测定土壤中重金属元素方法的比较研究

李双妹 崔丽平

摘要：金属元素离子的检测方法有：电感耦合-等离子体质谱法（ICP-MS），原子荧光-光谱法，电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）等，本文通过总结几种测定土壤中元素的测定方法，介绍了各种测定方法的优缺点，着重对电感耦合等离子体测定的条件如射频功率、雾化器流速、泵速、观测方式等方面的优化进行归纳总结。

关键词：电感耦合等离子体发射光谱法;重金属元素;测定方法

1.重金属的定义及危害

1.1定义

重金属元素主要指标况下密度大于4500kg/立方米的元素，通常情况下主要是Hg、Cd、Cr、As、Pb等，大部分重金属是有毒的，由于不是人体必需元素，过量进入人体后会危害人类的身体健康。

1.2重金属对土壤的危害

重金属元素离子在土壤中水解成难溶盐，难降解，难迁移，使土壤中的氮和磷含量下降。在农作物生长过程中重金属离子也会被植物根系吸收在农作物根茎叶中富集，使农作物产品重金属含量过高，人畜饮食之后进入身体，从而危害人体健康和生命安全[1]。

2. 重金属离子检测方法

2.1电感耦合等离子体-发射光谱法（ICP-AES）

20世纪60年代光源被引入到原子发射光谱中， 电感耦合等离子体发射光谱法的优点：分析耗时短，原子化彻底，化学干扰少，灵敏度高[2]，检出限低，测定含量低的元素和含量高的元素稳定性好，精密度高等优点。缺点是只能分析特定元素含量，不能分析某元素的存在状态。 该法通过高频电感耦合产生等离子体放电的光源将待测物质蒸发、解离、电离、激发，产生光辐射，通过分光色散，形成光谱[3]。曹灿采用ICP-AES法测定蔬菜和土壤中的As、Cd、Pb、Cr、Zn，准确的测定出蔬菜和土壤中的重金属元素的含量，准确度和精密度较高，该方法操作步骤简单，干扰少，分析消耗时间短[4]。

2.2原子荧光-光谱法

原子荧光光谱法相对来说操作比较简单，而且灵敏度也比较高。基本原理是运用火焰或非火焰式的原子化设备，对样品展开原子化处理，基态原子吸收特定频率的辐射而被激发至高能态[5]，其激发过程中会以光辐射的形式发射出特征波长的荧光，该荧光强度与被测元素含量呈线性相关，测得荧光强度即可求待测元素含量，从而实现元素种类和元素含量的分析。该方法操作简单、灵敏度高、检出限低，在检测汞、硒与砷时多用原子荧光仪装置[6]。

2.3电感耦合等离子体-质谱法（ICP-MS）

电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）的检测原理：用等离子体光源电离样品中的离子， 经质谱仪扫描分析得到质谱图，根据谱图比对，计算离子含量。在无机元素的分析中很有帮助 。姚亮，薛瑞[7]使用ICP-MS法对处理后的溶液中的几种元素的含量进行测定，将测定的结果与ICP-AES法测定的结果进行对比，证明ICP-MS法具有很高的准确度和精确度，该方法用量少、测定时间短[8]灵敏度高、较适宜测定土壤中的金属元素。

3.重金属元素测定的实验过程

3.1 样品消解

土壤是固体，对固体中元素分析需要进行前处理，使被检样品中的元素均以游离态形式存在，可以提高样品检测的精度。通常采用微波消解法、电热板消解、干灰法消解等。

微波消解技术属于内加热[9]，通过分子极化和离子导电效应对物质直接加热，促使固体样品表层快速破裂，产生新的表面与酸性溶剂作用，在较短时间内分解样品，溶解样品，微波消解是在密封的罐内进行，可以避免样品的挥发损失，其优势表现为消解能力强、样品污染少、准确度和精密度较高等方面。

高温灼烧是干灰化法的主要方式，土壤样品前处理采用干灰化法消解，添加HNO3、H2SO4、Mg（NO3）2等试剂提升灰化效率，促进有机质的分解，精确度较好，方法简便。具有所需试剂少和试剂污染小的优点，属于常用的消解方法之一。由于灰化时间较长，灰化不彻底时还要中途冷却降温，必须不断完善。

