ICP-AES 法測定中性、石灰性土壤中有效磷*

申碩果，王 琳，于亞輝，辛 濤，李艷華

（1.河南省地質(zhì)局地質(zhì)災害防治中心，河南 鄭州 450012；2.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)勘查院，河南 鄭州 450000）

土壤有效磷是指土壤中能夠被植物吸收利用的磷，其含量的高低極大程度上反映了土壤中磷元素的供應力和儲備量，是判斷土壤肥力的重要指標。準確測定土壤中有效磷，了解其供應狀況，是保證作物精準施肥的關鍵環(huán)節(jié)，對提高作物產(chǎn)量具有重要參考價值[1]。

隨著科技的進步以及大型分析儀器的普及，ICP-AES、ICP-MS 法在土壤有效態(tài)樣品測定方面多有文獻報道[1-3]，這也是發(fā)展趨勢，但尚未形成統(tǒng)一的標準方法。目前，現(xiàn)行土壤中有效磷的分析方法主要有行業(yè)標準LY/T 1232-2015 和NY/T 1121.7-2014，標準方法中中性、石灰性土壤有效磷的分析方法都是采取0.5mol·L-1NaHCO3溶液浸提，浸出液采用鉬銻抗比色法測定，該方法的缺點是分析步驟繁瑣，而且土壤樣品中浸提出的腐殖質(zhì)也會對比色產(chǎn)生一定影響，同時比色法操作過程中還有諸多影響因素不易控制[4-6]。ICP-AES 法具有靈敏度高、精密度好、基體干擾小、動態(tài)線性范圍寬、分析速度快等優(yōu)點，已在有效磷的測定中廣泛應用。但由于中性、石灰性土壤中有效磷的浸提介質(zhì)為NaHCO3溶液，該溶液為堿性溶液，黏度較大，且含有大量Na+，實際操作中極易堵塞霧化器，HCO3-受熱分解產(chǎn)生的CO2也可能造成儀器滅火，影響測定[7，8]。本文對中性、石灰性土壤有效磷浸提液進行預處理，采用離心分離后過濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)干過濾，并通過加入HNO3對浸提液進行酸化、稀釋，降低溶液的黏度以及Na+濃度，同時除去CO2，處理后的溶液可直接引入ICPAES 測定，操作簡單，成本低，適用于批量土壤樣品的分析測試。

1 實驗部分

1.1 儀器及工作參數(shù)

HY-8A 型數(shù)顯調(diào)速多用振蕩器（金壇順華）；WH-3 型微型旋渦混合儀（上海瀘西分析儀器廠有限公司）；低速離心機（上海安亭科學儀器廠）；i－CAP7400Radial 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國Thermo Fisher 公司）：CID 檢測器，高鹽霧化器。

儀器工作參數(shù)見表1。

表1 ICP-AES 工作條件Tab.1 Working conditions of ICP-AES

1.2 主要試劑

1000μg·mL-1磷單元素標準儲備溶液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；

磷單元素標準工作溶液 用1000μg·mL-1的磷單元素標準儲備溶液逐級稀釋，配置成濃度分別為0、2、5、10、15、20μg·mL-1系列標準工作溶液，介質(zhì)為10% HNO3-80% 提取劑。

浸提劑（0.5mol·L-1NaHCO3溶液，pH 值為8.5）：準確稱取42.0g NaHCO3溶于約950mL 水中，用2.5mol·L-1NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值至8.5，用水稀釋至1L,儲存于聚乙烯瓶或玻璃瓶中備用。每周定期檢查溶液的pH 值。

土壤有效態(tài)標準物質(zhì)ASA-8、ASA-9、ASA-3b-CZ、ASA-8A-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-7A-CZ（中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所）。

