超聲提取-抗壞血酸還原-催化光度法測定土壤中的碘

字雨姝，張皓，吳亮，黃宇琪

（核工業(yè)二三〇研究所，湖南省伴生放射性礦產(chǎn)資源評價(jià)與綜合利用工程技術(shù)研究中心，長沙 410007）

碘是人體必需的微量元素，人體可以從食物、空氣、水中攝取碘，人體碘攝入的缺乏或過高都可能引發(fā)疾病。加碘食鹽是人體攝入碘的主要方式，其次通過食品攝入碘，而植物中的碘主要來源于土壤，因此測定土壤中碘對一些地方性疾病的調(diào)查研究有著重要意義。

碘在自然界中分布范圍較廣，存在形態(tài)較多，以游離的碘元素、碘化物、碘酸鹽、甲基碘等多種形式存在，并具極強(qiáng)的親生物性、高活動性、易氧化還原、易吸附等特點(diǎn)[1-4]。碘的這些特點(diǎn)使土壤中碘的分析測定受到一定局限。

目前測定土壤中碘的方法主要有電感耦合等離子體-質(zhì)譜法、離子色譜法、催化動力學(xué)光度法、X熒光法等[5-12]。由于催化動力學(xué)光度法操作簡單，使用儀器設(shè)備價(jià)格低，靈敏度高，在土壤中碘的測定應(yīng)用最多，但其測量準(zhǔn)確度和精密度受樣品處理方式的影響很大[13]。筆者通過降低空白干擾，優(yōu)化碳酸鈉和氧化鋅半熔試劑的配制方法，采用超聲提取的方式，加入抗壞血酸使碘元素價(jià)態(tài)與曲線統(tǒng)一，再加乙酸搖至無氣泡產(chǎn)生，最后加入4, 4'-四甲基二氨基苯甲烷（四堿）與氯胺T，在600 nm處測定吸光度。選用土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品及土壤試驗(yàn)樣品驗(yàn)證方法的正確度和精密度，建立了一種準(zhǔn)確、適合大批量土壤樣品測定的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

可見分光光度計(jì)：721型，上海儀電分析儀器有限公司。

電子天平：ME204E 型，感量為0.000 1 g，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；

碘離子標(biāo)準(zhǔn)溶液：100 mg/L（k=2），標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號為BW20017-100-W-20，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司。

土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號分別為GBW 07402a（內(nèi)蒙古白云鄂博土壤）、GBW 07407a（湖南瀏陽七寶山多金屬礦區(qū)土壤）、GBW 07409（黑龍江土壤）、GBW 07408a（陜西洛川土壤），中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所（廊坊市）。

碳酸鈉-氧化鋅混合溶劑（艾斯卡試劑）：稱取300 g 優(yōu)級純碳酸鈉和200 g 氧化鋅，分別經(jīng)碾磨后過孔徑為0.25 mm（60 目）的篩，充分混勻后轉(zhuǎn)入大口塑料瓶中備用。

L+抗壞血酸：1 g/L，稱取0.1 g 抗壞血酸溶液50 mL水中，定容至100 mL，現(xiàn)用現(xiàn)配。

乙酸溶液：體積分?jǐn)?shù)為8%，量取80 mL 乙酸至500 mL水中，定容至1 000 mL。

碳酸鈉溶液：36 g/L，稱取36 g 碳酸鈉溶于800 mL水中，定容至1 000 mL。

氯胺T 溶液：1.00 g/L，稱取1.00 g 氯胺T 置于250 mL 燒杯中，加水待完全溶解后，用水稀釋至1 000 mL，轉(zhuǎn)入磨口玻璃瓶中，搖勻。現(xiàn)用現(xiàn)配。

4.4'-四甲基二氨基苯甲烷（四堿）溶液：0.1 g/L，稱取0.100 0 g 四堿于250 mL 燒杯中，加入1 mL 乙酸，待完全溶解后，用水稀釋至1 000 mL，若溶液渾濁需過濾后使用，現(xiàn)用現(xiàn)配。

