土壤中微量金属元素含量的分析

胡庆兰

(湖北第二师范学院化学与生命科学学院；植物抗癌活性物质提纯与应用湖北省重点实验室，武汉 430205)

1 前言

土壤是人类及大自然赖以生存的家园，土壤的健康状况与人类生活密切相关，土壤受到污染，人类及动植物也会遭殃。土壤中金属元素的含量标志着土壤被污染的状况，当金属元素超过一定量时，一方面会影响农作物生长，另一方当其进入农作物后，通过食物链在生物体内进行富集，对食品安全和人类健康造成很大影响[1]，如：人体接触过量的镉会对肾脏和骨骼造成严重伤害[2]，土壤中铅、铜、锌含量过高会使植物无法正常生长，导致植物中毒[3]。因此测量土壤中铜、锌、镉、铅含量意义重大。

前人已对各地土壤中微量金属元素的含量进行了深入的研究[4-12]，目前测量土壤中金属元素含量的国家标准方法是《土壤环境质量标准》[13],其他测量方法还有ICP-MS联用、X射线荧光光谱法、ICP-AES法、石墨炉原子吸收分光法、原子荧光法、火焰原子吸光光度法。但是湖北第二师范学院的土壤状况基本无人研究，因此本文欲测量土壤中铜、铅、镉、锌等微量金属元素含量，然后与《土壤环境质量标准》对比以探求土壤中微量金属元素含量是否超标，并依此数据界定本校校园土壤环境基本状况。

2 实验部分

2.1 实验仪器

AA-6300原子吸收分光光度计(日本岛津公司)；HL-1型Cd、Pb、Cu、Zn空心阴极灯(河北宁强光源公司)；UPT-1超纯水机(南通泸南科学仪器有限公司)；FA-2004电子天平(上海光学仪器厂)；HN-101电鼓风干燥箱(南通泸南科学仪器有限公司)；TANK BASIC微波消解仪(济南海南仪器股份有限公司)。

2.2 实验试剂

土壤(产地：湖北第二师范学院图书馆、实验楼)；Cd、Pb、Cu、Zn标准储备液(1mg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心)；浓硝酸(分析纯)、过氧化氢(分析纯)、氟化氢(分析纯)；超纯水；Cd、Pb、Cu、Zn标准使用液10mg/L：用移液枪准确移取1.00mL标准储备液，用0.5%的HNO3定容至100mL容量瓶中，待用。

2.3 仪器条件

仪器工作最优条件如见表1、表2。

2.4 标准曲线溶液配制

依次配成0.0080mg/L,0.0160mg/L,0.0240mg/L，0.0320mg/L，0.0400mg/L标准系列溶液，用0.5%的硝酸定容。将10mg/LPb标准使用液依次配成0.0040mg/L,0.0080mg/L,0.0120mg/L,0.0160mg/L,0.0200mg/L的标准系列溶液，用0.5%的硝酸定容。同时配制各元素的空白溶液。

表1 火焰原子吸收分光光度计工作条件

表2 微波消解仪消解程序

2.5 实验过程

2.5.1 试样的预处理

采用单样品取样方法[14]分别取图书馆土样和实验楼土样。将两份土样自然风干后分别过20目筛子，准确称取图书馆土样0.2335g、实验楼土样0.2166g于聚四氟乙烯消化罐中，往消化罐中分别加入8mL浓硝酸，0.5mL氟化氢，2mL过氧化氢进行微波消解 ，同时对空白溶液进行微波消解，消解完毕后待温度降至80℃后取出消化罐，将消化罐放至通风橱中放气。然后依次对样品和空白溶液进行赶酸,赶至2-3mL时用超纯水在500mL容量瓶中定容。

2.5.2 干扰离子的消除

在测定铅离子时，若待测溶液中铅离子的浓度为5ppm，溶液中有1%或更多电离元素共存时有干扰，经实验发现样品中铅离子浓度远远低于5ppm，故此实验中不存在干扰。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线的绘制

准确移取各元素标准溶液，在原子吸收分光仪的最优条件下，由原子吸收分光仪得到各元素的吸光度值。以各元素浓度为横坐标，吸光度值为纵坐标，即可制的各元素的标准曲线。图1、图2、图3、图4为各元素的标准曲线 。

图1 Cu的标准曲线

图2 Cd的标准曲线

图3 Pb的标准曲线

将各标准溶液及空白溶液于原子吸收分光仪的最优条件下分别测定其吸光度，得出各元素的浓度与吸光度的线性关系。

3.2 各元素的线形范围、线性方程、相关性系数

各元素在所配制浓度范围内呈现良好的线性关系，各元素的相关性系数均在0.993-0.997之间。表3列出了4种元素的线性方程及相关性系数。

图4 Zn的标准曲线

3.3 样品中各元素的含量及精密度试验

在分析检测过程中，分析结果的精密度通常用样品的相对标准偏差(RSD)来表示。即用本方法分别对土壤样品进行6次平行实验，结果见表4、5，表明该方法精密度良好，Cd的含量未检出表明土壤中Cd含量很低低于到原子吸收分光仪的检出限。

表3 四种元素的线性方程及相关性系数

3.4 检出限

对标准曲线的空白溶液进行20次平行测定，分别求出其吸光度，然后求出其标准偏差，根据标准偏差求检出限，结果如表6。

表4 图书馆土样四种元素含量及相对标准偏差

表5 实验楼土样四种元素含量及相对标准偏差

表6 四种元素的检出限

3.5 加标回收率

为了验证实验的准确度，对土壤样品进行低中高加标回收实验，这四种元素的加标回收率在95%-105%，表明使用本法测量Cu、Pb、Zn、Cd的含量准确度较高，结果见表7、8。

4 结论

本文采用微波消解对土壤样品进行预处理，用火焰原子吸收光谱法测定土壤中Cu、Pb、Cd、Zn等四种元素的含量。按照表一的工作条件测得的结果见表四，各元素检出限为0.0033-0.0048，回收率为95.00%-105.00%，相对标准偏差为1.9%-13.8%，相关系数为0.993-0.997.各土壤样品中金属元素含量W=(C×V)÷(m÷1000)，式中W为单位质量待测样品所含元素的质量，mg/kg；C为样品溶液中元素的质量浓度，mg/L；V为样品定容体积，L；m为样品质量，g。根据公式算得实验楼Cu，Pb，Cd，Zn含量分别为21.47mg/kg，14.08mg/kg，未检出，33.01mg/kg；图书馆Cu，Pb，Cd，Zn含量分别为18.63mg/kg，8.99mg/kg，未检出，3.43mg/kg。根据《土壤环境质量标准》[13]规定二级土壤(为保障农业生产，维护人体健康土壤的限制值)中Cd≦0.60mg/kg；Pb≦350mg/kg；Zn≦300mg/kg；Cu≦100mg/kg,本实验数据表明图书馆、实验楼土样中Pb、Cu、Zn含量均未超标，实验楼土壤重金属元素含量稍高于图书馆土壤中重金属元素含量，两土样中Cd的含量未检出可能表明土壤中Cd含量很低，由此得出结论：湖北第二师范学院的土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。

表7 图书馆土样四种元素加标回收率

表8 实验楼土样四种元素加标回收率