使用PinAAcle™ 900H原子吸收光譜儀分析土壤中的重金屬元素

作者：程書(shū)莉 劉秋麗

介紹

土壤作為食物鏈的首端，在食品安全中起著核心作用。然而，根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織2015年發(fā)布的《世界土壤資源狀況報(bào)告》，由于人類(lèi)過(guò)度或不恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)和利用，全球約33％的土壤正處于退化狀態(tài)[1]。

土壤重金屬污染是全球普遍存在且最為嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。重金屬污染不僅會(huì)降低農(nóng)作物的產(chǎn)量，還會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品食用者的健康[1-4]。隨著人們?cè)絹?lái)越深入地認(rèn)識(shí)到食物中重金屬對(duì)人類(lèi)健康的影響，土壤資源的質(zhì)量問(wèn)題引起了廣泛的關(guān)注。

重金屬不能降解，又具有毒性，在人體中積聚會(huì)導(dǎo)致各種嚴(yán)重疾病，包括癌癥。鎘（Cd）、鉛（Pb）和鉻（Cr）通常被視為毒性很大的元素，即使它們的濃度很低，也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。鋅（Zn）、鎳（Ni）和銅（Cu）是植物必需的微量金屬，但超過(guò)一定濃度，便會(huì)有毒性。因此，對(duì)土壤中的這六種金屬進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測(cè)是保護(hù)食品質(zhì)量和安全極為重要的一環(huán)。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的土壤污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。為了預(yù)防和控制土壤污染，中國(guó)政府自2016年起開(kāi)始實(shí)施《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱(chēng)《土十條》，并在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行土壤質(zhì)量抽樣分析。同時(shí)，中國(guó)環(huán)境保護(hù)部于2018年8月發(fā)布了新的國(guó)家土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 15618-2018，對(duì)農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤中重金屬的最大濃度水平做出了規(guī)定。

因此，政府的環(huán)保部門(mén)將更加嚴(yán)格地監(jiān)控土壤質(zhì)量。與舊版土壤標(biāo)準(zhǔn)相比，新法規(guī)分別規(guī)定了農(nóng)用地和建設(shè)用地土壤管控的參考值和管制值兩個(gè)極限值，如表1所示。

標(biāo)準(zhǔn)GB 15618-2018和GB 36600-2018將原子吸收光譜法（AA）定義為測(cè)定這幾種重金屬的分析方法，同時(shí)還規(guī)定了用于分析鉛和鎘的石墨爐原子吸收法（GFAA）以及用于分析鉻、銅、鎳和鋅的火焰原子吸收光譜法（FLAA）。

表1中國(guó)法規(guī)規(guī)定的pH值為5.5-6.5時(shí)土壤中重金屬含量的參考值[5,6]

中國(guó)法規(guī)規(guī)定的pH值為5.5-6.5時(shí)土壤中重金屬含量的參考值[5,6]

中國(guó)法規(guī)規(guī)定的pH值為5.5-6.5時(shí)土壤中重金屬含量的參考值[5,6]

但是，由于土壤樣品種類(lèi)繁多，對(duì)準(zhǔn)確度和樣品測(cè)試通量又有著嚴(yán)格的要求，測(cè)定土壤中重金屬元素的含量成為分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室面臨的一大挑戰(zhàn)。中國(guó)國(guó)標(biāo)方法中的樣品前處理方法耗時(shí)長(zhǎng)，不適合大批量樣品檢測(cè)。

土壤樣品的傳統(tǒng)消解方法是使用電熱板或微波消解儀來(lái)完成，采用HNO3-HCl或HNO3-HF混酸消解（EPA 3050b、EPA 3051a、EPA 3052），或者HNO3-HCl?HF-HClO4四酸消解（GB 15618）[11-14]。用此類(lèi)方法分解土壤通常需要2~3個(gè)小時(shí)，并且需要消耗大量的酸。使用的酸越多，產(chǎn)生污染的可能性也越大，石墨管的壽命也越短。本研究旨在探討建立一種快速可靠的土壤消解方法，通過(guò)原子吸收光譜儀快速準(zhǔn)確地測(cè)定鎘、鉻、銅、鎳、鉛和鋅元素的含量。

實(shí)驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)品、化學(xué)物質(zhì)和有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

