土壤中微量金屬元素含量的分析

胡慶蘭

(湖北第二師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院；植物抗癌活性物質(zhì)提純與應(yīng)用湖北省重點實驗室，武漢 430205)

1 前言

土壤是人類及大自然賴以生存的家園，土壤的健康狀況與人類生活密切相關(guān)，土壤受到污染，人類及動植物也會遭殃。土壤中金屬元素的含量標(biāo)志著土壤被污染的狀況，當(dāng)金屬元素超過一定量時，一方面會影響農(nóng)作物生長，另一方當(dāng)其進(jìn)入農(nóng)作物后，通過食物鏈在生物體內(nèi)進(jìn)行富集，對食品安全和人類健康造成很大影響[1]，如：人體接觸過量的鎘會對腎臟和骨骼造成嚴(yán)重傷害[2]，土壤中鉛、銅、鋅含量過高會使植物無法正常生長，導(dǎo)致植物中毒[3]。因此測量土壤中銅、鋅、鎘、鉛含量意義重大。

前人已對各地土壤中微量金屬元素的含量進(jìn)行了深入的研究[4-12]，目前測量土壤中金屬元素含量的國家標(biāo)準(zhǔn)方法是《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13],其他測量方法還有ICP-MS聯(lián)用、X射線熒光光譜法、ICP-AES法、石墨爐原子吸收分光法、原子熒光法、火焰原子吸光光度法。但是湖北第二師范學(xué)院的土壤狀況基本無人研究，因此本文欲測量土壤中銅、鉛、鎘、鋅等微量金屬元素含量，然后與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》對比以探求土壤中微量金屬元素含量是否超標(biāo)，并依此數(shù)據(jù)界定本校校園土壤環(huán)境基本狀況。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器

AA-6300原子吸收分光光度計(日本島津公司)；HL-1型Cd、Pb、Cu、Zn空心陰極燈(河北寧強光源公司)；UPT-1超純水機(南通瀘南科學(xué)儀器有限公司)；FA-2004電子天平(上海光學(xué)儀器廠)；HN-101電鼓風(fēng)干燥箱(南通瀘南科學(xué)儀器有限公司)；TANK BASIC微波消解儀(濟(jì)南海南儀器股份有限公司)。

2.2 實驗試劑

土壤(產(chǎn)地：湖北第二師范學(xué)院圖書館、實驗樓)；Cd、Pb、Cu、Zn標(biāo)準(zhǔn)儲備液(1mg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；濃硝酸(分析純)、過氧化氫(分析純)、氟化氫(分析純)；超純水；Cd、Pb、Cu、Zn標(biāo)準(zhǔn)使用液10mg/L：用移液槍準(zhǔn)確移取1.00mL標(biāo)準(zhǔn)儲備液，用0.5%的HNO3定容至100mL容量瓶中，待用。

2.3 儀器條件

儀器工作最優(yōu)條件如見表1、表2。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液配制

依次配成0.0080mg/L,0.0160mg/L,0.0240mg/L，0.0320mg/L，0.0400mg/L標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，用0.5%的硝酸定容。將10mg/LPb標(biāo)準(zhǔn)使用液依次配成0.0040mg/L,0.0080mg/L,0.0120mg/L,0.0160mg/L,0.0200mg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，用0.5%的硝酸定容。同時配制各元素的空白溶液。

表1 火焰原子吸收分光光度計工作條件

表2 微波消解儀消解程序

2.5 實驗過程

2.5.1 試樣的預(yù)處理

采用單樣品取樣方法[14]分別取圖書館土樣和實驗樓土樣。將兩份土樣自然風(fēng)干后分別過20目篩子，準(zhǔn)確稱取圖書館土樣0.2335g、實驗樓土樣0.2166g于聚四氟乙烯消化罐中，往消化罐中分別加入8mL濃硝酸，0.5mL氟化氫，2mL過氧化氫進(jìn)行微波消解 ，同時對空白溶液進(jìn)行微波消解，消解完畢后待溫度降至80℃后取出消化罐，將消化罐放至通風(fēng)櫥中放氣。然后依次對樣品和空白溶液進(jìn)行趕酸,趕至2-3mL時用超純水在500mL容量瓶中定容。

