熱水浴浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定土壤中有效硼

郭家澤， 姚瑞， 程江， 楊國軍， 李飛， 周文軒

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局昆明自然資源綜合調(diào)查中心， 云南 昆明 650100；2.中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心， 四川 成都 610081)

硼是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，土壤中的水溶性硼、能被植物所吸收利用的部分硼稱為有效硼。硼能促進(jìn)植物生長和正常發(fā)育，保證作物產(chǎn)量，如果土壤中硼缺失，會導(dǎo)致植物出現(xiàn)只開花不結(jié)果的現(xiàn)象，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[1-4]。而土壤中硼含量超標(biāo)則會發(fā)生植物硼中毒現(xiàn)象，此時土壤就需要進(jìn)行脫硼處理。由此可見，土壤中有效硼含量是土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，隨著全國土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查、生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查、農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查的推進(jìn)，有必要建立一種便捷、快速、高效、節(jié)能的土壤有效硼含量的分析方法。

傳統(tǒng)的土壤有效硼提取方式主要參照國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《森林土壤有效硼的測定》(LY/T 1258—1999)或國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土壤檢測 第8部分：土壤有效硼的測定》(NY/T 1121.8—2006)采用石英錐形瓶加回流裝置進(jìn)行提取[5]，這些方法較好地解決了普通玻璃器皿會帶來硼污染問題，但是石英錐形瓶價格昂貴，操作繁瑣，不適于大批量樣品分析。據(jù)楊紅霞等[6]、張鵬鵬[7]報道，采用塑料器皿來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石英玻璃器皿也可帶來較好的空白值。常用的土壤有效硼的測定方法主要有分光光度法、電化學(xué)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等[8-9]。分光光度法的流程長、操作繁瑣，對于大批量樣品的分析效率較低且易帶來環(huán)境污染，同時對分析人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高[10]。馬玲等[11]采用沸水浴浸提，ICP-OES法測定土壤有效硼，雖能滿足測定要求，但浸提時間長，批量分析時效率低，且浪費(fèi)電能。而采用超聲加熱或振蕩加熱浸提，ICP-MS進(jìn)行測定的方法可以降低浸提溫度[12-13]，但是ICP-MS更低的稀釋倍數(shù)容易造成空白過高，且該方法同樣存在浸提時間過長的問題。

本文采用聚乙烯塑料瓶加蓋代替玻璃器皿，主要是基于聚乙烯塑料瓶不易變形，操作簡單，空白值較低，且價格便宜，能滿足大批量分析測試要求。從不同的方面，主要是對浸提劑初始溫度、水浴溫度、浸提時間、冷卻時間等實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行優(yōu)化。通過實(shí)驗(yàn)，考慮采用85℃的超純水代替常溫超純水作為浸提劑，保證了水浴溫度也為85℃，可大大提高浸提效率，同時降低了浸提溫度，減少能耗。本文方法旨在解決現(xiàn)有方法中存在的操作繁瑣、分析效率慢、能耗高等問題，為測定土壤中的有效硼提供較好的方法選擇。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器設(shè)備及參數(shù)

Thermo ICP 6000 Series全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國ThermoFisher公司)，主要工作參數(shù)為：頻射發(fā)生器功率1150W；輔助氣流速0.5L/min；霧化器壓力30psi；泵速50r/min；分析線208.9nm。

數(shù)顯恒溫水浴鍋：購自天津市濱海新區(qū)大港紅杉實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠。

低速離心機(jī)：購自湖南湘立科學(xué)儀器有限公司。

1.2 主要試劑

硼酸(優(yōu)級純)；超純水。

硼標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液(0.100mg/mL):稱取0.5716g經(jīng)60℃干燥的優(yōu)級純硼酸于塑料燒杯中，加水溶解后轉(zhuǎn)入1000mL容量瓶中，加水稀釋至刻度，搖勻，轉(zhuǎn)入塑料容量瓶中，備用。

