連續(xù)光源原子吸收測定土壤中多元素

黃淼杰，陳曉群，胡靜，高娜，肖文丹，張棋，陳德，葉雪珠*

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所 浙江省植物有害生物防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品信息溯源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310000； 2.浙江師范大學(xué) 行知學(xué)院，浙江 金華 321000)

土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本環(huán)境要素，是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展不可或缺的重要資源。土壤質(zhì)量關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，關(guān)系到人民群眾身體健康。然而，隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，土壤重金屬污染問題日益突出[1-4]。根據(jù)全國土壤公報(bào)，全國土壤污染超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤超標(biāo)率為19.4%，土壤污染帶來糧食安全問題，已引起民眾廣泛關(guān)注，全國各地大面積地開展了土壤污染治理修復(fù)及安全利用技術(shù)研究和應(yīng)用。由此，土壤污染評價(jià)及修復(fù)效果評估至關(guān)重要。重金屬的快速、準(zhǔn)確檢測是確保土壤評估有效的重要手段。

當(dāng)前土壤重金屬檢測方法有紫外-可見分光光度法、原子吸收光譜法、等離子體質(zhì)譜法、等離子體光譜法等。紫外-可見分光光度法檢測靈敏度高、選擇性高，儀器相對價(jià)廉，但前處理較繁瑣且易干擾，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法和等離子體質(zhì)譜法均可多元素同時(shí)測定，但儀器設(shè)備昂貴，維護(hù)成本高，傳統(tǒng)的原子吸收法檢測靈敏度高、準(zhǔn)確、選擇性高，測定的元素種類多，設(shè)備相對廉價(jià)，但只能逐個(gè)元素檢測，效率不高[5-15]。樣品前處理對土壤重金屬檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性十分關(guān)鍵，不同消解體系和消解條件對測定結(jié)果影響較大。目前，常用的土壤消解方式有濕法消解(電熱板和全自動消解)、微波消解和干法消解，其中濕法消解和微波消解應(yīng)用較廣泛[16-18]，是目前實(shí)驗(yàn)室常用的土壤消解前處理方法。本文探討了連續(xù)光源火焰原子吸收法同時(shí)檢測土壤中鉛、銅、鋅和鎳多元素，摸索了儀器條件，并開展了全自動消解、電熱板消解和微波消解3種前處理方法比較，對試驗(yàn)樣品進(jìn)行檢出限、精密度、準(zhǔn)確度試驗(yàn)，篩選出最佳試驗(yàn)條件，建立了土壤中4種元素的同時(shí)準(zhǔn)確、快速測定方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

連續(xù)光源原子吸收分光光度計(jì)ContrAA 700(德國Analytik Jena公司)；樣品全自動消解及前處理系統(tǒng)Vulcan 84(加拿大Questron公司)；微波消解儀Mars X(美國CEM公司)；電熱板HT300(廣州格丹納儀器有限公司)；石墨消解儀(趕酸器)DS-360(廣州格丹納儀器有限公司)。

試劑為優(yōu)級純硝酸、鹽酸、高氯酸、氫氟酸(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；三級水純水系統(tǒng)Milli-Q Synthesis(美國Millipore公司)；鉛、銅、鋅、鎳元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(50 mg·L-1，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)。試驗(yàn)土壤來自中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，編號分別為GBW07407、GBW07427、GBW07451、GBW07452。

1.2 樣品前處理

1.2.1 全自動消解法

準(zhǔn)確稱取0.1～0.2 g(精確至0.000 1 g)土壤于50 mL聚四氟乙烯消解管中，用少量水潤濕后，放入全自動消解儀，在控制電腦上設(shè)置潤洗程序：硝酸、氫氟酸、高氯酸各20 mL潤洗注射泵；加酸量：硝酸5 mL，氫氟酸3 mL，高氯酸1 mL；加熱程序：120 ℃保持60 min，升溫至200 ℃保持70 min，劇烈反應(yīng)后加蓋，使黑色有機(jī)物充分分解，150 ℃趕酸40 min，白煙趕盡并蒸至內(nèi)容物呈不流動狀態(tài)。取下消解管，稍冷，用2.00 mL水沖洗消解管內(nèi)壁，加入硝酸溶液0.50 mL，溶解可溶性殘?jiān)?，轉(zhuǎn)移到25 mL容量瓶中，冷卻后定容至標(biāo)線，搖勻，靜置待測。

