土壤重金屬前處理技術(shù)的研究概況及展望

師煥芝+戚傳勇+尚魯寧等

摘 要：該文主要概述了近年來(lái)土壤重金屬元素分析的前處理技術(shù)研究進(jìn)展，包括酸熔法（濕法消解、高壓密封消解、微波消解）和堿熔法，并對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)和歸納，最后對(duì)前處理方法的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬；前處理

中圖分類號(hào) X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）18-0054-02

1 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，土壤污染特別是土壤重金屬污染，已逐漸引起環(huán)境科學(xué)家的關(guān)注[1-3]。由于重金屬對(duì)土壤的污染是不可逆過(guò)程，土壤中的重金屬可能會(huì)通過(guò)食物鏈的方式進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品，影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全，進(jìn)而危害人類健康。因此，對(duì)土壤中重金屬元素的檢測(cè)是十分必要的。土壤環(huán)境檢測(cè)中，前處理過(guò)程是一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟。研究發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)檢測(cè)分析過(guò)程中，大概有60%的分析誤差來(lái)源于樣品前處理，而非儀器本身[4]。因此，土壤前處理技術(shù)方面的研究，顯得至關(guān)重要。目前，有關(guān)土壤前處理技術(shù)的方法，主要有酸熔法和堿熔兩大類，其中濕法消解、高壓密閉消解和微波消解是最常用的酸熔法。而堿熔法由于使用的試劑量較大，造成檢測(cè)時(shí)空白值較高，采用較少[5-6]。

2 土壤重金屬前處理技術(shù)

2.1 酸熔法消解

2.1.1 濕法消解 濕法消解又名電熱板法，其主要原理是利用強(qiáng)酸的氧化性，熔解有機(jī)質(zhì)，同時(shí)利用氫氟酸破壞氧化硅晶體結(jié)構(gòu)，釋放待測(cè)元素[7]。濕法消解作為最經(jīng)典的消解方式，目前采用較多的有硝酸-氫氟酸體系、硝酸-氫氟酸-高氯酸體系、硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸體系。有研究表明，在延長(zhǎng)消解時(shí)間的情況下，一些比較容易消解的土壤，僅用硝酸-氫氟酸體系即可達(dá)到檢測(cè)的需要[8]；對(duì)于富含腐殖質(zhì)的土壤，僅用硝酸和氫氟酸則不能滿足需求，而此時(shí)高氯酸的加入可提高消解效果[9]；硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸體系也能較好的滿足檢測(cè)要求。雖然濕法消解所需要的設(shè)備比較簡(jiǎn)單，方法較好掌握，能大批量做樣，被多數(shù)實(shí)驗(yàn)室采用。但由于其消解過(guò)程中使用大量的酸，容易引入雜質(zhì)，且消解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。同時(shí)，在消解的過(guò)程中可能需要隨時(shí)添加不同的酸，給實(shí)驗(yàn)工作者帶來(lái)較多的安全隱患。

2.1.2 高壓密閉消解 高壓密閉消解是濕法消解的進(jìn)一步改良，這種高溫高壓環(huán)境環(huán)境保存了熱量，使得土壤消解的速率大大提高，顯著縮短了消解時(shí)間。同時(shí)，由于該方法采用密閉的環(huán)境，降低了相關(guān)試劑和有害氣體的揮發(fā)，也避免了某些元素的損失。研究表明，針對(duì)土壤的某些特殊元素，僅采用濕法消解，可能會(huì)造成其結(jié)果偏低。而利用高壓密閉的環(huán)境，不僅可以縮短消解時(shí)間，減少工作量，還在一定程度上減少了個(gè)別元素的損失。張琪采用高壓密閉消解-原子吸收光度法測(cè)定土壤中的銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻6種元素，同時(shí)，還與其他的前處理方法進(jìn)行比對(duì)，最后發(fā)現(xiàn)高壓密閉環(huán)境消解效果較好[10]。

