不同前處理方式的ICPMS法測定貴州土壤中7種重金屬元素

不同前處理方式的ICP-MS法測定貴州省典型土壤中7種重金屬元素

　　近年來，隨著經濟的飛速發展，工業“三廢”、污水灌溉、礦業活動、農藥和化肥使用等日益增多，導致大量的重金屬離子進入環境，使環境，特別是土壤中重金屬的污染急劇增加。污染土壤的重金屬主要包括鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、汞（Hg）、類金屬砷（As）等生物毒性顯著的元素及鉆（Co）、銅（Cu）、鎳（Ni）等具有一定毒性的元素，這些重金屬伴隨著浸出、吸附等物理、化學、生物過程，會遷移至植物、水體及土壤環境中，引起植物生理功能紊亂、營養失調，從而影響作物的生長、產量和品質，并可通過食物鏈進入人體，潛在危害極大，嚴重危害人類健康和生命安全。因此，對耕地土壤環境質量尤其是重金屬含量進行檢測已成為亟待解決的問題。電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）檢測技術具有測定元素多、靈敏度高、檢測限低、分析速度快、線性范圍寬等優點，日益受到人們的青睞，被廣泛應用到環境領域。 
　　樣品前處理方式是準確測定土壤重金屬元素含量的一個重要環節。不同的前處理方式對測定結果的準確性影響很大，目前，土壤中Pb、Cd、Cr、As、Co、Cu、Ni的測定都使用國家標準分析方法，同時測定這些元素需要分別進行消解，耗時長、消耗試劑量大。本研究采用目前常用的耐熱玻璃長管消解、微波消解和水浴消解這3種消解方式，消解國家標準土壤物質GBW07403（GSS-3）、GBW07404（GSS-4）、GBW074028（GSS-14）及貴州省典型土壤――黃壤和石灰土，使用ICP-MS同時測定土壤樣品中Pb、Cd、Cr、As、Co、Cu和Ni這7種重金屬元素含量，并對測定結果進行比較，以建立一種精密度好、準確度高、消耗少，可快速、大批量檢測貴州省典型土壤重金屬含量的方法，為評價土壤的環境質量、優化農業產業結構、科學實施農產品產地安全管理提供技術保障，為污染土壤的治理和修復工作提供理論支撐，為促進當地農業生態環境的合理保護和利用提供技術支撐。 
　　1材料與方法 
　　1.1供試土壤 
　　供試土壤樣品分別采自貴州省貴陽市花溪區貴州黃壤肥力與肥料效益檢測基地和六盤水市六枝特區的農田，采集0～20 cm耕層土壤，風干，按四分法取樣、備用。前者為黃壤土，后者為石灰土，這2種土壤均未受到重金屬等污染。土壤標準物質選用地質礦產部地球物理、地球化學勘查研究所制作的GBW07403（GSS-3）、GBW07404（GSS-4）和GBW074028（GSS-14）作為土壤標準物質，土壤類型分別為黃棕壤、石灰巖土壤和紫色土。 
　　1.2主要儀器與試劑 
　　電感耦合等離子質譜儀，美國Perkin Elmer公司生產；電熱恒溫水浴鍋；LabTech石墨消解儀；意大利產Milestone微波消解儀；硬質玻璃器皿，均用1：4硝酸浸泡過夜，超純水沖洗干凈。標準儲備液為國家有色金屬及電子材料分析測試中心制作的24種物質混標溶液，選用銠（Rh）、錸（Re）作為內標物質；所用硝酸、鹽酸均為優級純。 
　　1.3儀器條件 
　　1.3.1儀器工作參數 ICP-MS RF功率為1 500W；霧化氣流量、輔助氣流量、冷卻氣流量分別為0.80、0.75、13 L/min；霧化器使用耐氫氟酸；雙電荷產率<2.5%，氧化物產率<2.0%；重復3次。 
　　1.4.3水浴消解法 分別稱取0.100 0 g（精確至±0.0001 g）標準土壤樣品GBW07403（GSS-3）、GBW07404（GSS-4）和GBW074028（GSS-14）于50 mL具塞比色管中，加入HCl：HNO₃=3：1的王水3 mL，塞上塞子，振蕩；沸水浴2 h，中途搖動1～2次；取出冷卻，用超純水定容至50 mL；靜置過夜，上機檢測。 
