行测定,计算18次空白样的平均值为(18.0±0.7) ng,根据3倍空白样的标准偏差计算本方法的检出限为102.4 ng/L(以P计)。

  采用本方法重复测定0.05 mg/L磷标准溶液6次,测定均值为0.049 mg/L,相对标准偏差为2.2%。说明本方法测定水体中磷时具有良好的精密度。

  根据DGT的工作原理可知,M为结合相上目标离子的累积量(μg),磷浓度在0.001~20 mg/L范围内与M^{[5, 12]}呈良好的线性关系。线性方程为y=3.3708x-0.06542,线性相关系数R²=0.9995。

  3.7.   实际水样分析

  通过对模拟海水样品的测定可知,随着放置时间的延长,碱式碳酸镁-DGT和商品化的Ferrihydrite-DGT对磷的累积量都随时间呈线性增加。碱式碳酸镁-DGT测定值(C_DGT-1)与磷钼蓝比色法测定值(C_soln)基本一致,不同时间时的C_DGT-1/C_soln均在0.95~1.06之间,相对误差均在6%范围内,说明实际测得数据与理论数据呈显著线性相关。在不超过24 h时,碱式碳酸镁-DGT和商品化的Ferrihydrite-DGT都能准确测定海水浓度;大于24 h时,商品化的Ferrihydrite-DGT测得的磷浓度与磷钼蓝比色法测得的磷浓度有显著差异。原因可能是商品化的Ferrihydrite-DGT的累积量低于碱式碳酸镁-DGT,且其实际累积量随时间的增加远没有碱式碳酸镁-DGT快。同时合成海水中的Cl^-,SO₄^2-,HCO₃^-等离子对碱式碳酸镁-DGT吸附磷干扰较小,说明碱式碳酸镁-DGT对PO₄^3-表现出更高的选择性。碱式碳酸镁-DGT可以更准确的测定海水中的磷。

  比较两种DGT装置在厦门近岸海水、易海湖水、巢湖、南淝河水对磷的测定结果(表 1)可知,对于厦门近岸海水,放置时间为5~264 h时,碱式碳酸镁-DGT测定该海水的浓度(C_DGT-1)与磷钼蓝比色法测得的浓度(C_soln)之比C_DGT-1/C_soln均在1.0 ± 0.1范围之内。而商品化的Ferrihydrite-DGT测得结果(C_DGT-2)与C_soln比值超出0.9~1.1范围(>24 h时),且Ferrihydrite-DGT分析同系列的水样测试结果的相对误差均比碱式碳酸镁-DGT的测试结果更大。说明碱式碳酸镁-DGT较Ferrihydrite-DGT准确度更高,这两种DGT在放置时间≤24 h时测定值都可以真实的反应海水实际浓度,当放置时间大于24 h时,Ferrihydrite-DGT已经不能准确测定海水的浓度。对于易海湖水,放置时间>144 h后,Ferrihydrite-DGT取样测得的磷浓度(C_DGT-2)与真实易海水样浓度差异较大,而 C_DGT-1/C_soln =1.0 ± 0.1,说明碱式碳酸镁-DGT的测定值与C_soln有较好的响应关系。对于巢湖和南淝河水体,当放置时间≤35h,两种DGT装置均能准确测定水体浓度,C_DGT/C_soln 比值均在0.9~1.1之间;放置时间>35 h时,Ferrihydrite-DGT对水体的测定误差大于10%,Ferrihydrite-DGT已经不能准确测定巢湖、南淝河水体浓度,碱式碳酸镁-DGT在此时表现出优势,与磷钼蓝比色法直接测得本体溶液的浓度C_soln吻合度依然很高,能很好地反映实际水体中磷的浓度。对于不同水体,放置时间是影响DGT准确测定浓度的关键因素,而DGT的有效吸附量直接影响着放置时间的长短,只有在未超过其有效吸附量的前提下,才能利用 DGT 进行准确测定。因此在实际应用中,需准确测定DGT的有效吸附量,计算出有效放置时间,在有效放置时间前的测定都是准确可靠的。

  表 1

  

  表 1  不同放置时间下测定的磷浓度C_DGT-1、C_DGT-2与C_soln(海水、易海、巢湖、南淝河)的关系

  Table 1.  Comparison of C_DGT-1 and C_DGT-2 at various times (5-264 h) for the Seawater,Yihai Pond,Chaohu Lake and Nanfei River deployment

