便攜式XRF測(cè)定儀在土壤檢測(cè)中的應(yīng)用及其影響因素

張建民(青海省地質(zhì)礦產(chǎn)測(cè)試應(yīng)用中心，青海 西寧 810000)

0 引言

由于近年來(lái)我國(guó)相關(guān)政府部門(mén)加強(qiáng)了對(duì)土壤檢測(cè)的重視，在檢測(cè)技術(shù)方面也取得了不少成果，但當(dāng)下在土壤檢測(cè)中應(yīng)用最為便捷且成本較低的當(dāng)屬便攜式XRF測(cè)定儀，它可以一鍵測(cè)定土壤中的多種元素。

1 土壤檢測(cè)的意義

土壤是植物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，更是人類(lèi)賴(lài)以生存的自然資源，土壤的形成是一個(gè)極其緩慢的過(guò)程，每形成一厘米厚的土壤就需要上千年或更長(zhǎng)的時(shí)間。從全國(guó)首次土壤污染狀況調(diào)查結(jié)果顯示我國(guó)耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂(yōu)，部分地區(qū)的土壤污染較為嚴(yán)重，土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%：一是農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量不容樂(lè)觀(guān)；二是工礦企業(yè)及其周邊的土壤環(huán)境問(wèn)題突出；三是土壤環(huán)境壓力持續(xù)加大。經(jīng)調(diào)查顯示長(zhǎng)三角、珠三角、東北老工業(yè)基地等部分區(qū)域土壤污染問(wèn)題較為突出，不少大中城市正面臨著重污染行業(yè)大批企業(yè)的關(guān)閉和搬遷問(wèn)題，導(dǎo)致城市出現(xiàn)大量遺留、遺棄場(chǎng)地。這些場(chǎng)地被成為“棕地”主要原因來(lái)自于長(zhǎng)期以來(lái)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式粗放、污染物排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出環(huán)境的容量，同時(shí)存在污染底數(shù)不清、法律標(biāo)準(zhǔn)缺失、防治體系不健全、科技支撐不夠、資金投入不足、各方認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一等問(wèn)題，大大影響了土壤污染防治工作的開(kāi)展。調(diào)查結(jié)果還顯示，西南、中南等地區(qū)土壤重金屬超標(biāo)?；诖宋覈?guó)逐漸加強(qiáng)對(duì)土壤檢測(cè)的重視并出臺(tái)了《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》以改善土壤環(huán)境質(zhì)量為核心、以保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和人居環(huán)境安全為出發(fā)點(diǎn)共提出了有231項(xiàng)具體措施。

2 便攜式XRF測(cè)定儀在土壤檢測(cè)中的作用

2.1 XRF原理

所謂XRF總稱(chēng)為“X射線(xiàn)熒光光譜分析”，目前是一項(xiàng)應(yīng)用較為廣泛的分析技術(shù)，它能夠有效分析土壤中的多種元素。除此之外在石油、礦物等方面的應(yīng)用同樣普及。X射線(xiàn)是電磁波普的一個(gè)組成部分，能量介于紫外線(xiàn)與γ射線(xiàn)之間，能量單位是千電子伏特、波長(zhǎng)單位是納米。例如化學(xué)元素表中鈉到鈾之間的元素或10-6到100%的元素濃度范圍都可通過(guò)XRF進(jìn)行分析[1]。通常XRF儀器由X射線(xiàn)光源與X射線(xiàn)管兩部分組成，其次是探測(cè)器。光源射出的一次X射線(xiàn)能夠直接照在土壤表層，有時(shí)也會(huì)經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)濾器改變射線(xiàn)。射線(xiàn)照到土壤內(nèi)的原子開(kāi)始分析元素，同時(shí)會(huì)發(fā)射出X射線(xiàn)熒光也就是二次X射線(xiàn)，此時(shí)熒光會(huì)被探測(cè)器吸收后進(jìn)行處理，在光譜上記錄的熒光能量則是土壤中元素的特征。XRF能夠提供關(guān)于土壤的定性信息，同時(shí)也是一項(xiàng)定量分析的技術(shù)，由土壤原子發(fā)射出的熒光被探測(cè)器收集，在儀器中開(kāi)始進(jìn)行處理并繪制出光學(xué)頻譜，這些光學(xué)頻譜能夠表達(dá)出X射線(xiàn)強(qiáng)度與能量的關(guān)系，根據(jù)特征譜線(xiàn)就能夠分辨出土壤中所含的元素。當(dāng)前在土壤檢測(cè)中XRF的優(yōu)勢(shì)較其他分析技術(shù)相比更加明顯，具有分析速度快、能夠分析土壤中的多種元素類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)，而且不會(huì)對(duì)土壤造成任何破壞。相對(duì)來(lái)說(shuō)XRF分析技術(shù)的成本較低，因此目前在世界各地都被推廣使用。