珀金埃爾默的單元素標(biāo)準(zhǔn)品（參見(jiàn)附錄3）用來(lái)作為制備校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣品的儲(chǔ)備液。所有標(biāo)準(zhǔn)溶液均用18.2 MΩ•cm的去離子水，1％（按體積稀釋?zhuān)?/span> Suprapur®級(jí)硝酸在聚丙烯小瓶中制備。采用帶有一次性吸頭的微量移液器（ Eppendorf, Germany）進(jìn)行移液。HNO3、HCl和HF（ Merck®, Germany)）均為Suprapure級(jí)。同時(shí)使用磷酸二氫銨作為石墨爐原子吸收法分析中的基體改進(jìn)劑。

樣品制備

為進(jìn)行方法驗(yàn)證，選用從中國(guó)國(guó)家地球物理研究所購(gòu)買(mǎi)的四種不同土壤的有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM）（GSS 2、GSS 8、GSS 13、GSS 14）。使用SPB 50-48石墨消解器珀金埃爾默進(jìn)行樣品預(yù)處理。這種快速消解法依據(jù)美國(guó)環(huán)保署方法EPA3052和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從土壤樣品中提取元素，但并不*分解土壤樣品。

稱(chēng)取約0.5g的土壤樣品，直接放入50mL聚丙烯消解管中。，所有土壤樣品均采用同樣的酸比例進(jìn)行消解，每份樣品中分別加入3.0mLHCl、1.0mL濃HNO3和2.0mL HF。同時(shí)制備只包含這幾種酸的分析試劑空白。將樣品管放于消解孔中，用蓋子輕輕蓋住容器，將樣品在120℃下消解1小時(shí)。消解后，將冷卻的消解樣品溶液用18.2 MΩ•cm的去離子水稀釋至最終體積50.0mL，然后離心處理，上清液用于分析。

這種消解方法的優(yōu)點(diǎn)是縮短了樣品制備時(shí)間，且使用的酸較少，從而延長(zhǎng)了石墨管的使用壽命。如表3所示，這種快速消解總共使用了6mL酸，而其他消解方法需要10~20mL。此外，使用SPB消解系統(tǒng)的一次性聚丙烯消解管，不需要轉(zhuǎn)移樣品，還可以最大限度地減少

污染源。

表3不同消解方法對(duì)比

原子吸收儀

所有測(cè)量均使用配備4.0 版Syngistix® for AA軟件的珀金埃爾默 PinAAcle™ 900H原子吸收光譜儀（PerkinElmer ，中國(guó)上海）來(lái)完成。

此外，PinAAcle 900H還可以與新型Syngistix for AA Express®軟件搭配使用，該軟件可簡(jiǎn)化工作流程，僅需三個(gè)步驟即可獲得結(jié)果。兩種軟件均含有分析樣品、報(bào)告數(shù)據(jù)和記錄數(shù)據(jù)所需的所有工具。PinAAcle™ 900光譜儀采用先進(jìn)的光纖光路設(shè)計(jì)，可最大限度地提升光通量，改善檢出限。高效雙光束光學(xué)系統(tǒng)和固態(tài)檢測(cè)器確保獲得ji佳的信噪比，而氘燈背景校正可消除大多數(shù)干擾。

所有火焰吸收測(cè)量過(guò)程都采用了標(biāo)準(zhǔn)高靈敏度的耐腐蝕Pt/Ir毛細(xì)管霧化器組件和空氣-乙炔10cm單縫燃燒頭。

所有石墨爐分析均使用Massman型/HGA石墨管進(jìn)行，并使用了提供148位樣品盤(pán)的AS 900自動(dòng)進(jìn)樣器。所有元素的測(cè)定均使用了空心陰極燈。

儀器操作條件

所有分析均在PinAAcle 900H原子吸收光譜儀上完成，火焰和石墨爐分析使用的儀器參數(shù)分別列于表3和表4。表5列出了石墨爐的升溫程序。

火焰法測(cè)定鉻時(shí)，使用了富燃（黃色）空氣-乙炔火焰，如表3所示。優(yōu)化燃燒器位置和氣體流量，以達(dá)到最佳靈敏度。另一個(gè)重要步驟是在所有樣品和標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入1％的氯化銨（NH4Cl），以消除鐵離子的干擾。在本研究中測(cè)定土壤中的Ni時(shí)，除Ni 232.0nm譜線(xiàn)外，還建議使用352.4nm譜線(xiàn)，因?yàn)?/span>352.4nm譜線(xiàn)受非原子吸收的干擾比默認(rèn)的Ni 232.0nm譜線(xiàn)少[15]。

