測定土壤中總磷的消解方法

吳振華 / 上海新金橋檢測技術(shù)服務(wù)有限公司

0 引言

土壤中總磷的測定，國家標(biāo)準(zhǔn)只提供了堿熔-鉬銻抗分光光度法[1]。然而土壤的一般前處理方法是微波消解、電熱板消解與水浴鍋消解。在日常的檢測活動中，土壤樣品經(jīng)常是多參數(shù)檢測，因為某一個參數(shù)而單獨(dú)消解土壤樣品必然會存在費(fèi)時、費(fèi)力、耗材，且對環(huán)境不友好等缺點。微波消解是在硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸四酸共存體系下的一種完全消解的前處理方式，可以破壞土壤里礦物晶格。HJ 491-2009在土壤中總鉻的檢測前處理步驟中已經(jīng)增加了這種消解方式[2]，微波消解通過吸收微波，是一種內(nèi)加熱模式，具有高效節(jié)能的優(yōu)點；電熱板消解則是一種更傳統(tǒng)的消解方式，雖然有比較繁瑣、能耗大且產(chǎn)生更多污染物的缺點，但其準(zhǔn)確度較高，故大多數(shù)土壤中金屬含量測定的國標(biāo)方法使用的仍是電熱板消解方式[3]；水浴鍋消解土壤樣品測定砷、汞、鉛也被廣泛應(yīng)用。因此，本文就微波、電熱板消解與水浴鍋消解這三種比較常見的消解方法用于土壤中總磷的測定時，在方法檢出限、精密度和準(zhǔn)確度等方面進(jìn)行科學(xué)分析和探討。

1 實驗原理

將土壤中的含磷有機(jī)物及含磷礦物，分別通過采用硝酸-鹽酸-氫氟酸-高氯酸的微波消解、硝酸-硫酸-高氯酸的電熱板消解和（1+1）王水水浴鍋消解，全部轉(zhuǎn)化為可溶性的正磷酸鹽溶液，調(diào)節(jié)酸度，加入抗壞血酸溶液和銻鉬抗顯色劑，反應(yīng)生成磷鉬藍(lán)化合物，選擇合適的比色皿長度，在波長700 mm處測量吸光度。在一定濃度范圍內(nèi)樣品中的總磷含量與吸光度值符合Lambert-Beer定律。

2 試劑和設(shè)備

實驗使用去離子水，電導(dǎo)率（25 ℃）＜5.0 μS/cm。硝酸，優(yōu)級純，上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；鹽酸、氫氟酸、高氯酸，優(yōu)級純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。2,4-二硝基指示劑、抗壞血酸、酒石酸銻鉀、鉬酸銨，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。校準(zhǔn)曲線用到的磷標(biāo)液編號為102813，選用購自環(huán)保部標(biāo)樣研究所制的有證標(biāo)液，有效期至2019年9月。土壤樣品選用ESS-1黑鈣土，土壤成分認(rèn)定值與不確定度（410±73）mg/kg；GSS-2栗鈣土，土壤成分認(rèn)定值與不確定度（446±25）mg/kg；GSS-8黃土，土壤成分認(rèn)定值與不確定度（775±25）mg/kg，購自中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察研究所，有效期至2020年3月。

主要涉及的儀器設(shè)備是L3分光光度計、微波消解儀（MARS6 CLASSIC）、EG20A電熱板、水浴鍋、F2104電子天平（準(zhǔn)確度0.1 mg）、鼓風(fēng)干燥箱、玻璃干燥皿。

3 分析步驟

3.1 校準(zhǔn)曲線繪制

用磷標(biāo)液和50 mL規(guī)格的比色管配制一條濃度點分別為（0.00、0.08、0.16、0.24、0.32、0.40） mg/L的校準(zhǔn)曲線。加1 mL10%的抗壞血酸溶液和2 mL的鉬酸鹽溶液（鉬酸鹽溶液配制：稱取6.5 g鉬酸銨和0.18 g酒石酸銻鉀分別溶解在不同的50 mL去離子水中，邊不斷攪拌邊將鉬酸銨溶液和酒石酸銻鉀先后緩慢加入150 mL(1+1)硫酸溶液中）。顯色時間15 min，參比溶液為去離子水，在700 mm波長處，用2 cm比色皿測量吸光度值，見表1。

