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》，由于人類過(guò)度或不恰當(dāng)?shù)拈_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年起開始實(shí)施《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱《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） 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譜線外，還建議使用352.4nm譜線，因?yàn)?/span>352.4nm譜線受非原子吸收的干擾比默認(rèn)的Ni 232.0nm譜線少[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佳的線性相關(guān)系數(shù)（大于0.999），詳見附錄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，使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，使之達(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)

1. World Soil R esources Report, Food and Agriculture Organization of United Nations (FAO), 2015

2. G. Tóth a, T. Hermannb, M.R. Da Silva c, L. Montanarella.Heavy metals in agricultural soils of the European Union with implications for food safety, Environment International 88(2016)-299-309

3. Peralta-Videa, J.R., Lopez,M.L., Narayan,M., Saupe, G.,Gardea-Torresdey, J., The biochemistry of environmental heavy metal uptake by plants: Implications for the food chain. Int. J. Biochem. Cell Biol. 41 (8?9), 1665?1677, 2009

4. HE, Z., SHENTU, J., YANG, X., BALIGAR, V.C., ZHANG, T.&STOFFELLA, P.J., Heavy metal contamination of soils:sources, indicators and assessment, Journal of Environmental Indicators, 9:17-18, 2015

5.GB 15618-2018, Soil envir onment quality risk c ontrol standard for soil contamination of agriculture land, 2018

6.GB 36600-2018, Soil envir onment quality risk c ontrol standard for soil contamination of development land, 2018

7.Kl?rschlammverordnung-AbfKl?rV, BGBL. (1992)

8.Holl?ndische Liste, Niederl?ndisches Ministerium für Wohnungswesen, Raumordnung und Umwelt (1994)

9.Assessment levels for Soil, Sediment and Water, Department of Environment and Conservation, Australia, 2010

10.Soil, Ground Water and Sediment Standards for Use Under Part XV.1 of the Envir onmental Protection Act,Ministry of the Environment, Canada, 2009

11.EPA Method 200.7

12.SW-846 EPA Method 3050B, 1998

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：