超級微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定土壤中13種元素

蘭冠宇 李 鷹 俞曉峰* 王朝輝 毛雪飛

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測技術(shù)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118；3.杭州譜育科技發(fā)展有限公司，杭州 311300)

前言

土壤是動植物賴以生存的基礎(chǔ)，但是隨著工業(yè)迅速發(fā)展，工廠“三廢”的排放問題日益嚴(yán)重，除了對土壤造成直接的污染，還伴隨著被污染水源和空氣中重金屬顆粒沉降對土壤帶來的間接污染[1-2]。土壤重金屬污染是指由于人類活動而將重金屬直接或間接引入土壤中，導(dǎo)致其含量明顯超出自然背景值，同時對生態(tài)造成破壞和惡化環(huán)境質(zhì)量的現(xiàn)象[3]。土壤重金屬由于其殘留時間長、不可逆轉(zhuǎn)、毒性大等特點(diǎn)，而且部分植物極易富集重金屬，所以重金屬極易進(jìn)入食物鏈從而危害人類健康和影響生態(tài)系統(tǒng)安全[4-6]。因此，建立一套土壤重金屬快速準(zhǔn)確的檢測方法對于判別土壤、農(nóng)產(chǎn)品安全性是非常重要的。

樣品前處理過程在化學(xué)分析流程中有著極為重要的作用，對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確與否起著決定性作用。隨著前處理技術(shù)的不斷發(fā)展，選擇一種操作簡便、精度較高的方法是非常重要的。目前土壤的前處理技術(shù)主要為濕法消解[7]，如電熱板消解[8]、微波消解[9]等，電熱板消解為開放式消解，會導(dǎo)致易揮發(fā)元素?fù)p失，在消解過程中需要不斷補(bǔ)充酸導(dǎo)致樣品易受污染。微波消解在密閉環(huán)境下工作，對于易揮發(fā)元素可以避免損失，但是需要單獨(dú)罐體密閉和泄壓，同時耗酸量大。超級微波消解技術(shù)作為一種近年來新興的樣品前處理技術(shù)，因其安全性高、操作簡便等優(yōu)勢，現(xiàn)已應(yīng)用于食品、化妝品等多個領(lǐng)域[10-12]。土壤作為一種基質(zhì)復(fù)雜的樣品，使用常規(guī)微波消解時需要大量酸投入[13]，多次補(bǔ)酸和趕酸[14]在增加樣品污染風(fēng)險的同時增加了檢測人員的工作量。超級微波消解儀采用單反應(yīng)室設(shè)計[15]和預(yù)加壓技術(shù)，可以讓所有樣品在同一壓力和溫度下反應(yīng)，具有更高的消解溫度和一致性，同時在升溫階段有效抑制樣品爆沸，大大降低了爆管的可能性。超級微波消解時僅需極少量酸，中途無需補(bǔ)酸且結(jié)束后無需趕酸，減少了耗酸量和操作步驟，一定程度上也減少了前處理過程中可能帶來的樣品污染。

在多元素檢測技術(shù)中，常見的分析方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法、電感耦合等離子體光譜(ICP-OES)法等，ICP-MS法因其高靈敏度、低檢測限的特點(diǎn)得到了較多的使用[16-18]。本研究擬以超級微波消解作為前處理方法，建立一種用于土壤多元素檢測的ICP-MS法。本方法與常規(guī)微波消解進(jìn)行對比，超級微波的前處理優(yōu)勢體現(xiàn)在如下兩個方面：1)用酸量少，超級微波整個過程僅需各類酸共2 mL，而常規(guī)微波消解至少需要8～12 mL，更少量的酸不僅降低了成本，而且減少了酸排放對環(huán)境的污染。2)減少工作量，降低了引入污染的風(fēng)險。超級微波消解無需逐一拆裝聚四氟乙烯消解管，還省去了因大量引入酸而需要趕酸的步驟，減少了操作步驟，規(guī)避了樣品污染的可能性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

SUPEC7000系列電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(杭州譜育科技發(fā)展有限公司)；EXPEC790S型超級微波消解儀(杭州譜育科技發(fā)展有限公司)；MDS-15密閉式高通量微波消解/萃取工作站(上海新儀微波化學(xué)科技有限公司)；Milli-超純水機(jī)(Millipore)；Sartorius BSA124 S型萬分之一電子天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)。