HCl、HNO3均為優(yōu)級純；實驗用水為去離子水（電阻率為18MΩ·cm）。

1.3 實驗方法

準確稱取2.5g（精確至0.01g）風干土壤樣品（過2mm 篩孔），置于250mL 聚丙烯塑料離心瓶中，準確加入50mL 0.5mol·L-1NaHCO3浸提劑，將瓶蓋擰緊。充分搖勻后置于振蕩器上，振蕩頻率設置為180～200r·min-1，在溫度為25℃左右振蕩浸提30min，立即于4000r·min-1低速離心機上離心5min，再用無磷慢速定量濾紙干過濾于50mL 燒杯中，準確分取20mL 清液于50mL 比色管中，加入5mL 10% HNO3酸化（緩慢加入，避免劇烈反應），放置30min 并不時輕輕搖動待溶液中CO2釋放并將溶液混勻（也可用微型旋渦混合儀將溶液混勻并趕盡CO2），在選定的儀器條件下，以P213.618 {157}nm 作為分析線，用ICP-AES 測定土壤中的有效磷。

2 結(jié)果與討論

2.1 振蕩浸提時間的選擇

在NY/T1121.7-2014《土壤檢測第7 部分：土壤有效磷的測定》標準中規(guī)定振蕩浸提時間為30min，但也有文獻提到60min 浸提較為充分[2]。實驗共選擇6 個地區(qū)的土壤有效態(tài)一級標準物質(zhì)ASA-8、ASA-9、ASA-3b-CZ、ASA-8a-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-7a-CZ，振蕩浸提時間分別設置為10、20、30、60、90min，其他操作與實驗方法相同，結(jié)果見表2。

表2 振蕩浸提時間對有效磷測定結(jié)果的影響Tab.2 Influence of oscillation leaching time on the determination results of available phosphorus

由表2 可見，隨著浸提時間的增加，有效磷的測定結(jié)果呈上升趨勢，振蕩時間為30 和60min 時，測定值較為接近，且與標準值吻合；10 和20min 時，結(jié)果偏低；90min 時，結(jié)果偏高。因此，振蕩時間對測定結(jié)果的影響在30～60min 范圍內(nèi)不是很明顯，本著高效快捷的原則，方法選擇振蕩浸提時間為30min。

2.2 振蕩頻率的選擇

振蕩頻率是影響浸取效果的重要因素。振蕩的頻率越快，固液接觸的頻率越大，浸提效率越高。實驗選擇前述6 個土壤有效態(tài)一極標準物質(zhì)，分別設置振蕩頻率為120、160、180、200、220、240r·min-1，其他操作與實驗方法相同，結(jié)果見表3。

表3 振蕩頻率對有效磷測定結(jié)果的影響Tab.3 Influence of oscillation frequency on the determination results of available phosphorus

由表3 可見，振蕩頻率小于180r·min-1時，有效磷含量相對高的樣品的浸提率明顯偏低；頻率大于180r·min-1時，浸提量接近平衡狀態(tài)，且與標準值吻合。因此，本方法選擇振蕩頻率為180～200r·min-1。

2.3 浸提溫度的選擇

浸提溫度對有效磷的測定影響較為明顯。實驗考察了浸提溫度分別為15、20、25、30℃時對測定結(jié)果的影響，結(jié)果見表4。

表4 浸提溫度對有效磷測定結(jié)果的影響Tab.4 Influence of temperature on the determination results of available phosphorus

由表4 可見，浸提溫度在20～25℃時，測定值變化不明顯；當浸提溫度為15℃時，有效磷測定值偏低，低約17%～28%；浸提溫度為30℃時，有效磷測定值偏高，高約12%～20%。因此，選擇浸提溫度為20～25℃。

2.4 離心對測定結(jié)果的影響

NY/T 1121.7-2014《土壤檢測第7 部分：土壤有效磷的測定》標準中對振蕩浸提后的溶液直接進行干過濾，在實際操作中，部分土壤樣品經(jīng)浸提干過濾后的溶液較為渾濁，且有大量膠體存在，本次研究采用先離心后過濾的方法，有效減少了土壤顆粒以及土壤顆粒表面吸附的膠體的濾出，能夠制得較為澄清的溶液，避免測定時土壤細小顆粒或者膠體堵塞霧化器。本次研究按照上述實驗方法，對土壤樣品經(jīng)振蕩浸提后立即干過濾以及立即離心后再過濾的溶液的測定結(jié)果做了對比，結(jié)果見表5。

