涡旋提取-石墨炉原子吸收光谱法测定土壤中有效态镉

曹 静，赵士权，袁金华

(南京市疾病预防控制中心，南京210003)

土壤作为农业生产的重要载体，是保障农产品质量安全的关键源头。近年来，随着经济的快速发展，土壤中重金属污染问题日益凸显，已成为世界性的重大环境问题之一。目前针对土壤中重金属的调查分析大多处于总量水平，这并不能全面地评价重金属的生态风险，因为土壤-重金属-生物体之间存在复杂的动态相互作用，土壤中只有部分重金属能被生物体吸收，这部分能被生物体吸收利用的元素以特定的形态存在，这种特定的形态被称之为有效态。土壤中重金属能否被植物吸收主要取决于该元素的有效态[1]，因此土壤中重金属有效态含量的测定，对评价和控制其生物毒害作用具有更实际的意义。镉是生物蓄积性强、具有“三致”作用的剧毒元素，会通过食物链富集到人体，从而对人体健康造成危害[2]。目前我国暂未制定土壤中有效态镉的限量标准，关于土壤中有效态镉含量测定方法的研究也较少[3-5]，国家标准方法GB/T 23739－2009(S)《土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法》前处理采用振荡器低效提取，提取时间长，试剂用量大，提取液根据含量高低选用火焰原子吸收光谱仪或者石墨炉原子吸收光谱仪，操作较繁琐，无法满足批量样品快速分析的要求。文献[3-4]采用超声提取-电感耦合等离子体质谱法，前处理操作简单，但仪器成本较高，方法应用的推广有一定的局限性，且由于土壤样品基体复杂，容易堵塞雾化器导致仪器故障。

本工作采用高效的涡旋混合技术对土壤样品进行振荡涡旋提取，建立了快速测定土壤中有效态镉含量的方法。本方法操作简单，准确度高，前处理高效省时，适于批量土壤样品中有效态镉的快速测定，可为其限量标准的制定提供方法支持。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

AA280Z型石墨炉原子吸收分光光度计；Milli-Q 型纯水器；JZ-5013型多管涡旋混合仪。

镉标准储备溶液:1 000 mg·L－1。

镉标准溶液:移取1 000 mg·L－1镉标准储备溶液10.00 m L 至100 m L 容 量瓶中，用新制的1%(体积分数，下同)硝酸溶液定容，按此法逐级稀释，最终得到5.0μg·L－1的镉标准溶液。

二乙三胺五乙酸(DTPA)提取剂:称取1.967 g DTPA 溶于14.92 g三乙醇胺和少量水中，再加入1.11 g无水氯化钙，将上述混合液转移至1 L 容量瓶中，用水定容，用盐酸调p H 至7.3，备用。

磷酸二氢铵为色谱纯；硝酸钯、盐酸、硝酸均为优级纯；DTPA、无水氯化钙、三乙醇胺均为分析纯；试验用水为超纯水(电阻率大于18.2 MΩ·cm)。

1.2 仪器工作条件

测定波长228.8 nm；光谱通带宽度0.5 nm；灯电流5.0 m A；积分模式采用峰高法；扣背景采用塞曼扣背景；样品进样体积为10μL，基体改进剂(10 g·L－1的磷酸二氢铵溶液)进样体积为3μL。石墨炉升温程序见表1。

1.3 试验方法

土壤样品经自然风干后，除去石子和动植物残体等异物，碾压，通过2 mm 尼龙筛，混匀，用研钵将通过2 mm 尼龙筛的土壤样品研磨至全部通过0.149 mm 的尼龙筛，混匀后备用。

称取研磨后的土壤样品0.500 g，置于15 m L塑料离心管中，加入DTPA 提取剂10 m L，置于多管涡旋混合仪上，在1 800 r·min－1转速下振荡涡旋提取10 min，取下离心管，以4 000 r·min－1转速离心3 min，移取上清液按仪器工作条件进行测定。试剂空白与样品用同样方法处理。

表1 石墨炉升温程序Tab.1 Graphite furnace heating procedure

2 结果与讨论

2.1 前处理方法的选择

试验选用高效的涡旋混合仪对土壤样品进行振荡涡旋提取，取0.500 g样品至塑料离心管中，按一定的土液比加入DTPA 提取剂10 m L，对转速和提取时间进行考察。一般来说，转速越高，振荡涡旋越充分，但过高的转速容易损耗仪器，且达到一定转速后，样品溶液呈完全涡旋状态，此时样品和提取剂接触完全。试验表明:提取剂用量为10 m L，转速为1 800 r·min－1时，样品溶液能够充分涡旋，样品和提取剂之间反应完全。试验选择提取转速为1 800 r·min－1。

提取时间对提取效率有一定的影响，一般提取时间越长，提取越完全，但提取到一定时间后，反应将达到动态平衡状态。试验在提取时间依次为5，10，20，30，60，120 min时对土壤有效态成分分析标准物质(GBW 07460)进行测定。结果表明:在1 800 r·min－1转速下，提取时间为10 min 时，测定值接近认定值，继续延长提取时间，测定值变化不大，趋于稳定。由此可以看出:提取时间为10 min时，土壤固相吸附有效态镉与提取液液相有效态镉基本达到吸附交换平衡。试验选择提取时间为10 min。