硝酸、鹽酸、氫氟酸、高氯酸(優(yōu)級純)；高純氬氣(99.999%，V∶V，梅塞爾特種氣體有限公司)；高純氦氣(99.999%，V∶V，杭州新世紀(jì)混合氣體有限公司)；GBW07456(GSS-27)、GBW07358(GSD-15)、GBW07405(GSS-5a)和GBW07401(GSS-1a)土壤或水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(地球物理地球化學(xué)勘查研究所)；釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅、鋅、砷、鉬、銻、鉈、鉛、鈾單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(鈾為100 μg/mL，其余為1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；鈧、鍺、錸、銠、銦、鉍內(nèi)標(biāo)儲備液(1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

將單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液用硝酸(2%)逐級稀釋制備混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液，再稀釋為混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。內(nèi)標(biāo)儲備溶液(1 000 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。使用時取適量的內(nèi)標(biāo)儲備液，用硝酸(2%)溶液稀釋。

1.3 樣品前處理

1.3.1 樣品預(yù)處理

采用五點(diǎn)取樣法采集代表性樣品不少于100 g，充分風(fēng)干后粉碎至可通過0.150 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，混勻后裝入密封袋中保存。土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)無需過篩混勻，直接稱量消解。

1.3.2 常規(guī)微波消解

準(zhǔn)確稱量0.1 g(精確到0.000 1 g)樣品于聚四氟乙烯(PTFE)消解管中，同時做試劑消解空白組。參考標(biāo)準(zhǔn)中消解方法[14]，采用三酸消解體系，將消解管按順序放置于配套專用消解管架中，加入少量超純水潤濕，依次加入6 mL硝酸、3 mL鹽酸、2 mL氫氟酸后輕微震蕩，使樣品與消解液充分混勻。等待無劇烈反應(yīng)時蓋上消解管專用蓋，將消解管安裝至支架上，安裝好溫度傳感器和壓力傳感器后放入微波消解儀。按照表1中升溫程序進(jìn)行微波消解，程序結(jié)束后冷卻至室溫后將溶液轉(zhuǎn)移至PTFE坩堝中，根據(jù)消解情況酌情補(bǔ)酸后置于溫控電熱板上繼續(xù)消解。消解結(jié)束后在坩堝中加入1 mL高氯酸置于溫控電熱板上進(jìn)行趕酸，趕酸至液體呈黏稠狀后冷卻至室溫，之后轉(zhuǎn)入50 mL離心管中用硝酸溶液(2%)定容至50 mL備用。

表1 常規(guī)微波升溫程序

1.3.3 超級微波消解

準(zhǔn)確稱量0.1 g(精確到0.000 1 g)樣品置于改性聚四氟乙烯(TFM)消解管中，加入1 mL超純水潤濕后分別加入一定量酸后輕微震蕩。等待無劇烈反應(yīng)后蓋上超級微波消解管專用蓋，根據(jù)超級微波消解儀操作規(guī)范，先在內(nèi)襯桶中加入150 mL超純水和5 mL硝酸作為載液，然后將消解管放于內(nèi)襯桶中，檢查消解腔及內(nèi)襯桶外壁干燥無水滴后放入反應(yīng)釜中。設(shè)置預(yù)加壓4 MPa，冷卻溫度為60 ℃，按照表2設(shè)定程序開始微波消解。消解結(jié)束后冷卻至設(shè)定溫度，轉(zhuǎn)移到離心管中定容至50 mL。在樣品消解過程中，酸體系的選擇是非常重要的，樣品之間基體差別較大對酸體系的需求也是不同的。土壤基體比較復(fù)雜所以本研究嘗試使用三種酸體系進(jìn)行消解，即逆王水體系(3 mL硝酸、1 mL鹽酸)，逆王水-氫氟酸體系(1.2 mL硝酸、0.4 mL鹽酸、0.4 mL氫氟酸)和硝酸-過氧化氫-氫氟酸體系(1.2 mL硝酸、1 mL過氧化氫、0.8 mL氫氟酸)。

