衍生氣相色譜法測(cè)定土壤中的氟化物

陳海泉，顏 治，吳 浩，林 妮，楊麗丹

（深圳海關(guān)食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，廣東 深圳 518000）

氟是與人類健康密切相關(guān)的必需微量元素，氟化物的原始來(lái)源是土壤中的云母、磷灰石和電氣石，土壤中氟的含量在很大程度上取決于土壤無(wú)機(jī)組分的礦物組成［1］，而土壤環(huán)境中的氟是水和食物鏈［2］中氟的主要來(lái)源［3］。適量的氟對(duì)機(jī)體來(lái)說(shuō)是必要的，但如果攝入過(guò)高以至失衡，輕微的可能會(huì)形成氟斑牙，嚴(yán)重的對(duì)于人、動(dòng)物和植物都會(huì)導(dǎo)致氟病變的產(chǎn)生［4］。植物可以通過(guò)氣孔或者根部吸收氟化物［2，5］，過(guò)量的氟化物可能會(huì)導(dǎo)致光合作用能力下降，以及在食物鏈中增加氟化物含量的積累；人體內(nèi)氟化物的失衡可能會(huì)導(dǎo)致牙齒和骨骼方面的疾?。?］，例如骨密度下降，甚至是骨癌［7］。中國(guó)大部分地區(qū)處于高氟地區(qū)，加上工業(yè)化肥的使用和冶煉工業(yè)廠氣體的排放都能使氟化物侵入土壤，對(duì)土壤造成污染［2，8-9］。特別是欠發(fā)達(dá)地區(qū)［10］，如果飲用水和澆灌用水沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格把控，對(duì)于人體和農(nóng)作物都是會(huì)帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的損害。有研究顯示，作為經(jīng)濟(jì)作物的茶樹(shù)，會(huì)比一般植物更能吸收土壤中的氟化物［11］；加上現(xiàn)在農(nóng)業(yè)化肥的過(guò)度使用，化肥中含氟量較高，高含量的氟化物能吸附鋁形成絡(luò)合物殘留在土壤當(dāng)中，間接增加了土壤中鋁含量，對(duì)土壤造成重金屬污染［12］；也有文獻(xiàn)報(bào)道通過(guò)分析土壤的數(shù)據(jù)得知該區(qū)域動(dòng)物體內(nèi)污染元素的分布，這樣就可以不用通過(guò)提取動(dòng)物器官來(lái)進(jìn)行研究，而是采集土壤來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這樣能很好地保護(hù)生態(tài)平衡［13］。因此，對(duì)土壤進(jìn)行氟化物含量的檢測(cè)就尤為重要。

目前對(duì)于氟含量檢測(cè)，有離子選擇電極法［14-15］、頂空氣相色譜法［16-17］、比色法［18］、高效液相色譜法和離子色譜法［19-20］、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)［21-22］等。比色法操作步驟繁瑣，顯色時(shí)間較長(zhǎng)，很難大批量操作；高效液相色譜法和離子色譜法對(duì)于氟離子能準(zhǔn)確定量，但是設(shè)備昂貴，而且由于基質(zhì)為土壤，土壤中的氟化物并不適合進(jìn)行水相的洗脫，因此用高效液相色譜法和離子色譜法的只有對(duì)食品和水的一些研究；離子選擇電極法，會(huì)受到消化液中其他離子的干擾，而在調(diào)節(jié)pH值時(shí)，若消化液的pH值過(guò)低，形成氫氟酸，對(duì)氟離子的定量檢測(cè)帶來(lái)誤差；頂空氣相色譜法，需要儀器具有頂空進(jìn)樣裝置，儀器功能的多樣性的要求較高，并且有可能在加入衍生溶液之后，蓋子氣密性不好的情況下開(kāi)始衍生，導(dǎo)致衍生生成的氣體泄漏影響測(cè)定的準(zhǔn)確性；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對(duì)于檢測(cè)物質(zhì)除了能準(zhǔn)確定量外，還能夠定性，測(cè)定更精準(zhǔn)，靈敏度也高，但是質(zhì)譜設(shè)備昂貴，加上質(zhì)譜在日常維護(hù)需要投入更多，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀并不常見(jiàn)于一般的檢測(cè)單位中，對(duì)于日常的常規(guī)檢測(cè)帶來(lái)了設(shè)備上的困難，文獻(xiàn)報(bào)道的用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)測(cè)定氟化物的多為血液和尿液等一些醫(yī)療方面的研究。

