以水作载流的氢化物发生原子荧光光谱法测定畜禽养殖场土壤中的砷

王娅楠 龚治湘 刘瑞萍 李 黎 李伯平 王绪海 肖国原 邓方驰 高海生 郭冬发＊

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029； 2.伯桥(重庆)科学技术研究院有限公司，重庆 400063)

近年来，我国畜禽养殖业高速发展，给养殖户带来巨大经济效益的同时，伴随而来的环境污染问题也不容小觑。随着有机肥料逐渐被化学肥料取代以及饲料中化学添加剂[1]的增多，导致多种有害物质随畜禽粪便一起排入环境中，给畜禽养殖区的土壤、水源、大气带来了不可忽视的环境压力[2-4]。因此，监测畜禽养殖区土壤中的砷含量具有重要意义。

砷的测定方法有很多，主要有银盐法、原子吸收光谱法、原子发射光谱法、X射线荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法以及原子荧光光谱法等分析方法[5-9]。这些方法也有各自的优缺点[10-12]，银盐法操作简单，但试剂挥发性强，毒性大；原子吸收光谱法检出限低，灵敏度高，但线性范围较窄，适用于测定痕量砷；原子发射光谱法操作简单，准确度和精密度高，但存在较重的光谱干扰；X射线荧光光谱法最大的优点就是制样简单，检测速度快；电感耦合等离子体质谱法具有较高灵敏度和较低检出限，有良好的精密度和准确度，还能实现多元素同时测定，但在测定砷存在较重干扰。

由于土壤样品黏度较大，杂质较多，选用的原子荧光光谱法可采用氢化物发生分离基体，对测定土壤中的砷含量具有显著优势。原子荧光光谱法的原理是：经湿法消解处理后的待测试样在硼氢化物的作用下还原，形成气态氢化物，经原子化器中砷空心阴极灯照射，基态砷原子被激发至高能态，在返回基态的过程中发射出具有特征波长的荧光。在一定条件下，其荧光强度与待测试样中砷的浓度成正比，据此对试样中的砷进行定量分析。原子荧光光谱法具有高灵敏度和高选择性，低检出限等优点，是目前普遍应用的痕量、超痕量无机元素的定量分析方法[13-15]之一。常规原子荧光光谱法通常以酸为载流，存在记忆效应。本文采用水为载流的原子荧光光谱法[16]进行测定，具有记忆效应低等特点。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

GAF18-YG201重金属测定仪(非色散原子荧光光度计，伯桥(重庆)科学技术研究院有限公司产品)，分析天平(精度为0.000 1 g)。

硫酸(AR)，超纯水(电阻率>18 MΩ·cm)，盐酸(AR)，硝酸(AR)，氢氟酸(AR)，高氯酸(AR)，硼氢化钾(98%)，氢氧化钾(GR)，硫脲(AR)，L(+)-抗坏血酸(AR)，砷单元素标准储备溶液(1 000 μg/mL，购自标准研究所)。

1.2 采样及样品预处理

选取正常经营的养殖场作为采样点，随机选取养殖场化粪池(沉淀池)附近10、30或50 m的一块较为平坦土面，除去表层2 cm的土壤，在2～20 cm深度处进行土壤采集，按对角线布点法(一块区域中间采一个点，四个角各采一个点)均匀采样并混合。采样点分布如图1所示。

图1 采样点分布图Figure 1 Distribution of sampling points.

将采集的新鲜土壤样品风干，去除杂物，碾压，取适量样品放入震动式研磨机，设定时间为1 min，转速为850 r/s，研磨至样品粉末为74 μm，装袋备用。每研磨好一份样品都要洗净研磨锅体、锅盖等一切直接接触样品的器具，防止样品污染，并保持干燥，而后用于下一份样品的研磨。

1.3 样品消解

用万分之一天平称取0.5 g(精确至0.000 1 g)样品，置于15 mL聚四氟乙烯消解罐中，加入1 mL硝酸、3 mL盐酸、1 mL氢氟酸、2～3滴高氯酸(可根据样品实际消解情况再适量添加酸)，将样品置于150 ℃的电热板上，加热至完全消解。冷却后，打开锅盖，将样品置于180 ℃的电热板上敞口赶酸，直至内溶物蒸发至近干，关闭加热板，待消解罐冷却至室温后，加入2 mL硝酸，盖盖后置于电热板上，设定温度150 ℃加热2 h，冷却后将溶液转移至50 mL容量瓶中，用二次去离子水定容至50 mL。