表2 超級微波升溫程序

1.4 儀器條件與參數(shù)設(shè)置

本研究采用SUPEC7000型ICP-MS儀器進(jìn)行方法開發(fā)，條件與參數(shù)見表3。

表3 ICP-MS儀器條件與參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果與分析

2.1 酸消解體系的選擇

采用目測消解效果和對比GBW-07456土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定值的方法來評價酸體系的消解效果。不同酸體系的對比結(jié)果如表4所示。逆王水體系下消解效果較差，溶液渾濁有沉淀，沉淀中混合灰黑色顆粒，原因是土壤中含有大量硅酸鹽，元素有部分存在于土壤硅酸鹽晶體中，不引入氫氟酸無法做到有效的消解，鉻、鈷、鎳、銅等元素測定值偏低。逆王水-氫氟酸體系消解完成后溶液澄清但底部有微量灰白色沉淀，經(jīng)過上機(jī)檢測后發(fā)現(xiàn)除釩、銻、鉈三種元素含量稍低外，其余元素均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值范圍內(nèi)的結(jié)果，所以可以認(rèn)為逆王水氫氟酸體系消解效果較合適。硝酸-過氧化氫-氫氟酸體系目測消解效果與逆王水-氫氟酸體系較為相似，溶液澄清透明有微量沉淀，取上清液進(jìn)行上機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)在此體系下鉻、鈷、鋅等五種元素與標(biāo)定值相比略低。逆王水-氫氟酸體系元素測定值與標(biāo)定值相符數(shù)量為9種，而硝酸-過氧化氫-氫氟酸體系元素測定值與標(biāo)定值相符數(shù)量為7種，同時逆王水-氫氟酸體系有偏差元素均比硝酸-過氧化氫-氫氟酸體系有偏差元素更接近證書標(biāo)定值，逆王水-氫氟酸(1.2 mL硝酸、0.4 mL鹽酸、0.4 mL氫氟酸)體系有著更高的準(zhǔn)確度，因此，選擇逆王水-氫氟酸體系對土壤樣品進(jìn)行處理。

2.2 消解溫度的優(yōu)化

考慮到儀器性能以及樣品差別帶來的消解安全性，防止反應(yīng)太過劇烈而產(chǎn)生爆沸甚至爆管，消解過程中升溫梯度以及保溫時間設(shè)置包含冗余時間在內(nèi)的數(shù)值，僅在酸體系進(jìn)行優(yōu)化的同時選擇逆王水-氫氟酸體系對消解終點(diǎn)保持溫度進(jìn)行優(yōu)化，選擇220、240 ℃進(jìn)行消解，不同溫度的對比結(jié)果見表4。在220 ℃條件下消解后溶液澄清但是有較多沉淀，同時發(fā)現(xiàn)沉淀中包含較多黑色碳顆粒未被消解，上機(jī)檢測后可以看到除砷之外，其他元素偏低4.5%～48.8%，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定值相差較大，這表明在220 ℃條件下，樣品未消解部分較多。而在240 ℃條件下有9種元素處于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度范圍內(nèi)，其余4種元素除銻外與標(biāo)定值偏差不超過16.4%。因此，選擇240 ℃作為消解終點(diǎn)保持溫度對土壤樣品進(jìn)行處理。

表4 超級微波消解方法優(yōu)化

2.3 方法檢出限與線性范圍

優(yōu)化后的超級微波消解與常規(guī)微波消解檢測所得各元素線性方程及回歸系數(shù)見表5，在0～500 μg/L 范圍內(nèi)，超級微波方法各元素線性回歸系數(shù)R2在0.999 6～1.000 0，表明在此濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。檢出限(LOD)以11次試劑空白的標(biāo)準(zhǔn)偏差s計算(LOD=3s/b，其中s為11次測定信號值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，b為接近LOD標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率)，定量限(LOQ)以3.3倍方法LOD計算?？紤]稀釋倍數(shù)(0.1 g樣品定容至50 mL)，13種元素超級微波消解方法LOD為0.000 2～0.2 mg/kg，方法LOQ為0.001～0.6 mg/kg。常規(guī)微波消解方法LOD為0.000 4～2 mg/kg，方法LOQ為0.001～7 mg/kg。由此可見，超級微波消解方法相較于常規(guī)微波方法有更低的檢出限，這主要是由于前者比后者用酸量減少了80%，試劑空白的背景值更低，有利于獲得更好的分析靈敏度和檢出能力。