本文用國(guó)標(biāo)GB/T 22104-2008中提供土壤的消化方法［14］為基礎(chǔ)，改良了土壤的消化方法［3，23］，土壤樣品用氫氧化鈉在高溫熔融后，用熱水浸取后冷卻定容，然后在移取樣液之后再調(diào)節(jié)pH值至中性，得到土壤的消化液。運(yùn)用三甲基氯硅烷（TMCS）水解生成硅醇，與熔融后的土壤中的氟化物反應(yīng)生成氣態(tài)的氟硅烷（TMFS）［24］的原理，參考國(guó)標(biāo)中測(cè)定牙膏中氟［25］的氣相色譜的相關(guān)條件，用帶有正戊烷內(nèi)標(biāo)的甲苯吸收衍生出來(lái)的氣體，并用含鹽分的水相以及低溫進(jìn)行有機(jī)相和無(wú)機(jī)相的分層，取甲苯層進(jìn)行檢測(cè)。此法不需要運(yùn)用頂空裝置，只需帶有FID檢測(cè)器的氣相色譜儀便可以檢測(cè)。同時(shí)，由于通過(guò)三甲基氯硅烷（TMCS）的衍生，可以排除別的離子的干擾，加上內(nèi)標(biāo)的加入，排除基體效應(yīng)的干擾。

1 實(shí)驗(yàn)材料與準(zhǔn)備

1.1 主要試劑

甲苯（色譜純）；三甲基氯硅烷（TMCS）（分析純）；高氯酸（70%～72%）；正戊烷（色譜純）；氟化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（中國(guó)計(jì)量院1 000 mg/L）；實(shí)驗(yàn)一級(jí)水；氯化鈉（分析純）；溴甲酚紫（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；鹽酸（分析純）。

1.2 土壤質(zhì)控樣品

水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07365）。

1.3 主要儀器

馬弗爐：CARBOLITE AAF11/18；分析天平：METTLER TOLEDO AG204；數(shù)量型多管式漩渦混合器Taltoys EOFO-9945066；低溫冰箱：SANYO MDF-U5411；氣相色譜儀：Agilent Technologies 7890B GC System；氣相色譜柱：Agilent Tecnologies，Inc.19091Z-433 HP-1 30 m×0.250 mm。

1.4 色譜條件

程序升溫：初始溫度60℃，初始時(shí)間1.8 min，升溫速率40℃/min，終止溫度160℃，保持3 min；進(jìn)樣口溫度：200℃；檢測(cè)器（FID）溫度：300℃；進(jìn)樣量：10 μL；載氣：氮?dú)猓?23 kPa；分流比：1∶13；隔墊吹掃：2 mL/min；尾吹氣：氮?dú)猓?5 mL/min。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.1 樣液的制備

采集的土壤樣品（約500 g），攤在聚乙烯薄膜或清潔的紙上，放在通風(fēng)避光的室內(nèi)自然風(fēng)干。風(fēng)干后用木棒壓碎，去除石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物，過(guò)2 mm尼龍篩，過(guò)篩樣品全部置于聚乙烯薄膜上，充分混勻，用四分法縮分為約100 g。用瑪瑙研缽研磨土樣至全部通過(guò)0.149 mm尼龍篩，混勻后備用［4］。