　　2結果與分析 
　　2.1檢出限的比較 
　　在同一條件下，采用ICP-MS法對土壤3種前處理的空白試劑溶液進行連續20次測量。由表1可見，耐熱玻璃長管消解時Cd、Pb和Ni的檢出限最低，微波消解時Cu、Cr的檢出限最低，水浴消解時As、Co的檢出限最低；微波消解、水浴消解2種前處理方式測定各元素的檢出限，Cd的檢出限為最低；水浴消解除Cr的檢出限為0.16μg/L外，其他元素均不超過0.07μg/L；水浴消解的重復性較好，其次為微波消解，耐熱玻璃長管消解重復性較差。 
　　2.2準確度和精密度的比較 
　　選取GBW07403、GBW07404和GBW07428這3個標準土壤樣品，采用3種前處理方法進行6次重復提取測定，計算平均值和標準偏差。由表2可見，因為7種重金屬元素的化學性質不同，采用不同的消解方式，樣品中各元素溶出的效果有很大差異；耐熱玻璃長管和水浴消解方法測得的Pb值低于保證值下限，而微波消解方式所測值在保證值范圍內，這可能是由于耐熱玻璃長管和水浴2種消解方式均是敞口消解，在消解過程中土壤中的Pb形成PbCl2揮發，并且PbCl²⁺與Ca²⁺、Sr²⁺、Ba²⁺等硫酸鹽會產生共沉淀，從而導致其測定值偏低，而微波消解是在封閉環境下進行的，土壤中的Pb未發生流失；耐熱玻璃長管和水浴方法消解測得的Cr值明顯低于保證值，這可能是由于Cr被硅酸鹽包含在比較穩定的土壤晶格中，而微波消解方法使用了HF，打破了土壤晶格，使Cr釋放出來；cd、As、Cu、Co、Ni這5種元素在3種前處理方式下所測得的值大多數在保證值誤差允許范圍內，可使土壤樣品中的分析元素完全溶出，且變異系數在1.1%～5.4%范圍，說明這3種前處理方法的重現性好、精密度較高，可應用于實際測定中。 
　　2.3回收率比較 
　　在同一個土壤樣品中加入一定質量濃度的標準溶液，用3種前處理方式進行處理，測定樣品的加標回收率。由表3可見，耐熱玻璃長管消解法、微波消解法、水浴消解法對7種重金屬元素的加標回收率分別為90.3%～104.5%、90.7%～100.4%、94.7%～100.6%，3種前處理方式均可測定貴州省典型土壤Pb、Cd、Cr、As、Co、Cu、Ni這7種重金屬元素。 
　　2.4樣品測試結果 
　　用耐熱玻璃長管消解法、微波消解法和水浴法測定貴州省典型土壤――黃壤和石灰土中7種重金屬元素含量，結果由表4可見，水浴法能夠很好地將Cd、As、Cu、Co、Ni這5個重金屬元素從土壤中全部提取出來；對Pb、Cr這2個元素而言，不同土壤類型的提取率有些差異，通過校正可使測定值控制在誤差允許范圍內。 
　　3結論 
　　對于Pb、Cr這2個元素，耐熱玻璃長管消解法和水浴消解法不能夠將其從土壤中全部提取出來，且對于不同土壤類型其提取率差別較大，這與楊艷芳等的研究結果相似，而土壤中Pb、Cr不能被提取出來的部分是不能夠被植物吸收并通過食物鏈進行傳遞的，對環境不會產生危害。Cd、As、Cu、Co、Ni這5種重金屬元素用微波消解法、耐熱玻璃長管消解法和水浴消解法這3種前處理方式均適用。使用微波消解法作為前處理方式，由于消煮管密封較好，待測元素不易揮發，消解溫度可達180℃，因此溶樣速度快、消解時間短，但儀器設備比較昂貴，需要人工趕酸，消煮數量有限；耐熱玻璃長管消解法用酸量大，大量酸霧排放到空氣中，對分析人員和環境危害較大；使用水浴法作為前處理，只需要使用水浴鍋和一般玻璃消煮管，操作簡單，溫度恒定，重現性好，用酸量少，省時省力，效率高，穩定性好，精密度可以達到分析要求，并且做到一次消解可以同時測定多種元素。因此，水浴消解法是適用于大批量分析貴州省典型土壤樣品較理想的前處理方式，完全能夠滿足農業環境監測土壤中重金屬的含量，可為農業發展提供便利，有廣泛的實際應用價值。