微波等離子體原子發(fā)射光譜法測定森林土壤中的鋁1)

段珺雅 李業(yè)東 王玉軍 袁超

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，長春，130118) (長春巿環(huán)境保護(hù)局凈月經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)分局) (吉林農(nóng)業(yè)大學(xué))

責(zé)任編輯:戴芳天。

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，其占地殼總質(zhì)量的7.45%［1］。在一般情況下，土壤中的鋁常以固定態(tài)的形式存在于含鋁的礦石晶體結(jié)構(gòu)中，或者膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)之間和組成結(jié)構(gòu)無序的礦石之中［2］。鋁周邊環(huán)境條件的不斷變化，比如土壤pH值的變化，會造成鋁向其他形態(tài)鋁的轉(zhuǎn)化，從而影響植物的生長發(fā)育［3］。近年來，日漸嚴(yán)重的工業(yè)“三廢”污染以及農(nóng)業(yè)生理酸性肥料的過度施用，造成土壤酸化日益嚴(yán)重，致使鋁毒害成為植物在酸性土壤中生長狀況的限制因素之一［4］。研究發(fā)現(xiàn)，鋁能阻礙種子的萌發(fā)［5］，并對植物的生長有較強(qiáng)的毒性，如影響礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收和代謝、抑制有絲分裂與DNA 的合成、破壞激素平衡、影響酶的活性等［6］。因此，能夠快速準(zhǔn)確地測定土壤中鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對有效控制土壤鋁毒害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前測定金屬鋁的方法主要有容量法、分光光度法、原子吸收法(AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP－AES)等［7］。這些方法中，容量法前處理最為復(fù)雜;分光光度法的儀器價(jià)格較低，容易實(shí)現(xiàn)，但前處理過程中，往往需要調(diào)節(jié)溶液的pH 值、顯色等過程，過程復(fù)雜、人為因素較多;AAS 方法的儀器價(jià)格相對不是很高，前處理簡單、獲得數(shù)據(jù)迅速，適用于大多數(shù)金屬元素的定量分析，但是，鋁屬于高溫元素，在火焰中易生成難熔性的化合物并且易受到共存離子的干擾，所以使得AAS 的應(yīng)用受到很大的限制［8］;而ICP－AES 由于其具有高靈敏度和高精確度而逐漸得到了廣泛的認(rèn)可，但其儀器價(jià)格極高，很多單位不具備購買條件，另外在運(yùn)行過程中，ICP－AES 氬氣消耗量大，耗電量較高使得成本高昂，并存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。而筆者利用MPAES 方法測定森林土壤中浸提性鋁和全鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，該方法具有較高的靈敏度和精確度及較寬的線性范圍，且直接使用空氣作為工作氣體，不僅提高了安全性，同時(shí)還極大節(jié)省了運(yùn)行成本。因?yàn)樵摲椒ú恍枰笃堪嘿F氣體的引入，為礦山、環(huán)境監(jiān)測站等地處偏遠(yuǎn)以及氣體運(yùn)輸困難的地區(qū)解決了運(yùn)輸成本高昂的難題。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Agilent 4100 MP－AES 微波等離子體發(fā)射光譜儀，HZ－82 大型雙層往復(fù)式搖床，高溫電爐，沸水浴鍋。

鋁標(biāo)準(zhǔn)貯備液(1 000 mg/L，1 mol/L 硝酸介質(zhì))，由北京有色金屬研究總院提供;工作曲線系列標(biāo)準(zhǔn)溶液由貯備液逐級稀釋，0.1 mol/L 硝酸介質(zhì)。

鋁箔(純度99%)、硝酸(優(yōu)級純)、鹽酸(優(yōu)級純)、硫酸(分析純)、草酸(分析純)、草酸銨(分析純)、過氧化氫(分析純)、二甲酚橙指示劑、對硝基酚指示劑、乙二胺四乙酸二鈉(分析純)、乙酸鋅(分析純)、氟化鉀(分析純)、無水碳酸鈉(分析純)、動(dòng)物膠、硫氰化鉀(分析純)、三氧化二鋁(分析純)，試劑均由北京化工廠提供，水為去離子水。

