海水中超痕量活性磷的检测方法及其船载式仪器研究及应用

论文摘要

磷是海洋浮游植物生长所必需的营养元素,活性磷作为其主要无机形式,在磷的海洋生物地球化学过程中扮演着重要角色。寡营养盐海域海洋表层活性磷的浓度极低,通常在nmol/L水平。现有的活性磷测定方法已不能满足日益发展的海洋环境科学研究的需要,发展灵敏可靠的分析方法,研发相应的现场分析仪器,已成为该领域研究的技术基础和迫切需求。本论文针对现有方法的不足,研发灵敏度高、可靠性好、操作相对简单的超痕量活性磷分析方法和船载式仪器,并用于现场测定。主要内容和结果如下:（1）建立了海水中超痕量活性磷的船载式流动注射-C18固相萃取-分光光度测定方法。前期研究发现,作为阴离子的磷钼蓝（Phosphomolybdenum blue,PMB）可与阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵（Cetyltrimethylammoniumbromide,CTAB）反应,生成均匀分散于水相的疏水性PMB-CTAB离子对化合物,该化合物可被Sep-Pak C18富集柱固相萃取,萃取后可被0.56 mol/L硫酸乙醇溶液从柱上迅速洗脱,洗脱液在700 nm和791 nm处有最大吸收。对本课题组前期已建立的流动注射-C18固相萃取-分光光度体系进行改善,包括试剂添加方式的优化、Schlieren效应的最小化、分析速度的提高、分析线性范围的扩大等。在优化的实验条件下,以盐度为35的海水为基底,检测限为1.57 nmol/L,线性范围3.4～515 nmol/L;对于浓度高于20 nmol/L的样品,分析时间为10 min/样,对浓度低于20 nmol/L的样品,分析时间为30 min/样。将本方法应用于船上现场分析,在长达一个月的航次中,测定覆盖了南中国海部分海域的32个站位100 m以浅的200多个水样,结果令人满意。实际海水中超痕量活性磷的现场测定,相对标准偏差（Relative standard deviation,RSD）为4.45%～6.75%,与Mg（OH）2共沉淀（Magnesium hydroxide-induced coprecipitation,MAGIC）法比较,测定结果无显著性差异。（2）利用八位阀和自制检测器,建立了海水中超痕量活性磷的顺序注射-C18固相萃取-分光光度检测方法,方法检测限为1.26 nmol/L,线性范围3.4～515 nmol/L;对于浓度高于10 nmol/L的样品,分析时间为10 min/样,对浓度低于10 nmol/L的样品,分析时间为30 min/样。本方法自动化程度高,无样品和试剂浪费。本方法成功应用于船上现场分析,在长达一个月的航次中,测定了越南海域和南中国海北部的100余个大面站和2个时间序列站的500多个水样,结果令人满意。对实际海水中超痕量活性磷进行现场测定,RSD为4.07%～4.68%。（3）建立了海水中超痕量活性磷的顺序注射-HLB固相萃取-分光光度检测方法。在酸性条件下,PMB可被HLB（Hydrophilic-lipophilic balance）吸附剂固相萃取;富集在HLB上的PMB被0.15 mol/L的NaOH溶液迅速洗脱,洗脱液在700nm～800 nm之间有较大吸收。考察了PMB在HLB上的离线萃取和洗脱效率。采用单因素法对试剂用量、反应时间与温度、洗脱剂浓度、样品富集流速与时间,洗脱流速等实验参数进行了优化选择。考察了试样盐度的影响。在优化的实验条件下,方法的线性范围为3.4～1134 nmol/L,检测限1.42 nmol/L,实际海水基底加标回收率为94.35%,分析时间为6～10 min/样。考察了试样中硅酸盐和砷酸盐的影响,5000倍的硅酸盐对活性磷的测定无干扰;通过添加还原剂可掩蔽100nmol/L砷酸盐的干扰。以31 nmol/L的磷试样为考察对象,在最佳实验条件下于不同时间测定7次的RSD为2.50%。本法对实际海水的测定结果与MAGIC法无显著性差异。本法成功测定了取自南海的200多个100 m以浅海水样品中的活性磷含量,结果令人满意。本法十分适合船上现场在线分析,有发展成为原位测定的前景。（4）建立了海水中超痕量活性磷的反相流动注射-长光程分光光度测定方法。设计反相流动注射流路,以2 m的液芯波导管（Liquid waveguide capillary cell,LWCC）作为流通池,极大地提高经典磷钼蓝方法的检测灵敏度。采用单因素法对显色剂浓度、进样体积、混合盘管长度和样品流速等实验参数进行优化。考察了试样中盐度的影响。在优化的实验条件下,方法的检测限为0.5 nmol/L,测定下限为2.5 nmol/L,分析时间为4 min/样（样品测定2 min,更换样品与管道冲洗2 min）,样品消耗量为10 mL/样（测定3次）,样品加标回收率在87.8～101.8%之间,结果令人满意。考察了试样中硅酸盐和砷酸盐的影响,240μmol/L的硅酸盐和53.3 nmol/L的砷酸盐对空白溶液和82.5 nmol/L磷试样的测定无影响。以24.7和82.5 nmol/L的磷试样为考察对象,在最佳实验条件下连续测定9次,RSD分别为1.54%和1.86%。本法十分适合船上现场在线分析,亦有发展成为原位测定的前景。（5）提出了船载式超痕量活性磷检测系统的总体设计思路,通过光纤、流路接口螺丝与溶液管道,将系统所用的阀、泵、光源、检测器等部件有机结合,形成集成化的检测系统。利用Visual Basic 6.0编写的数据采集与记录软件的界面友好,易于操作。自制检测器稳定性好,120 min内对空白样品光强的相对标准偏差为0.026%（n=240）,最大相对偏差小于0.06%,测定活性磷的灵敏度与商品化分光光度计基本无差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略语表