硼標(biāo)準(zhǔn)溶液(1.00μg/mL)：逐級稀釋硼標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液進(jìn)行配制。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及樣品處理

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息

實(shí)驗(yàn)所用的土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要用于全國耕地調(diào)查與質(zhì)量評價樣品分析的參比標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量監(jiān)控，NSA系列、GBW07497及GBW07498均為有效態(tài)成分參比標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，兩個系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均采自中國主要土壤類型的代表性區(qū)域的耕作層土壤。各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息見表1。

表1 土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息

1.3.2樣品處理

稱取10.00g風(fēng)干、過10目篩的土壤標(biāo)樣于50mL聚乙烯瓶中，加入20mL 85℃超純水，擰緊瓶蓋，搖勻，使樣品與水充分混勻，將塑料瓶放入85℃(保持加入超純水的溫度與水浴鍋溫度一致)水浴鍋中浸提6min，此時要保證瓶內(nèi)液面要在水浴鍋液面之下。趁熱取出塑料瓶，將樣品倒入50mL離心管中，于低速(4000r/min)離心機(jī)中離心7min后取出(若離心清液還不能滿足測定要求，可將離心清液過濾)，冷卻待測?？瞻着c樣品同流程制備。

2 結(jié)果與討論

2.1 浸提劑初始溫度實(shí)驗(yàn)

以往報道的文獻(xiàn)中，提取時以加入常溫水為主，也有學(xué)者采用加入熱水后再振蕩的方式進(jìn)行提取，這些方法雖然都可以滿足提取要求，但是都存在提取時間長的問題。為對比在樣品中加入常溫超純水與熱超純水的浸提效果，采用土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)物質(zhì)NSA-1、NSA-2、NSA-6進(jìn)行12次平行實(shí)驗(yàn)，測定這三個土壤樣品中的有效硼。分別加入25℃、85℃的超純水作為浸提劑，其余步驟同1.3.2節(jié)樣品處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入25℃常溫水時，水對有效硼的浸提效率低，提取不完全，如果需要完全提取則需要延長浸提時間，影響分析效率；當(dāng)加入85℃熱水時，即可在6min時將樣品中有效硼提取完全。

表2 浸提劑初始溫度下有效硼測定結(jié)果

2.2 水浴溫度實(shí)驗(yàn)

據(jù)朱江等[14]報道，水浴浸提溫度可低至60℃，同時采用振蕩的方式浸提，雖然能將土壤中的有效硼提取出來，但提取時間長，影響效率。為比較浸提時水浴溫度對樣品有效硼的浸提效果的影響，采用土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-1、NSA-2、NSA-6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測定這三個土壤樣品中的有效硼。浸提溫度分別為75℃、85℃及95℃，其余步驟同1.3.2節(jié)樣品處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表3)顯示，當(dāng)溫度升高時，有效硼的浸提效率隨之升高，當(dāng)溫度達(dá)到85℃時，已可將土壤中的有效硼浸提完全。當(dāng)水溫達(dá)到95℃時，水已接近沸騰，實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果會略微偏高，原因是土壤中的硼元素通常以不同形態(tài)如水溶態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、交換態(tài)存在[15-16]，隨著水浴浸提溫度上升，除了水溶性硼(即有效硼)被提取出來，有機(jī)結(jié)合態(tài)和交換態(tài)的硼也可能被提取出來。所以采用85℃的水浴溫度即可滿足分析要求，且水浴鍋水面平穩(wěn)，危險性降低，同時兼顧了節(jié)能。

表3 不同水浴溫度下有效硼測定結(jié)果

2.3 浸提時間實(shí)驗(yàn)

