衍生气相色谱法测定土壤中的氟化物

陈海泉，颜 治，吴 浩，林 妮，杨丽丹

（深圳海关食品检验检疫技术中心，广东 深圳 518000）

氟是与人类健康密切相关的必需微量元素，氟化物的原始来源是土壤中的云母、磷灰石和电气石，土壤中氟的含量在很大程度上取决于土壤无机组分的矿物组成［1］，而土壤环境中的氟是水和食物链［2］中氟的主要来源［3］。适量的氟对机体来说是必要的，但如果摄入过高以至失衡，轻微的可能会形成氟斑牙，严重的对于人、动物和植物都会导致氟病变的产生［4］。植物可以通过气孔或者根部吸收氟化物［2，5］，过量的氟化物可能会导致光合作用能力下降，以及在食物链中增加氟化物含量的积累；人体内氟化物的失衡可能会导致牙齿和骨骼方面的疾病［6］，例如骨密度下降，甚至是骨癌［7］。中国大部分地区处于高氟地区，加上工业化肥的使用和冶炼工业厂气体的排放都能使氟化物侵入土壤，对土壤造成污染［2，8-9］。特别是欠发达地区［10］，如果饮用水和浇灌用水没有经过严格把控，对于人体和农作物都是会带来不可逆转的损害。有研究显示，作为经济作物的茶树，会比一般植物更能吸收土壤中的氟化物［11］；加上现在农业化肥的过度使用，化肥中含氟量较高，高含量的氟化物能吸附铝形成络合物残留在土壤当中，间接增加了土壤中铝含量，对土壤造成重金属污染［12］；也有文献报道通过分析土壤的数据得知该区域动物体内污染元素的分布，这样就可以不用通过提取动物器官来进行研究，而是采集土壤来进行检测，这样能很好地保护生态平衡［13］。因此，对土壤进行氟化物含量的检测就尤为重要。

目前对于氟含量检测，有离子选择电极法［14-15］、顶空气相色谱法［16-17］、比色法［18］、高效液相色谱法和离子色谱法［19-20］、气相色谱-质谱联用技术［21-22］等。比色法操作步骤繁琐，显色时间较长，很难大批量操作；高效液相色谱法和离子色谱法对于氟离子能准确定量，但是设备昂贵，而且由于基质为土壤，土壤中的氟化物并不适合进行水相的洗脱，因此用高效液相色谱法和离子色谱法的只有对食品和水的一些研究；离子选择电极法，会受到消化液中其他离子的干扰，而在调节pH值时，若消化液的pH值过低，形成氢氟酸，对氟离子的定量检测带来误差；顶空气相色谱法，需要仪器具有顶空进样装置，仪器功能的多样性的要求较高，并且有可能在加入衍生溶液之后，盖子气密性不好的情况下开始衍生，导致衍生生成的气体泄漏影响测定的准确性；气相色谱-质谱联用技术对于检测物质除了能准确定量外，还能够定性，测定更精准，灵敏度也高，但是质谱设备昂贵，加上质谱在日常维护需要投入更多，气相色谱-质谱联用仪并不常见于一般的检测单位中，对于日常的常规检测带来了设备上的困难，文献报道的用气相色谱-质谱联用技术测定氟化物的多为血液和尿液等一些医疗方面的研究。

本文用国标GB/T 22104-2008中提供土壤的消化方法［14］为基础，改良了土壤的消化方法［3，23］，土壤样品用氢氧化钠在高温熔融后，用热水浸取后冷却定容，然后在移取样液之后再调节pH值至中性，得到土壤的消化液。运用三甲基氯硅烷（TMCS）水解生成硅醇，与熔融后的土壤中的氟化物反应生成气态的氟硅烷（TMFS）［24］的原理，参考国标中测定牙膏中氟［25］的气相色谱的相关条件，用带有正戊烷内标的甲苯吸收衍生出来的气体，并用含盐分的水相以及低温进行有机相和无机相的分层，取甲苯层进行检测。此法不需要运用顶空装置，只需带有FID检测器的气相色谱仪便可以检测。同时，由于通过三甲基氯硅烷（TMCS）的衍生，可以排除别的离子的干扰，加上内标的加入，排除基体效应的干扰。

