土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中光譜法的應(yīng)用分析

內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站呼和浩特分站 王霞

一、原子吸收光譜法發(fā)展與基本原理

原子吸收光譜法也被人們叫做原子分光光度法，是鑒于待測(cè)元素基態(tài)原子蒸汽對(duì)其特點(diǎn)譜線的吸收，由特征譜線特征性與譜線被削弱性對(duì)待測(cè)元素加以定性分析的儀器分析方式。這種方法起源于10世紀(jì)初，在10世紀(jì)60年代證實(shí)了弗蘭霍夫線給某一部分元素發(fā)射的特征譜線的位置。于1936年烏德遜發(fā)現(xiàn)了空氣里面存在著汞；1955年，沃爾什提出了峰值吸收基本原理，可以有效解決寬帶與光強(qiáng)度方面的問題，實(shí)現(xiàn)原子吸收法。原子吸收光譜法關(guān)鍵是借助氣態(tài)原子吸收一定波長光輻射，讓原子內(nèi)外層的電子由基態(tài)躍至激發(fā)態(tài)的現(xiàn)象所構(gòu)建起來的。因?yàn)樵幽芗?jí)為量子化的，所以，在一切情況下，原子對(duì)輻射吸收均有選擇。因?yàn)楦鞣N元素的原子結(jié)構(gòu)與外層電子排布有差別，所以各個(gè)元素共振吸收線有不一樣的特點(diǎn)。如此可以當(dāng)作元素定性的依據(jù)，吸收輻射強(qiáng)度可以當(dāng)成定量的依據(jù)。所以，原子吸收光譜法可以合理監(jiān)測(cè)土壤里面的一些重金屬元素，繼而幫助人們掌握土壤質(zhì)量和環(huán)境污染源。掌握原子吸收光譜法原理，如此才可以充分運(yùn)用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)之中。

二、原子吸收光譜法類型分析

（一）石墨爐原子吸收光譜法

這一方式是一種經(jīng)過合理使用電流加熱原子化的分析方式。在具體實(shí)踐過程中，水平方面對(duì)石墨爐加熱可以解決溫度分布不均的問題，石墨爐原子化產(chǎn)生尤為重要，對(duì)火焰原子化有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與火焰原子化技術(shù)對(duì)比分析，靈敏度提高了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)，總體零名都是10-12到10-14量級(jí)。需要注意的就是，盡管技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，不過石墨爐原子吸收光譜法依舊有技術(shù)方面的阻礙，比如這一技術(shù)的重視性比不上火焰法，于待測(cè)土壤樣本里面的重金屬成分更為復(fù)雜，有很大的誤差。

（二）氫化物發(fā)生法

土壤里面易于產(chǎn)生重金屬元素，譬如硒、汞、銻、鉛、鍺、鉍等多種元素，用氰化物發(fā)生法通常能夠得到很好的效果。在具體實(shí)踐環(huán)節(jié)中，以上元素一般不適合使用火焰原子化法進(jìn)行檢測(cè)，先采用了硼氫化鈉預(yù)處理，由于這一物質(zhì)有一定的還原性，可以將以上元素還原成陰離子，與硼氫化鈉里面的陰離子構(gòu)成氫離子結(jié)合氣態(tài)氫化物。比如，在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中，用流動(dòng)注射氫化物吸收監(jiān)測(cè)河流里面的沉積物和砷，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，環(huán)境監(jiān)測(cè)之中的砷限是每升2ng，精密度是1.35到5.07%，精準(zhǔn)度是93.5到106%，監(jiān)測(cè)汞含量是每升2ng，精密度是0.96%到5.52%，精度是93%到109%?？偟膩碚f，氫化物發(fā)生法不僅迅速、便捷，而且精度和精密度十分優(yōu)秀，能夠測(cè)量與分析土壤中的重金屬元素含量。