硝酸溶液：體積分?jǐn)?shù)為1.0%，量取10 mL 硝酸于1 000 mL純水中。

實(shí)驗(yàn)所用其它試劑均為優(yōu)級純。

實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

碘離子系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：取碘離子標(biāo)準(zhǔn)溶液1 mL，置于800 mL 的水中，用純水定容至1 000 mL，配成1 mg/L的碘離子標(biāo)準(zhǔn)中間液。分別取0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 mL碘離子標(biāo)準(zhǔn)中間液，采用36 g/L 碳酸鈉溶液定容至100 mL 容量瓶中，配成0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08 mg/L 的碘離子系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，轉(zhuǎn)移至100 mL 聚乙烯塑料瓶中，每次使用時(shí)從瓶中分取。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

稱取0.5 g（精確至0.000 1 g）土壤樣品，置于預(yù)先加入1.5 g艾斯卡試劑的10 mL瓷坩堝中，攪拌均勻，再均勻覆蓋1.5 g 艾斯卡試劑，將坩堝置于馬弗爐中，從室溫升至700 ℃，保持40 min，取出冷卻。將冷卻后的試樣倒入至50 mL 比色管中，用約25 mL 熱水將瓷坩堝沖洗干凈，加入去離子水至50 mL，并滴入6～8 滴無水乙醇，置于70 ℃的超聲水浴儀中超聲1 h，冷卻后定容至50 mL，搖勻，放置至澄清。

預(yù)先將所用試劑及樣品溶液移至恒溫室（25 ℃）中2 h，移取5 mL上清液于50 mL比色管中，加入1 mL 1 g/L 抗壞血酸溶液，搖勻，再加入5 mL 8%的乙酸溶液，搖勻排除二氧化碳?xì)馀荩患尤? mL四堿溶液，定容至25 mL，搖勻。靜置20 min，加入1 mL氯胺T溶液于比色管中，迅速蓋塞，搖勻后，倒入2 cm比色皿中，記錄溶液在600 nm處的最大吸光度值。在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行工作曲線的吸光度值測定，利用吸光度和碘的含量繪制工作曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 空白優(yōu)化

（1）長期未用的馬弗爐會吸收空氣中的碘元素，在進(jìn)行樣品測定時(shí)會使空白吸光度升高，所以馬弗爐長時(shí)間未用或出現(xiàn)空白溶液吸光度高時(shí)，應(yīng)將馬弗爐按照1.3中升溫步驟處理，過程中適當(dāng)?shù)某ㄩ_一點(diǎn)爐門，使氧氣進(jìn)入。

（2）每次混勻后的艾斯卡試劑應(yīng)進(jìn)行空白試驗(yàn)，防止艾斯卡試劑混勻過程污染或者試劑本底吸光度高的問題。

（3）分光光度計(jì)的比色皿在試驗(yàn)完成后應(yīng)浸泡在無水乙醇中，使吸附在比色皿上的有機(jī)物洗脫，且每次測定前應(yīng)檢查杯差。

（4）瓷坩堝、玻璃器皿用完去離子水沖洗后應(yīng)浸泡在稀硝酸（1%）溶液中，使用前用純水沖洗干凈，烘干待用。

2.2 艾斯卡試劑的配制

商品碳酸鈉為顆粒狀，氧化鋅呈粉狀且極易成團(tuán)，兩種物質(zhì)未經(jīng)研磨直接2混合，或碳酸鈉經(jīng)過研磨與氧化鋅直接混合，土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定值均遠(yuǎn)低于推薦值。將碳酸鈉及氧化鋅分別經(jīng)研磨后過孔徑分別為0.25 mm（60目）、0.15 mm（100目）篩，再混合均勻，土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定值仍低于推薦值，但二者較為接近。

分別采用以下3種方式處理艾斯卡試劑：（1）碳酸鈉、氧化鋅研磨后混合；（2）研磨后過孔徑為0.25 mm 的篩，混合；（3）研磨后過孔徑為0.15 mm 的篩，混合。三種不同方式下國家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07402a、GBW 07408a的測定結(jié)果見表1。

表1 不同艾斯卡試劑制備方法土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值 mg/kg

由表1 可知，研磨后直接混勻配制的艾斯卡試劑測定值與推薦值偏差很大，超出標(biāo)準(zhǔn)推薦值范圍。研磨過篩后混勻的艾斯卡試劑能與樣品充分接觸，未過篩的樣品測定值有明顯提升。過0.25 mm篩和0.15 mm 篩的樣品測定值區(qū)別不大，故選用研磨過0.25 mm 篩的碳酸鈉和氧化鋅進(jìn)行混勻，配制艾斯卡試劑。

