恒温振荡提取-电感耦合等离子体质谱法测定土壤中有效态铅

田戈，郭颖超，刘卫，谷周雷，何煦

（华北地质勘查局514地质大队，河北 承德 067000）

铅是一种对人体健康危害性大的重金属元素，在进入人体后会对神经系统、消化系统、心血管系统和内分泌系统等造成伤害，尤其会明显影响儿童智力发育，当血铅水平自100 μg·L-1上升到200 μg·L-1时，智力商数平均下降2.6分，严重者造成脑组织损伤，可能导致终身残废[1-3]。铅进入人体有多种途径，其中通过食物链进入人体是最主要方式[4-6]。植物对铅的吸收量取决于土壤中有效态铅含量，有效态铅更能代表铅的植物有效性[7-8]，因此，准确测定土壤中的有效态铅含量，对土壤铅污染监测、铅元素迁聚研究以及铅污染土壤生物修复等方面具有重要意义。

目前，对于土壤中有效态铅的测定主要是依据《土壤质量有效态铅和镉的测定 原子吸收法》（GB/T 23739—2009）和《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》（HJ 804—2016）进行，两种方法中均采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提剂-普通振荡器进行有效态铅的提取，并以原子吸收分光光度法或电感耦合等离子体发射光谱法进行样品测试。在实际的样品检测中发现，样品前处理中使用普通振荡器难以实现振荡频率和提取温度的精准有效控制，容易导致测试结果精密度差、合格率低等问题。样品测试中原子吸收分光光度法或电感耦合等离子体发射光谱法检出限较高，对低含量样品中的有效态铅无法准确测定。针对上述存在的问题，张斌[9]和农云军等[10]分别采用水浴恒温振荡器和超声仪进行样品前处理操作，并以电感耦合等离子体质谱仪测试，虽然解决了仪器灵敏度、检出限的问题，但却没有系统性地对比研究提取温度、提取用量等前处理条件对有效态铅提取率的影响，并且不适宜大批量检测。殷金涛等[11]采用王水－高氯酸体系消解土壤样品，以电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测试，实验条件简单，可批量化检测，但仅能用于路边及一般土壤样品中环境有效态铅的检测，不利于推广应用。综上所述，土壤有效态铅的浸提方面虽有一些改进研究，但均没有对影响有效态铅提取率的重要影响因素开展系统性研究和对比验证。本文结合前人的研究成果，将DTPA 浸提法与高精密的大容量恒温摇床及ICP－MS 相结合，对土壤有效态铅标准样品开展单因素方法试验，确定了方法的最佳条件，并结合实际土壤样品进行比对验证，建立了一种准确度高、精密度好、简单高效测定土壤样品中有效态铅的方法，能实现百件以上样品的一次性批量化检测，具有良好的应用性。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

X-Series Ⅱ型电感耦合等离子体质谱仪（ICPMS，美国热电公司），BSD-YF2600立式双层智能精密型摇床（上海博讯实业有限公司医疗设备厂）。

1 000 μg·mL-1铅单元素标准溶液（中国计量科学研究院）；三乙醇胺（TEA）（分析纯，天津科密欧）；二乙烯三胺五乙酸（DTPA）（分析纯，天津科密欧）；二水合氯化钙（CaCl2·2H2O）（分析纯，天津科密欧）；试验用水为纯水（18MΩ·cm，实验室自制）。

DTPA 浸提剂[12]：准确称取1.967 g DTPA、14.92 g C6H15NO3和1.47 g CaCl2·2H2O 溶于纯水中，调节pH至7.30±0.2 后，用水定容至1 000 mL，避光保存，使用前检查pH 值。

1.2 供试土壤

选择江西红壤GBW07416a（ASA-5a），广东水稻土GBW07417a（ASA-6a），陕西黄绵土GBW07460（ASA-9），安徽潮土GBW07461（ASA-10），甘肃灌漠土GBW07496（HTSB-4）5种土壤有效态标准物质作为供试土壤，有效态铅认定值分别为：（1.5±0.4）、（8.1±0.6）、（0.67±0.07）、（3.8±0.3）、（2.19±0.16）mg·kg-1。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

准确称取5.0 g 供试土壤置于200 mL 干燥的浸提瓶中，加入25 mL预先配制好的DTPA浸提剂，拧紧瓶盖后放入智能精密型摇床中，将温度设置为（25±2）℃，振荡时间为2 h，频率为（180±10）r·min-1，完成提取后，使用滤纸干过滤，滤液待测。所有条件试验样品均进行3 次平行测试，空白实验与样品处理同时进行，除不加试样外，其他操作与样品处理完全一致，每次实验均进行2个空白实验。