（三）火焰原子吸收光譜法

土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，火焰原子吸收光譜法是現(xiàn)下比較常見的技術(shù)方式，其工作原理。這種方式的優(yōu)點(diǎn)就是對(duì)多數(shù)重金屬元素均適用，與此同時(shí)檢測(cè)快速，成本低、操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確等。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，很多采用了空氣-乙炔火焰，溫度在2300℃，無法充分融化全部的金屬元素，所以后期實(shí)驗(yàn)過程中將空氣改良成預(yù)先混合氧氣，提高氧氣濃度，促使火焰溫度提升，隨后改良，把火焰變成氧化亞氮-乙炔，這一類火焰最高的溫度能夠達(dá)到3000℃以上，可以快速處理很多不容易融化的金屬元素檢測(cè)方面的問題。（見圖1）

圖1 火焰原子吸收光譜法工作原理

三、待測(cè)土壤樣本預(yù)處理

（一）微波消解

微波消解就是利用化學(xué)技術(shù)對(duì)待測(cè)土壤樣本展開預(yù)處理。與過去的外部加熱方式有所區(qū)別，這種技術(shù)是從土壤樣本中進(jìn)行加熱處理的。經(jīng)過合理運(yùn)用微波消解技術(shù)，可以在短期內(nèi)讓待測(cè)土壤樣本內(nèi)部提高到一定的問題，縮短土壤樣本預(yù)處理時(shí)間，提高實(shí)驗(yàn)活動(dòng)效率。除此以外，由于微波消解技術(shù)下，土壤溶解樣本是于封閉情況下進(jìn)行的，所以，土壤樣本于被加熱時(shí)，樣本本身損失會(huì)降低，如此就會(huì)提高實(shí)驗(yàn)精度。比如，對(duì)某一土壤樣本檢測(cè)時(shí)，首先用微波消解技術(shù)，然后用電熱板加熱驅(qū)酸，做好對(duì)樣本的預(yù)處理工作，最后用原子吸收光譜法檢測(cè)土壤環(huán)境中的鉛離子等，在通過大量實(shí)驗(yàn)以后認(rèn)識(shí)到，其和標(biāo)準(zhǔn)差小于4.7%，加標(biāo)加收率為94%到98%、96%到102%，微波消解技術(shù)與以往的技術(shù)方式比較，有很高的精密度與回收率。

（二）超聲波輔助

這一技術(shù)基本原理，即經(jīng)過超聲波攜帶的能量，促使土壤樣本里面的內(nèi)部空氣逸出，于空氣逸出中釋放適量的熱電荷，除此以外，土壤塌縮會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)，造成土壤內(nèi)部問題提高。超聲波輔助采用環(huán)境限制性不大，與此同時(shí)這一技術(shù)帶來的污染小、成本低、處理時(shí)間短。比如，檢測(cè)樣本的過程中，分別用懸浮液進(jìn)行樣本檢測(cè)與超聲波處理土樣懸浮液進(jìn)樣速率為每分鐘7mL,在測(cè)試時(shí)不會(huì)有毛細(xì)管堵塞方面的情況。除此以外，還有一種處理方式就是進(jìn)樣速率為每分鐘3mL,在測(cè)試中有毛細(xì)管堵塞方面的問題，與此同時(shí)對(duì)別的四組樣品進(jìn)行平行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果是1.9%大于RSD，加標(biāo)回收率是94%到107%。雖然超聲波輔助于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)中有各種優(yōu)勢(shì)，不過大部分依舊有缺陷，所以在處理樣本時(shí)，需要避免單純用一種技術(shù)，要搭配各種技術(shù)，方可促使效果達(dá)到最大化。

