渦旋提取-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘

曹 靜，趙士權(quán)，袁金華

(南京市疾病預(yù)防控制中心，南京210003)

土壤作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要載體，是保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的關(guān)鍵源頭。近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土壤中重金屬污染問(wèn)題日益凸顯，已成為世界性的重大環(huán)境問(wèn)題之一。目前針對(duì)土壤中重金屬的調(diào)查分析大多處于總量水平，這并不能全面地評(píng)價(jià)重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橥寥?重金屬-生物體之間存在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)相互作用，土壤中只有部分重金屬能被生物體吸收，這部分能被生物體吸收利用的元素以特定的形態(tài)存在，這種特定的形態(tài)被稱之為有效態(tài)。土壤中重金屬能否被植物吸收主要取決于該元素的有效態(tài)[1]，因此土壤中重金屬有效態(tài)含量的測(cè)定，對(duì)評(píng)價(jià)和控制其生物毒害作用具有更實(shí)際的意義。鎘是生物蓄積性強(qiáng)、具有“三致”作用的劇毒元素，會(huì)通過(guò)食物鏈富集到人體，從而對(duì)人體健康造成危害[2]。目前我國(guó)暫未制定土壤中有效態(tài)鎘的限量標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于土壤中有效態(tài)鎘含量測(cè)定方法的研究也較少[3-5]，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法GB/T 23739－2009(S)《土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定 原子吸收法》前處理采用振蕩器低效提取，提取時(shí)間長(zhǎng)，試劑用量大，提取液根據(jù)含量高低選用火焰原子吸收光譜儀或者石墨爐原子吸收光譜儀，操作較繁瑣，無(wú)法滿足批量樣品快速分析的要求。文獻(xiàn)[3-4]采用超聲提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法，前處理操作簡(jiǎn)單，但儀器成本較高，方法應(yīng)用的推廣有一定的局限性，且由于土壤樣品基體復(fù)雜，容易堵塞霧化器導(dǎo)致儀器故障。

本工作采用高效的渦旋混合技術(shù)對(duì)土壤樣品進(jìn)行振蕩渦旋提取，建立了快速測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘含量的方法。本方法操作簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，前處理高效省時(shí)，適于批量土壤樣品中有效態(tài)鎘的快速測(cè)定，可為其限量標(biāo)準(zhǔn)的制定提供方法支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

AA280Z型石墨爐原子吸收分光光度計(jì)；Milli-Q 型純水器；JZ-5013型多管渦旋混合儀。

鎘標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:1 000 mg·L－1。

鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液:移取1 000 mg·L－1鎘標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液10.00 m L 至100 m L 容 量瓶中，用新制的1%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸溶液定容，按此法逐級(jí)稀釋，最終得到5.0μg·L－1的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液。

二乙三胺五乙酸(DTPA)提取劑:稱取1.967 g DTPA 溶于14.92 g三乙醇胺和少量水中，再加入1.11 g無(wú)水氯化鈣，將上述混合液轉(zhuǎn)移至1 L 容量瓶中，用水定容，用鹽酸調(diào)p H 至7.3，備用。

磷酸二氫銨為色譜純；硝酸鈀、鹽酸、硝酸均為優(yōu)級(jí)純；DTPA、無(wú)水氯化鈣、三乙醇胺均為分析純；試驗(yàn)用水為超純水(電阻率大于18.2 MΩ·cm)。

1.2 儀器工作條件

測(cè)定波長(zhǎng)228.8 nm；光譜通帶寬度0.5 nm；燈電流5.0 m A；積分模式采用峰高法；扣背景采用塞曼扣背景；樣品進(jìn)樣體積為10μL，基體改進(jìn)劑(10 g·L－1的磷酸二氫銨溶液)進(jìn)樣體積為3μL。石墨爐升溫程序見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后，除去石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物，碾壓，通過(guò)2 mm 尼龍篩，混勻，用研缽將通過(guò)2 mm 尼龍篩的土壤樣品研磨至全部通過(guò)0.149 mm 的尼龍篩，混勻后備用。

