电感耦合等离子体质谱法测定土壤中的有效态铬

徐森彪 赵苏云 / 英格尔检测技术服务（上海）有限公司

0 引言

中国农田土壤重金属污染形势较为严峻[1,2]。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国农田土壤点位超标率达19.4%，其中重金属污染突出。据统计，我国约有20 000 000 hm2农田受重金属污染,占耕地总面积的六分之一[3,4]，土壤中重金属的生态风险不仅与重金属总量相关，更大程度上取决于其存在的形态。有效态是重金属总量中易被植物吸收的部分，重金属的生物有效性一般指环境中重金属元素在生物体内的吸收、积累或毒性程度。从某种角度讲，形态分析是生物有效性的基础，而生物有效性是形态分析的延伸。目前大多数生物有效性的研究方法都是通过确定污染物在环境中的形态和分布，再通过单元回归或多元回归等方法对这些形态和分布与生物体中污染物的富集量进行统计分析。

根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的定义，形态分析是指表征与测定一个元素在环境中存在的各种不同化学形态与物理形态的过程。广义上讲，重金属形态指重金属的价态、化合态、结合态和结构态四个方面，即某种重金属元素在环境中以某种离子或分子的实际形式存在。狭义上的重金属形态指用不同的化学提取剂对土壤中重金属进行连续的浸提，并根据所使用的浸提剂对重金属的形态进行分组。一般分为水溶、可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态以及残渣态。

就提取剂而言，基本都采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）或0.1 M盐酸浸提剂，也有采用硝酸-高氯酸-硫酸、草酸-草酸铵或乙二胺四乙酸（EDTA）浸提剂。DTPA能迅速与钙、镁、铁、铅、铜和锰等离子生成水溶性配合物，尤其对高价态显色金属配合能力强，因此，能浸提出土壤中水溶及可交换态、碳酸盐结合态和部分铁锰氧化物结合态的重金属，相对于其总量而言，这些浸提出的重金属形态被认为是生物有效的形态。

由于土壤中重金属有效态含量比重金属全量更能反映其污染程度以及对生态系统和人类健康的危害程度[5-8]，因此，对于环境的监测而言就更有必要对金属元素有效态进行检测[9-13]。然而，我国关于重金属元素有效态测定的标准方法[14]仅涉及9个元素（Ni、Fe、Mn、Co、Cu、Zn、Mo、Pb、Cd）， 对一些危害性较大的元素，如 As、V、Cr等，有效态的测定尚无标准方法。

本文通过采用碳酸氢铵-二乙烯三胺五乙酸（AB-DTPA）作为提取剂，电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法建立了监测环境土壤中有效态铬元素的检测方法。该方法操作方便，准确度高，灵敏度和精密度均能满足日常监测的要求。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

四级杆电感耦合等离子体质谱仪（美国安捷伦，7800型）；电子天平（Sartorius，BSA224S）；超纯水由Milli-Q纯水仪制得 ；盐酸、硝酸、氨水（NH3·H2O）均为电子级，购自联仕化学；三乙醇胺（C6H15NO3，TEOA）、二乙烯三胺五乙酸（C14H23N3O10，DTPA）、二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）和碳酸氢铵（NH4HCO3）均为优级纯，购自上海国药集团化学试剂有限公司。

标准贮备液：1 000 mg/L，购自美国o2si。

标准中间液Ⅰ：10.00 mg/L，准确移取铬标准贮备溶液1.00 mL于100 mL容量瓶中，用提取液溶液稀释至分度。

标准中间液Ⅱ：1.00 mg/L，准确移取铬标准中间液Ⅰ10.00 mL于100 mL容量瓶中，用提取液溶液稀释至分度。

提取剂配置：在800 mL水中加入25 mL的NH3·H2O2，然后加入1.967 g的DTPA，待大部分DTPA溶解后，加入79.06 g的NH4HCO3，轻轻搅拌至溶解，用浓氯化氢（HCl）调整pH为（7.3 ±0.2），转移至1 000 mL容量瓶中定容。

1.2 仪器工作条件

仪器工作条件见表1和表2。

表1 电感耦合等离子体质谱仪工作条件

表2 电感耦合等离子体质谱仪元素分析模式

1.3 测定方法

1.3.1 样品制备

将采集到的土壤样品除去叶片、石子等杂物，按照HJ /T 166—2014 《土壤环境监测技术规范》的要求，将样品进行风干、粗磨、细磨至过孔径2.0 mm（10目）的尼龙筛。样品的制备过程应避免沾污和待测元素损失。

1.3.2 样品溶液制备

准确称取土壤样品 10.00 g（准确至0.000 1 g），加入20.00 mL提取剂，在（25 ± 2） ℃条件下，以160～200 次/min的频率在往复振荡器上震荡2 h，取下后立即用0.45 μm的滤膜过滤。取10 mL滤液，缓慢滴加1 mL浓硝酸并不断摇动（防止试液溢出），待不再生成气泡后加盖摇匀，于48 h内完成测定。每批样品至少制备两个全程空白试样。

2 讨论

2.1 仪器工作条件的选择

文章优化了仪器工作条件，结果表明：Cr元素射频功率在1 400～1 600 W，有很好的信背比；载气流速在4.4～4.8 L/min，雾化器流速在1.0～1.2 L/min时，方法的灵敏度最高；选用KED模式比STD模式能更好地减少多原子离子干扰，射频功率的选择、载气流速及雾化器流速的优化见图1、图2和图3。