1 实验材料与准备

1.1 主要试剂

甲苯（色谱纯）；三甲基氯硅烷（TMCS）（分析纯）；高氯酸（70%～72%）；正戊烷（色谱纯）；氟化钠标准溶液（中国计量院1 000 mg/L）；实验一级水；氯化钠（分析纯）；溴甲酚紫（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；盐酸（分析纯）。

1.2 土壤质控样品

水系沉积物成分分析标准物质（GBW07365）。

1.3 主要仪器

马弗炉：CARBOLITE AAF11/18；分析天平：METTLER TOLEDO AG204；数量型多管式漩涡混合器Taltoys EOFO-9945066；低温冰箱：SANYO MDF-U5411；气相色谱仪：Agilent Technologies 7890B GC System；气相色谱柱：Agilent Tecnologies，Inc.19091Z-433 HP-1 30 m×0.250 mm。

1.4 色谱条件

程序升温：初始温度60℃，初始时间1.8 min，升温速率40℃/min，终止温度160℃，保持3 min；进样口温度：200℃；检测器（FID）温度：300℃；进样量：10 μL；载气：氮气，423 kPa；分流比：1∶13；隔垫吹扫：2 mL/min；尾吹气：氮气，25 mL/min。

2 实验步骤

2.1 样液的制备

采集的土壤样品（约500 g），摊在聚乙烯薄膜或清洁的纸上，放在通风避光的室内自然风干。风干后用木棒压碎，去除石子和动植物残体等异物，过2 mm尼龙筛，过筛样品全部置于聚乙烯薄膜上，充分混匀，用四分法缩分为约100 g。用玛瑙研钵研磨土样至全部通过0.149 mm尼龙筛，混匀后备用［4］。

准确称取样品0.5 g（精确到0.000 1 g）于50 mL镍坩埚中，加入4 g氢氧化钠（3 g与样品混匀，1 g均匀覆盖于表面），放入马弗炉中650℃加热（有加标的要事先用烘箱105℃将水分烘干冷却后再称取氢氧化钠），保温20 min。取出冷却，用50 mL刚煮沸的水分几次浸提，直至熔块完全溶解，移入100 mL烧杯中，冷却后加入10 g氯化钠使体系含有10%的氯化钠，转移至100 mL容量瓶中定容备用。

2.2 标准溶液的配制

分 别 取 0.00、0.01、0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 mL氟离子标准溶液至离心管中，并用10%氯化钠溶液定容至10 mL，得标准溶液中氟离子质量浓度分别为 0、1、2、5、10、20、50、100 mg/L。

2.3 标准溶液和样品溶液的处理

准确取10 mL样液至离心管，滴加0.04%溴甲酚紫指示剂1～2滴，用盐酸（1+1）由蓝紫色调至黄色，然后放于冰箱冷冻室（-20℃）冷却10 min，然后在每个瓶中依次加入0.5 mL高氯酸、10.0 mL带有正戊烷内标的甲苯提取液和5.0 mL三甲基氯硅烷，每加完一种试剂立即加盖（此操作需在通风橱里完成），加好试剂的标准溶液及样品溶液放在振荡器上，以速度2 500 r/min震荡10 min。取下放入冷冻室（-20℃）冷却30 min，取甲苯层上机检测。标准溶液的实验方法与样品溶液的实验方法一样。

3 结果与分析

3.1保留时间

将氟离子质量浓度为10 mg/L按照标准溶液和样品溶液的处理步骤得甲苯吸收液，进样量为10 μL，上机进行检测，得图1标准溶液的图谱，1.661 min出峰时间为氟化物的出峰时间，1.839 min的出峰时间为正戊烷的出峰时间。

图2为本实验外标测定法的曲线，线性r2达0.999 6，满足本实验的定量要求。

图1 标准溶液的图谱

图2 外标测定法的曲线

3.2 仪器进样再现性分析

从试验中的仪器进样再现性实验中的平均值与精密度可看出，仪器对于同一样品瓶重复进样，检测出来的结果的平行性较理想，可以断定仪器对于同样浓度下的样品瓶做出来结果的误差较小。而在试验中土壤样品的最适条件摸索和加标回收实验中，对于检测中的进样误差影响较小。