1.2 供試土壤

試驗(yàn)所用土壤采自吉林省5 個(gè)地點(diǎn)的人工森林，根據(jù)LY/T 1210—1999 中［9］森林土壤采集方法進(jìn)行土壤樣品采集。去除土壤樣品中殘枝落葉、石塊等雜質(zhì)，經(jīng)自然風(fēng)干，過篩后待用。供試土壤部分理化性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.3 溶液中鋁的測定

MP－AES 主要工作參數(shù):采用蠕動(dòng)泵進(jìn)樣和玻璃同心型霧化器，背景矯正設(shè)置自動(dòng)，需要確定霧化器壓力、蠕動(dòng)泵泵速、時(shí)間、氣體壓力、溫度等參數(shù)。

不同酸度和酸介質(zhì)對發(fā)射強(qiáng)度的影響:分別用硝酸、鹽酸和硫酸溶解鋁箔，配制成1 000 mg/L 的鋁貯備液，相應(yīng)酸介質(zhì)分別為0.50 mol/L 硝酸、0.50 mol/L 鹽酸和0.25 mol/L 硫酸，稀釋至10 mg/L 備用。分別用鹽酸、硝酸和硫酸配制酸介質(zhì)系列中H+濃度為0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 和2.00 mol/L 的1 mg/L 鋁溶液，測定其強(qiáng)度值，每個(gè)濃度3 次重復(fù)。

方法的線性范圍和檢出限:線性范圍在0～100 mg/L 范圍內(nèi)設(shè)置系列質(zhì)量濃度，分別為0、0.01、0.02、0.04、0.06、0.10、0.20、0.40、0.60、1.00、1.40、1.60、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00、20.00、30.00、40.00、50.00、60.00、70.00、80.00、100.00 mg/L 的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液，確定方法的線性范圍。

檢出限:對鋁的空白樣品進(jìn)行12 次測定，根據(jù)發(fā)射強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算檢出限［10－11］，計(jì)算公式為D=3σ/S。其中:σ 為標(biāo)準(zhǔn)偏差;S 為靈敏度。

方法的精密度:將標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋至0.5 mg/L，重復(fù)測定標(biāo)準(zhǔn)樣品6 次，用測定結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差表征方法的精密度。

方法的準(zhǔn)確度:將標(biāo)準(zhǔn)樣品稀釋至質(zhì)量濃度為1.20、2.50、7.50、25.00、55.00 mg/L 的溶液，直接上機(jī)測定。比較測定值與認(rèn)定值，確定方法的準(zhǔn)確度。

1.4 土壤中浸提性鋁的測定

樣品浸提:按照LY/T 1257—1999 中酸性草酸銨浸提方法提取土壤中鋁的無定形水合氧化物。稱取2 mm 風(fēng)干土樣2 g 于200 mL 三角瓶中，按m(土)∶V(提取液)=1 g ∶50 mL 于25 ℃條件下加入100 mL H2C2O4—(NH4)2C2O4提取液，加塞套布袋，在往復(fù)式搖床上遮光振蕩2 h 后用定性濾紙過濾，取溶液50 mL 放入100 mL 高型燒杯中，低溫蒸至近干，冷卻后加入3 mL 濃H2SO4和10 mL H2O2加熱消化。最后用V(H2SO4)∶V(H2O)= 1 ∶9 加熱溶解，移入50 mL 容量瓶定容，作為浸提性鋁的待測液［12］218。

標(biāo)準(zhǔn)方法:采用LY/T 1257—1999 中氟化鉀取代EDTA 容量法相應(yīng)的測定條件和測定方法對浸提性鋁的待測液進(jìn)行測定分析［12］220。