準(zhǔn)確稱取樣品0.5 g（精確到0.000 1 g）于50 mL鎳坩堝中，加入4 g氫氧化鈉（3 g與樣品混勻，1 g均勻覆蓋于表面），放入馬弗爐中650℃加熱（有加標(biāo)的要事先用烘箱105℃將水分烘干冷卻后再稱取氫氧化鈉），保溫20 min。取出冷卻，用50 mL剛煮沸的水分幾次浸提，直至熔塊完全溶解，移入100 mL燒杯中，冷卻后加入10 g氯化鈉使體系含有10%的氯化鈉，轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中定容備用。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

分 別 取 0.00、0.01、0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 mL氟離子標(biāo)準(zhǔn)溶液至離心管中，并用10%氯化鈉溶液定容至10 mL，得標(biāo)準(zhǔn)溶液中氟離子質(zhì)量濃度分別為 0、1、2、5、10、20、50、100 mg/L。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液的處理

準(zhǔn)確取10 mL樣液至離心管，滴加0.04%溴甲酚紫指示劑1～2滴，用鹽酸（1+1）由藍(lán)紫色調(diào)至黃色，然后放于冰箱冷凍室（-20℃）冷卻10 min，然后在每個(gè)瓶中依次加入0.5 mL高氯酸、10.0 mL帶有正戊烷內(nèi)標(biāo)的甲苯提取液和5.0 mL三甲基氯硅烷，每加完一種試劑立即加蓋（此操作需在通風(fēng)櫥里完成），加好試劑的標(biāo)準(zhǔn)溶液及樣品溶液放在振蕩器上，以速度2 500 r/min震蕩10 min。取下放入冷凍室（-20℃）冷卻30 min，取甲苯層上機(jī)檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)溶液的實(shí)驗(yàn)方法與樣品溶液的實(shí)驗(yàn)方法一樣。

3 結(jié)果與分析

3.1保留時(shí)間

將氟離子質(zhì)量濃度為10 mg/L按照標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液的處理步驟得甲苯吸收液，進(jìn)樣量為10 μL，上機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，得圖1標(biāo)準(zhǔn)溶液的圖譜，1.661 min出峰時(shí)間為氟化物的出峰時(shí)間，1.839 min的出峰時(shí)間為正戊烷的出峰時(shí)間。

圖2為本實(shí)驗(yàn)外標(biāo)測(cè)定法的曲線，線性r2達(dá)0.999 6，滿足本實(shí)驗(yàn)的定量要求。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的圖譜

圖2 外標(biāo)測(cè)定法的曲線

3.2 儀器進(jìn)樣再現(xiàn)性分析

從試驗(yàn)中的儀器進(jìn)樣再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)中的平均值與精密度可看出，儀器對(duì)于同一樣品瓶重復(fù)進(jìn)樣，檢測(cè)出來(lái)的結(jié)果的平行性較理想，可以斷定儀器對(duì)于同樣濃度下的樣品瓶做出來(lái)結(jié)果的誤差較小。而在試驗(yàn)中土壤樣品的最適條件摸索和加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于檢測(cè)中的進(jìn)樣誤差影響較小。

表1 10 mg/L標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)與土壤樣品的再現(xiàn)性

3.3 土壤樣品加標(biāo)回收分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，用衍生氣相色譜法測(cè)定土壤中氟化物的含量，結(jié)果在證書(shū)（見(jiàn)1.2節(jié)）參考值范圍內(nèi)。一個(gè)樣品本底和3個(gè)樣品加標(biāo)一共4個(gè)濃度水平，在精密度方面，RSD都在3%以內(nèi)，說(shuō)明不同濃度下的土壤樣品的平行性都符合要求；在回收率方面，4個(gè)濃度水平也都在85%～100%之間，表明能夠準(zhǔn)確定量。