表1 10 mg/L标准点与土壤样品的再现性

3.3 土壤样品加标回收分析

实验结果显示，用衍生气相色谱法测定土壤中氟化物的含量，结果在证书（见1.2节）参考值范围内。一个样品本底和3个样品加标一共4个浓度水平，在精密度方面，RSD都在3%以内，说明不同浓度下的土壤样品的平行性都符合要求；在回收率方面，4个浓度水平也都在85%～100%之间，表明能够准确定量。

表2 平行加标实验原始数据与精密度

表3 平行加标实验平均回收率

3.4 前处理方法讨论

在选择熔融剂时［3，23］，分别尝试了用氢氧化钠与氢氧化钾，发现氢氧化钾爬壁现象严重，而且氢氧化钾的成本高，因此选择氢氧化钠作为土壤的熔融剂。

表4、表5是对熔融条件进行优化［3，23］，固定时间在20 min，设置温度梯度为550、650、750℃。从表中的平均值和精密度可看出，温度影响相对较小，平均值都接近土壤参考值，而且精密度也非常相近，但在650℃平均值与精密度都是最优的，因此选择了650℃作为熔融温度。

在温度保持在650℃的情况下，将保温时间梯度15、20、40和60 min一共4个梯度进行尝试，发现时间对于结果影响比较大。从15 min的结果看来，时间过短，可能导致土壤消化不充分，对结果有影响；从40与60 min的结果看来，时间过长虽然结果也在参考值范围内，但是结果与参考值的中位值偏差较大，而且时间超过40 min，可能会造成爬壁现象。因此，在熔融温度选择为650℃的前提下，确定了20 min的保温时间。

表4 不同温度之间的平均值与精密度

表5 不同时间之间的平均值与精密度

3.5 色谱条件方法讨论

本文用了3种同种类型（Agilent Tecnologies，Inc.19091Z-433 HP-1 30 m×0.250 mm、Agilent Tecnologies，Inc.19091J-433 HP-5 30 m×0.250 mm、Agilent Tecnologies，Inc.122-1111 DB-1HT 15 m×0.250 mm）的气相色谱柱上机测试，发现均能出峰，因此在柱子的选择上，保证是同种类型，在测定前用标准点进行时间矫正即可。

4 注意事项与结论

4.1 注意事项

4.1.1 NaOH容易吸潮［26］，可先称取土壤至镍坩埚，再称取3 g NaOH与土壤样品混合，然后称取1 g NaOH覆盖表面，使得NaOH充分与土壤接触。有液体加标的样品，应先放烘箱用105℃烘干后再称取NaOH，以免内容物迸溅，使得待测物损失。加完NaOH要尽快放入马弗炉灼烧，并且在马弗炉保温的时间不能过长，NaOH吸潮以及时间过长都容易导致NaOH的爬壁严重。

4.1.2 灼烧后，等冷却之后取出用玻璃吸管吸取沸水多次浸提，使熔融物脱落，完全洗脱出来。此步骤要有耐心，一开始熔融物很难脱落，可以先用沸水浸泡一小会，然后再用玻璃吸管吸取浸提液反复冲洗熔融物，使熔融物脱落。

4.1.3 在调节pH值时，与离子选择电极法不同，本法在衍生的时候是需要溶液体系为酸性，故只要溶液变成黄色即可。

4.1.4 由于本法的衍生之后产生气体被甲苯吸收，故衍生反应发生前需将样液放入冰箱冷冻，在加试剂时，每加一步试剂之后需盖上盖子，在加完试剂之后要确保盖子的密闭性，以免衍生气体泄漏而导致测量不准确。

4.2 结论

通过实验表明，用衍生气相色谱法测定土壤中的氟化物是可行有效的。从实验数据表明，用衍生气相色谱法测定土壤中的氟化物的精密度和加标回收率都能符合检测的要求。