表1 不同濃度總磷標(biāo)液吸光度測定值

圖1 總磷校準(zhǔn)曲線

3.2 土壤樣品的測定

將校準(zhǔn)土壤樣品在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘6 h，放置在干燥皿中冷卻至室溫。

1）微波消解法：準(zhǔn)確稱取0.200 0 g左右的校準(zhǔn)土壤樣品于干凈的微波消解罐中，加入優(yōu)級純鹽酸 2 mL、硝酸 6 mL和氫氟酸 2 mL，設(shè)置程序升溫。反應(yīng)結(jié)束后，打開蓋子再加入2 mL高氯酸。在電熱板上，溫度設(shè)置為180 ℃，進(jìn)行趕酸，至近干的時候，冷卻轉(zhuǎn)移到50 mL比色管中，數(shù)次潤洗，加去離子水至50 mL分度線，溶液澄清透明。同時做兩個全程序空白（全程序空白中除不加土壤試樣外，其余試劑同試樣制備）。

2）電熱板消解法：同樣準(zhǔn)確稱取0.200 0 g左右的校準(zhǔn)土壤樣品于干凈的錐形瓶中，加入優(yōu)級純硝酸 10 mL、高氯酸 2 mL 和硫酸 3 mL，置于電熱板上，溫度調(diào)節(jié)至120 ℃加熱反應(yīng)。等到棕色煙霧消失后，加熱溫度升至180 ℃再趕酸，趕至濃白煙消失的時候結(jié)束。轉(zhuǎn)移到50 mL比色管內(nèi)，多次用去離子水潤洗，加水到50 mL分度線。電熱板屬于不完全消解，需過夜沉淀后到第二天移取上層清液。同時做兩個全程序空白（全程序空白中除不加土壤試樣外，其余試劑同試樣制備）。

3）水浴鍋消解法：同樣準(zhǔn)確稱取0.200 0 g左右的校準(zhǔn)土壤樣品于50 mL具塞比色管中，加入10 mL（1+1）王水，加塞搖勻于沸水浴中消解2 h，中間搖動幾次，取下冷卻，用水稀釋至刻度，靜置，取上清液待測。同時做兩個全程序空白。顯色反應(yīng)：準(zhǔn)確移取上述三種消解方法得到的5 mL消解液至50 mL比色管內(nèi)，加一滴0.2%的2,4-二硝基酚指示劑，用1∶10的氨水溶液調(diào)至溶液至微黃色（此時pH大概在4.4左右），用水稀釋至50 mL分度線定容，按照3.1校準(zhǔn)曲線繪制的顯色方法進(jìn)行比色測定，測得吸光度值（全程序空白中除不加土壤試樣外，其余試劑同試樣制備）。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)偏差

根據(jù)HJ 168-2010《環(huán)境監(jiān)測-分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》[4]，連續(xù)做七個空白，依照分析方法依次加入所需試劑后，測量吸光值，再根據(jù)每個測定值計算出樣品的濃度后，根據(jù)MDL=tS，計算七次平行空白測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差；其中自由度t為6，置信度為99%的值，取3.143；S為標(biāo)準(zhǔn)偏差，計算如下：

式中：S—— 每個樣品對應(yīng)總磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

n—— 平行數(shù)

4 實驗結(jié)果和討論

4.1 微波消解法的測定結(jié)果

微波消解土壤中磷含量的測定結(jié)果見表2。根據(jù)土壤標(biāo)物證書提供的定值與不確定度：ESS-1標(biāo)準(zhǔn)測定值范圍為337～483 mg/kg，實際檢測平均值為346 mg/kg，符合標(biāo)準(zhǔn)；GSS-2標(biāo)準(zhǔn)測定值范圍為421～471 mg/kg，實際檢測平均值為 427 mg/kg，符合標(biāo)準(zhǔn)；GSS-8標(biāo)準(zhǔn)測定值范圍為750～800 mg/kg，實際檢測平均值為755 mg/kg，符合標(biāo)準(zhǔn)。