稱取研磨后的土壤樣品0.500 g，置于15 m L塑料離心管中，加入DTPA 提取劑10 m L，置于多管渦旋混合儀上，在1 800 r·min－1轉(zhuǎn)速下振蕩渦旋提取10 min，取下離心管，以4 000 r·min－1轉(zhuǎn)速離心3 min，移取上清液按儀器工作條件進(jìn)行測(cè)定。試劑空白與樣品用同樣方法處理。

表1 石墨爐升溫程序Tab.1 Graphite furnace heating procedure

2 結(jié)果與討論

2.1 前處理方法的選擇

試驗(yàn)選用高效的渦旋混合儀對(duì)土壤樣品進(jìn)行振蕩渦旋提取，取0.500 g樣品至塑料離心管中，按一定的土液比加入DTPA 提取劑10 m L，對(duì)轉(zhuǎn)速和提取時(shí)間進(jìn)行考察。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越高，振蕩渦旋越充分，但過(guò)高的轉(zhuǎn)速容易損耗儀器，且達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，樣品溶液呈完全渦旋狀態(tài)，此時(shí)樣品和提取劑接觸完全。試驗(yàn)表明:提取劑用量為10 m L，轉(zhuǎn)速為1 800 r·min－1時(shí)，樣品溶液能夠充分渦旋，樣品和提取劑之間反應(yīng)完全。試驗(yàn)選擇提取轉(zhuǎn)速為1 800 r·min－1。

提取時(shí)間對(duì)提取效率有一定的影響，一般提取時(shí)間越長(zhǎng)，提取越完全，但提取到一定時(shí)間后，反應(yīng)將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。試驗(yàn)在提取時(shí)間依次為5，10，20，30，60，120 min時(shí)對(duì)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07460)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:在1 800 r·min－1轉(zhuǎn)速下，提取時(shí)間為10 min 時(shí)，測(cè)定值接近認(rèn)定值，繼續(xù)延長(zhǎng)提取時(shí)間，測(cè)定值變化不大，趨于穩(wěn)定。由此可以看出:提取時(shí)間為10 min時(shí)，土壤固相吸附有效態(tài)鎘與提取液液相有效態(tài)鎘基本達(dá)到吸附交換平衡。試驗(yàn)選擇提取時(shí)間為10 min。

2.2 測(cè)定條件的選擇

2.2.1 基體改進(jìn)劑

土壤樣品成分復(fù)雜，即使經(jīng)過(guò)前處理，依然存在嚴(yán)重的基體干擾，分析土壤樣品一般需要加入基體改進(jìn)劑。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法沒(méi)有明確使用基體改進(jìn)劑，但是試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)不添加基體改進(jìn)劑對(duì)測(cè)定值有一定的影響?；w改進(jìn)劑的作用原理一般是用化學(xué)方法改變樣品的基體組成，可使基體形成易揮發(fā)性化合物在原子化前驅(qū)除，降低背景吸收，也可使基體形成難解離的化合物，避免分析元素和基體反應(yīng)形成易揮發(fā)難解離的一鹵化物，降低灰化損失和氣相干擾，或使分析元素形成熱穩(wěn)定的化合物或熱穩(wěn)定的合金，降低其揮發(fā)性以防止灰化過(guò)程中的損失。目前常用的基體改進(jìn)劑有硝酸鈀溶液和磷酸二氫銨溶液，試驗(yàn)以土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07460)為樣品，分別采用500 mg·L－1硝酸鈀溶液和5，10，20 g·L－1磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑，考察了基體改進(jìn)劑對(duì)土壤樣品分析的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):土壤樣品在未加基體改進(jìn)劑時(shí)，背景信號(hào)很高，干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)定值偏低；采用500 mg·L－1硝酸鈀溶液作為基體改進(jìn)劑時(shí)，背景信號(hào)有所降低，但是樣品峰形矮胖，而標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形尖銳，兩者峰形不一致，導(dǎo)致測(cè)定值偏低。硝酸鈀的作用機(jī)理一般是通過(guò)與樣品中待測(cè)元素形成熱穩(wěn)定的合金以降低待測(cè)元素的揮發(fā)性，但是對(duì)基體的去除作用有限，基體的存在影響了樣品的峰形，導(dǎo)致測(cè)定值偏低。采用磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑時(shí)，背景干擾顯著減小，樣品峰形改善，尖銳平滑，但是試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量濃度的磷酸二氫銨溶液對(duì)有效態(tài)鎘的測(cè)定值有一定的影響。采用20 g·L－1磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑時(shí)，測(cè)定值偏高；采用5 g·L－1磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑時(shí)，測(cè)定值偏低；采用10 g·L－1磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑時(shí)，測(cè)定值在認(rèn)定值范圍內(nèi)。磷酸二氫銨作為基體改進(jìn)劑，一方面能使基體形成易揮發(fā)的化合物降低背景吸收，另一方面可與待測(cè)元素形成熱穩(wěn)定的化合物，以提高灰化溫度并使信號(hào)更穩(wěn)定，其含量不同對(duì)基體造成的影響也不同。當(dāng)磷酸二氫銨含量較低時(shí)，去干擾程度不夠?qū)е卤尘靶盘?hào)相對(duì)較高；當(dāng)磷酸二氫銨含量過(guò)高時(shí)，其可能對(duì)分析元素產(chǎn)生干擾。試驗(yàn)選擇10 g·L－1的磷酸二氫銨溶液作為土壤中有效態(tài)鎘測(cè)定的基體改進(jìn)劑。