表2 平行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)與精密度

表3 平行加標(biāo)實(shí)驗(yàn)平均回收率

3.4 前處理方法討論

在選擇熔融劑時(shí)［3，23］，分別嘗試了用氫氧化鈉與氫氧化鉀，發(fā)現(xiàn)氫氧化鉀爬壁現(xiàn)象嚴(yán)重，而且氫氧化鉀的成本高，因此選擇氫氧化鈉作為土壤的熔融劑。

表4、表5是對(duì)熔融條件進(jìn)行優(yōu)化［3，23］，固定時(shí)間在20 min，設(shè)置溫度梯度為550、650、750℃。從表中的平均值和精密度可看出，溫度影響相對(duì)較小，平均值都接近土壤參考值，而且精密度也非常相近，但在650℃平均值與精密度都是最優(yōu)的，因此選擇了650℃作為熔融溫度。

在溫度保持在650℃的情況下，將保溫時(shí)間梯度15、20、40和60 min一共4個(gè)梯度進(jìn)行嘗試，發(fā)現(xiàn)時(shí)間對(duì)于結(jié)果影響比較大。從15 min的結(jié)果看來(lái)，時(shí)間過(guò)短，可能導(dǎo)致土壤消化不充分，對(duì)結(jié)果有影響；從40與60 min的結(jié)果看來(lái)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)雖然結(jié)果也在參考值范圍內(nèi)，但是結(jié)果與參考值的中位值偏差較大，而且時(shí)間超過(guò)40 min，可能會(huì)造成爬壁現(xiàn)象。因此，在熔融溫度選擇為650℃的前提下，確定了20 min的保溫時(shí)間。

表4 不同溫度之間的平均值與精密度

表5 不同時(shí)間之間的平均值與精密度

3.5 色譜條件方法討論

本文用了3種同種類型（Agilent Tecnologies，Inc.19091Z-433 HP-1 30 m×0.250 mm、Agilent Tecnologies，Inc.19091J-433 HP-5 30 m×0.250 mm、Agilent Tecnologies，Inc.122-1111 DB-1HT 15 m×0.250 mm）的氣相色譜柱上機(jī)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)均能出峰，因此在柱子的選擇上，保證是同種類型，在測(cè)定前用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間矯正即可。

4 注意事項(xiàng)與結(jié)論

4.1 注意事項(xiàng)

4.1.1 NaOH容易吸潮［26］，可先稱取土壤至鎳坩堝，再稱取3 g NaOH與土壤樣品混合，然后稱取1 g NaOH覆蓋表面，使得NaOH充分與土壤接觸。有液體加標(biāo)的樣品，應(yīng)先放烘箱用105℃烘干后再稱取NaOH，以免內(nèi)容物迸濺，使得待測(cè)物損失。加完NaOH要盡快放入馬弗爐灼燒，并且在馬弗爐保溫的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，NaOH吸潮以及時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都容易導(dǎo)致NaOH的爬壁嚴(yán)重。

4.1.2 灼燒后，等冷卻之后取出用玻璃吸管吸取沸水多次浸提，使熔融物脫落，完全洗脫出來(lái)。此步驟要有耐心，一開(kāi)始熔融物很難脫落，可以先用沸水浸泡一小會(huì)，然后再用玻璃吸管吸取浸提液反復(fù)沖洗熔融物，使熔融物脫落。

4.1.3 在調(diào)節(jié)pH值時(shí)，與離子選擇電極法不同，本法在衍生的時(shí)候是需要溶液體系為酸性，故只要溶液變成黃色即可。

4.1.4 由于本法的衍生之后產(chǎn)生氣體被甲苯吸收，故衍生反應(yīng)發(fā)生前需將樣液放入冰箱冷凍，在加試劑時(shí)，每加一步試劑之后需蓋上蓋子，在加完試劑之后要確保蓋子的密閉性，以免衍生氣體泄漏而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。

4.2 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，用衍生氣相色譜法測(cè)定土壤中的氟化物是可行有效的。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，用衍生氣相色譜法測(cè)定土壤中的氟化物的精密度和加標(biāo)回收率都能符合檢測(cè)的要求。