图1 射频功率变化与样品测定回收率的关系

由图1可知，随着射频功率的增大，铬元素测定的回收率先稳步增大，再逐步减小，初始阶段射频功率能量不足，使铬元素不能完全被电离，无法正常通过石英矩管，最终被采样锥截取。随着射频功率的增大，原子化、电离达到最佳状态，继续增大能量，以致出现过度电离现象，在8 000～10 000 K的等离子体高温下，载气氩气也发生了一定的复杂的物理变化，综合因素影响可能使回收率减少。

由图2可知，随着载气流速的增快，铬元素测定的回收率先稳步增大，再逐步减小，流速过慢虽然可以一定程度提高测定的灵敏度，但是同时伴随着极大的背景干扰；流速过快对测定影响也很大，光电倍增管无法准确及时地捕捉采集信号，也会使得测定灵敏度降低。通过试验发现，当载气流速在4.4～4.8 L/min时，灵敏度效果最佳，回收率最高。

图2 载气流速变化与样品测定回收率的关系

由图3可知，随着雾化器流速的增大，铬元素测定的回收率先稳步增大，再逐步减小，可能原因是雾化器流速过快，无法使溶液很好地转变成气溶胶状态，使样品溶液目标物产生损失。通过试验发现，当雾化器流速在1.0～1.2 L/min时，灵敏度效果最佳，回收率最高。

图3 雾化器变化与样品测定回收率的关系

2.2 测定干扰的消除

ICP-MS在测定过程中存在质谱干扰和基体效应等的干扰，优化仪器参数条件可以极大地降低干扰。常见的，如40Ar35Cl+对75As干扰，可通过：75As:-3.127×Se77+2.733×Se82校正方程予以消除。

内标也可以有效地降低干扰。在测试过程中，初次测定一个组别中可以尽可能多地选择内标元素，观察内标元素回收率的情况，内标回收率的高低与最终样品测定结果的浓度成反比。

2.3 实际样品测定

分别采集上海、重庆、山东、云南四个地域内的土壤，依次标记为A、B、C、D，按照上述要求制备样品，按照提取流程和仪器条件对样品进行平行测定，测定结果见表3。

表3 样品分析结果

3 结果与分析

3.1 线性关系及检出限

元素测定选择干扰较少的作为定量质量数，以浓度对各标准溶液的仪器响应强度做线性回归分析，相关系数在0.999以上，采用21次过程空白溶液的测定，以3倍仪器响应强度值标准偏差与曲线斜率的比值作为检出限，经计算得出，21次过程空白溶液测定结果响应值均值为0.001 295，标准偏差为0.000 18，方法检出限为 0.038 62 μg/L。

使用标准中间液Ⅱ，稀释成 1.00 μg/L、5.00 μg/L、10.0 μg/L、50.0 μg/L、100 μg/L、500 μg/L 系列浓度点，按照上述仪器条件进行测定，以浓度值为横坐标，标准溶液与内标元素的CPS比值为纵坐标，最小二乘法拟合得方法校准曲线Y=0.014 0X+0.001 3，相关系数R＞0.999，以样品取样量10 g，提取剂体积20 mL，按照以下公式计算方法检出限

式中：X——土壤样品方法检出限，mg/kg；

C——溶液方法检出限，μg/L；

V——提取液体积，mL；

M——称样量，g

经计算，方法检出限为0.077×10-3mg/kg。

3.2 精密度和准确度试验

准确称取相同样品10.00 g，共计称取20份，其中两份样品中有效态铬元素为本底浓度，其他18份样品分成三组，每组6份，每组分别加入标准中间液Ⅱ0.20 mL、标准中间液Ⅰ0.40 mL和1.00 mL，按1.3.2方法制备溶液，加标量依次分别为2.00 μg/kg、400 μg/kg、1 000 μg/kg。同时，每批次至少两个过程空白样品，试验结果见表4。方法的精密度为3%～10%，准确度为80%～105%，参照HJ 804-2016《土壤8 种有效态元素的测定 二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法》A.1和A.2精密度和回收率的情况，该方法的精密度和准确度能够满足日常有效态铬元素的测定要求。

表4 精密度和准确度试验结果（n=6）

3.3 干扰试验

准确称取6份土壤样品，每份10.00 g，将其随机分成三组，编记为A、B、C，每组2份平行试样，将浓度为1 000 mg/L的钾（K）、钠（Na）、钙（Ca）、镁（Mg）、铜（Cu）、锌（Zn）、铁（Fe）、猛（Mn）、铅（Pb）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）、铝（Al）、镍（Ni）、银（Ag）、钼（Mo）、锡（Sn）、钴（Co）、钒（V）、钛（Ti）、锂（Li）、铍（Be）、铋（Bi）、金（Au）24个金属元素混合标准液分别加入到上述三组中，A、B、C三组加入的标准液体积分别为0.20 mL、0.50 mL和1.00 mL。按照上述提取流程和仪器条件进行测定，结果见表5。

表5 干扰试验A、B、C三组回收率

从表5可知，不同浓度的其他金属基质对测定铬元素的干扰影响较小，回收率在82%～103%。

4 结语

本研究采用碳酸氢铵-二乙烯三胺五乙酸（ABDTPA）作为提取剂，电感耦合等离子体质谱法测定土壤样品中有效态铬元素的含量，方法灵活，操作简便，精密度、准确度、抗干扰性均能满足检测的要求。