微波消解/ICP-AES法測定土壤中的環境有效態金屬元素>


摘要： 本文采用微波消解樣品處理技術，結合 ICP-AES 法測定土壤中 Ag 、 As 、 Cr 、 Cu 、 Mo 、 Pb 、 Sn 、 Co 等 16 種 環境有效態金屬元素。研究表明，該方法與傳統的酸解法樣品處理相比，不但分析結果相吻合，而且更具有快速、高效、清潔、污染少等優點，完全能滿足環境分析的要求。 關鍵詞： 微波消解； ICP-AES ； 土壤；環境有效態金屬元素 前言 土壤是寶貴而有限的自然資源之一，是農業最基本的生產資料。污染了的土壤，不但直接表現在引起土壤本身的理化、生物學性質發生變化，使土壤生產力下降，而且通過以土壤為起點的土壤→植物→動物→人的食物鏈，使某些有害物質在農業產品中不斷富集起來，引起生物與人類受害、致病甚至死亡，土壤一旦遭受污染，特別是重金屬的污染，將很難得到消除，因此，對土壤的監測至關重要。 隨著 AA 、 ICP-AES 、 ICP-MS 等分析儀器的應用，樣品的上機測定速度和精度得到很大的提高，但傳統的土壤樣品消解技術手續繁瑣、耗時長、易交叉污染，消解過程還會產生有害氣體影響環境，成為整個分析過程的薄弱環節和瓶頸。微波消解技術所具有的快速、高效、用量少，背景值低等特點能很好地解決這一問題，已逐漸為廣大分析工作者所青睞。 實驗部分 儀器 · 微波消解系統： 意大利 Milestone 公司的 MLS-1200 型 高壓微波消解爐， MPR-100/10s 消解轉子帶 10 個 Teflon-TEM 高壓 消解罐 · 等離子體發射光譜：美國熱電公司的 IRIS 1000 全譜直讀型 ICP-AES （雙向觀察） 試劑 · 混合標準溶液：用美國 SPEX 公司的金屬標準儲備溶液稀釋而成，酸度為 5%(V/V) 的硝酸，濃度分別為 1ug/mL 、 2ug/mL 、 5ug/mL ，元素包括需要研究的 16 種（ Ag 、 Al 、 As 、 Ba 、 Be 、 Co 、 Cr 、 Cu 、 Mn 、 Mo 、 Ni 、 Pb 、 Sn 、 Sr 、 V 、 Zn ） · 優級純的硝酸（ 65% ）、鹽酸（ 35% ）、雙氧水（ 30% ） · 試劑用水為去離子水 試驗步驟 · 土壤樣品預處理：土壤樣品采取后自然風干，用瑪瑙研缽研磨，通過 100 目篩。 · 微波消解：準確稱量 0.500 克樣品，放入干凈 Teflon-TEM 樣品消解罐中，加入 6mL 硝酸、 3mL 鹽酸和 0.25mL 雙氧水。以試驗獲得的最佳功率、時間和溫度（見表 1 ）進行消解。消解完畢后，水冷 15 分鐘，打開消解罐，轉移消解液于 50mL 容量瓶中，用去離子水定容至刻度，上 ICP-AES 進行測定。整個消解過程只需 45 分鐘。 表 1 微波消解條件 步驟 時間（ min ） 功率（ W ） 溫度（℃）
1 00 ： 05 ： 00 250 --
2 00 ： 01 ： 00 0 --
3 00 ： 10 ： 00 250 175
4 00 ： 05 ： 00 450 175
* 本文所指的金屬元素環境有效態，在美國 EPA3051 標準方法中的定義是指易于被生物所利用而造成環境影響的金屬形態，主要以濃硝酸在特定條件下提取得到。 · 傳統酸消解：以美國 EPA3050B 的消解方法（略），整個消解過程耗時近 6 小時。 · ICP-AES 的工作條件：高頻功率 1150W 、載氣壓力 25Psi 、輔助氣流量 1.0 L/min ，雙向等離子體觀察方式（表 2 中帶 * 的元素用垂直觀察，其余元素為水平觀察）。 · 各元素分析線波長和土壤中方法檢出限 MDL ，如下表 2 ： 表 2 元素分析線波長及土壤中方法檢出限 MDL （ mg/kg ） 元素 波長 檢出限 元素 波長 檢出限
Ag 328.0 0.1 Mn* 257.6 0.1
Al* 308.2 1.0 Mo 204.5 0.3
As 193.7 1.0 Ni 231.6 0.2
Ba* 455.4 0.03 Pb 220.3 1.0
Be 313.0 0.05 Sb 206.8 1.5
Cd 228.8 0.1 Se 196.0 1.0
Co 228.6 0.2 Sn 189.9 1.0
Cr 267.7 0.3 Sr* 407.7 0.06
Cu 324.7 0.1 V 292.4 0.1
Fe* 259.9 0.5 Zn 213.8 0.3
結果與討論 · 本文是以 EPA3050B 為基礎，對大部分樣品來說，此方法不是全溶解技術，但這是一個非常強的消解過程，可以溶解環境分析中需獲得的元素。對于嵌入在硅酸鹽結構中的元素，通常不能被此方法溶解，就像在環境中它們通常不移動一樣。 · 精密度：取六份黃土平行樣品，按照樣品分析步驟進行微波消解和測定，其精密度 RSD 除了 Ag 、 As 、 Pb 在 5% 左右外，其他各元素均在 2% 左右。 · 回收率：在黃土樣品中加入一定量（和實際樣品含量相當）的待測元素的標準溶液，按樣品分析步驟進行微波消解和測定，其加標回收率在 85.0-97.0% 。 · 對照試驗：取黃色紅壤和黃土樣品分別以微波消解和傳統的酸解法處理樣品， ICP-AES 測定，結果表明，兩種樣品消解技術的相對誤差 RSD 均在 10% 以內，數據基本吻合。 · 樣品測定： 我國土壤類型繁多，成土母質及成土過程差異很大。我們用此方法對黃紅壤、黃色石灰巖、黃棕壤、栗鈣土進行了測定，結果較好（略）。 · 研究結果表明，用微波消解技術結合 ICP-AES 測定土壤中 16 種環境有效態金屬元素 ，與傳統酸解法處理樣品相比，不但結果基本一致，而且微波消解更具有快速、高效、試劑用量少、不易沾污、減少了酸氣對分析人員的傷害等優點，能滿足環境分析的要求。 參考文獻： 1 郭振庫等譯。分析化學中的微波制樣技術 - 原理及應用。北京，氣象出版社。 1992 2 H.M. Kingston and Lois B. Jassie. Introduction to microwave Sample Preparation, American Chemical Society,Washington,DC,1988 3 Microwave Application Notes for Acid Digestion. Application Note EW-4 4 EPA 3050B The Detection of metal elements in an effective state of environment in soil with microwave digestion and ICP-AES Chen Feng Liu fang 1 , Shen Lianghua 2 1.The environment detection center of Shanghai ， Shanghai ， 200030 • Thermo Elemental China office ， Shanghai ， 200235 Abstract ： This paper describes a new method that detects sixteen elements in an effective state of environment in soil with microwave digestion and ICP-AES. The result shows that the new method is faster, more effective, more clean and less pollution compared with EPA method 3050B and can meet the requirement of environment analysis. Key words: microwave digestion, ICP-AES, soil, elements in an effective state of environment