ICP-OES法測量分析土壤中的八種重金屬元素

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本周我們請到的是的是華東理工大學(xué)分析測試中心副主任張玲帆老師。

博士，高級工程師，碩士生導(dǎo)師。華東理工大學(xué)分析測試中心副主任、質(zhì)量負(fù)責(zé)人，國家認(rèn)監(jiān)委CMA認(rèn)證國丨家級評審員，中國質(zhì)量檢驗協(xié)會檢驗檢測設(shè)備分會原子光譜應(yīng)與技術(shù)專業(yè)委員會委員。2008年畢業(yè)于華東理工大學(xué)分析化學(xué)專業(yè)，獲得碩士學(xué)位；后留校分析測試中心工作，主要負(fù)責(zé)ICP-OES和ICPMS的測試、科研、教學(xué)和培訓(xùn)工作；2014年獲得華東理工大學(xué)分析化學(xué)博士學(xué)位。近年來在生物吸附材料、無機(jī)-生物大分子復(fù)合材料、原子光譜分析、殼聚糖化學(xué)等方面開展研究，在Journal of Materials Chemistry A ，Journal of Hazardous Materials，Chemical Engineering Journal，International Journal of Biological Macromolecules，Power Technology等知名期刊上以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文20余篇。

重金屬音樂，以其極富能量的演奏及演唱風(fēng)格在搖滾音樂圈中圈粉無數(shù)。然而“重金屬”土壤卻讓人痛心不已。

隨著我國經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)建設(shè)帶來的環(huán)境污染事件頻發(fā)，一些廢氣廢水廢渣的排放導(dǎo)致環(huán)境中重金屬含量嚴(yán)重超標(biāo)，已經(jīng)影響到人類的生命健康^[1]。鎘大米、 水俁病、血鉛……這些詞令人觸目驚心。而土壤污染一旦發(fā)生便很難恢復(fù)，土壤中重金屬元素的含量監(jiān)測現(xiàn)已成為當(dāng)下關(guān)注的焦點。因此建立準(zhǔn)確、高效、快速的土壤中無機(jī)重金屬元素的檢測方法的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值不言而喻 ^[2]。

目前，分析土壤中的重金屬元素常用方法主要為電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）、火焰原子吸收光譜法 (AAS) 、電感耦合等離子體質(zhì)譜法 (ICP-MS) 、原子熒光法 (AFS) 等^[3-5]。其中，ICP-OES作為一種靈敏度高、快速、高效的檢測手段在食品、環(huán)境及其它領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用^[6]。ICP-OES方法是分析土壤中的重金屬元素的含量的重要手段之一。

本文主要采用HCl-HNO₃-HF消解體系，采用快速濕法消解, 對標(biāo)準(zhǔn)土壤（GSS-7）以及一種實際環(huán)境土樣進(jìn)行預(yù)處理, 利用ICP-OES對土壤中銅、鎘、鉛、鎳、鋅、鉻、鈷、錳八種重金屬元素進(jìn)行測定。建立了一種直接檢測土壤中八種重金屬元素含量的檢測方法, 并對實際環(huán)境土壤樣品中的重金屬進(jìn)行分析研究,表該方法可同時檢測各類元素且快速高效、方法簡單、結(jié)果令人滿意。

材料與方法

1試劑與耗材

硝酸（默克Suprapur^?，貨號：1.00441 ）

鹽酸（默克Suprapur^?，貨號：1.00318）

氫氟酸（默克Suprapur^?，貨號：1.00335）

氬氣（高純級）

50 mL離心管

超純水（由默克Milli-Q^?超純水儀提供的超純水）

2儀器與設(shè)備

      Agilent 725 ICP-OES 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀

       AL104/01型分析天平、

默克Milli-Q^?超純水儀、

全自動石墨消解儀

3標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

環(huán)境分析多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（默克，貨號：1.09411.500）

土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GSS-7（默克，貨號：CRM045-50g）。

實驗方法

1樣品前處理——濕法消解

l  將干燥后的土壤樣品用研缽研細(xì)，隨后用0.49 mm的尼龍篩過篩，準(zhǔn)確稱取4種不同的土壤樣品（約0.1 g，精確至0.0001 g）并分別加入到50 mL離心管中，每種樣品稱取平行樣3份。

l  稱好的樣品用少量水潤濕，加入3 mL鹽酸、1 mL硝酸、2 mL氫氟酸并輕微搖晃。

l  將離心管放在已經(jīng)預(yù)熱好的石墨消解儀里，120 ℃消解2 h。取下冷卻后用水沖洗內(nèi)壁及蓋子并定容至50 mL，搖勻后待測。

* 每批樣品至少制備1個試劑空白。

2       標(biāo)準(zhǔn)溶液的配置

l  標(biāo)準(zhǔn)儲備液:移取5 mL的1000 mg/L多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋至50 mL，用1%的硝酸溶液定容, 得到100 mg/L的多元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液。