1.4 溶液配制

L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)：用天平称取5 g的L(+)-抗坏血酸和5 g硫脲于烧杯中，加入超纯水100 mL，用玻璃棒搅拌均匀。砷元素为多价态元素，消解液中的高价砷只有被硫脲还原后，才能在原子荧光光谱仪中被检测到，为了让该混合液充分溶解并更好地还原高价砷，将其水浴(60 ℃)加热30 min。

砷标准溶液：将砷单元素标准储备溶液(1 000 μg/mL)用HNO3溶液(5%)稀释成100 ng/mL的砷标准溶液，用时现配；分别移取0、0.25、0.5、1.0、2.5、5.0 mL砷标准溶液(100 ng/mL)于容量瓶中，每一份溶液各加10 mL HCl(1+1)和5 mL的L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)，最后用二次去离子水定容至50 mL，配制成0、0.5、1、2、5、10 ng/mL的系列砷标准溶液。

还原剂：用天平称取7g KBH4和3.5 g KOH于容量瓶中，用超纯水定容至500 mL，配制成KBH4(14 g/L)-KOH(7 g/L)的还原剂。还原剂易氧化，需要现用现配。

样品处理：取1 mL已经定容好的样品于10 mL的离心管中，向其中加入2 mL HCl(1+1)，再加入1 mL L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)，最后加入二次去离子水至10 mL。

1.5 仪器调试

开机后，打开氩气开关，卡上蠕动泵，调节好灯位，预热30 min，选择合适的测定方法进行测定，仪器运行参数如表1所示。

表1 仪器运行参数

2 结果讨论

2.1 测定条件验证

为增加方法的可靠性，从样品前处理和仪器测定两方面进行验证实验，力求找到最佳的样品测定条件。

2.1.1 消解条件验证

对于利用原子荧光光谱法测定土壤中总砷的含量，已有国家标准方法(GB/T 22105.2—2008)，但为研究畜禽养殖场对周围土壤环境的污染程度，除检测土壤中的总砷含量外，后续还要利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定其中的微量元素，为了让土壤样品更好地溶解，同时减少不必要的前处理操作，参照GB/T 14506.30—2010标准，选择一种既适用于AFS法测定砷，又适用于ICP-MS法测定微量元素的前处理方法。为验证该方法对AFS法测定土壤中总砷的适用性，选取标准样品GBW07405(As推荐值为412 mg/kg±16 mg/kg)对其分别进行不同的前处理方式，对该方法前处理过程中的消解时间和酸的种类进行条件对比实验，数据见表2、3。

表2 所加酸的种类条件实验

对消解过程中添加的酸种类进行条件实验，在标准物质中加不同种类的酸，在150 ℃电热板上消解2 h，其他前处理过程一致，得到表2。由表2可见，在1点(1 mL HNO3、3 mL HCl、1 mL HF、2～3滴HClO4)，即用本文方法中所加酸的条件下，得到的数据与推荐值最为接近，在不加氢氟酸和高氯酸的条件下，土壤样品未能全部溶解，测到的砷含量偏低，并非土壤样品中的总砷，所以添加该方法中的四种酸适用于原子荧光光谱法测定土壤中总砷含量。

对消解过程中所用时间进行条件实验，在标准物质中加入1 mL HNO3、3 mL HCl、1 mL HF、2～3滴HClO4，在150 ℃电热板上消解不同的时间，其他前处理过程一致，得到表3。由表3可见，在消解0.5 h的条件下，得到的数据与推荐值最为接近，增加消解时间得到的数据与推荐值也吻合，但考虑到后期还要用ICP-MS法测定土壤中的其他微量元素，所以选择延长消解时间至2 h，直至样品完全溶解。

表3 消解时间条件实验

2.1.2 仪器条件验证

由于本研究所用仪器GAF18-YG201重金属测定仪是以水为导流，解决了困扰业界的测量记忆效应问题，同时，仪器给出了还原剂的配比[KBH4(14 g/L)-KOH(7 g/L)]且还原剂是单独进样，进样量由仪器自动控制，所以只需要探究盐酸酸度以及L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)用量对测定结果的影响。按照样品制备流程，利用标准物质GBW07312(砷的推荐值为115 mg/kg)进行条件实验，结果如表4和表5所示。

由表4可见，当盐酸用量过高或过低时，标准物质的测定值与其推荐值相差较大。盐酸用量太少，反应不完全，用量过高，会导致KBH4分解产生氢气。当加入8～10 mL HCl(1+1)时，测定值与推荐值基本一致，但考虑到让待测砷更好地酸化与预还原剂反应，生成气态氢化物，所以选择加入10 mL的HCl(1+1)，这也是仪器的推荐用量。

表4 HCl(1+1)用量条件实验

表5 L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)用量条件实验

由表5可见，当L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)用量过高或过低时，标准物质的测定值与其推荐值相差较大，当加入5 mL时，测定值与推荐值最接近，所以选择加入5 mL L(+)-抗坏血酸(50 g/L)-硫脲(50 g/L)。

2.2 标准曲线绘制

以所测标准溶液的质量浓度为横坐标，其荧光强度值为纵坐标，绘制工作曲线如图2所示。每份标准溶液均测定3次，取其有效结果的平均值为最终结果。

由图2可知，样品的质量浓度与荧光强度值在一定范围内成正相关，其线性关系为y=460.6x-118.9，相关系数R2=0.99997，线性良好。

图2 砷工作曲线Figure 2 Working curve of arsenic.

