恒溫?fù)u床提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘的含量

向勇，鄧聶，易田芳，謝莉蓉，李發(fā)

(1.廣電計(jì)量檢測(cè)(湖南)有限公司，長(zhǎng)沙 410000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方耕地污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410000)

鎘是土壤中毒性較強(qiáng)的有害元素，是農(nóng)產(chǎn)品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中重要的限制元素之一。植物對(duì)鎘的吸收取決于土壤中有效態(tài)鎘的含量[1]。土壤中的有效態(tài)鎘以離子狀態(tài)吸附在帶電荷的土壤膠體表面，進(jìn)而被植物吸收利用，其含量是評(píng)價(jià)土壤重金屬污染的一個(gè)重要指標(biāo)。

目前，GB/T 23739－2009《土壤質(zhì)量 有效態(tài)鉛和鎘的測(cè)定 原子吸收法》和HJ 804－2016《土壤8種有效態(tài)元素的測(cè)定 二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》均是以二乙烯三胺五乙酸(DTPA)為提取劑，采用普通振蕩器對(duì)土壤進(jìn)行前處理，以提取有效態(tài)鎘。而在實(shí)際操作過(guò)程中，普通振蕩器的振蕩頻率和實(shí)驗(yàn)室溫度難以控制，會(huì)導(dǎo)致提取效率不穩(wěn)定，測(cè)定結(jié)果的精密度較差。并且，原子吸收光譜法涉及到火焰法和石墨爐法，分別適用于不同濃度水平的樣品，操作繁瑣；電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法的檢出限較高，實(shí)際上很多未受到污染的土壤中有效態(tài)鎘的含量通常低于該值，對(duì)低含量有效態(tài)鎘的樣品無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定。針對(duì)樣品前處理問(wèn)題，文獻(xiàn)[2-4]報(bào)道了采用超聲提取法來(lái)提取有效態(tài)鎘，但超聲清洗儀的空間較小，單次處理量有限，在提取過(guò)程中需要經(jīng)常攪拌樣品，工作效率較低，對(duì)黏度大的土壤提取效果較差。針對(duì)上機(jī)測(cè)試問(wèn)題，文獻(xiàn)[5]使用普通振蕩器，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)分析得到了較好的測(cè)定結(jié)果，但是前處理過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)(土壤顆粒大小和固液比)發(fā)生了變化，與GB/T 23739－2009 和HJ 804－2016不具有可比性。鑒于此，本工作前處理采用振蕩頻率穩(wěn)定、容量大、智能化程度高、精密度高的恒溫?fù)u床，結(jié)合ICP-MS，提出了一種快速簡(jiǎn)便測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘含量的方法，可適用于大批量土壤分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

BSD-YF2600型恒溫?fù)u床；iCAP RQ 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀；NBL223e 型電子天平(感量0.001 g)；HI8424型便攜式pH計(jì)。

鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000μg·L－1。

提取劑：稱(chēng)取三乙醇胺14.92 g、DTPA 1.967 g和氯化鈣1.110 g，加水?dāng)嚢枋蛊渫耆芙?，繼續(xù)加水稀釋至約950 mL，用50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸溶液調(diào)節(jié)溶液酸度至pH7.3后，將其轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中，用水定容。

所用試劑均為優(yōu)級(jí)純；試驗(yàn)用水為超純水。

土壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW 07416a 江西紅壤(ASA-5a)、GBW 07460陜西黃綿土(ASA-9)、GBW 07493陜西塿土(HTSB-1)、GBW 07496 甘肅灌漠土(HTSB-4)和GBW 07497 青海栗鈣土(HTSB-5)。各土壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘的認(rèn)定值見(jiàn)表1。

表1 土壤國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘的認(rèn)定值Tab.1 Certified values of available Cd in soil national standard substances

1.2 儀器工作條件

等離子體功率1 550 W；蠕動(dòng)泵速率40 r·min－1；采樣深度5 mm；霧化氣流量1.116 L·min－1，冷卻氣流量14L·min－1，輔助氣流量0.8 L·min－1；測(cè)定同位素111Cd，內(nèi)標(biāo)同位素103Rh；選擇碰撞反應(yīng)池(KED)模式消除多原子離子干擾。

1.3 試驗(yàn)方法

將土壤樣品放至搪瓷盤(pán)中，攤薄至2 cm 厚左右，自然風(fēng)干。將風(fēng)干后的樣品用木錘、瓷研缽等非金屬工具研磨，過(guò)2 mm 尼龍篩。稱(chēng)取過(guò)篩后的土壤樣品5.00 g，置于50 mL 具塞離心管中，加入25 mL提取劑，放入恒溫?fù)u床中，設(shè)置提取溫度為20～25 ℃，水平振蕩頻率為200 r·min－1，提取時(shí)間為100 min。提取結(jié)束后，取下，以轉(zhuǎn)速4 000 r·min－1離心3 min，用0.45μm 水系微孔濾膜過(guò)濾，棄去最初的5～6 mL 濾液，收集續(xù)濾液。移取5.00 mL續(xù)濾液至25 mL比色管中，用1%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液稀釋至刻度，按照儀器工作條件測(cè)定，外標(biāo)法定量。隨同做空白試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 提取溫度的選擇