1.2.2 電熱板消解法

準(zhǔn)確稱取0.1～0.2 g(精確至0.000 1 g)土壤于50 mL聚乙烯坩堝中，用少量水潤濕后加入5 mL鹽酸，置于電熱板上，100 ℃低溫加熱初步分解樣品，當(dāng)坩堝內(nèi)液體剩至2～3 mL時(shí)，從電熱板上取下稍冷，加入5 mL硝酸，4 mL氫氟酸和2 mL高氯酸，加蓋后于電熱板上120 ℃中溫加熱1 h，開蓋，繼續(xù)加熱除硅，并經(jīng)常搖動坩堝以達(dá)到良好的飛硅效果。當(dāng)加熱至冒出濃厚白煙時(shí)加蓋，使黑色有機(jī)碳化物充分分解。黑色有機(jī)物完全消失后，開蓋，趕出白煙，使坩堝內(nèi)轉(zhuǎn)化成粘稠的物質(zhì)。如若消解不完全，可再加入硝酸2 mL，氫氟酸2 mL，高氯酸1 mL，重復(fù)上述消解過程。將樣品從電熱板上取下，稍冷后用少量水沖洗坩堝蓋和內(nèi)壁，加入硝酸(1∶5，V∶V)溶液1 mL，繼續(xù)將殘?jiān)芙馔耆＾D(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，冷卻后定容、搖勻，靜置待測[19]。

1.2.3 微波消解法

準(zhǔn)確稱取0.1～0.2 g(精確至0.000 1 g)土壤于50 mL聚四氟乙烯微波管中，用少量水潤濕后加入6 mL硝酸，2 mL氫氟酸，加內(nèi)蓋放置消解過夜。次日加外蓋后放入微波消解儀，設(shè)置消解程序：16罐，功率1 600 W，120 ℃保持1 min，150 ℃保持5 min，180 ℃保持10 min，200 ℃保持30 min。消解完成后，冷卻至室溫，取出，加入2 mL高氯酸，置電熱板180 ℃趕酸至黃煙冒盡，冒白煙繼續(xù)加熱至近干，加入1 mL硝酸(1∶5，V∶V)溶液溶解殘?jiān)D(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，冷卻后定容至標(biāo)線，搖勻，靜置備測[20-23]。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

1.3.1 儀器條件

火焰原子吸收光譜儀測定條件為燃燒器高度6 mm，燃?xì)?乙炔)流速為鉛65 L·h-1、銅50 L·h-1、鋅50 L·h-1、鎳55 L·h-1，助燃?xì)饬魉?空氣)470 L·h-1；有效像素3像素，讀數(shù)時(shí)間3 s，積分模式為平均值。測定波長鉛283 nm、銅324 nm、鋅213 nm、鎳232 nm。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配置

準(zhǔn)確量取0.50 mL濃硝酸于5個(gè)50 mL容量瓶中，加入少量3級水稀釋后，分別加入多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液母液(50 mg·L-1) 0、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00 mL，配制成濃度梯度為0、0.25、0.50、0.75、1.00、2.00 mg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)工作液，在50 mL體積容量瓶中定容，密封儲存放于4 ℃冰箱中，并冷藏保存?zhèn)溆谩?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 不同前處理方法對測定結(jié)果的影響

采用不同含量3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，各平行稱取3份，進(jìn)行3種消解方法處理，采用優(yōu)化的儀器方法進(jìn)行檢測。