2.2 便攜式XRF測(cè)定儀

目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和相關(guān)科研人員的不斷研究，便攜式XRF測(cè)定儀證明了它的能力，徹底改變了土壤檢測(cè)。XRF是無(wú)損檢測(cè)手段，成為了一項(xiàng)能夠快速篩選土壤中有毒金屬含量的最理想工具，在操作上也極為便捷，只需要將儀器的檢測(cè)窗對(duì)準(zhǔn)土壤、扣動(dòng)扳機(jī)、讀取結(jié)果。檢測(cè)在幾秒中內(nèi)即可完成，有助于考慮下一步采取的警戒或修復(fù)。想要使檢測(cè)結(jié)果具備代表性可以挖一些土樣并放入塑料袋中進(jìn)行混合，這樣能夠使樣品更加均勻，提高準(zhǔn)確度和精度。

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器

采用Olympus DELTA Element便攜式XRF分析儀，具有極佳的測(cè)試性能，能夠快速檢測(cè)并具有較高的精度，基于XRF技術(shù)Delta Element能夠提供準(zhǔn)確、快速的無(wú)損檢測(cè)，適用于篩選、分選和對(duì)分析對(duì)象的元素進(jìn)行快速識(shí)別。擁有堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和特征鮮明的橡膠模具，具有保護(hù)膜，確保即使在惡劣的環(huán)境中也能正常使用。該便攜式XRF分析儀重量較輕、易于攜帶。

2.3.2 土壤樣品

老舊建筑周?chē)耐寥乐型ǔ：秀U元素，來(lái)自于含鉛涂料的磨損，建筑門(mén)窗下的土壤含有更高含量的鉛基本來(lái)自于工業(yè)區(qū)的粉塵沉積。即使近代所建的房屋在周?chē)耐寥乐幸部赡芎杏卸窘饘伲@些有毒金屬大多來(lái)自于工廠(chǎng)或煙囪的顆粒物沉積，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的雨雪沖刷逐漸進(jìn)入到土壤中，而工業(yè)污染物中的金屬元素也會(huì)經(jīng)地表水或廢液流入到土壤中。以一個(gè)位于工業(yè)區(qū)中的老舊建筑物周?chē)耐寥雷鳛樵囼?yàn)樣品，周?chē)衅じ飶S(chǎng)和發(fā)電廠(chǎng)，但建筑物位于山上，因此地表水或排放的污水并不會(huì)影響到土壤中的重金屬，但考慮其年代久遠(yuǎn)以及附近的工業(yè)園區(qū)，土壤中的Pb含量不容忽視，為了較好測(cè)試地下土壤，需要將土壤表面的石頭塊去掉，與此同時(shí)為了防止樣品間的污染，在土壤表面放置一個(gè)塑料袋，將分析儀檢測(cè)窗對(duì)準(zhǔn)塑料袋直接進(jìn)行檢測(cè)。

2.3.3 樣品分析

通過(guò)便攜式XRF儀器對(duì)土壤進(jìn)行基礎(chǔ)測(cè)試后要采集一些土樣并送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究，在實(shí)驗(yàn)室中通常要將土壤進(jìn)行干燥、粉碎和過(guò)篩，來(lái)制作均勻的樣品，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的分析方法對(duì)土壤中的重金屬含量進(jìn)行研究。

2.3.4 便攜式XRF儀器與實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)比

為了證明便攜式XRF儀器分析與實(shí)驗(yàn)室分析之間是否存在較大差異，分別對(duì)土壤樣品的As、Cu、Ni、Pb、Zn等元素進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 便攜式XRF儀器與實(shí)驗(yàn)室研究對(duì)比 單位：mg/kg

從上述圖表可見(jiàn)便攜式XRF儀器檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的偏差值范圍在0.5之內(nèi)，由此可見(jiàn)便攜式XRF儀器檢測(cè)的精度堪比實(shí)驗(yàn)室。雖然便攜式XRF儀器檢測(cè)的精度較高，但實(shí)際上與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)還存在一些差異，并不完全匹配。針對(duì)其中存在的偏差值繼續(xù)進(jìn)行思考。