• 第1章 绪论
• 1.1 海洋磷循环简述
• 1.2 海水中低浓度活性磷的研究
• 1.2.1 空间分布
• 1.2.2 时间分布
• 1.2.3 垂直分布
• 1.3 活性磷分析方法及仪器
• 1.3.1 经典测定方法及其优化
• 1.3.2 沉淀/共沉淀法
• 1.3.3 液液萃取法
• 1.3.4 固相萃取法
• 1.3.5 长光程流通池法
• 1.3.6 化学发光法
• 1.3.7 高效液相色谱法
• 1.3.8 适用于海水中痕量活性磷分析的方法比较和发展展望
• 1.3.9 分析手段的自动化
• 1.3.10 国内外营养盐分析仪器
• 1.4 现代分析仪器的设计理念
• 1.4.1 模块化
• 1.4.2 小型化、固态化
• 1.4.3 专用化
• 1.4.4 现场化、在线化
• 1.5 本课题的提出及研究内容
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 研究目标和途径
• 1.5.3 研究内容和技术路线
• 第1章参考文献
• 第2章 海水超痕量活性磷的船载式流动注射-C18固相萃取-分光光度测定的研究及应用
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 仪器和试剂
• 2.2.2 流动注射分析流路图与实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 试剂添加方式
• 2.3.2 Schlieren效应最小化
• 2.3.3 PMB-CTAB反应时间和样品富集时间
• 2.3.4 工作曲线、方法再现性与方法检测限
• 2.3.5 与MAGIC法的比较
• 2.3.6 船载式FIA-C18固相萃取-分光光度法的应用
• 2.4 本章小结
• 第2章参考文献
• 第3章 海水超痕量活性磷的船载式顺序注射-C18固相萃取-分光光度测定的研究及应用
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 顺序注射分析流路图与实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 八位阀的控制
• 3.3.2 自制的磷分析检测器
• 3.3.3 工作曲线、方法再现性与方法检测限
• 3.3.4 船载式SIA-C18 SPE-Vis法的应用
• 3.4 本章小结
• 第3章参考文献
• 第4章 海水中超痕量活性磷的顺序注射-HLB固相萃取-分光光度测定的研究及应用
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 4.2.2 顺序注射分析流路图与实验方法
• 4.2.3 萃取和洗脱效率实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 吸收光谱的绘制和波长的选择
• 4.3.2 PMB在HLB上的萃取和洗脱效率
• 4.3.3 Schlieren效应
• 4.3.4 实验参数的优化
• 4.3.5 试样中硅酸盐和砷酸盐的干扰
• 4.3.6 工作曲线、方法重复性与方法检测限
• 4.3.7 方法的验证
• 4.3.8 应用
• 4.4 本章小结
• 第4章参考文献
• 第5章 海水中超痕量活性磷的反相流动注射-长光程分光光度测定的研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 仪器与试剂
• 5.2.2 反相流动注射分析流路图与实验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 显色剂浓度的影响（MR和AA）
• 5.3.2 进样体积的影响
• 5.3.3 反应盘管长度的影响（MC1和MC2）
• 5.3.4 样品流速的影响
• 5.3.5 盐度的影响
• 5.3.6 硅酸盐和砷酸盐的干扰
• 5.3.7 工作曲线、方法重复性与方法检测限
• 5.3.8 方法的验证
• 5.4 本章小结
• 第5章参考文献
• 第6章 船载式超痕量活性磷检测系统的设计
• 6.1 前言
• 6.2 系统总体设计
• 6.3 检测器硬件设计
• 6.3.1 光源
• 6.3.2 光电传感器
• 6.3.3 电源
• 6.3.4 抗干扰性设计
• 6.4 单片机电路设计
• 6.5 计算机软件设计
• 6.6 检测器性能考察
• 6.6.1 稳定性实验
• 6.6.2 自制检测器与商品化分光光度计的比较
• 6.7 仪器集成
• 6.8 本章小结
• 第6章参考文献
• 第7章 贡献与展望
• 附图
• 攻读博士学位期间发表的论文与申请的专利
• 致谢