MP－AES 法:浸提性鋁的待測液過0.45 μm 的濾膜，按照“溶液中鋁的測定”方法直接上機(jī)測定。

1.5 土壤中全鋁的測定

樣品前處理:按照LY/T 1253—1999 中碳酸鈉堿熔—鹽酸法提取土壤全量鋁。稱取過100 目篩土壤樣品0.5 000 g，放入鉑坩堝中，同時(shí)稱取4.0 g 磨細(xì)Na2CO3，3.5 g 分2 次于坩堝內(nèi)與樣品均勻混合，0.5 g 平鋪于混合樣上，蓋坩堝蓋。將坩堝放入高溫電爐中，920 ℃熔融30 min 冷卻后，將熔塊倒入250 mL燒杯中，用熱去離子水和少許V(HCl)∶V(H2O)=1 ∶1 溶液清洗坩堝倒入燒杯中。向加蓋燒杯中緩慢加入20 mL V(HCl)∶V(H2O)= 1 ∶1 溶液，使熔塊完全溶解后，將燒杯1/2 浸入預(yù)先加熱的沸水浴鍋中，蒸至濕鹽狀。加入20 mL 濃鹽酸在90 ℃水浴20 min 后，沿?zé)诜湃?0 g/L 動(dòng)物膠溶液(70 ℃水浴鍋20 min 保溫)10 mL，攪拌數(shù)次，在70 ℃下維持10 min，過濾，再用V(HCl)∶V(H2O)= 1 ∶20 溶液洗至無高鐵離子反應(yīng)為止(用2.00 g/L 硫氰化鉀溶液進(jìn)行檢查，如無紅色則為無高鐵離子)。濾液于250 mL 容量瓶中，冷卻后定容，作為全鋁的待測液［13］175。

標(biāo)準(zhǔn)方法:采用LY/T 1253—1999 中氯化鉀取代EDTA 容量法相應(yīng)的測定條件和測定方法對全鋁的待測液進(jìn)行測定分析［13］183。

MP－AES 法:全鋁的待測液過0.45 μm 的濾膜，按照“溶液中鋁的測定”確定的方法直接上機(jī)測定。

加標(biāo)回收率試驗(yàn):向“樣品前處理”中的供試土壤中分別加入600 mg/L 的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液0.5 mL(低添加量處理)和1.0 mL(高添加量處理)，混合后避光放置48 h 后，按照“樣品前處理”方法和“樣品分析”中MP－AES 方法對樣品進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溶液中鋁的分析

2.1.1 分析條件選擇與優(yōu)化

分析線的選擇:運(yùn)用Agilent 4100 MP－AES 可進(jìn)行多種元素多條譜線的同時(shí)測定，但由于測定物質(zhì)基體的差異，測定時(shí)需要選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)射譜線。鋁的發(fā)射譜線如表2所示。鋁有多條發(fā)射譜線，在本試驗(yàn)條件下，強(qiáng)度超過105的譜線有4 條，超過106的譜線僅有2 條，分別為396.152、394.401 nm。二者相比，396.152 nm 處發(fā)射強(qiáng)度達(dá)到259 034.3，為394.401 nm 譜線強(qiáng)度的2.2 倍，譜線最靈敏，并且396.152 nm 譜線處沒有干擾元素，固本研究采用波長為396.152 nm 的譜線作為分析譜線。

工作條件的選擇:運(yùn)用原子發(fā)射法測定金屬元素，儀器工作條件設(shè)定對元素分析的譜線強(qiáng)度影響較大，從而影響靈敏度。如激發(fā)光源的功率、工作氣體流量、載氣流量、觀測位置等。激發(fā)光源的功率直接影響到檢測信號強(qiáng)度，功率越大，信號強(qiáng)度越大;然而，過大的信號強(qiáng)度會造成信背比降低，影響檢測值。工作氣體流量對等離子激發(fā)有一定影響，氣體流量過大過小均會降低信號強(qiáng)度。MP－AES 工作條件如表3所示。控制各部分氣體壓力，保證信號強(qiáng)度的最大化;控制泵速，調(diào)整樣品抽吸時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間，消除連續(xù)測定樣品間的誤差。MP－AES 采用前置光路系統(tǒng)采集信號，需要根據(jù)測定元素和參數(shù)設(shè)定對檢測位置進(jìn)行優(yōu)化，以保證獲得測量信號的準(zhǔn)確性和最大化。不同的霧化器壓力對應(yīng)的信噪比有一個(gè)最佳值，霧化器壓力增大，樣品進(jìn)樣量增加，增強(qiáng)了譜線強(qiáng)度，固信噪比增加。但若霧化器壓力過大，會降低霧化效率，使信噪比降低。固霧化器壓力對元素測定有較大影響，分析之前需要根據(jù)測定元素對霧化器壓力進(jìn)行優(yōu)化。MP－AES 法設(shè)定具有普遍性，多數(shù)參數(shù)為儀器默認(rèn)值，操作簡便。

