便携式XRF测定仪在土壤检测中的应用及其影响因素

张建民(青海省地质矿产测试应用中心，青海 西宁 810000)

0 引言

由于近年来我国相关政府部门加强了对土壤检测的重视，在检测技术方面也取得了不少成果，但当下在土壤检测中应用最为便捷且成本较低的当属便携式XRF测定仪，它可以一键测定土壤中的多种元素。

1 土壤检测的意义

土壤是植物生长的基础，更是人类赖以生存的自然资源，土壤的形成是一个极其缓慢的过程，每形成一厘米厚的土壤就需要上千年或更长的时间。从全国首次土壤污染状况调查结果显示我国耕地土壤环境质量堪忧，部分地区的土壤污染较为严重，土壤总的点位超标率为16.1%：一是农用地土壤环境质量不容乐观；二是工矿企业及其周边的土壤环境问题突出；三是土壤环境压力持续加大。经调查显示长三角、珠三角、东北老工业基地等部分区域土壤污染问题较为突出，不少大中城市正面临着重污染行业大批企业的关闭和搬迁问题，导致城市出现大量遗留、遗弃场地。这些场地被成为“棕地”主要原因来自于长期以来的经济发展方式粗放、污染物排放远远超出环境的容量，同时存在污染底数不清、法律标准缺失、防治体系不健全、科技支撑不够、资金投入不足、各方认识不统一等问题，大大影响了土壤污染防治工作的开展。调查结果还显示，西南、中南等地区土壤重金属超标。基于此我国逐渐加强对土壤检测的重视并出台了《土壤污染防治行动计划》以改善土壤环境质量为核心、以保障农产品质量和人居环境安全为出发点共提出了有231项具体措施。

2 便携式XRF测定仪在土壤检测中的作用

2.1 XRF原理

所谓XRF总称为“X射线荧光光谱分析”，目前是一项应用较为广泛的分析技术，它能够有效分析土壤中的多种元素。除此之外在石油、矿物等方面的应用同样普及。X射线是电磁波普的一个组成部分，能量介于紫外线与γ射线之间，能量单位是千电子伏特、波长单位是纳米。例如化学元素表中钠到铀之间的元素或10-6到100%的元素浓度范围都可通过XRF进行分析[1]。通常XRF仪器由X射线光源与X射线管两部分组成，其次是探测器。光源射出的一次X射线能够直接照在土壤表层，有时也会经过一个过滤器改变射线。射线照到土壤内的原子开始分析元素，同时会发射出X射线荧光也就是二次X射线，此时荧光会被探测器吸收后进行处理，在光谱上记录的荧光能量则是土壤中元素的特征。XRF能够提供关于土壤的定性信息，同时也是一项定量分析的技术，由土壤原子发射出的荧光被探测器收集，在仪器中开始进行处理并绘制出光学频谱，这些光学频谱能够表达出X射线强度与能量的关系，根据特征谱线就能够分辨出土壤中所含的元素。当前在土壤检测中XRF的优势较其他分析技术相比更加明显，具有分析速度快、能够分析土壤中的多种元素类型的优点，而且不会对土壤造成任何破坏。相对来说XRF分析技术的成本较低，因此目前在世界各地都被推广使用。

2.2 便携式XRF测定仪

目前随着科学技术的不断进步和相关科研人员的不断研究，便携式XRF测定仪证明了它的能力，彻底改变了土壤检测。XRF是无损检测手段，成为了一项能够快速筛选土壤中有毒金属含量的最理想工具，在操作上也极为便捷，只需要将仪器的检测窗对准土壤、扣动扳机、读取结果。检测在几秒中内即可完成，有助于考虑下一步采取的警戒或修复。想要使检测结果具备代表性可以挖一些土样并放入塑料袋中进行混合，这样能够使样品更加均匀，提高准确度和精度。

2.3 实验分析

2.3.1 实验仪器

采用Olympus DELTA Element便携式XRF分析仪，具有极佳的测试性能，能够快速检测并具有较高的精度，基于XRF技术Delta Element能够提供准确、快速的无损检测，适用于筛选、分选和对分析对象的元素进行快速识别。拥有坚固的设计和特征鲜明的橡胶模具，具有保护膜，确保即使在恶劣的环境中也能正常使用。该便携式XRF分析仪重量较轻、易于携带。