由表1可知，3種前處理方法測定結(jié)果存在差異。全自動消解樣品回收率為97.8%～103.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為0.2%～2.5%，而微波消解回收率為93.5%～106.8%，RSD為0.7%～4.4%，電熱板消解回收率為92.8%～108.0%，RSD為0.7%～6.0%，可見全自動消解效果相對微波消解法和電熱板消解法較優(yōu)，檢測結(jié)果回收率高，變異范圍小。分析原因，全自動消解處于半密閉狀態(tài)，控溫均勻，此外，加酸時(shí)采用獨(dú)立試劑通道自動加酸，受外界污染少、加酸量誤差小，樣品的平行性相對較好；微波消解法全密閉，控溫均勻，樣品的平行性較好，但最后的飛硅和趕酸階段在敞開式電熱板完成，受外界一定的影響，變異范圍較全自動消解法大；電熱板消解法敞開式，與外界接觸大，此外，電熱板控溫效果不能保持完全均勻，各樣品消解完全所需時(shí)間不能保證完全一致，外界影響及經(jīng)驗(yàn)不足，對樣品的準(zhǔn)確度有一定影響。

從不同含量檢測結(jié)果分析，鎳在低含量時(shí)，微波消解法和電熱板消解法結(jié)果略有偏低，回收率分別為93.5%～94.5%和92.8%～96.7%，而全自動消解法回收率較好，為97.8%～101.6%?？梢婋姛岚逑馓幚恚Y(jié)果偏離相對較大，而全自動消解儀則相對穩(wěn)定，均獲得較好的結(jié)果。

表1 不同前處理方法測定結(jié)果比較

注:①全自動消解；②微波消解；③電熱板消解。

2.2 方法學(xué)考察

2.2.1 線性關(guān)系與檢出限

取適量標(biāo)準(zhǔn)工作液，每個(gè)濃度平行3次，按試驗(yàn)方法測定，以吸光度為縱坐標(biāo)，濃度為橫坐標(biāo)，繪制出鉛、銅、鋅、鎳的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，求得目標(biāo)化合物的線性回歸曲線及相關(guān)系數(shù)r。由表2可知，4種元素在各自線性范圍內(nèi)均呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r≥0.999 3。采用試劑空白，在優(yōu)化條件下連續(xù)平行測定11次，根據(jù)HJ 168—2010計(jì)算檢出限(LOD)和定量下限(LOQ)值，得到的LOD為0.002 0～0.084 0 mg·L-1，LOQ為0.008 0～0.330 0 mg·L-1。

2.2.2 方法準(zhǔn)確度與精密度

選擇2個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品GBW07451和GBW07452，各稱取6份，采用全自動消解法預(yù)處理，以優(yōu)化的火焰原子吸收分光光度計(jì)儀器測定條件，測定4種元素含量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)。由表3可知，方法檢測各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果均落在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，方法可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度需求。結(jié)果RSD在0.6%～3.8%，方法精密度高。

2.3 實(shí)際土壤樣品的測定

采用本次建立的全自動消解-連續(xù)光源原子吸收法對來自紹興水稻基地的54個(gè)土壤樣品進(jìn)行鉛、銅、鋅、鎳4種元素測定。由表4可以看出見，水稻基地鉛、銅、鋅、鎳含量范圍較寬，RSD在27.9%～38.9%，其中鉛、銅各出現(xiàn)3個(gè)點(diǎn)位含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB 15618—2018限值，總體土壤質(zhì)量狀況良好。

表2 4種元素線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

3 小結(jié)

通過比較3種前處理方法，優(yōu)化儀器條件，建立全自動消解-連續(xù)光源原子吸收法同時(shí)測定鉛、銅、鋅、鎳4種重金屬元素檢測方法。前處理篩選結(jié)果表明，全自動消解儀消解方法因其全過程處于密閉狀態(tài)，且酸添加由儀器操作完成，土壤4種元素檢測結(jié)果優(yōu)于微波消解和電熱板消解法，結(jié)果回收率高，且高、中、低3種濃度含量檢測準(zhǔn)確度高。方法線性相關(guān)系數(shù)在0.999 3～0.999 9，檢出限為0.002 0～0.084 0 mg·L-1，2種國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和4種重金屬元素測定值均在標(biāo)準(zhǔn)值誤差范圍內(nèi)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均<4%，精密度好?？梢娫摲椒焖?、靈敏、準(zhǔn)確，適用于土壤中鉛、銅、鋅、鎳4種重金屬元素含量的同時(shí)測定。

表3 樣品檢測的精密度

表4 水稻基地土壤樣品的檢測結(jié)果