表3 儀器工作條件

酸介質(zhì)及酸度對發(fā)射強(qiáng)度的影響:原子發(fā)射光譜法元素分析中，酸介質(zhì)的濃度過高會影響分析基體的黏度和表面張力，從而影響霧化效率和氣溶膠粒度分布，導(dǎo)致信號強(qiáng)度降低［14］，所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)定介質(zhì)中［H+］濃度最大為2 mol/L。測定結(jié)果如表4所示。對表4結(jié)果進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，P=0.978＞0.05，說明發(fā)射強(qiáng)度的數(shù)值屬于正態(tài)分布。對所示結(jié)果進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，P=0.193＞0.05，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。雙因素方差分析的結(jié)果如表5所示。以0.05 作為顯著性水平，酸介質(zhì)P=0.188＞0.05，無顯著性差異，即［H+］低于2 mol/L 時(shí)，硝酸、鹽酸和硫酸作為介質(zhì)對鋁的發(fā)射信號強(qiáng)度沒有顯著影響。酸濃度P=0.139＞0.05，無顯著性差異，即［H+］低于2 mol/L 時(shí)，酸度對鋁的發(fā)射信號強(qiáng)度無顯著影響。綜上所述，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)，酸度和酸介質(zhì)對發(fā)射強(qiáng)度無顯著影響。

表4 不同酸介質(zhì)和酸度對信號強(qiáng)度的影響

表5 酸度和酸介質(zhì)對發(fā)射強(qiáng)度的影響

2.1.2 分析方法的檢出限和線性范圍

檢出限:在0～100 mg/L 范圍內(nèi)設(shè)置系列質(zhì)量濃度，當(dāng)質(zhì)量濃度為80 mg/L 時(shí)，系統(tǒng)提示超出信號范圍，固MP－AES 測定鋁的檢測上限可達(dá)到70 mg/L，具有較高質(zhì)量濃度的檢測上限。對鋁的空白樣品進(jìn)行12 次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)為8.35，則鋁的檢出限為0.335 μg/L。

線性范圍:運(yùn)用MP－AES 測定鋁具有較寬的線性范圍，為0.01～70 mg/L，可達(dá)到4 個(gè)數(shù)量級。對質(zhì)量濃度和發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如圖1所示，線性方程為y=71 575x+8 053.9，相關(guān)系數(shù)(R)為0.999 8＊＊，相關(guān)性符合定量分析的要求，線性較好。

圖1 鋁的工作曲線

2.1.3 分析方法的精密度和準(zhǔn)確度

精密度:對0.5 μg/L 的鋁溶液進(jìn)行6 次測定后的結(jié)果的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.36%，說明MP－AES 法測定水溶液中鋁的精密度較高。

準(zhǔn)確度:結(jié)果如表6所示。測定值與認(rèn)定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，所以此方法的準(zhǔn)確度較高。

表6 MP－AES 測定樣品的誤差

2.2 土壤中浸提性鋁的分析

森林土壤樣品中浸提性鋁的測定結(jié)果如表7所示。對2 種方法測定的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為R=0.998＊＊，即在0.01 水平上顯著相關(guān)，說明MP－AES 測定土壤浸提性鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤類型無關(guān)，測定方法普遍適用。對2 種方法進(jìn)行差異性顯著分析(t 檢驗(yàn))，P雙側(cè)=0.879＞α(0.05)，無顯著性差異，說明用MP－AES 法與氟化鉀取代EDTA 容量法測定土壤中浸提鋁的結(jié)果有較高的吻合性，因此用MP－AES 測定土壤中的浸提性鋁的方法可行。

表7 森林土壤樣品浸提性鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg－1

2.3 土壤中全鋁的分析

森林土壤樣品中全鋁的測定結(jié)果如表8所示。

表8 森林土壤樣品全鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù) g·kg－1

對2 種方法測定的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)(R)為0.998＊＊，即在0.01 水平上顯著相關(guān)，說明MP－AES 法測定土壤全鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)對不同土壤樣品類型普遍適用。同樣，將2 種方法的測定值進(jìn)行差異性顯著分析(t 檢驗(yàn))，P雙側(cè)=0.911＞α(0.05)，無顯著性差異，說明2 種方法的測定結(jié)果差異不顯著，MP－AES 法可用于土壤全鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定。

2.4 加標(biāo)回收率試驗(yàn)

對MP－AES 法測定土壤全鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，結(jié)果如表9所示?；厥章试?9%～104%，測定方法準(zhǔn)確可靠，方法的準(zhǔn)確度高。