2.5.2 干擾離子的消除

在測定鉛離子時，若待測溶液中鉛離子的濃度為5ppm，溶液中有1%或更多電離元素共存時有干擾，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)樣品中鉛離子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5ppm，故此實驗中不存在干擾。

3 結(jié)果與討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

準(zhǔn)確移取各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，在原子吸收分光儀的最優(yōu)條件下，由原子吸收分光儀得到各元素的吸光度值。以各元素濃度為橫坐標(biāo)，吸光度值為縱坐標(biāo)，即可制的各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。圖1、圖2、圖3、圖4為各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線 。

圖1 Cu的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 Cd的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖3 Pb的標(biāo)準(zhǔn)曲線

將各標(biāo)準(zhǔn)溶液及空白溶液于原子吸收分光儀的最優(yōu)條件下分別測定其吸光度，得出各元素的濃度與吸光度的線性關(guān)系。

3.2 各元素的線形范圍、線性方程、相關(guān)性系數(shù)

各元素在所配制濃度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，各元素的相關(guān)性系數(shù)均在0.993-0.997之間。表3列出了4種元素的線性方程及相關(guān)性系數(shù)。

圖4 Zn的標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.3 樣品中各元素的含量及精密度試驗

在分析檢測過程中，分析結(jié)果的精密度通常用樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)來表示。即用本方法分別對土壤樣品進(jìn)行6次平行實驗，結(jié)果見表4、5，表明該方法精密度良好，Cd的含量未檢出表明土壤中Cd含量很低低于到原子吸收分光儀的檢出限。

表3 四種元素的線性方程及相關(guān)性系數(shù)

3.4 檢出限

對標(biāo)準(zhǔn)曲線的空白溶液進(jìn)行20次平行測定，分別求出其吸光度，然后求出其標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差求檢出限，結(jié)果如表6。

表4 圖書館土樣四種元素含量及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

表5 實驗樓土樣四種元素含量及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差

表6 四種元素的檢出限

3.5 加標(biāo)回收率

為了驗證實驗的準(zhǔn)確度，對土壤樣品進(jìn)行低中高加標(biāo)回收實驗，這四種元素的加標(biāo)回收率在95%-105%，表明使用本法測量Cu、Pb、Zn、Cd的含量準(zhǔn)確度較高，結(jié)果見表7、8。

4 結(jié)論

本文采用微波消解對土壤樣品進(jìn)行預(yù)處理，用火焰原子吸收光譜法測定土壤中Cu、Pb、Cd、Zn等四種元素的含量。按照表一的工作條件測得的結(jié)果見表四，各元素檢出限為0.0033-0.0048，回收率為95.00%-105.00%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9%-13.8%，相關(guān)系數(shù)為0.993-0.997.各土壤樣品中金屬元素含量W=(C×V)÷(m÷1000)，式中W為單位質(zhì)量待測樣品所含元素的質(zhì)量，mg/kg；C為樣品溶液中元素的質(zhì)量濃度，mg/L；V為樣品定容體積，L；m為樣品質(zhì)量，g。根據(jù)公式算得實驗樓Cu，Pb，Cd，Zn含量分別為21.47mg/kg，14.08mg/kg，未檢出，33.01mg/kg；圖書館Cu，Pb，Cd，Zn含量分別為18.63mg/kg，8.99mg/kg，未檢出，3.43mg/kg。根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定二級土壤(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康土壤的限制值)中Cd≦0.60mg/kg；Pb≦350mg/kg；Zn≦300mg/kg；Cu≦100mg/kg,本實驗數(shù)據(jù)表明圖書館、實驗樓土樣中Pb、Cu、Zn含量均未超標(biāo)，實驗樓土壤重金屬元素含量稍高于圖書館土壤中重金屬元素含量，兩土樣中Cd的含量未檢出可能表明土壤中Cd含量很低，由此得出結(jié)論：湖北第二師范學(xué)院的土壤質(zhì)量基本上對植物和環(huán)境不造成危害和污染。

表7 圖書館土樣四種元素加標(biāo)回收率

表8 實驗樓土樣四種元素加標(biāo)回收率