土壤中有效態(tài)鎘的測(cè)定是條件選擇性試驗(yàn)，提取條件的改變會(huì)使得測(cè)定結(jié)果出現(xiàn)較大的變化。設(shè)置水平振蕩頻率為180 r·min－1，提取時(shí)間為120 min，考察了不同提取溫度(15，20，25，30 ℃)對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響。每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 提取溫度對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響Tab.2 Effect of extraction temperature on determination results of available Cd

結(jié)果顯示：當(dāng)提取溫度為20，25 ℃時(shí)，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘的測(cè)定值均在認(rèn)定值范圍內(nèi)；當(dāng)提取溫度過(guò)低或過(guò)高時(shí)，均可能造成測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，試驗(yàn)選擇的提取溫度為20～25 ℃。

2.2 水平振蕩頻率的選擇

除了提取溫度，恒溫?fù)u床的水平振蕩頻率也是提取土壤中有效態(tài)鎘的一個(gè)重要參數(shù)。設(shè)置提取溫度為25 ℃，提取時(shí)間為120 min，考察了不同水平振蕩頻率(100，150，180，200，250 r·min－1)對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響。每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水平振蕩頻率對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響Tab.3 Effect of horizontal oscillation frequency on determination results of available Cd

結(jié)果顯示：當(dāng)水平振蕩頻率為150～200 r·min－1時(shí)，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘的測(cè)定值均在認(rèn)定值范圍內(nèi)；當(dāng)水平振蕩頻率過(guò)低或過(guò)高時(shí)，均可能造成測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確。為保證有效態(tài)鎘被充分提取，試驗(yàn)選擇的水平振蕩頻率為200 r·min－1。

2.3 提取時(shí)間的選擇

設(shè)置提取溫度為25 ℃，水平振蕩頻率為200 r·min－1，考察了不同提取時(shí)間(60，80，100，120，150 min)對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響。每個(gè)樣品平行測(cè)定3次，計(jì)算平均值，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 提取時(shí)間對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響Tab.4 Effect of extraction time on determination results of available Cd

結(jié)果顯示，當(dāng)提取時(shí)間為100，120 min時(shí)，5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘的測(cè)定值均在認(rèn)定值范圍內(nèi)，為提高前處理效率，試驗(yàn)選擇的提取時(shí)間為100 min。

2.4 提取器皿的選擇

為了進(jìn)一步提高前處理效率，在上述優(yōu)化條件下，考察了不同提取器皿(100 mL 具塞三角錐瓶、100 mL聚乙烯塑料瓶和50 mL 具塞離心管)對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 提取器皿對(duì)有效態(tài)鎘測(cè)定結(jié)果的影響Tab.5 Effect of extraction vessel on determination results of available Cd

結(jié)果顯示，使用3種提取器皿均能夠較好地測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘的含量。但實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，使用離心管時(shí)，不必再次進(jìn)行樣品轉(zhuǎn)移，減少了樣品的轉(zhuǎn)移損失和器皿的清洗次數(shù)，操作更加高效、快捷，因此試驗(yàn)選擇的提取器皿為50 mL具塞離心管。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

移取適量的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液，用提取劑稀釋?zhuān)渲瞥涉k質(zhì) 量濃度為0.50，1.00，3.00，5.00，10.0，50.0，100μg·L－1的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。按照儀器工作條件對(duì)上述溶液進(jìn)行測(cè)定，以鎘的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。結(jié)果顯示，鎘標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.50～100μg·L－1，線性回歸方程為y＝3448x＋82.42，相關(guān)系數(shù)為0.999 9。

按照試驗(yàn)方法對(duì)空白土壤樣品進(jìn)行7次測(cè)定，計(jì)算測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)，根據(jù)3.143s計(jì)算方法的檢出限，并以4倍檢出限計(jì)算測(cè)定下限[6]。

結(jié)果顯示，鎘的檢出限為0.001 mg·kg－1，測(cè)定下限為0.004 mg·kg－1，低于HJ 804－2016中給出的檢出限(0.007 mg·kg－1)，說(shuō)明該方法更適用于測(cè)定低濃度水平土壤樣品中有效態(tài)鎘的含量。

2.6 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)

按照試驗(yàn)方法對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07416a、GBW 07460、GBW 07493、GBW 07496 進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)樣品平行測(cè)定6次，計(jì)算測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見(jiàn)表6。

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

結(jié)果顯示，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效態(tài)鎘測(cè)定值均在認(rèn)定值范圍內(nèi)，RSD 為3.1%～5.0%，表明該方法的準(zhǔn)確度和精密度均較好。

2.7 樣品分析

選取全國(guó)具有代表性耕作區(qū)的9個(gè)實(shí)際土壤樣品，按照本法和GB/T 23739－2009進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 樣品分析結(jié)果Tab.7 Analytical results of the samples

采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)法分析兩種方法的差異性，計(jì)算得t0.05，8＝1.145，小于查表得出的t0.05，8＝2.306，說(shuō)明本法與GB/T 23739－2009 無(wú)顯著性差異。

恒溫?fù)u床具有精準(zhǔn)控溫、振蕩平穩(wěn)、空間較大和智能化程度高的特點(diǎn)，能夠避免普通振蕩器無(wú)法控溫、處理批次少和振蕩頻率不穩(wěn)定等問(wèn)題。本工作采用恒溫?fù)u床的前處理方式，提出了ICP-MS測(cè)定土壤中有效態(tài)鎘含量的方法，該方法精密度好、準(zhǔn)確度高、快速簡(jiǎn)便，適用于大批量不同類(lèi)型土壤樣品的分析，為農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測(cè)提供了有效的分析手段。