表9 MP－AES 法測定土壤全鋁加標(biāo)回收率

3 結(jié)論

微波等離子體原子發(fā)射光譜法(MP－AES)可同時(shí)對多種元素進(jìn)行分析，且分析速度快、選擇性好，這對測定化學(xué)性質(zhì)極其相似的元素具有重要的意義。測定土壤中的金屬元素與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，具有檢出限低，準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)。并且消耗樣品量較少，節(jié)省時(shí)間，能夠消除因人為測定誤差而造成數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的情況。

MP－AES 與ICP－AES 相比較而言，直接使用空氣作為工作氣體，極大地節(jié)省了運(yùn)行成本。但前者的激發(fā)光源溫度低于后者，對于測定某些元素的檢出限可能略低一些［15］，測定一些痕量或激發(fā)溫度較高的非金屬元素來說，有一定的困難;但是對于森林土壤中鋁的分析來說，檢出限能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)地滿足要求。

在本研究確定的最佳條件下，采用MP－AES 測定溶液中的鋁，其檢出限為0.335 μg/L，線性范圍為0.01～70 mg/L，線性范圍較寬，可達(dá)到4 個(gè)數(shù)量級，并且具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。森林土壤中浸提性鋁和全鋁的測定表明，MP－AES 法的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法的測定結(jié)果吻合較好，無顯著性差異;全鋁的回收率在99%～104%范圍內(nèi)。MP－AES 法操作簡單、快速，減少了樣品量和試劑的消耗，完全滿足分析的要求。

［1］ Chen Juan，Wang Wenhua，Wu Feihua，et al.Hydrogen sulfide alleviates aluminum toxicity in barley seedlings［J］.Plant and Soil，2013，362(1):301－318.

［2］ 王夢.鉛脅迫下茶樹根細(xì)胞壁多糖的響應(yīng)機(jī)制初探［D］.杭州:浙江大學(xué)，2014.

［3］ 于淼，劉明慧，夏菁，等.鋁脅迫條件下一氧化氮對大豆根伸長及抗氧化系統(tǒng)的影響［J］.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(6):597－602.

［4］ 吳道銘，傅友強(qiáng)，于智衛(wèi)，等.我國南方紅壤酸化和鋁毒現(xiàn)狀及防治［J］.土壤，2013，45(4):577－584.

［5］ 陳穎，徐彩平，曹影，等.鋁處理對不同種源喜樹種子萌發(fā)特性的影響［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(3):15－18.

［6］ Oh Myeong Won，Roy Swapan Kumar，Kamal Abu Hena Mostofa，et al.Proteome analysis of roots of wheat seedlings under aluminum stress［J］.Molecular biology reports，2013，41(2):671－681.

［7］ 邱罡，謝凝子.食品中鋁檢測方法研究進(jìn)展［J］.理化檢驗(yàn):化學(xué)分冊，2011，47(4):490－495.

［8］ 李玉梅，杜梅，郝茜，等.ICP－AES 法測定稀土硅鐵及鎂硅鐵合金中鈦的含量［J］.稀土，2014，35(1):92－94.

［9］ 國家林業(yè)局.LY/T 1210—1999 森林土壤樣品的采集與制備［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［10］ 彭增輝，周建光，郇延富，等.微波等離子體炬原子發(fā)射光譜法測定人發(fā)中的六種微量元素［J］.分析儀器，2001，22(1):24－27.

［11］ 高光潔子，李艷萍，馮圣雅，等.電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定人造金剛石中鐵、鈷、錳、鎳［J］.分析化學(xué)，2014，42(3):457－458.

［12］ 國家林業(yè)局.LY/T 1257—1999 森林土壤浸提性鐵、鋁、錳、硅、碳的測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［13］ 國家林業(yè)局.LY/T 1253—1999 森林土壤礦質(zhì)全量元素(鐵、鋁、鈦、錳、鈣、鎂、磷)燒失量的測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［14］ 丁莉莉.端視ICP 中基體效應(yīng)的研究［D］.武漢:華中師范大學(xué)，2003.

［15］ 吳春華，歐陽昆，陳玉紅，等.采用微波等離子體原子發(fā)射光譜(MP－AES)新技術(shù)同時(shí)測定環(huán)境水樣中的多種金屬元素［J］.環(huán)境化學(xué)，2011，30(11):1967－1969.