1.3.2 实验条件优化

在实验条件优化中，采用单因素试验方法，即每次只改变单一影响因素，并以前一次得到的最优提取条件作为后续实验的确定实验条件开展研究。本研究中分别对振荡频率（140、160、180、200、220 r·min-1）、提取温度（15、20、25、30、35 ℃）、振荡时间（1、1.5、2、2.5、3 h）、浸提剂用量（15、20、25、30、35 mL）4个影响因素开展实验，每个条件优化中均进行3 次平行实验以确定最佳提取条件。

1.3.3 标准溶液

吸取一定量铅单元素标准溶液，以DTPA浸提剂为介质，标准溶液配制浓度分别为0.00、0.02、0.05、0.10、0.50、1.00、2.00 mg·L-1的系列标准溶液，摇匀备用。

1.3.4 仪器参数

使用ICP-MS 进行测试时，采用103Rh 作为内标校正基体效应。由于ICP-MS 的测试信号会受到功率、气体流速等参数的影响，故在测试前，需要将电感耦合等离子体质谱仪调谐至最佳状态，设置ICP-MS 的功率为1 550 W，雾化气流量为1.0 L·min-1，辅助气流量为0.85 L·min-1，冷却气流量为15.0 L·min-1，采样深度为5 mm，采样锥孔径为1.0 mm，截取锥直径为0.7 mm，测量次数为3次。

1.3.5 样品测试

在使用ICP-MS 进行样品测试时，设置好仪器工作参数后，把铅单元素标准溶液系列按照浓度由低至高的顺序依次导入ICP-MS 中，测定铅元素和内标元素的信号响应值，以铅元素的质量浓度为横坐标，铅元素与所选内标元素响应信号值的比值为纵坐标，建立标准曲线。在此基础上，按照与建立标准曲线相同的条件和步骤将空白和试样溶液分别导入ICP-MS中，测定铅元素和所选内标元素的信号响应值，计算铅元素与所选内标元素的响应信号值比值，根据标准曲线得到待测液中铅元素的质量浓度。

2 结果与讨论

2.1 振荡频率的确定

在土壤有效态铅的提取中，振荡频率是重要的影响因素，直接影响着样品测试结果（表1）。在对不同振荡频率进行研究后发现，随着振荡频率的增加，有效态铅提取率呈现明显增长趋势，但当振荡频率达到200 r·min-1时，增长情况出现转折点。当振荡频率在140 r·min-1时，振荡频率过低，在有效的提取时间内，部分样品中有效态铅的提取不完全，造成测定值低于认定值范围。振荡频率达到220 r·min-1时，频率过高，长时间过于剧烈的振荡，导致有部分溶液飞溅至浸提瓶顶部甚至沿密封螺纹外溢，浸提平行性不理想，甚至有超出标准物质认定值范围的结果出现，存在部分非有效态铅被提取的可能。在160~200 r·min-1的振荡频率范围内，有效态铅均能得到很好的提取，在180 r·min-1的振荡频率下，测定值最接近标准物质的认定值，但是达到200 r·min-1时，有测试结果偏高和稳定性变差的风险。在保证测定结果准确的前提下，考虑减少对前处理设备的损耗，选择（180±10）r·min-1作为前处理操作振荡频率。

表1 振荡频率对样品测试结果的影响Table 1 Effects of oscillation frequency on sample test results 单位：mg·kg-1

2.2 提取温度的确定

提取温度对有效态铅测定结果的影响见表2。由表2 可以看出，温度的升高，对于有效态铅的提取有积极影响，当提取温度较低（15 ℃）时，提取反应速率低，样品中的有效态铅不能在确定的时间内被完全提取，随着温度的升高，目标元素与浸提剂反应加快，有效态铅提取量逐渐增加。但在过高的提取温度（35 ℃）下，有部分提取结果超出标准物质认定值范围，提取效果均不理想。在20~30 ℃范围内，提取效果较好，25 ℃温度点效果最佳。综合考虑实际可操作性，选择提取温度为（25±2）℃。

表2 提取温度对样品测试结果的影响Table 2 Effects of extraction temperature on sample test results 单位：mg·kg-1

