徐森彪 趙蘇云 / 英格爾檢測技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司

0 引言

中國農(nóng)田土壤重金屬污染形勢較為嚴(yán)峻[1,2]。2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國農(nóng)田土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)19.4%，其中重金屬污染突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有20 000 000 hm2農(nóng)田受重金屬污染,占耕地總面積的六分之一[3,4]，土壤中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不僅與重金屬總量相關(guān)，更大程度上取決于其存在的形態(tài)。有效態(tài)是重金屬總量中易被植物吸收的部分，重金屬的生物有效性一般指環(huán)境中重金屬元素在生物體內(nèi)的吸收、積累或毒性程度。從某種角度講，形態(tài)分析是生物有效性的基礎(chǔ)，而生物有效性是形態(tài)分析的延伸。目前大多數(shù)生物有效性的研究方法都是通過確定污染物在環(huán)境中的形態(tài)和分布，再通過單元回歸或多元回歸等方法對(duì)這些形態(tài)和分布與生物體中污染物的富集量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的定義，形態(tài)分析是指表征與測定一個(gè)元素在環(huán)境中存在的各種不同化學(xué)形態(tài)與物理形態(tài)的過程。廣義上講，重金屬形態(tài)指重金屬的價(jià)態(tài)、化合態(tài)、結(jié)合態(tài)和結(jié)構(gòu)態(tài)四個(gè)方面，即某種重金屬元素在環(huán)境中以某種離子或分子的實(shí)際形式存在。狹義上的重金屬形態(tài)指用不同的化學(xué)提取劑對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行連續(xù)的浸提，并根據(jù)所使用的浸提劑對(duì)重金屬的形態(tài)進(jìn)行分組。一般分為水溶、可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)以及殘?jiān)鼞B(tài)。

就提取劑而言，基本都采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）或0.1 M鹽酸浸提劑，也有采用硝酸-高氯酸-硫酸、草酸-草酸銨或乙二胺四乙酸（EDTA）浸提劑。DTPA能迅速與鈣、鎂、鐵、鉛、銅和錳等離子生成水溶性配合物，尤其對(duì)高價(jià)態(tài)顯色金屬配合能力強(qiáng)，因此，能浸提出土壤中水溶及可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)和部分鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)的重金屬，相對(duì)于其總量而言，這些浸提出的重金屬形態(tài)被認(rèn)為是生物有效的形態(tài)。

由于土壤中重金屬有效態(tài)含量比重金屬全量更能反映其污染程度以及對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康的危害程度[5-8]，因此，對(duì)于環(huán)境的監(jiān)測而言就更有必要對(duì)金屬元素有效態(tài)進(jìn)行檢測[9-13]。然而，我國關(guān)于重金屬元素有效態(tài)測定的標(biāo)準(zhǔn)方法[14]僅涉及9個(gè)元素（Ni、Fe、Mn、Co、Cu、Zn、Mo、Pb、Cd）， 對(duì)一些危害性較大的元素，如 As、V、Cr等，有效態(tài)的測定尚無標(biāo)準(zhǔn)方法。

本文通過采用碳酸氫銨-二乙烯三胺五乙酸（AB-DTPA）作為提取劑，電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法建立了監(jiān)測環(huán)境土壤中有效態(tài)鉻元素的檢測方法。該方法操作方便，準(zhǔn)確度高，靈敏度和精密度均能滿足日常監(jiān)測的要求。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

四級(jí)桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（美國安捷倫，7800型）；電子天平（Sartorius，BSA224S）；超純水由Milli-Q純水儀制得 ；鹽酸、硝酸、氨水（NH3·H2O）均為電子級(jí)，購自聯(lián)仕化學(xué)；三乙醇胺（C6H15NO3，TEOA）、二乙烯三胺五乙酸（C14H23N3O10，DTPA）、二水合氯化鈣（CaCl2·2H2O）和碳酸氫銨（NH4HCO3）均為優(yōu)級(jí)純，購自上海國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

標(biāo)準(zhǔn)貯備液：1 000 mg/L，購自美國o2si。

標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅰ：10.00 mg/L，準(zhǔn)確移取鉻標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液1.00 mL于100 mL容量瓶中，用提取液溶液稀釋至分度。

標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅱ：1.00 mg/L，準(zhǔn)確移取鉻標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅰ10.00 mL于100 mL容量瓶中，用提取液溶液稀釋至分度。