（三）懸浮液

這一技術(shù)本質(zhì)在于將待測(cè)土壤樣本搗碎，并且進(jìn)行研磨處理以后，把其制作成懸浮液，同時(shí)送入原子化設(shè)備之中。在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)工作過程中，懸浮液技術(shù)十分常見，該優(yōu)勢(shì)在于操作簡單。例如，在用懸浮液技術(shù)測(cè)量土壤里面的銅元素含量時(shí)，先用土壤過篩烘干處理，隨后將0.1g的樣品放在10mL的容量瓶內(nèi)，同時(shí)添加合適的濃硝酸與瓊脂溶液，然后使用震蕩機(jī)震蕩180s，隨后開展檢測(cè)工作。需要關(guān)注到的問題就是，對(duì)懸浮液質(zhì)量有影響的因素牽涉有懸浮液酸性與總體濃度等，所以，經(jīng)過調(diào)查中國擬定的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以了解到，懸浮液里面，用硝酸濃度每升0.2ml，瓊脂溶液濃度是每升1.5g，待測(cè)土壤顆粒直徑是76到80μm,可以充分滿足上述指標(biāo)要求以后得到的數(shù)據(jù)通常是很準(zhǔn)確的，所以用懸浮液技術(shù)的過程中，需要明晰上述幾種指標(biāo)可否滿足精度要求，如此方可確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度。

四、原子吸收光譜法運(yùn)用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)的路徑

（一）重金屬含量檢測(cè)

現(xiàn)如今，土壤里面重金屬污染嚴(yán)重，就是由于部分工廠廢棄物與污水尚未進(jìn)行有效處理直接被排放到了土壤之中，土壤里面有各種農(nóng)作物、植物，通過土壤里面的農(nóng)作物根吸收作用于植物體內(nèi)富集，接著種植后的農(nóng)作物里面檢測(cè)出作物超標(biāo)，危害人體健康?；蛑亟饘龠M(jìn)入到植物葉片或植物氣孔、氣體或灰塵形式散發(fā)至大氣內(nèi)，人類從呼吸道吸收進(jìn)入同樣會(huì)危害到人體健康。故而，需要增加對(duì)重金屬的檢測(cè)，把土壤里面的重金屬含量控制在某種范圍以內(nèi)，確保環(huán)境與人體健康，推動(dòng)社會(huì)和諧穩(wěn)定發(fā)展。在土壤重金屬檢測(cè)中運(yùn)用原子吸收光譜法，有很高的靈敏度、檢測(cè)高效、需要的樣本含量不多等，可以對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)起到一定的貢獻(xiàn)。原子吸收光譜法檢測(cè)土壤里面重金屬的原理就是，根據(jù)空心陰極燈或光源中發(fā)射一束特定波長光線，各種元素可以吸收波長的光，接著經(jīng)過原子化器內(nèi)特定待測(cè)元素原子蒸汽時(shí)，一些蒸汽被吸收，按照吸收程度的差異性，用原子分光光度計(jì)測(cè)定吸光度，連接計(jì)算機(jī)制作吸收光譜，分析元素吸收情況，檢測(cè)出土壤內(nèi)的重金屬含量。不過這樣的方式僅能定量分析無法定性分析，如此必須要在檢測(cè)以前調(diào)查統(tǒng)計(jì)土壤內(nèi)包含的重金屬。重金屬突然土壤是造成土壤肥沃程度下降的主要原因之一，同時(shí)還是造成農(nóng)作物重金屬超標(biāo)、作物發(fā)育慢、生長速度慢的直接因素。經(jīng)過原子吸收光譜法測(cè)定土壤內(nèi)某一種金屬含量以后，使用各種有效的方式可以大大減少重金屬含量，提高土壤肥沃力，促使作物快速生長，益于凈化土壤環(huán)境。