*AC=乙炔

表4火焰分析儀器操作條件         

使用石墨爐原子吸收法分析Pb和Cd時(shí)，根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB 17141，使用自動(dòng)進(jìn)樣器自動(dòng)向每份標(biāo)準(zhǔn)品、樣品和空白樣品中加入1％的磷酸二氫銨基體改進(jìn)劑，以減少干擾，提升結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度。或者，也可選用硝酸鈀作為改進(jìn)劑，具有等效性能。

表5石墨爐AA分析的儀器操作條件

表6石墨爐的升溫程序

結(jié)果與討論

本研究旨在建立一種土壤常規(guī)分析的高效方法。使用石墨消解器的優(yōu)點(diǎn)包括：減少污染，大大縮短樣品制備時(shí)間，從而提升樣品通量。FLAA和GFAA兩種測(cè)量方法均采用標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行校準(zhǔn)。獲得ji佳的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)（大于0.999），詳見(jiàn)附錄1和2。

檢出限

對(duì)固體樣品，方法檢出限（MDL）是基于重復(fù)測(cè)定11次的試劑空白所得標(biāo)準(zhǔn)偏差的三倍， 及樣品制備的稀釋因子進(jìn)行計(jì)算得出的。如圖1所示， 該方法的檢出限MDL都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表1和表2所列的各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的限值，*符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MDL。

準(zhǔn)確度

使用SPB消解儀對(duì)四種代表性土壤有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS 2、GSS 8、GSS 13和GSS 14進(jìn)行消解，分析測(cè)定，驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確度。測(cè)量結(jié)果和認(rèn)證濃度的對(duì)比情況如下列表6和表7所示，表現(xiàn)出良好的一致性，且回收率ji高，達(dá)到了90-110％，如圖2所示。

表7火焰法FLAA分析四種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS 2、GSS 8、GSS 13和GSS 14

在使用GFAA法進(jìn)行分析時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中所含Pb的濃度較高，使用AS 900自動(dòng)進(jìn)樣器自動(dòng)進(jìn)行稀釋?zhuān)?/span>Pb的濃度保持在校準(zhǔn)濃度范圍內(nèi)，從而產(chǎn)生準(zhǔn)確的結(jié)果。AS 900自動(dòng)稀釋樣品的功能可最da程度地減少用戶(hù)操作錯(cuò)誤，并節(jié)省時(shí)間。校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)樣品的譜峰如圖3所示。出峰時(shí)間和峰形相同，這表明使用標(biāo)準(zhǔn)加入法可有效消除基質(zhì)效應(yīng)。

表8石墨爐原子吸收法GFAA分析四種土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS 2、GSS 8、GSS 13和GSS 14

結(jié)論

配備火焰和HGA石墨爐的PinAAcle™ 900H原子吸收光譜儀適用于分析各種濃度范圍內(nèi)的多種土壤樣品，具有最高的靈敏度和準(zhǔn)確度，性能優(yōu)異。用消解器石墨消解儀消解樣品能夠最大限度地減少產(chǎn)生污染的可能性，并提高實(shí)驗(yàn)室的工作效率。

PinAAcle™ 900H采用火焰/石墨爐一體化設(shè)計(jì)，是一種具有低運(yùn)營(yíng)成本儀器，并滿(mǎn)足對(duì)土壤基質(zhì)的樣品中對(duì)重金屬檢測(cè)基質(zhì)進(jìn)行重金屬測(cè)試具有出色的高靈敏度的要求。

它還使用自動(dòng)進(jìn)樣器，方便進(jìn)行儀器的無(wú)人值守操作，這樣，即使樣品超出校準(zhǔn)范圍，自動(dòng)進(jìn)樣器也可對(duì)樣品適當(dāng)稀釋?zhuān)怪_(dá)到校準(zhǔn)范圍。質(zhì)控樣品、標(biāo)準(zhǔn)品或任何樣品的結(jié)果可以使用該軟件的QC Charting Wizard繪制成圖。限值范圍、均值或預(yù)期值都可以列于圖中。可以快速輕松地繪制質(zhì)量控制圖。

參考文獻(xiàn)

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13.SW-846 EPA Method 3051A, 2007

14.SW-846 EPA Method 3052, 1996

15.Analytical Methods for Atomic Absorption Spectroscopy,Copyright © 1996 The Perkin-Elmer Corporation.

實(shí)驗(yàn)所用的耗材：