提取劑配置：在800 mL水中加入25 mL的NH3·H2O2，然后加入1.967 g的DTPA，待大部分DTPA溶解后，加入79.06 g的NH4HCO3，輕輕攪拌至溶解，用濃氯化氫（HCl）調(diào)整pH為（7.3 ±0.2），轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中定容。

1.2 儀器工作條件

儀器工作條件見表1和表2。

表1 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀工作條件

表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀元素分析模式

1.3 測定方法

1.3.1 樣品制備

將采集到的土壤樣品除去葉片、石子等雜物，按照HJ /T 166—2014 《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求，將樣品進(jìn)行風(fēng)干、粗磨、細(xì)磨至過孔徑2.0 mm（10目）的尼龍篩。樣品的制備過程應(yīng)避免沾污和待測元素?fù)p失。

1.3.2 樣品溶液制備

準(zhǔn)確稱取土壤樣品 10.00 g（準(zhǔn)確至0.000 1 g），加入20.00 mL提取劑，在（25 ± 2） ℃條件下，以160～200 次/min的頻率在往復(fù)振蕩器上震蕩2 h，取下后立即用0.45 μm的濾膜過濾。取10 mL濾液，緩慢滴加1 mL濃硝酸并不斷搖動(dòng)（防止試液溢出），待不再生成氣泡后加蓋搖勻，于48 h內(nèi)完成測定。每批樣品至少制備兩個(gè)全程空白試樣。

2 討論

2.1 儀器工作條件的選擇

文章優(yōu)化了儀器工作條件，結(jié)果表明：Cr元素射頻功率在1 400～1 600 W，有很好的信背比；載氣流速在4.4～4.8 L/min，霧化器流速在1.0～1.2 L/min時(shí)，方法的靈敏度最高；選用KED模式比STD模式能更好地減少多原子離子干擾，射頻功率的選擇、載氣流速及霧化器流速的優(yōu)化見圖1、圖2和圖3。

圖1 射頻功率變化與樣品測定回收率的關(guān)系

由圖1可知，隨著射頻功率的增大，鉻元素測定的回收率先穩(wěn)步增大，再逐步減小，初始階段射頻功率能量不足，使鉻元素不能完全被電離，無法正常通過石英矩管，最終被采樣錐截取。隨著射頻功率的增大，原子化、電離達(dá)到最佳狀態(tài)，繼續(xù)增大能量，以致出現(xiàn)過度電離現(xiàn)象，在8 000～10 000 K的等離子體高溫下，載氣氬氣也發(fā)生了一定的復(fù)雜的物理變化，綜合因素影響可能使回收率減少。

由圖2可知，隨著載氣流速的增快，鉻元素測定的回收率先穩(wěn)步增大，再逐步減小，流速過慢雖然可以一定程度提高測定的靈敏度，但是同時(shí)伴隨著極大的背景干擾；流速過快對(duì)測定影響也很大，光電倍增管無法準(zhǔn)確及時(shí)地捕捉采集信號(hào)，也會(huì)使得測定靈敏度降低。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)載氣流速在4.4～4.8 L/min時(shí)，靈敏度效果最佳，回收率最高。

圖2 載氣流速變化與樣品測定回收率的關(guān)系

由圖3可知，隨著霧化器流速的增大，鉻元素測定的回收率先穩(wěn)步增大，再逐步減小，可能原因是霧化器流速過快，無法使溶液很好地轉(zhuǎn)變成氣溶膠狀態(tài)，使樣品溶液目標(biāo)物產(chǎn)生損失。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)霧化器流速在1.0～1.2 L/min時(shí)，靈敏度效果最佳，回收率最高。

圖3 霧化器變化與樣品測定回收率的關(guān)系

2.2 測定干擾的消除

ICP-MS在測定過程中存在質(zhì)譜干擾和基體效應(yīng)等的干擾，優(yōu)化儀器參數(shù)條件可以極大地降低干擾。常見的，如40Ar35Cl+對(duì)75As干擾，可通過：75As:-3.127×Se77+2.733×Se82校正方程予以消除。

內(nèi)標(biāo)也可以有效地降低干擾。在測試過程中，初次測定一個(gè)組別中可以盡可能多地選擇內(nèi)標(biāo)元素，觀察內(nèi)標(biāo)元素回收率的情況，內(nèi)標(biāo)回收率的高低與最終樣品測定結(jié)果的濃度成反比。