l  標(biāo)準(zhǔn)工作溶液：分別移取0.5 mL、1 mL、2.5 mL、5 mL以及10 mL的100 mg/L的多元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液于50 mL容量瓶中, 用1%的硝酸溶液定容, 得到濃度分別為1.0 mg/L、2.0 mg/L、5.0 mg/L、10.0 mg/L和20.0 mg/L的多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液。

3 儀器工作條件及樣品定量分析

儀器最佳分析條件如表一所示。

表1  ICP-OES儀器操作條件

按上述ICP-OES最佳工作條件設(shè)置儀器參數(shù)以及定量分析方法，包括選擇測定的元素、所選元素的分析線、標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度、重復(fù)測定次數(shù)等。待儀器等離子體點火15 min穩(wěn)定后，分別測定已配置好的空白樣品、重金屬混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。最后，繪制得到一系列標(biāo)準(zhǔn)曲線，用于測定土壤樣品中金屬離子的含量。

結(jié)果討論

1  校準(zhǔn)曲線與檢出限

通過對Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、[SL1] Zn八種重金屬元素譜圖進(jìn)行分析, 選擇干擾少、信噪比高的譜線作為分析線并測定相應(yīng)的發(fā)射光強(qiáng)度，得到不同元素的線性回歸方程及相關(guān)系數(shù)，取3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度為各元素的檢出限。（見表2）。

表2  不同元素的分析譜線、線性回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

結(jié)果顯示，各元素在0.01 ~20.0 mg/L[SL4] 的范圍內(nèi)線性相關(guān)系數(shù)均大于0.9997，檢出限均小于全國土壤污染狀況分析測試方法技術(shù)規(guī)定的要求。表明該方法可以滿足測定土壤中重金屬元素含量的要求。

2  精密度和準(zhǔn)確度

    準(zhǔn)確稱取GSS-7土壤標(biāo)樣3份, 按上述消解過程和儀器最佳工作條件進(jìn)行前處理和分析測定, 結(jié)果見表3。各元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于4%, 符合規(guī)范要求, 說明該方法可行。

表3 標(biāo)準(zhǔn)土壤物質(zhì)測試數(shù)據(jù)（mg/kg、n=3）

3  樣品測試結(jié)果

通過對GSS-7標(biāo)樣進(jìn)行測試分析, ICP-OES檢測土壤中重金屬的測試方法具有高的精密度和準(zhǔn)確度, 由此按照前述步驟測定三種實際土壤樣品（取自某校園內(nèi)不同花圃土壤），所得數(shù)據(jù)見表4。

表4 某校園內(nèi)花圃土壤重金屬含量測試結(jié)果（mg/kg、n=3）

3.      結(jié)論

本文建立了快速濕法消解-原子發(fā)射光譜法測定土壤中重金屬元素含量的分析方法，對前處理方法，儀器參數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)曲線，檢出限，精密度和準(zhǔn)確度等進(jìn)行了討論。其線性關(guān)系良好，精密度良好，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD，n=3)小于4.0%。

本文報道的方法簡單、快速、高效、靈敏、準(zhǔn)確，能夠滿足日常監(jiān)測土壤重金屬含量的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]. LIU Min, XU Shiyuan, HOU Lijun, et al.The development and practice of city natural geography[J].Beijing:China Meteorological Press, 2006, 37 (1) :486-490.

[2]. Massadeh A M , Alomary A A , Mir S , et al. Analysis of Zn, Cd, As, Cu, Pb, and Fe in snails as bioindicators and soil samples near traffic road by ICP-OES[J]. Environ, Pollut Res Int, 2016, 23(13):13424-13431.

[3]. Crominski D S M D C , Piechontcoski F , Lovo D R W E R , et al. Fast and effective simultaneous determination of metals in soil samples by ultrasound-assisted extraction and flame atomic absorption spectrometry: assessment of trace elements contamination in agricultural and native forest soils from Parana - Brazil[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2020, 192(2):111.1-111.15.

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[5]. Jiao X U , Zuo-Feng Y , Chao-Gui Y , et al. Determination of Mercury in Soil by HG-AFS[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2019.

[6]. Wei H , Yinan X , Xian P , et al. Simultaneously determinat 7 kind of metal elements in soil by ICP-OES-standard addition method[J]. Environment & Development, 2014.