表5 離心對測定結(jié)果的影響Tab.5 Influence of centrifugation on the determination results of available phosphorus

由表5 可見，兩種處理方式的測定結(jié)果差異并不明顯，因此，對于直接干過濾溶液較為渾濁的樣品，可采取離心后再過濾的處理方式。

2.5 放置過濾時間及樣品穩(wěn)定時間實驗

土壤樣品25℃下浸提30min 后，分別選擇立即離心過濾、放置2、4h 后再離心過濾，24h 內(nèi)測定，結(jié)果見表6。

表6 不同放置時間對過濾實驗結(jié)果的影響Tab.6 Influence of different placement times on the results of filtering experiments

由表6 可見，隨著放置時間的延長，有效磷的測定值呈上升趨勢。

對于離心過濾后的樣品，穩(wěn)定時間設為0.5、2、24h 后進行測定，發(fā)現(xiàn)不同的穩(wěn)定時間也會對測定結(jié)果造成影響，稱定時間過短，溶液中的懸浮離子在測定過程中容易堵塞霧化器，穩(wěn)定時間過長，待測離子在某些礦物基體下發(fā)生沉降，造成測定結(jié)果偏低。所以土壤樣品浸提30min 后，應立刻離心過濾，并在2h 以后、24h 以內(nèi)測定結(jié)果為最佳。

2.6 樣品浸提液的處理

對于中性、石灰性土壤，采用0.5mol·L-1NaHCO3浸提后，直接引入ICP-AES 測定,會出現(xiàn)霧化器反饋壓力升高的現(xiàn)象，導致無法正常測樣，且容易造成儀器滅火[7-9]。造成霧化器壓力升高及儀器熄火的原因有兩點：（1）浸提劑鹽分過高，存在鹽分析出堵塞霧化器噴嘴；（2）NaHCO3受熱釋放出CO2氣體造成ICP 氣流溫度等不穩(wěn)定。因此，本文對中性、石灰性土壤浸提液酸化稀釋，目的是趕走CO2并降低基體含鹽量。實驗考察了HCl、HNO3介質(zhì)對測定結(jié)果的影響，并對稀釋倍數(shù)進行了研究，通過對比發(fā)現(xiàn)，HCl 酸化后的試液在測定時仍會出現(xiàn)霧化器壓力升高的現(xiàn)象，而HNO3介質(zhì)則可以正常測定。將兩種介質(zhì)的試液在強光下仔細對比發(fā)現(xiàn)，HNO3介質(zhì)的試液比HCl 介質(zhì)更清亮，推測可能是試液中有可溶硅在HCl 介質(zhì)中凝聚析出，測定時堵塞霧化器。因此，本文選用HNO3介質(zhì)對浸提液進行酸化處理，結(jié)果見表7。

表7 酸化稀釋倍數(shù)對有效磷測定結(jié)果的影響Tab.7 Influence of acidified and diluted times on the determination results of available phosphorus

由表7 可見，隨著稀釋倍數(shù)增大，低含量樣品的相對誤差增大，稀釋1.25 倍即可得到誤差范圍內(nèi)的結(jié)果，且經(jīng)過酸化稀釋后，浸提液鹽分降低，CO2也被大量趕出，可連續(xù)測定數(shù)小時。因此，本文選用HNO3介質(zhì)對浸提液進行酸化稀釋1.25 倍，可以實現(xiàn)準確連續(xù)高效的測定。

2.7 分析譜線的選擇和干擾的消除

對待測元素的譜圖進行分析，考察光譜干擾和背景影響情況，選擇靈敏度高、干擾小、峰形好、背景低、信背比高的譜線作為分析譜線，根據(jù)儀器和參考文獻的推薦選出最佳測定分析譜線為P213.618{157}nm。