表2 微波消解土壤中磷含量的測定結(jié)果

4.2 電熱板法消解的測定結(jié)果

電熱板消解土壤中磷含量的測定結(jié)果見表3，平均值均在標(biāo)準(zhǔn)測定值范圍內(nèi)。

表3 電熱板消解土壤中磷含量測定結(jié)果

4.3 水浴鍋消解法測定結(jié)果

水浴鍋消解土壤中磷含量的測定結(jié)果見表4，平均值均在標(biāo)準(zhǔn)測定值范圍內(nèi)。

表4 水浴鍋消解土壤中磷含量的測定結(jié)果

4.4 三種消解方法數(shù)據(jù)結(jié)果在精密度和準(zhǔn)確度方面的分析和討論

在標(biāo)準(zhǔn)土壤的選擇時，為了使數(shù)據(jù)結(jié)果更具代表性和普遍性，本實驗選擇了三種不同區(qū)域的校準(zhǔn)土壤樣品。ESS-1為富含有機(jī)質(zhì)的遼寧栗鈣土，GSS-2為內(nèi)蒙栗鈣土，GSS-8為洛川黃土。這三種土壤的總磷含量的數(shù)值也在校準(zhǔn)曲線的不同區(qū)域，這樣在分析討論數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度時更有說服力。

三種消解方法的數(shù)據(jù)測定結(jié)果顯示，這三種消解方式的穩(wěn)定性都在3%以內(nèi)，說明精密度較好。根據(jù)國標(biāo)HJ 632-2011提供的精密度數(shù)據(jù)：不同實驗室對400 mg/kg的樣品測定實驗室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3%～2.9%，800 mg/kg的樣品測定實驗室內(nèi)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.3%～1.6%，兩相比較，結(jié)果顯示這三種消解方式在精密度上并不比堿熔法差。

準(zhǔn)確度上，三種消解方式最后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果都在允許的不確定度范圍內(nèi)。由于校準(zhǔn)曲線是由液標(biāo)繪制的，和實際土壤樣品溶液體系存在不一致性，因此會有一定的偏差和干擾。

再將表2、表3和表4的數(shù)據(jù)結(jié)果比較一下，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電熱板酸法消解與相對簡易的水浴鍋消解效果并不比微波消解的效果差，甚至在細(xì)微的數(shù)據(jù)差異間，傳統(tǒng)消解方式比微波消解在精密度和準(zhǔn)確度上都來得效果更好。首先，由于本實驗選擇的是天然土壤，其中的有機(jī)質(zhì)組分含量不高和不明干擾物并不嚴(yán)重，所以微波消解在土壤中總磷的測定中優(yōu)勢不明顯，對最終的消解結(jié)果無明顯差異。此外，本實驗選用的這三種消解方式的差異還存于加酸方面，加酸的種類和數(shù)量最終影響的是土壤的消解程度，本實驗得到的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示天然土壤中總磷的測定對土壤的消解的完全程度的要求并不高，對于有無氫氟酸的加入對最終的數(shù)據(jù)結(jié)果并無明顯影響，由此可見“飛硅”[5]對于土壤中的總磷測定沒有明顯影響。換言之，土壤中總磷的測定對土壤的消解方式的要求并不嚴(yán)格。

由此可見，土壤總磷的消解方式是比較靈活的，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果是可控的。

4.5 三種方法的檢出限測定結(jié)果

三種消解方法檢出限測定結(jié)果見表5。

表5 三種消解方法檢出限測定結(jié)果

在相同的比色條件下，水溶液總磷的空白的吸光度值一般在0.002～0.005，得到的土壤空白吸光度值在0.004～0.006，由此可見三種消解方式得到的土壤空白低而穩(wěn)定。

根據(jù)國標(biāo)HJ 632-2011提供的檢出限：當(dāng)樣品稱重量0.250 0 g，比色皿3 cm時，該方法檢出限為10.0 mg/kg。本實驗的稱重量小于 0.25 g，采用 2 cm比色皿，得到的檢出限分別為4.1 mg/kg和5.8 mg/kg，結(jié)果表明這三種消解方式在檢出限上均能滿足堿熔法的檢出限要求。

5 結(jié)語

通過比較，上述三種消解方式所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果表明，采用微波消解、傳統(tǒng)電熱板消解和水浴鍋消解都能比較準(zhǔn)確穩(wěn)定地測出天然土壤中總磷，在檢出限、精密度和準(zhǔn)確度方面都能達(dá)到已有國標(biāo)（HJ 632-2011）的相關(guān)指標(biāo)要求，說明這三種酸法消解在測定天然土壤中的總磷在技術(shù)層面上存在一定的可行性，為實驗室將來提高土壤檢測效率提供了一定的操作與想象空間。在天然土壤多參數(shù)檢測時，使用這三種消解方式具有省時、省力、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，具有更廣泛的應(yīng)用潛力。