3.2标准溶液的配制

取标准溶液含As（100mg/L）、Cd、Pb、Hg（均为50mg/L）10mL加入到100mL的容量瓶定容，得到As（10mg/L）、Cd、Pb、Hg（均为5mg/L）的标准溶液混合溶液，在使用时根据需求稀释。

3.3分析谱线的选择

在原子发射光谱法中，物理因素、化学因素、电离和光谱强度干扰等因素都会影响实验数据的准确性。 原子线、离子线，分析线间易出现重叠或干扰，因此在使用过程中要通过实验筛选出背景浓度低、相对灵敏度高、信噪比大、特征谱线间干扰较小的波长。

3.4  ICP-AES工作条件的优化

3.4.1 射频功率的选择

射频功率影响着等离子体的温度及电子密度，射频功率偏低，原子难汽化，谱线的强度降低;射频功率增加，汽化原子的密度增加，光谱强度增加，检测结果的准确性增强，如果射频功率过大也会造成检出限变大，信噪比降低，增加了设备损坏的风险等，因此在实验过程中一定要选取合适的射频功率。

3.4.2雾化器流速的影响

雾化器的流速也影响着检测结果。雾化器是辅助形成气溶胶，气溶胶通过雾化室除去了粒径较大的气体雾粒，较小的粒子进入等离子体。若雾化器的速率增加[8]，溶液被雾化为气溶胶的时间缩短，单位时间内样品进入等离子体的量增加，谱图强度增大。因此降低光谱背景强度，减少干扰，原子光谱间断减少，促进元素的检出，选择合适的雾化器流速是很有必要的。

3.4.3泵速的影响

蠕动泵在检测过程中充当着输送作用，待检样品经毛细管在蠕动泵的作用下形成气溶胶，气溶胶的抽取速率对雾化速率有直接影响，因此测定空白溶液和标准溶液，对测定的数据进行作图分析，筛选合适的测定泵速，以得到准确的数据。

4 总结

从电感耦合等离子体发射光谱法检测中发现，样品前处理方法、标准溶液配制方法、分析谱线的选择、ICP-AES射频功率、雾化器流速的影响等方面，对测定的条件进行优化，以得到更为准确的测定结果。ICP-AES检测方法检测时间短、操作简单、灵敏度高，检出限低，误差较小，适宜土壤中的重金属元素的检测应用。

参考文献

[1] 吴彩姣. 石墨炉原子吸收测定茶叶及茶园土壤中镉、铅的方法研究[D].安徽农业大学，2016.

[2] 曹灿.ICP-AES法测定蔬菜和土壤中的As、Cr、Pb、Cr、Zn及污染程度评价的研究[D].中南大学，2012.

[3] 安琪琪.土壤重金属污染检测方法的研究進展[J].现代农业科技，2020（17）：166-168-173.

[4] 谢文琪.环境监测中的重金属元素分析方法[J].化工设计通讯，2019，45（09）：130-132.

[5] 易雪蓉.富硒食品中硒元素检测方法的研究进展[J].现代食品，2018（24）：133-135.

[6] 余雅玲，沈宏.5-磺基水杨酸增敏-微顺序注射-化学发光法测定次氯酸盐[J].理化检验（化学分册），2013，49（12）：1419-1422-1427.

[7] 姚亮，薛瑞.ICP-MS法测定土壤中金属元素[J].当代化工，2014，43（02）：313-316.

[8] 谢秋玲，林剑，张玲.溶血栓酶活性测定的一种新方法[J].生物化学与生物物理进展，2001（04）：582-583.

[9]刘旭，王晓斐，梁浩，孙月岑.微波消解-ICP-MS测定无花果中14种元素[J].食品安全导刊，2019（09）：93-95.

作者简介： 李双妹（1971年9月）女，河南濮阳人，硕士，高级实验师，从事环境专业授课。崔丽平（1989年）女，河南濮阳人，硕士，助教，从事化工专业授课。

项目：濮阳职业技术学院，项目编号：2021PZYKYA09。