據(jù)李雪蓮等[17]研究表明水浴浸提時間可縮短至6min。為比較浸提時間對樣品中有效硼浸提效果的影響，采用土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-1、NSA-2、NSA-6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，浸提時間分別為3、6、7、8、10、15min，其余步驟同“1.3.2樣品處理”，結(jié)果見圖1?？梢钥闯觯?dāng)浸提時間延長時，土壤中有效硼的浸提量隨之增加；當(dāng)浸提時間在6～10min時，土壤有效硼的提取量不隨著浸提的時間延長而明顯上升；當(dāng)浸提時間繼續(xù)延長時，浸提液中硼浸提量還會增加，原因是隨著浸提時間延長，除了水溶性硼(即有效硼)被提取出來，有機(jī)結(jié)合態(tài)和交換態(tài)的硼也可能被提取出來。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本著節(jié)約成本、提高效率的原則，浸提時間6min已經(jīng)滿足浸提效果。

圖1 不同浸提時間下有效硼測定結(jié)果Fig.1 Analytical results of available boron at extraction time

2.4 冷卻時間實(shí)驗(yàn)

在以往的報道中，樣品浸提后大多是經(jīng)冷卻再過濾，但是這種方法影響分析效率，并且冷卻后有效硼的提取量是否受影響并未討論。為比較浸提后趁熱離心與冷卻后離心對有效硼的浸提效果，采用土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-1、NSA-2、NSA-6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，冷卻時間分別為0、30、60min，其余步驟同“1.3.2樣品處理”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表4)表明，有效硼的浸提量隨著冷卻時間增加而減少。原因可能是由于有效硼的浸提是一個雙向的過程，隨著浸提液的溫度下降，已經(jīng)被浸提出來的有效硼又被交換回到土壤膠體中，導(dǎo)致有效硼測定結(jié)果偏低。趁熱離心的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值較為接近，且趁熱離心可最大限度地保證分析效率。

表4 不同冷卻時間下有效硼測定結(jié)果

2.5 分析方法評價

2.5.1方法精密度和準(zhǔn)確度

實(shí)驗(yàn)選取6個土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-1、NSA-2、NSA-3、NSA-6，以及GBW07497(HTSB-5)、GBW07498(HTSB-6)按照方法最佳條件對樣品進(jìn)行12次平行測定，以相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)考察方法的精密度，以相對誤差考察方法準(zhǔn)確度。從表5可以看出，RSD小于3%，相對誤差小于4.0%，該方法滿足分析要求。

表5 方法精密度和準(zhǔn)確度

實(shí)驗(yàn)通過與其他方法對比，具體數(shù)據(jù)見表6。方法的精密度、準(zhǔn)確度、檢出限等都與其他方法相差不大，可作為較好的方法選擇。

表6 方法對比

2.5.2標(biāo)準(zhǔn)曲線及方法檢出限

分別配制0.00、0.10、0.20、0.40、0.60、0.80、1.00μg/mL硼的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，儲存于塑料瓶中。以硼的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)強(qiáng)度值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為：y=370.1x+1.32(R2=0.9999)。實(shí)驗(yàn)采用平行制備12次空白樣品，統(tǒng)計(jì)12次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為方法檢出限，本文方法檢出限為0.02mg/kg，滿足標(biāo)準(zhǔn)方法的要求。

3 結(jié)論

本文方法對ICP-OES法測定土壤中有效硼的浸提劑初始溫度、水浴溫度、浸提時間、冷卻時間進(jìn)行了優(yōu)化，確定了浸提劑溫度為85℃，水浴溫度為85℃，浸提時間為6min，浸提后趁熱離心，離心液直接用ICP-OES測定，測定結(jié)果符合要求，為土壤有效硼的測定提供了較好的方法選擇。

本文方法與現(xiàn)有的傳統(tǒng)方法相比，采用聚乙烯具塞瓶代替石英冷凝回流裝置，節(jié)省了分析測試成本；采用超純熱水作為浸提劑，可縮短浸提時間、降低浸提溫度，采用趁熱過濾解決了傳統(tǒng)方法分析效率較低、能耗高的問題。目前，本文方法還存在有效硼的浸提量隨著時間的延長或溫度的升高而增加的問題，要解決該問題，還需進(jìn)一步研究土壤中硼的存在形態(tài)以及不同形態(tài)的硼與水的交換關(guān)系。