2.3 實(shí)際樣品測定

分別采集上海、重慶、山東、云南四個(gè)地域內(nèi)的土壤，依次標(biāo)記為A、B、C、D，按照上述要求制備樣品，按照提取流程和儀器條件對(duì)樣品進(jìn)行平行測定，測定結(jié)果見表3。

表3 樣品分析結(jié)果

3 結(jié)果與分析

3.1 線性關(guān)系及檢出限

元素測定選擇干擾較少的作為定量質(zhì)量數(shù)，以濃度對(duì)各標(biāo)準(zhǔn)溶液的儀器響應(yīng)強(qiáng)度做線性回歸分析，相關(guān)系數(shù)在0.999以上，采用21次過程空白溶液的測定，以3倍儀器響應(yīng)強(qiáng)度值標(biāo)準(zhǔn)偏差與曲線斜率的比值作為檢出限，經(jīng)計(jì)算得出，21次過程空白溶液測定結(jié)果響應(yīng)值均值為0.001 295，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.000 18，方法檢出限為 0.038 62 μg/L。

使用標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅱ，稀釋成 1.00 μg/L、5.00 μg/L、10.0 μg/L、50.0 μg/L、100 μg/L、500 μg/L 系列濃度點(diǎn)，按照上述儀器條件進(jìn)行測定，以濃度值為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液與內(nèi)標(biāo)元素的CPS比值為縱坐標(biāo)，最小二乘法擬合得方法校準(zhǔn)曲線Y=0.014 0X+0.001 3，相關(guān)系數(shù)R＞0.999，以樣品取樣量10 g，提取劑體積20 mL，按照以下公式計(jì)算方法檢出限

式中：X——土壤樣品方法檢出限，mg/kg；

C——溶液方法檢出限，μg/L；

V——提取液體積，mL；

M——稱樣量，g

經(jīng)計(jì)算，方法檢出限為0.077×10-3mg/kg。

3.2 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取相同樣品10.00 g，共計(jì)稱取20份，其中兩份樣品中有效態(tài)鉻元素為本底濃度，其他18份樣品分成三組，每組6份，每組分別加入標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅱ0.20 mL、標(biāo)準(zhǔn)中間液Ⅰ0.40 mL和1.00 mL，按1.3.2方法制備溶液，加標(biāo)量依次分別為2.00 μg/kg、400 μg/kg、1 000 μg/kg。同時(shí)，每批次至少兩個(gè)過程空白樣品，試驗(yàn)結(jié)果見表4。方法的精密度為3%～10%，準(zhǔn)確度為80%～105%，參照HJ 804-2016《土壤8 種有效態(tài)元素的測定 二乙烯三胺五乙酸浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》A.1和A.2精密度和回收率的情況，該方法的精密度和準(zhǔn)確度能夠滿足日常有效態(tài)鉻元素的測定要求。

表4 精密度和準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果（n=6）

3.3 干擾試驗(yàn)

準(zhǔn)確稱取6份土壤樣品，每份10.00 g，將其隨機(jī)分成三組，編記為A、B、C，每組2份平行試樣，將濃度為1 000 mg/L的鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鎂（Mg）、銅（Cu）、鋅（Zn）、鐵（Fe）、猛（Mn）、鉛（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、鎘（Cd）、鋁（Al）、鎳（Ni）、銀（Ag）、鉬（Mo）、錫（Sn）、鈷（Co）、釩（V）、鈦（Ti）、鋰（Li）、鈹（Be）、鉍（Bi）、金（Au）24個(gè)金屬元素混合標(biāo)準(zhǔn)液分別加入到上述三組中，A、B、C三組加入的標(biāo)準(zhǔn)液體積分別為0.20 mL、0.50 mL和1.00 mL。按照上述提取流程和儀器條件進(jìn)行測定，結(jié)果見表5。

表5 干擾試驗(yàn)A、B、C三組回收率

從表5可知，不同濃度的其他金屬基質(zhì)對(duì)測定鉻元素的干擾影響較小，回收率在82%～103%。

4 結(jié)語

本研究采用碳酸氫銨-二乙烯三胺五乙酸（ABDTPA）作為提取劑，電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤樣品中有效態(tài)鉻元素的含量，方法靈活，操作簡便，精密度、準(zhǔn)確度、抗干擾性均能滿足檢測的要求。