表5 13種元素檢出限及線性回歸系數(shù)R2

2.4 方法精密度與準(zhǔn)確度

相同實(shí)驗(yàn)條件下，對采自全國的棕壤、紅土、黑土等5份土壤樣品，進(jìn)行超級微波消解方法和常規(guī)微波消解方法處理，先采用加標(biāo)回收進(jìn)行方法準(zhǔn)確性評價，加標(biāo)濃度為1～100 mg/kg，對含量較高的樣品稀釋后再進(jìn)行加標(biāo)檢測。加標(biāo)回收率及相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)結(jié)果見表6、7。超級微波方法的加標(biāo)回收率在76.3%～126%，RSD為0.57%～3.3%；常規(guī)微波方法的加標(biāo)回收率在79.5%～112%，RSD為0.47%～3.5%。兩種方法的加標(biāo)回收率以及RSD對于土壤基質(zhì)樣品多元素同時分析來看是可以接受的。此外，選取GBW07358、GBW07405和GBW07401三種土壤和水系沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在相同消解流程下進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表8。所測13種元素中均有8種以上元素處于標(biāo)定值范圍內(nèi)，其余不在不確定度范圍內(nèi)的元素與標(biāo)定值偏差不超過16.7%。綜上所述，超級微波消解方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度，可以滿足土壤多種元素的高通量檢測需求。

表6 超級微波各元素加標(biāo)回收率與精密度

表7 常規(guī)微波各元素加標(biāo)回收率與精密度

表8 各元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定

2.5 超級微波消解法與常規(guī)微波消解法的對比

本方法選擇GBW07456(GSS-27)土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為質(zhì)控樣品驗(yàn)證準(zhǔn)確性，分別使用與前處理程序相同的常規(guī)微波消解和超級微波消解方法進(jìn)行處理。測定值和標(biāo)定值見表4。使用超級微波前處理測定13種元素中有9種元素在證書值范圍內(nèi)，其余4種元素與標(biāo)定值偏差也在19%以內(nèi)，這對于復(fù)雜基體樣品多元素同時測定來說是可以接受的。但是，常規(guī)微波消解測定值只有5種元素在證書范圍內(nèi)，其余8種元素中偏差最高可達(dá)到28.3%，其中鉻元素空白樣品中含量較高，這就說明試劑可能受到了污染，此時耗酸量越大對溶液的準(zhǔn)確度越不利。由此表明超級微波消解有著較好的準(zhǔn)確度，而且相比于常規(guī)微波消解，超級微波消解用酸量少且不需要趕酸，減少了操作環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)步驟，大幅度節(jié)約了樣品前處理時間，同時降低了樣品受到污染的可能性。

3 結(jié)論

建立了一種超級微波消解-ICP-MS測定土壤中釩、鉻、錳、鈷、鎳、銅、鋅、砷、鉬、銻等13種元素含量的方法，對酸體系和溫度進(jìn)行了優(yōu)化并與常規(guī)微波消解進(jìn)行了對比。優(yōu)化酸體系后可以得到逆王水-氫氟酸體系測量結(jié)果良好，消解較適溫度為240 ℃。本方法線性關(guān)系良好，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，檢測結(jié)果均在可接受范圍內(nèi)，證明本方法準(zhǔn)確度符合要求。方法LOD可以達(dá)到0.000 2～0.2 mg/kg，加標(biāo)回收率和RSD分別為76.3%～126%和0.57%～3.3%，表明本方法擁有較好的準(zhǔn)確度和精密度。對比常規(guī)微波消解方法，本方法靈敏度高，安全性高，大量節(jié)約用酸量的同時減少了趕酸環(huán)節(jié)，節(jié)約了分析時間、提高了分析效率，也降低了樣品污染的可能性。綜上所述，超級微波消解ICP-MS法在分析靈敏度、精密度方面可以滿足土壤中13種元素的檢測需求。該方法簡便、高效、安全，為土壤的重金屬多元素檢測提供可靠的方法支撐。