2.2 测定条件的选择

2.2.1 基体改进剂

土壤样品成分复杂，即使经过前处理，依然存在严重的基体干扰，分析土壤样品一般需要加入基体改进剂。国家标准方法没有明确使用基体改进剂，但是试验过程中发现不添加基体改进剂对测定值有一定的影响。基体改进剂的作用原理一般是用化学方法改变样品的基体组成，可使基体形成易挥发性化合物在原子化前驱除，降低背景吸收，也可使基体形成难解离的化合物，避免分析元素和基体反应形成易挥发难解离的一卤化物，降低灰化损失和气相干扰，或使分析元素形成热稳定的化合物或热稳定的合金，降低其挥发性以防止灰化过程中的损失。目前常用的基体改进剂有硝酸钯溶液和磷酸二氢铵溶液，试验以土壤有效态成分分析标准物质(GBW 07460)为样品，分别采用500 mg·L－1硝酸钯溶液和5，10，20 g·L－1磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂，考察了基体改进剂对土壤样品分析的影响。结果发现:土壤样品在未加基体改进剂时，背景信号很高，干扰严重，导致测定值偏低；采用500 mg·L－1硝酸钯溶液作为基体改进剂时，背景信号有所降低，但是样品峰形矮胖，而标准溶液峰形尖锐，两者峰形不一致，导致测定值偏低。硝酸钯的作用机理一般是通过与样品中待测元素形成热稳定的合金以降低待测元素的挥发性，但是对基体的去除作用有限，基体的存在影响了样品的峰形，导致测定值偏低。采用磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂时，背景干扰显著减小，样品峰形改善，尖锐平滑，但是试验发现不同质量浓度的磷酸二氢铵溶液对有效态镉的测定值有一定的影响。采用20 g·L－1磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂时，测定值偏高；采用5 g·L－1磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂时，测定值偏低；采用10 g·L－1磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂时，测定值在认定值范围内。磷酸二氢铵作为基体改进剂，一方面能使基体形成易挥发的化合物降低背景吸收，另一方面可与待测元素形成热稳定的化合物，以提高灰化温度并使信号更稳定，其含量不同对基体造成的影响也不同。当磷酸二氢铵含量较低时，去干扰程度不够导致背景信号相对较高；当磷酸二氢铵含量过高时，其可能对分析元素产生干扰。试验选择10 g·L－1的磷酸二氢铵溶液作为土壤中有效态镉测定的基体改进剂。

2.2.2 灰化温度

基体比较复杂的土壤样品在选用合适的基体改进剂后，应选用较高的灰化温度以尽可能地去除基体，但灰化温度偏高，会造成待测元素的损失。试验以土壤有效态成分分析标准物质(GBW 07460)为样品，考察了灰化温度为400～600℃时对土壤样品分析的影响。结果表明:当灰化温度为400℃时，样品背景信号值高，且出峰时间晚，影响了测定的准确性，测定值偏低。试验按50℃梯度逐渐升高灰化温度，结果表明:当灰化温度升至550 ℃时，基体的信号明显降低，样品峰形尖锐，出峰时间提前至原子化升温阶段，且测定值在认定值范围内；继续升高灰化温度，基体信号略微降低，测定值基本稳定。试验选择灰化温度为550 ℃。

2.3 标准曲线和检出限

移取适量的5.0μg·L－1镉标准溶液，以1%硝酸溶液作为稀释剂和空白溶液，加入10 g·L－1磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂，配成0.5，1.0，2.0，3.0，4.0μg·L－1的镉标准溶液系列。按仪器工作条件对上述镉标准溶液系列进行测定，采用线性最小二乘法拟合，仪器分析软件以镉的质量浓度与其对应的吸光度自动绘制标准曲线[6]。结果表明:镉的线性范围为0.5～4.0μg·L－1，线性回归方程为y＝8.957×10－2x ＋7.620×10－3，相 关 系 数 为0.999 8。

测定空白溶液11次，以3倍标准偏差计算方法检出限(3s)，结果为0.3 pg。

2.4 精密度和准确度

按试验方法对3份不同浓度水平的土壤有效态质控样品进行分析，平行测定6次，计算测定值和测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表2。

由表2可知:本方法的准确度高，精密度好。

本工作采用涡旋提取-石墨炉原子吸收光谱法测定土壤中有效态镉。采用本方法对土壤有效态质控样品进行方法验证，测定值均在认定值的容许范围内，说明本方法适用于土壤中有效态镉的测定，可为完善相关标准提供参考。本方法样品前处理操作简单快速、所耗试剂量少，可批量处理样品，有效地节约了时间和资源成本，降低了对环境的污染成本，能满足实验室大批量样品前处理的需求，对监测土壤中有效态镉的污染具有一定的意义。

表2 精密度和准确度试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and accuracy(n＝6)