3 便攜式XRF測(cè)定儀在土壤檢測(cè)中的影響因素分析

3.1 土壤水分的影響

由于土壤樣品的組成較為復(fù)雜，尤其在土壤所在位置上通過(guò)便攜式XRF測(cè)定儀檢測(cè)其中的重金屬時(shí)，在不同的天氣環(huán)境下土壤的濕度也具有一定差異，而且土壤中的重金屬種類(lèi)也并不是單一的，與此同時(shí)土壤水分的變化規(guī)律也存在不同[2]。據(jù)相關(guān)資料表明土壤的含水量會(huì)直接影響到X射線(xiàn)吸收特征，為進(jìn)一步推斷土壤水分對(duì)便攜式XRF測(cè)定儀檢測(cè)的影響，準(zhǔn)備一份土壤原樣品和一份經(jīng)過(guò)風(fēng)干選篩過(guò)后的土壤樣品，利用便攜式XRF測(cè)定儀分別對(duì)兩種土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)，反復(fù)檢測(cè)3到4次后對(duì)比兩種土壤樣品檢測(cè)的精密度，具體檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 兩種土壤樣品檢測(cè)的精密度對(duì)比

從以上圖表可知通過(guò)便攜式XRF測(cè)定儀分別對(duì)土壤原樣品和風(fēng)干土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)，得出的結(jié)果存在一定偏差，可證明土壤中的水分能夠直接影響到X射線(xiàn)的吸收特征，影響測(cè)定結(jié)果。五種元素受到的影響程度均不同[3]。此外還有相關(guān)研究表明如果土壤水分不斷增加則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差就會(huì)變高，所以根據(jù)相關(guān)研究和試驗(yàn)表明土壤在保持干燥的環(huán)境下通過(guò)便攜式XRF測(cè)定儀進(jìn)行檢測(cè)的真實(shí)值會(huì)更高。因此如果在室外進(jìn)行土壤檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇天氣較好且地表干燥的時(shí)間進(jìn)行。

3.2 土壤粒徑的影響

經(jīng)相關(guān)資料分析表明土壤的質(zhì)地能夠直接影響光普的反射率，如果土壤的粒徑較大就會(huì)吸收更多的水分和空氣、如果粒徑較小，結(jié)合就越緊密，對(duì)光普的反射率具有一定影響。為了進(jìn)一步判斷土壤粒徑對(duì)便攜式XRF測(cè)定儀檢測(cè)的影響，分別選取了粒徑為1 mm和2 mm的土壤樣品進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比不同粒徑的精密度，具體檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 不同粒徑的精密度對(duì)比 單位：%

從圖表可知土壤粒徑為1 mm的測(cè)試精密度要優(yōu)于土壤粒徑為2 mm的測(cè)試精密度。由此可見(jiàn)土壤粒徑確實(shí)能夠影響便攜式XRF測(cè)定儀的檢測(cè)。

4 便攜式XRF測(cè)定儀在土壤檢測(cè)中的未來(lái)展望

雖然在土壤檢測(cè)中可能會(huì)受到土壤含水量或土壤粒徑的影響對(duì)檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)一定影響，但這些影響因素都是可以避免的，現(xiàn)如今便攜式XRF測(cè)定儀在土壤的檢測(cè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，不僅能夠進(jìn)行土壤污染調(diào)查，還能夠?yàn)橥寥赖奈廴咎峁Q策，節(jié)省了大量的試驗(yàn)時(shí)間和調(diào)查費(fèi)用[4]。方便了土壤環(huán)境管理，對(duì)土壤污染的管控具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

土壤環(huán)境與人們的生活息息相關(guān)，作為人們賴(lài)以生存的自然資源，防止土壤污染是當(dāng)下尤為重要的研究課題。現(xiàn)如今我國(guó)在土壤的檢測(cè)技術(shù)上已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，而便攜式XRF測(cè)定儀對(duì)于土壤的檢測(cè)具有重要意義，本文對(duì)土壤檢測(cè)的意義進(jìn)行了淺顯的說(shuō)明，主要針對(duì)便攜式XRF測(cè)定儀在土壤檢測(cè)中的應(yīng)用和影響因素作了詳細(xì)分析，證明了便攜式XRF測(cè)定儀對(duì)土壤檢測(cè)的能力，進(jìn)一步提高了我國(guó)土壤檢測(cè)水平。