2.3 超聲提取條件

土壤樣品的常規(guī)提取方法[14]為：將半熔后冷卻熔塊倒入100 mL 燒杯中，用熱水提取，加幾滴乙醇煮沸，將溶液連同沉淀一起移入50 mL比色管中，用水稀釋至標(biāo)線，搖勻，放至澄清。此提取方式在實(shí)踐中常有改變，應(yīng)用最多的為向半熔后的樣品加入一定量蒸餾水，再加幾滴無水乙醇，煮沸，冷卻后定容至50 mL，澄清后測試。此方法處理樣品時(shí)速度慢、煮沸時(shí)溶液容易飛濺，需人長時(shí)間值守，不適合大批量樣品分析。

采用超聲提取方式，將半熔冷卻后的樣品倒入50 mL的比色管中，用熱水將瓷坩堝沖洗干凈，沖洗液倒入至比色管中，加入超純水30 mL和幾滴乙醇，將比色管放置超聲提取儀中，功率調(diào)至最大進(jìn)行提取。

2.3.1 提取溫度

對兩種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 07402a、GBW 07408a）樣品熔塊分別在水浴溫度50、60、70、80、90、100 ℃下進(jìn)行超聲提取，不同水浴溫度對應(yīng)的測定結(jié)果見表2。由表2 可知，水浴溫度從50 ℃升高至70 ℃，測定結(jié)果呈遞增趨勢；在水浴溫度為70 ℃時(shí)測定值達(dá)到穩(wěn)定；繼續(xù)提高水浴溫度，測定值變化不明顯，且產(chǎn)生大量蒸汽，因此選定超聲提取的水浴溫度為70 ℃。

表2 不同水浴溫度對應(yīng)的測定結(jié)果（GBW 07402a、GBW 07408a）

2.3.2 提取時(shí)間

設(shè)定提取溫度為70 ℃，對兩種土壤國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW 07402a、GBW 07408a）的樣品熔塊分別提取25、30、35、40、45、50 min，不同提取時(shí)間對應(yīng)的碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值見表3。由表3 可知，提取時(shí)間為25～40 min 時(shí)，隨著提取時(shí)間增加，碘測定值隨之增大，并逐漸接近推薦值；當(dāng)提取時(shí)間大于40 min時(shí)，碘測定值基本穩(wěn)定，無明顯變化，因此選定超聲提取時(shí)間為40 min。

表3 不同提取時(shí)間對應(yīng)的測定結(jié)果

2.4 抗壞血酸用量的影響

在艾斯卡試劑熔樣測定碘元素的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的過程中發(fā)現(xiàn)，碘的測定值仍出現(xiàn)系統(tǒng)性的偏低。由催化光度法分析原理可知：在乙酸-碳酸鈉緩沖體系中，利用碘離子在四堿和氯胺T（由氯胺T水解產(chǎn)生的次氯酸）的氧化反應(yīng)中的催化作用，產(chǎn)生有色絡(luò)合物[15]，因此半熔后的澄清液中碘元素的存在價(jià)態(tài)對測定結(jié)果有直接影響。

以艾斯卡試劑半熔后的土壤樣品中的碘經(jīng)熱水提取后，大部分以碘離子形式存在，但還有一部分以氧化態(tài)存在?，F(xiàn)已IO3-為例，分取后的上清液在加入乙酸后與I-反應(yīng)，生成I2；加入四堿溶液和氯胺T后此部分碘已無法在這個(gè)氧化反應(yīng)過程中起到催化作用?？箟难峋哂袠O強(qiáng)的還原性，在溶液中加入過量的抗化學(xué)酸可使其它價(jià)態(tài)的碘全部還原為負(fù)一價(jià)態(tài)的碘離子，測定結(jié)果更準(zhǔn)確。