2.2.2 灰化溫度

基體比較復(fù)雜的土壤樣品在選用合適的基體改進(jìn)劑后，應(yīng)選用較高的灰化溫度以盡可能地去除基體，但灰化溫度偏高，會(huì)造成待測(cè)元素的損失。試驗(yàn)以土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 07460)為樣品，考察了灰化溫度為400～600℃時(shí)對(duì)土壤樣品分析的影響。結(jié)果表明:當(dāng)灰化溫度為400℃時(shí)，樣品背景信號(hào)值高，且出峰時(shí)間晚，影響了測(cè)定的準(zhǔn)確性，測(cè)定值偏低。試驗(yàn)按50℃梯度逐漸升高灰化溫度，結(jié)果表明:當(dāng)灰化溫度升至550 ℃時(shí)，基體的信號(hào)明顯降低，樣品峰形尖銳，出峰時(shí)間提前至原子化升溫階段，且測(cè)定值在認(rèn)定值范圍內(nèi)；繼續(xù)升高灰化溫度，基體信號(hào)略微降低，測(cè)定值基本穩(wěn)定。試驗(yàn)選擇灰化溫度為550 ℃。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

移取適量的5.0μg·L－1鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，以1%硝酸溶液作為稀釋劑和空白溶液，加入10 g·L－1磷酸二氫銨溶液作為基體改進(jìn)劑，配成0.5，1.0，2.0，3.0，4.0μg·L－1的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。按儀器工作條件對(duì)上述鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定，采用線性最小二乘法擬合，儀器分析軟件以鎘的質(zhì)量濃度與其對(duì)應(yīng)的吸光度自動(dòng)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[6]。結(jié)果表明:鎘的線性范圍為0.5～4.0μg·L－1，線性回歸方程為y＝8.957×10－2x ＋7.620×10－3，相 關(guān) 系 數(shù) 為0.999 8。

測(cè)定空白溶液11次，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限(3s)，結(jié)果為0.3 pg。

2.4 精密度和準(zhǔn)確度

按試驗(yàn)方法對(duì)3份不同濃度水平的土壤有效態(tài)質(zhì)控樣品進(jìn)行分析，平行測(cè)定6次，計(jì)算測(cè)定值和測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知:本方法的準(zhǔn)確度高，精密度好。

本工作采用渦旋提取-石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘。采用本方法對(duì)土壤有效態(tài)質(zhì)控樣品進(jìn)行方法驗(yàn)證，測(cè)定值均在認(rèn)定值的容許范圍內(nèi)，說(shuō)明本方法適用于土壤中有效態(tài)鎘的測(cè)定，可為完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。本方法樣品前處理操作簡(jiǎn)單快速、所耗試劑量少，可批量處理樣品，有效地節(jié)約了時(shí)間和資源成本，降低了對(duì)環(huán)境的污染成本，能滿足實(shí)驗(yàn)室大批量樣品前處理的需求，對(duì)監(jiān)測(cè)土壤中有效態(tài)鎘的污染具有一定的意義。

表2 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and accuracy(n＝6)