2.3 振荡时间的确定

提取时间时是有效态铅提取的重要影响因素之一。如表3 所示，有效态铅提取量随着振荡时间的增长而增加。当提取时间较短（1 h）时，样品中的有效态铅不能被完全提取，有部分结果不在标准物质认定值范围内。增加提取时间，样品中的有效态铅进入溶液中的量增加，当振荡时间为2 h时，提取效果最佳，超过2.5 h，有效态铅提取量没有明显变化。考虑生产效率、资源节约等因素，确定2 h为最佳振荡时间。

表3 振荡时间对样品测试结果的影响Table 3 Effects of extraction time on sample test results 单位：mg·kg-1

2.4 浸提剂用量的确定

浸提剂用量的实验结果如表4 所示。可以看出，当浸提剂为15 mL 时，样品的测试结果不在认定值范围内。这是因为浸提剂用量过少，会造成固液混合不均匀，有效态铅提取不完全。浸提剂用量增加时，有效态铅提取量随之增加，但增长幅度随用量增加逐渐减小。当使用25 mL 浸提剂时，测试结果最理想，当用量超过30 mL 时，测试结果差别不明显，考虑到节约成本，选择25 mL为最佳用量。

2.5 内标元素的选择

在使用ICP-MS 进行样品测试时，会出现基体干扰造成的信号不稳定情况出现，为消除样品的基体抑制效应常采用内标法进行校正[13-14]，内标元素的选择非常重要，本研究综合考虑样品溶液的含量，电离电位、质量数和化学特征与分析元素接近情况，采用103Rh 作为内标元素，并采用蠕动泵在线加入方式进行有效态铅的测试。

2.6 方法检出限

准确称取5.0 g低含量样品置于200 mL干燥的浸提瓶中，加入25 mL 预先配制好的DTPA 浸提剂，在（25±2）℃条件下，采用（180±10）r·min-1的频率振荡2 h，干过滤后，使用ICP-MS 进行测试。进行独立10次测试后，计算10次平行测定的标准偏差，按公式MDL=t（9，0.99）×S计算方法检出限，并以4 倍检出限确定测定下限，如表5所示。

表5 方法检出限Table 5 Method detection limit

经试验和数据计算，本方法检出限达到0.009 mg·kg-1，测定下限为0.038 mg·kg-1，均远低于《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》HJ 804—2016 中要求的0.05 mg·kg-1和0.2 mg·kg-1，此方法更适合评价未受到严重污染的土壤有效态铅含量情况。

2.7 方法准确度和精密度

选择GBW07494、GBW07497、GBW07415a 三种土壤标准物质进行准确度和精密度验证。分别准确称取5.0 g 标准物质置于200 mL 干燥的浸提瓶中，加入25 mL 预先配制好的DTPA 浸提剂，设置恒温振荡箱的温度为（25±2）℃，频率振荡为（180±10）r·min-1，振荡2 h 后，过滤、测试。每个样品进行11 次平行实验，并计算测试结果的相对标准偏差（RSD），结果见表6。表6 显示，本方法的RSD 为2.1%~3.3%，平行样品测试结果的精密度高，能很好地满足检测需求。

表6 方法精密度和准确度Table 6 Method precision and accuracy

2.8 实际样品分析比对

在样品库中选择留存的6 种土壤样品进行比对实验。所选择的样品分别为吉林黑土样品、河南黄褐土样品、湖北红壤样品、河北潮土样品、江西紫色土样品、广东水稻土样品，分别按照本方法流程和《土壤质量有效态铅和镉的测定原子吸收法》GB/T 23739—2009 进行样品三平行测试，测试结果平均值如表7 所示。

表7 实际样品比对结果Table 7 Actual sample comparison results

分析测试结果表明，在对不同地区的实际样品测试中，该方法与国家标准方法的RSD 均小于5%，结果准确可靠。

3 结论

（1）本研究采用双层智能精密型摇床作为前处理设备，进行了有效态铅前处理条件优化实验，最终提出了恒温振荡提取、ICP-MS 测定土壤中的有效态铅的方法，并确定振荡时间为2 h，提取温度为（25±2）℃，振荡频率为（180±10）r·min-1，浸提剂用量为25 mL为本方法的最佳前处理条件。

（2）在提取条件实验过程中发现，振荡时间、提取温度、振荡频率、浸提剂用量均对有效态铅的提取量有着积极的影响，其中，提取温度和振荡频率的影响最为显著。

（3）本方法检出限达到0.009 mg·kg-1，测定下限为0.038 mg·kg-1，相对标准偏差为2.1%~3.3%，检出限低、精密度好、准确度高，对土壤铅污染监测、铅元素迁聚特征研究以及铅污染土壤修复研究等具有较高的实用价值。