2.3.2 土壤样品

老旧建筑周围的土壤中通常含有铅元素，来自于含铅涂料的磨损，建筑门窗下的土壤含有更高含量的铅基本来自于工业区的粉尘沉积。即使近代所建的房屋在周围的土壤中也可能含有有毒金属，这些有毒金属大多来自于工厂或烟囱的颗粒物沉积，经过长时间的雨雪冲刷逐渐进入到土壤中，而工业污染物中的金属元素也会经地表水或废液流入到土壤中。以一个位于工业区中的老旧建筑物周围的土壤作为试验样品，周围有皮革厂和发电厂，但建筑物位于山上，因此地表水或排放的污水并不会影响到土壤中的重金属，但考虑其年代久远以及附近的工业园区，土壤中的Pb含量不容忽视，为了较好测试地下土壤，需要将土壤表面的石头块去掉，与此同时为了防止样品间的污染，在土壤表面放置一个塑料袋，将分析仪检测窗对准塑料袋直接进行检测。

2.3.3 样品分析

通过便携式XRF仪器对土壤进行基础测试后要采集一些土样并送往实验室进行研究，在实验室中通常要将土壤进行干燥、粉碎和过筛，来制作均匀的样品，参照国家标准规定的分析方法对土壤中的重金属含量进行研究。

2.3.4 便携式XRF仪器与实验室研究对比

为了证明便携式XRF仪器分析与实验室分析之间是否存在较大差异，分别对土壤样品的As、Cu、Ni、Pb、Zn等元素进行了检测，检测结果如表1所示。

表1 便携式XRF仪器与实验室研究对比 单位：mg/kg

从上述图表可见便携式XRF仪器检测与实验室检测的偏差值范围在0.5之内，由此可见便携式XRF仪器检测的精度堪比实验室。虽然便携式XRF仪器检测的精度较高，但实际上与实验室检测还存在一些差异，并不完全匹配。针对其中存在的偏差值继续进行思考。

3 便携式XRF测定仪在土壤检测中的影响因素分析

3.1 土壤水分的影响

由于土壤样品的组成较为复杂，尤其在土壤所在位置上通过便携式XRF测定仪检测其中的重金属时，在不同的天气环境下土壤的湿度也具有一定差异，而且土壤中的重金属种类也并不是单一的，与此同时土壤水分的变化规律也存在不同[2]。据相关资料表明土壤的含水量会直接影响到X射线吸收特征，为进一步推断土壤水分对便携式XRF测定仪检测的影响，准备一份土壤原样品和一份经过风干选筛过后的土壤样品，利用便携式XRF测定仪分别对两种土壤样品进行检测，反复检测3到4次后对比两种土壤样品检测的精密度，具体检测结果如表2所示。

表2 两种土壤样品检测的精密度对比

从以上图表可知通过便携式XRF测定仪分别对土壤原样品和风干土壤样品进行检测，得出的结果存在一定偏差，可证明土壤中的水分能够直接影响到X射线的吸收特征，影响测定结果。五种元素受到的影响程度均不同[3]。此外还有相关研究表明如果土壤水分不断增加则相对标准差就会变高，所以根据相关研究和试验表明土壤在保持干燥的环境下通过便携式XRF测定仪进行检测的真实值会更高。因此如果在室外进行土壤检测时应选择天气较好且地表干燥的时间进行。

3.2 土壤粒径的影响

经相关资料分析表明土壤的质地能够直接影响光普的反射率，如果土壤的粒径较大就会吸收更多的水分和空气、如果粒径较小，结合就越紧密，对光普的反射率具有一定影响。为了进一步判断土壤粒径对便携式XRF测定仪检测的影响，分别选取了粒径为1 mm和2 mm的土壤样品进行检测，对比不同粒径的精密度，具体检测结果如表3所示。

表3 不同粒径的精密度对比 单位：%

从图表可知土壤粒径为1 mm的测试精密度要优于土壤粒径为2 mm的测试精密度。由此可见土壤粒径确实能够影响便携式XRF测定仪的检测。

4 便携式XRF测定仪在土壤检测中的未来展望

虽然在土壤检测中可能会受到土壤含水量或土壤粒径的影响对检测结果出现一定影响，但这些影响因素都是可以避免的，现如今便携式XRF测定仪在土壤的检测中应用越来越广泛，不仅能够进行土壤污染调查，还能够为土壤的污染提供决策，节省了大量的试验时间和调查费用[4]。方便了土壤环境管理，对土壤污染的管控具有重要意义。

5 结语

土壤环境与人们的生活息息相关，作为人们赖以生存的自然资源，防止土壤污染是当下尤为重要的研究课题。现如今我国在土壤的检测技术上已经取得了很大进步，而便携式XRF测定仪对于土壤的检测具有重要意义，本文对土壤检测的意义进行了浅显的说明，主要针对便携式XRF测定仪在土壤检测中的应用和影响因素作了详细分析，证明了便携式XRF测定仪对土壤检测的能力，进一步提高了我国土壤检测水平。