加入抗壞血酸后，過量的抗壞血酸會與氯胺T發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗大部分的氯胺T，從而使吸光度顯著下降。由于溶液顯色時(shí)間與溶液中氯胺T的濃度呈反比，濃度越高催化反應(yīng)越快。在合適的吸光度下，應(yīng)盡量降低氯胺T濃度。在選用1 cm比色皿時(shí)，樣品吸光度很小，因此需增大氯胺T用量來提高吸光度。隨著氯胺T 加入量變大，顯色時(shí)間變短，比色測量時(shí)已不是最大吸光度值。在實(shí)驗(yàn)過程中，四堿濃度過高容易造成溶液渾濁，故未調(diào)整四堿濃度，仍選用經(jīng)典推薦值。

選用2 cm比色皿測定0.08 mg/L碘離子溶液，1 g/L抗壞血酸溶液，溫度為25 ℃，對不同抗壞血酸體積、氯胺T質(zhì)量濃度及體積進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4。由表4可知，選取0.5 mL的1 g/L抗壞血酸溶液、1.0 mL 的1.0 g/L 氯胺T 溶液，最大吸光度約為0.977，且到達(dá)吸光度最大值的時(shí)間為44 s，可充分保證比色時(shí)間。

表4 抗壞血酸、氯胺T用量對應(yīng)的最大吸光度及用時(shí)

2.5 線性方程與檢出限

按照1.3 實(shí)驗(yàn)方法對碘離子系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定，溶液中碘的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)（x），吸光度強(qiáng)度為縱坐標(biāo)（y），繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，線性方程（由于催化光度法的特殊性采用二項(xiàng)式建立線性方程）為y=0.105x2+ 0.267 6x，相關(guān)系數(shù)為0.999 5。表明碘的質(zhì)量濃度在0.002 5～0.08 mg/L范圍內(nèi)與吸光度強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。

以對空白樣品連續(xù)測定12 次，以3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限為0.25 mg/kg。按照0.5 g樣品提取定容在50 mL 比色管，分取5 mL 測定進(jìn)行換算，碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25～8 mg/kg（核實(shí)），對于低含量樣品可通過增大稱樣質(zhì)量，高濃度樣品可通過減少分取體積來增大測定范圍。

2.6 精密度試驗(yàn)

取3組實(shí)驗(yàn)土壤樣品碘含量低、中、高的實(shí)驗(yàn)室的土壤樣品，按照本方法測定6次，測定結(jié)果見表5。由表5 可知，不同碘含量的土壤樣品測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.50%～9.40%，表明該方法具有良好的精密度。

表5 精密度試驗(yàn)結(jié)果

2.7 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果

取GBW 07409、GBW 07407a、GBW 07408a 3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照本方法分別測定6次，測定結(jié)果見表6。由表6可知，3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定值均在推薦值范圍內(nèi)，測定結(jié)果的相對誤差小于5%，表明該法測定結(jié)果準(zhǔn)確。

表6 正確度試驗(yàn)碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果

2.8 方法對比

對3 組國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07409、GBW 07408a、GBW 07407a 分別采用超聲提取-抗壞血酸還原-催化光度法、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICPMS）法進(jìn)行測量對比，測定結(jié)果見表7。由表7 可知，碘含量較高時(shí)兩種方法測量值均接近推薦值；碘含量低時(shí)，超聲提取-抗壞血酸還原-催化光度法測量值比ICP-MS 法測定值更接近推薦值，相對誤差更小。利用ICP-MS法測定高濃度樣品后需要用大量的空白溶液沖洗，否則儀器的記憶效應(yīng)會對樣品測定結(jié)果有很大影響；而催化光度法使用的儀器一般實(shí)驗(yàn)室均配備，且不要考慮高濃度樣品對低濃度的干擾，樣品處理無須離子交換樹脂吸附除雜質(zhì)，處理效率更高。

表7 方法比對試驗(yàn)碘質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果（n=3）

3 結(jié)語

（1）建立了超聲提取-抗壞血酸還原-催化光度法測定土壤中的碘的方法，該法樣品處理簡單，準(zhǔn)確度高，適用于大批量土壤樣品中碘的測定。

（2）優(yōu)化了艾斯卡試劑的配制方法，使艾斯卡試劑與樣品接觸更充分，提高了碘元素的熔出率。

（3）對半熔樣品采用超聲提取，一次可處理多個(gè)樣品，大幅提高了工作效率。

（4）加入抗壞血酸使碘充分還原為碘離子，測量結(jié)果更準(zhǔn)確。