2.3 检出限

测定11份全流程空白，得到方法的检出限，测定结果如表6所示。

表6 检出限测定结果

多次测量空白，测定结果显示，空白荧光值的标准偏差为1.14，按照公式(1)计算，得到检出限(DL)为0.074 mg/kg。

(1)

式(1)中：DL——检出限，mg/kg；

s——测定的标准偏差，mg/kg；

k——标准曲线的斜率。

2.4 精密度实验

2.4.1 方法精密度

随机选取其中一个样品(这里选取005号土壤样品)，按照该批试样数10%的比率添加它的平行样5份，将平行样进行与普通试样完全一致的前处理操作及测试流程，按照公式(2)[17]计算其相对偏差允许限，其结果如表7所示。

(2)

式(2)中：yc——重复分析试样中某组分的相对偏差允许限，%

c——矿种某组分重复分析相对偏差允许限系数(此处c=1)

表7 方法精密度测定结果

由表7数据可知，5份平行样品分析结果的相对偏差均小于相对偏差允许限yc，结果合格。

2.4.2 仪器精密度

随机选取其中一个样品重复测量7次，检验其仪器的精密度，测定结果如表8所示。

表8 仪器重复性测定结果

测定结果显示，样品的相对标准偏差(RSD)为1.6%，仪器精密度良好。

2.5 准确度实验

为验证方法的准确度，选取3种标准样品GBW07404、GBW07405、GBW07312，将其进行与其他样品完全一致的前处理过程，进行3次测定，取平均值，同时按照公式(3)[17]计算其相对误差允许限(yB,%)，其结果如表9所示。

(3)

式中：

yc——重复分析试样中某组分的相对偏差允许限，%；

x0——标准物质(或标准物质中某组分)的标准值，mg/kg；

c——矿种某组分重复分析相对偏差允许限系数(此处c=1)。

表9 加标回收率测定结果

由表9数据可知，3种标准物质分析结果的标准推荐值的相对误差均小于相对误差允许限yB，结果合格。

2.6 样品测定

将50份土壤样品上机测定3次，取平均值，其分析结果如表10所示。

表10 样品测定结果

续表10

续表10

由表10可知，编号001到050的监测点土壤中总砷含量为3.56～17.52 mg/kg，平均含量为8.26 mg/kg。50个养殖场土壤样品中砷含量基本上都低于15 mg/kg，且数据较为接近，这是由于当地养殖业所用的饲料大致相同，基本都是购买自新希望、正大以及大北农的养殖饲料；猪的种类也基本一致，都是仔猪、种猪、育肥猪等品种；关于排泄物的处理方式也都是按照流程，首先干湿分离，沼液进入自建的污水处理站直至达到进入市政管网三类排放标准，最后排入市政污水管网。011地区中的砷含量较高，达到17.52 mg/kg，这可能是由于养殖猪的排泄物处理不及时，有少量进入环境导致，后期加强管理已解决。

3 结论

对于从重庆地区50个养殖场采集的土壤样品进行As元素测定，测定结果显示所有监测点土壤中总砷含量均低于《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)规定的二级标准(为保障农业生产，维护人体健康的土壤限制值)中As的最高限值40 mg/kg。实际上，除011地区外，其他养殖区土壤中的As含量甚至低于标准中规定的一级标准(为保护区域自然生态，维护自然背景的土壤环境质量的限制值)中As的最高限值15 mg/kg。

通过对重庆50个养殖场土壤中As含量的测定，初步了解这50个地区养殖场土壤环境质量，为重庆禽畜养殖产地的环境评估提供了可靠的数据资料。从数据看出，目前该地区禽畜养殖业对当地环境的污染程度较小，尚且处在环境容忍范围内，但个别地区As含量较高，应该引起我们的高度重视，在环境污染的源头减少污染，减少化学肥料和饲料添加剂的使用，为养殖场提供一个良好的自然环境，同时降低对附近居民的不良影响。

致谢：本课题得到了柏桥(重庆)科学技术研究院有限公司的支持和帮助，对此表示诚挚感谢!