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  	实际海水 Seawater		易海 Yihai Pond		巢湖 Chaohu Lake		南淝河 Nanfei River
  时间 Time (h)	CDGT/Csoln
  	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2
  5	1.012 (1.2%)	0.965 (-3.5%)	0.965 (-3.5%)	0.956 (-4.4%)	0.971 (-2.9%)	1.073 (7.3%)	0.995 (-0.5%)	0.942 (-5.8%)
  10	0.985 (-1.5%)	0.944 (-5.6%)	1.005 (0.5%)	0.953 (-4.7%)	1.049 (4.9%)	0.939 (-6.1%)	0.965 (-3.5%)	0.955 (-4.5%)
  24	0.955 (-4.5%)	0.902 (-9.8%)	0.990 (-1.0%)	0.917 (-8.3%)	1.032 (3.2%)	0.921 (-7.9%)	1.002 (0.2%)	0.982 (-1.8%)
  35	0.965 (-3.5%)	0.896 (-10.4%)	1.015 (1.5%)	0.958 (-4.2%)	0.988 (-1.2%)	1.067 (6.7%)	0.981 (-2.9%)	0.925 (-7.5%)
  72	0.985 (-1.5%)	0.765 (-23.5%)	0.975 (-2.5%)	0.965 (-3.5%)	0.977 (-2.3%)	0.883 (-11.7%)	0.955 (-4.5%)	0.889 (-11.1%)
  144	0.932 (-6.8%)	0.752 (-25.8%)	0.982 (-1.8%)	0.951 (-4.9%)	0.958 (-4.2%)	0.689 (-31.1%)	1.050 (5.0%)	0.822 (-17.8%)
  168	0.956 (-4.4%)	0.785 (-21.5%)	0.936 (-6.4%)	0.848 (-15.2%)	0.987 (-1.3%)	0.785 (-21.5%)	0.934 (-6.6%)	0.789 (-21.1%)
  264	0.949 (-5.1%)	0.693 (-30.7%)	0.922 (-7.8%)	0.825 (-17.5%)	0.955 (-4.5%)	0.632 (-36.8%)	0.915 (-8.5%)	0.720 (-28.0%)
  * Csoln:磷钼蓝比色法测得的磷浓度(the concentration of P measured directly in solution by the molybdenum-blue method); CDGT-1: 碱式碳酸镁-DGT测得的磷浓度(the concentrations of P determined by the Basic Magnesium Carbonate-DGT); CDGT-2: 商品化的Ferrihydrite-DGT测得的磷浓度(the concentrations of P determined by the Ferrihydrite-DGT); 括号内数据为CDGT与Csoln的相对偏差(data in parentheses are the relative error)。

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• 

  Figure 1  Effect of phosphorus concentration on the mass of P accumulated by diffusive gradients in thin films technique (DGT)

  实验条件(Experimental conditions):pH 7.00;时间 (Time):4 h; 离子强度( Ionic strength):0.03 mol/L NaNO₃;温度(Temperature):25℃。

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  Table 1.  Comparison of C_DGT-1 and C_DGT-2 at various times (5-264 h) for the Seawater,Yihai Pond,Chaohu Lake and Nanfei River deployment

  	实际海水 Seawater		易海 Yihai Pond		巢湖 Chaohu Lake		南淝河 Nanfei River
  时间 Time (h)	CDGT/Csoln
  	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2	DGT-1	DGT-2
  5	1.012 (1.2%)	0.965 (-3.5%)	0.965 (-3.5%)	0.956 (-4.4%)	0.971 (-2.9%)	1.073 (7.3%)	0.995 (-0.5%)	0.942 (-5.8%)
  10	0.985 (-1.5%)	0.944 (-5.6%)	1.005 (0.5%)	0.953 (-4.7%)	1.049 (4.9%)	0.939 (-6.1%)	0.965 (-3.5%)	0.955 (-4.5%)
  24	0.955 (-4.5%)	0.902 (-9.8%)	0.990 (-1.0%)	0.917 (-8.3%)	1.032 (3.2%)	0.921 (-7.9%)	1.002 (0.2%)	0.982 (-1.8%)
  35	0.965 (-3.5%)	0.896 (-10.4%)	1.015 (1.5%)	0.958 (-4.2%)	0.988 (-1.2%)	1.067 (6.7%)	0.981 (-2.9%)	0.925 (-7.5%)
  72	0.985 (-1.5%)	0.765 (-23.5%)	0.975 (-2.5%)	0.965 (-3.5%)	0.977 (-2.3%)	0.883 (-11.7%)	0.955 (-4.5%)	0.889 (-11.1%)
  144	0.932 (-6.8%)	0.752 (-25.8%)	0.982 (-1.8%)	0.951 (-4.9%)	0.958 (-4.2%)	0.689 (-31.1%)	1.050 (5.0%)	0.822 (-17.8%)
  168	0.956 (-4.4%)	0.785 (-21.5%)	0.936 (-6.4%)	0.848 (-15.2%)	0.987 (-1.3%)	0.785 (-21.5%)	0.934 (-6.6%)	0.789 (-21.1%)
  264	0.949 (-5.1%)	0.693 (-30.7%)	0.922 (-7.8%)	0.825 (-17.5%)	0.955 (-4.5%)	0.632 (-36.8%)	0.915 (-8.5%)	0.720 (-28.0%)
  * Csoln:磷钼蓝比色法测得的磷浓度(the concentration of P measured directly in solution by the molybdenum-blue method); CDGT-1: 碱式碳酸镁-DGT测得的磷浓度(the concentrations of P determined by the Basic Magnesium Carbonate-DGT); CDGT-2: 商品化的Ferrihydrite-DGT测得的磷浓度(the concentrations of P determined by the Ferrihydrite-DGT); 括号内数据为CDGT与Csoln的相对偏差(data in parentheses are the relative error)。

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