干擾效應一直是分析化學中較為復雜的難題之一，ICP-AES 的干擾效應，是指樣品中共存組分（待測物除外）對分析信號產(chǎn)生的影響，并造成分析結(jié)果出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。ICP-AES 的干擾主要有光譜干擾、非光譜干擾[10-12]。非光譜干擾大多由基體效應產(chǎn)生，在測定有效磷時，由于中性、石灰性土壤均采用NaHCO3溶液浸提，引入大量Na+和HCO3-，本次實驗通過配制與樣品溶液相同介質(zhì)的標準工作溶液，可有效減少系統(tǒng)偏差，消除部分基體效應。并在選定的實驗條件下，選用不同性質(zhì)的土壤有效態(tài)標準物質(zhì)，通過反復實驗確定選擇左2、右2 的方式進行背景校正。

光譜干擾主要來自待測元素譜線周圍強度較大的元素譜線所產(chǎn)生的干擾，其表觀信號強度=待測元素分析信號強度+總干擾信號強度。在P213.618{157}nm 周圍信號較強的譜線干擾主要有Mo213.606nm 和Cu213.598nm，在10μg·mL-1的磷標準溶液中加入一定量的干擾元素，證明1000 倍的Mo、Cu 對磷的測定產(chǎn)生的光譜干擾可以忽略不計。

2.8 校準曲線、檢出限和回收率

以P 的質(zhì)量濃度ρ 作為橫坐標，相對應的發(fā)射強度I 作為縱坐標，繪制校準曲線為：Y=135.24X+9.0943，相關系數(shù)R2=0.9998，見圖1。

圖1 校準曲線Fig.1 Calibration curve

按照實驗方法對空白樣品連續(xù)測定12 次，以3 倍標準偏差計算方法檢出限，該方法有效磷的檢出限為0.18μg·g-1。在土壤樣品中分別加入20、50、100、200μg 的磷并按照實驗方法對樣品進行浸提、離心過濾、酸化稀釋，用ICP-AES 測定有效磷，對該方法進行加標回收實驗研究，經(jīng)計算，該方法的回收率為97.3%~102.5%。

2.9 方法準確度和精密度

為驗證該方法的準確度和精密度，分別選取有代表性的土壤有效態(tài)國家一級標準物質(zhì)ASA-8、ASA-9、ASA-3b-CZ、ASA-8a-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3 中實驗方法對有效磷進行提取、測定，結(jié)果見表8。

表8 土壤有效態(tài)一級標準物質(zhì)中有效磷的測定結(jié)果Tab.8 Results of available phosphorus in primary reference materials of available state of soil

由表8 可見，測定結(jié)果的準確度為-3.45%～2.91%，精密度（RSD，n=12）為1.49%～4.58%，滿足《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求（試行）》（DD2005-03）的分析質(zhì)量要求。

2.10 方法驗證實驗

為驗證該方法的有效性，隨機挑選2022 年Z527 批次部分土壤樣品和土壤有效態(tài)國家一級標準物質(zhì)ASA-8、ASA-9、ASA-3b-CZ、ASA-8a-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-7a-CZ，實驗方法對樣品和標樣中有效磷進行分析測試，同時按照比色法（NY/T1121.7-2014）進行分析測試，結(jié)果見表9。

表9 對比實驗結(jié)果Tab.9 Comparison of test results

由表9 可見，本次研究的實驗方法與傳統(tǒng)比色法的測定值無明顯差異。本次研究的實驗方法測定結(jié)果的相對標準偏差為1.5%～3.2%。

3 結(jié)語

本次研究采用NaHCO3浸提液提取中性、石灰性土壤樣品中有效磷，采用離心分離后過濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)干過濾，采用HNO3介質(zhì)對NaHCO3浸提液進行酸化稀釋后，用ICP-AES 測定中性、石灰性土壤中有效磷。本方法操作快速簡便、無污染、實用性強，與其它方法相比，極大地提高了分析效率，節(jié)約了分析成本，適合大批量土壤樣品的分析測試。該方法的精密度、準確度、檢出限等技術指標均滿足《生態(tài)地球化學評價樣品分析技術要求（試行）》（DD2005-03）的分析質(zhì)量要求，適用于中性、石灰性土壤樣品中有效磷的測定，值得全面推廣應用。