（二）重金屬元素形態(tài)分析

元素形態(tài)關(guān)鍵是說土壤里面重金屬元素是通過何種方式存在著的，比如，部分穩(wěn)定的存在方式：有機(jī)結(jié)合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)；穩(wěn)定性不佳的形態(tài)，如：交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)等。土壤里面的重金屬污染物均是通過穩(wěn)定性不佳的方式存在著的，元素形態(tài)分析可以對(duì)重金屬起到一定的作用。不過對(duì)重金屬形態(tài)分析相比較于重金屬含量分析難度大得多，如此對(duì)土壤檢測(cè)有很多的挑戰(zhàn)。不過，原子吸收光譜法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤內(nèi)重金屬形態(tài)的檢測(cè)，同時(shí)具備檢出率高和靈敏度好等優(yōu)點(diǎn)事分析化學(xué)中的進(jìn)步。可以充分檢測(cè)出土壤里面的游離態(tài)重金屬，還可以檢測(cè)出類似于鐵、鋅結(jié)合態(tài)。經(jīng)過該種檢測(cè)可以促使環(huán)境監(jiān)測(cè)局準(zhǔn)確判斷土壤重金屬穩(wěn)定性，繼而使用合適的舉措降解土壤里面穩(wěn)定性佳的重金屬，保護(hù)土壤環(huán)境，確保土壤環(huán)境安全。

（三）土壤樣品測(cè)量

根據(jù)原子吸收光譜法運(yùn)用維度而言，在處理過程中通常分成消化、熔融方式，不過不管是消化或是熔融，均會(huì)破壞土壤里面的礦物晶格，接入將土壤被測(cè)元素轉(zhuǎn)移。進(jìn)行土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，相關(guān)監(jiān)測(cè)工作者關(guān)鍵是經(jīng)過堿溶系統(tǒng)與酸溶系統(tǒng)處理土壤的。綜合現(xiàn)在的堿溶液處理系統(tǒng)而言，比較常用的就是碳酸鉀和碳酸鈉等方法，經(jīng)過這些處理方法，能夠有效處理土壤。例如，土壤消化處理過程中，經(jīng)過合理運(yùn)用HF-HNO3-HCI04，可以突破土壤里面的礦物元素品格，與此同時(shí)土壤樣品會(huì)轉(zhuǎn)變成SiF4,接著檢測(cè)工作者需要在溶解以后的土壤里面加入適量的HNO元素，同時(shí)挑選科學(xué)的材料展開原子吸收光譜法應(yīng)用，以此獲得理想中的元素監(jiān)測(cè)效果。在進(jìn)行土壤中樣品監(jiān)測(cè)和分析過程中，還可以對(duì)各種微量元素加以直接監(jiān)測(cè)，與此同時(shí)能夠大大削弱監(jiān)測(cè)難度，金國乙炔火焰可以提升各種類型的微量元素監(jiān)測(cè)精度。又如，對(duì)土壤里面的金屬元素，比如鐵元素、鋅元素等檢測(cè)的時(shí)候，經(jīng)過一次性浸提劑的運(yùn)用分析酸堿值，能夠有效提高重金屬控制成效，提升環(huán)保力度。

（四）土壤污染評(píng)價(jià)

在新時(shí)代發(fā)展背景下，要求堅(jiān)持綠色環(huán)保城市化發(fā)展新理念，增加生態(tài)環(huán)保與污染治理是重要任務(wù)，不過伴隨工業(yè)化發(fā)展規(guī)模不斷拓展，大多數(shù)工業(yè)污染物和農(nóng)田化學(xué)藥劑排放，造成土壤環(huán)境中布滿了各種污染元素，在這里面，很多都是重金屬污染物，為人類生態(tài)環(huán)境造成了很大的威脅，同時(shí)對(duì)人們正常工作與生活造成了不良影響。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，某一地區(qū)多個(gè)省市縣級(jí)區(qū)域進(jìn)行土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)，運(yùn)用原子吸收光譜法監(jiān)測(cè)土壤里面的Cr元素含量，使用石墨爐原子吸收法對(duì)土壤里面的pb、Cd等進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤內(nèi)Cr、pb、Cd元素檢測(cè)結(jié)果分別是79.38mg/kg、24.73mg/kg、0.17mg/kg，通過比較可以發(fā)現(xiàn)已然超過標(biāo)準(zhǔn)范疇，由此看來，這一地區(qū)土壤環(huán)境屬于重度污染區(qū)域。根本原因就是工業(yè)發(fā)展與人們生活對(duì)土壤環(huán)保方面的意識(shí)較弱。造成這一地區(qū)發(fā)生重度污染的元素就是鉛元素。據(jù)此，在開展土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)，使用火焰原子吸收光譜法檢測(cè)土壤環(huán)境內(nèi)所含的鉛元素。在正式檢測(cè)工作中，先要做好待測(cè)樣本選擇和處理，并且用NHO對(duì)樣品展開化學(xué)消解工作，在進(jìn)行火焰原子吸收譜線法檢測(cè)的過程中運(yùn)用乙炔火焰瀉落法，對(duì)完全趕酸和不完全趕酸的樣品加以對(duì)比，接著經(jīng)過實(shí)際土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)條件，挑選10份0.5g每份的標(biāo)準(zhǔn)樣品，分為2組（每組5份），一組加入適量的氫氟酸溶液與硝鏹水，進(jìn)行空白試驗(yàn)。一組在消解后土壤內(nèi)加入高氯酸，加以趕酸定容處理。不完全趕酸和完全趕酸結(jié)果見表1和表2所示。