2.1.3 微波消解 與濕法消解和高壓密閉消解相比，微波消解具有更顯著地特點(diǎn)。它的主要原理是樣品通過(guò)微波，與酸產(chǎn)生深層加熱，同時(shí)，由于微波的特殊性，消解液迅速形成強(qiáng)極性熔液，利用微波體的加熱性質(zhì)，熔液內(nèi)外同時(shí)加熱，使得樣品加熱更快速，更均勻，大大提高了效率[11-12]。雖然微波消解技術(shù)的概念早已提出，而真正將此技術(shù)運(yùn)用到環(huán)境分析，則是在美國(guó)環(huán)保局（EPA）3052方法中，該方法詳細(xì)介紹了硅基和有機(jī)基體在微波作用下與酸的反應(yīng)機(jī)理[13]。張麗萍等采用微波消解的方式，研究土壤中的鉛和鎘，通過(guò)原子吸收分光光度法測(cè)定相關(guān)重金屬的含量，得出鉛和鎘的變異系數(shù)分別為2.3%和4.6%，證明微波消解能較好的滿足實(shí)驗(yàn)需求[14]。據(jù)研究表明，采用微波消解、濕法消解2種方法分別對(duì)行土壤進(jìn)行前處理，經(jīng)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，微波消解不僅能將土壤中的銅、鋅、鉛、鉻、鎘完全消解，同時(shí)還做到了快速、準(zhǔn)確、無(wú)污染[15-16]。

2.2 堿熔法消解 堿熔法是地礦礦石實(shí)驗(yàn)中時(shí)最常用的方法[17]，該方法能徹底破壞沉積物和土壤晶格。其基本原理是在高溫高壓下，樣品與堿熔劑發(fā)生反應(yīng)，待測(cè)元素迅速熔出，然后用酸處理，進(jìn)而分析測(cè)試的過(guò)程。常見(jiàn)的堿熔劑主要有過(guò)氧化鈉-氫氧化鈉、過(guò)氧化鈉-碳酸鈉[18]等。張曄霞通過(guò)堿熔法對(duì)土壤樣品進(jìn)行了前處理，利用原子熒光法測(cè)定其中錫的含量，得出方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2%～7.2%，樣品的加標(biāo)回收率為90%～95%，符合相關(guān)質(zhì)控的要求[19]。雖然堿熔法熔樣速度快，但是往往會(huì)用到較多的試劑量，導(dǎo)致空白值偏高[20]。此外，在檢測(cè)土壤中的鉛、鎘、鉻等項(xiàng)目時(shí)，建議不用直接堿熔法，因該方法易造成測(cè)試結(jié)果偏低。就目前為止，堿熔法在土壤前處理方面的運(yùn)用上，遠(yuǎn)不如濕法消解廣泛。

3 總結(jié)與展望

前處理技術(shù)作為檢測(cè)部分的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是獲得準(zhǔn)確分析結(jié)果的基本前提[21-22]。重金屬前處理有多種消解方式，即使同一個(gè)樣品，采用不同的方法，其結(jié)果也會(huì)相差甚遠(yuǎn)。因此，針對(duì)不同的研究需求，選用合適的消解方式至關(guān)重要。隨著人們對(duì)土壤重金屬檢測(cè)技術(shù)的研究不斷深入，勢(shì)必會(huì)引起前處理方法的不斷變革，使得前處理技術(shù)朝著更加快速、智能、低成本的方向完善，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)前處理技術(shù)的精確控制，為操作者提供最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案。在總結(jié)和比對(duì)幾種不同土壤重金屬前處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，展望了未來(lái)前處理技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)：

眾所周知，微波消解雖然已經(jīng)在土壤前處理方法中得到運(yùn)用，擁有壓力和溫度的自動(dòng)報(bào)警裝置、能夠做到和電腦聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控消解過(guò)程，觀察消解過(guò)程中的相關(guān)曲線圖、實(shí)現(xiàn)在線趕酸等優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，微波消解還存在一些密閉性能不好、消解效果不理想等問(wèn)題，同時(shí)，因其主流品牌大多是進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格昂貴，導(dǎo)致該技術(shù)還沒(méi)有在前處理技術(shù)中得到全面推廣。因此，加大開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)微波消解品牌、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題、降低設(shè)備價(jià)格，有助于推動(dòng)微波消解技術(shù)在土壤重金屬前處理方面的高度普及。

全自動(dòng)石墨消解儀突破了原有的土壤重金屬消解理念，在傳統(tǒng)手動(dòng)石墨消解的基礎(chǔ)上采用一系列創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)加熱及冷卻、自動(dòng)分配輸送添加試劑、自動(dòng)趕酸和樣品精確定容等步驟，一鍵式操作，完全滿足實(shí)驗(yàn)室用戶對(duì)樣品前處理的自動(dòng)、安全、效率要求，極大提高了土壤消解的精準(zhǔn)性及工作效率，為以后的土壤前處理技術(shù)提供發(fā)展方向。endprint

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（責(zé)編：張宏民）endprint