表1 不完全趕酸鉛含量監(jiān)測(cè)

表2 完全趕酸鉛含量監(jiān)測(cè)

（五）土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)干擾消除

于土壤環(huán)境檢測(cè)中使用分子間吸收光譜線技術(shù)通?？梢砸l(fā)多種影響，比如來自光譜、電離等各層次的影響因素。對(duì)光譜干擾來說，開展土壤環(huán)境試樣檢測(cè)時(shí)，因?yàn)槎喾N元素的收線高度重疊，本身會(huì)構(gòu)成光譜干擾影響，與此同時(shí)因?yàn)樵爻尸F(xiàn)出的特點(diǎn)有差別，各個(gè)元素之間會(huì)主動(dòng)吸收光輻射，如此會(huì)導(dǎo)致元素間的波長差變小，從而影響到生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果。故而，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，運(yùn)用原子吸收光譜法的過程中，也應(yīng)采用別的波長類型加以分析，積極改進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果。再者，對(duì)電離干擾而言，體現(xiàn)在堿土金屬與堿金屬直接的電離影響方面，土壤里面的離子可以吸收波長帶來的輻射，因此會(huì)造成監(jiān)測(cè)結(jié)果精度下滑。結(jié)合該種情況，需要挑選低溫火焰，原因在于低溫火焰可以降低電力。為提高土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)效果，在監(jiān)測(cè)工作中需要增加適量的緩沖劑，借此防止受到電力所干擾。在消除物力干擾時(shí)，因?yàn)槲锪Ω蓴_是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)溶液與試液溶液直接物理性質(zhì)差距導(dǎo)致的，比如二者試液濃度與表面張力有差別，故此在進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作時(shí)，需要挑選差異化的監(jiān)測(cè)方式獲得良好的監(jiān)測(cè)效果，防止因?yàn)槲锢矸磻?yīng)導(dǎo)致結(jié)果偏差。比如，火焰原子吸收光譜法運(yùn)用過程中，溶液有差別，則黏度就有所不同，會(huì)有霧化效率的差異，影響霧化速度和大小。故而，在土壤環(huán)境檢測(cè)中運(yùn)用原子吸收光譜法，需要盡量混合標(biāo)準(zhǔn)溶液和試液，繼而降低對(duì)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)效果帶來的影響。

五、結(jié)束語

總的來說，在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中，對(duì)重金屬檢測(cè)是非常重要的工作，原子吸收光譜法就是針對(duì)重金屬檢測(cè)的最有效的方式，與此同時(shí)還是非常常見的技術(shù)方法，其不但可以快速檢測(cè)土壤里面的重金屬物質(zhì)，還可以幫助工作者制定科學(xué)的土壤環(huán)境治理方案，所以，增加對(duì)原子吸收光譜法的運(yùn)用力度，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮著重要作用與意義。