原子荧光法测定农业土壤中总砷、总汞方法的改进

石远新

（甘肃省核地质二一九大队，甘肃 天水 741020）

1 前言

砷、汞在自然界及人类日常生活中广泛存在，又极易通过环境和食物在人体中蓄积[1]，直接危害人体的健康。为此，对农业土壤中总砷和总汞含量的测定至关重要。现阶段，国家及行业标准中，测定土壤总砷的检测方法主要有《土壤质量总砷的测定二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》（GB/T 17134—1997）[2]、《土壤质量总砷的测定硼氢化钾—硝酸银分光光度法》（GB/T 17135—1997）[3]、《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分：土壤中总砷的测定》（GB/T 22105.2—2008）[4]、《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》（HJ 680—2013）[5]、《土壤和沉积物12种金属元素的测定王水提取—电感耦合等离子体质谱法》（HJ 803—2016）[6]；测定土壤总汞的检测方法主要有《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分：土壤中总汞的测定》（GB/T 22105.1-2008）[7]、《土壤和沉积物汞、砷、硒、铋、锑的测定微波消解/原子荧光法》（HJ 680—2013）[5]、《土壤质量总汞的测定冷原子吸收分光光度法》（GB/T 17136—1997）[8]、《土壤和沉积物总汞的测定催化热解—冷原子吸收分光光度法》（HJ 923—2017）[9]。其中分光光度法所需试剂较多，步骤繁杂，成本较高，其精密度、准确度已无法满足当下分析要求；电感耦合等离子体质谱法可分析低浓度砷含量的样品，但对于高浓度砷含量的测定已不能满足所需分析要求，且仪器成本过高；冷原子吸收分光光度法只能检测总汞1种元素。而原子荧光光谱法能够同时用于多个元素的分析测定，且检测具有较高的灵敏度，线性范围较宽，谱线比较简单，这些优点使其完全满足当下的分析检测需求[10]。因此，文章依据GB/T 22105.1—2008、GB/T 22105.2—2008标准，利用<1+1>王水消解农业土壤样品中所含的总砷、总汞，再结合原子荧光光度计测定总砷、总汞含量[11]。实验表明此方法测定农业土壤中的总砷、总汞结果更准确、成本更低，有效缩短了检测周期，且相对偏差、精密度和准确度较现有国家标准检测方法更好。

2 实验部分

2.1 实验原理

利用<1+1>王水的强氧化能力分解土壤中的有机质，同时将砷和汞完全提取出来。在酸性介质中，砷和汞可以被硼氢化钾（还原剂）分别还原为砷化氢和原子态汞，由载气（氩气）将其直接导入石英管原子化器中，在氢氩火焰中原子化，进而在特制空心阴极灯下其基态原子被激发至高能态，从而产生原子荧光。再通过原子荧光光度计检测出所测样品原子荧光的相对强度，利用荧光强度与溶液中砷、汞含量成正比的关系，在标准系列下计算出相应农业土壤中砷和汞的含量[12]。

2.2 实验仪器及设备

50 mL比色管（北京玻璃仪器厂）；电子分析天平（AUW120 岛津菲律宾工厂）；1.00 mL、2.00 mL、5.00 mL、10.00 mL移液管（天津天玻）；水浴锅（HH-8 常州国华电器有限公司）；砷空心阴极灯（北京有色金属研究总院）；汞空心阴极灯（北京有色金属研究总院）；氢化物发生原子荧光光度计（AFS-8520 北京海光仪器有限公司）。

2.3 实验试剂

盐酸（HCl CAS：7647-01-0）：ρ=1.19 g/mL，优级纯，四川西陇化工有限公司。

硝酸（HNO3CAS：7697-37-2）：ρ=1.42 g/mL，优级纯，四川西陇化工有限公司。

氢氧化钾（KOH CAS：1310-58-3）：分析纯，西陇化工股份有限公司。

硼氢化钾（KBH4CAS：13762-51-1）：分析纯，成都艾科达化学试剂有限公司。

硫脲（H2NCSNH2CAS：62-56-6）：分析纯，天津大茂化学试剂厂。

抗坏血酸（C6H8O6CAS：50-81-7）：分析纯，西陇化工股份有限公司。

砷标准溶液（1 000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）

汞标准溶液（1 000 mg/L，国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院）

<1+1>王水：取1体积硝酸和3体积盐酸混合均匀，再用H2O稀释一倍。

载流（5%盐酸溶液）：量取25.00 mL盐酸，加H2O稀释定容至500 mL，混匀。

还原剂（2 %硼氢化钾+0.5 %氢氧化钾）：首先称取2.5 g氢氧化钾，加H2O溶解，再称取10.0 g固体硼氢化钾加到氢氧化钾溶液中，完全溶解后定熔至500 mL。此溶液现用现配且每次均得配制。

硫脲—抗坏血酸溶液（5%）：称取5.0 g硫脲和5.0 g抗坏血酸，溶于少量H2O中，定容至100 mL，摇匀。此溶液现用现配。

砷标准使用溶液（1.00 mg/L）：先移取10.00 mL 1 000 mg/L砷标准溶液，加H2O定容至100 mL，配制成100 mg/L砷标准中间溶液；再准确移取1.00 mL 100 mg/L砷标准中间溶液，加H2O定容至100 mL，即为1.00 mg/L砷标准使用溶液。

汞标准使用溶液（20.00 ng/mL）：先移取10.00 mL 1 000 mg/L汞标准溶液，加H2O定容至100 mL，配制成100 mg/L汞标准中间溶液1；再二级稀释为1.00 mg/L汞标准中间溶液2；最后准确移取2.00 mL1.00mg/L汞标准溶液2，加H2O定容至100 mL，即为20.00 ng/mL汞标准使用溶液。

氩气（Ar）：纯度99.99 %及以上。

以上实验用水均为去离子水或蒸馏水。

2.4 分析步骤

（1）配制砷汞工作曲线；

（2）称取经风干、研磨处理并过0.149 mm孔径筛的农业土壤样品0.2 g（精确至0.000 1 g）于50 mL具塞比色管中，加入少许水浸湿样品，然后加入10 mL<1+1>王水，加盖，摇匀，置于沸水浴中加热消解2～3 h，加热过程中需多次晃动比色管并进行放气处理；

（3）消解完毕，待自然冷却至室温，加入3 mL盐酸和5 mL硫脲-抗坏血酸溶液，加H2O定容至50 mL，摇匀（记为试液A），静置30 min后取上清液准备进行砷、汞的测定（含量较高、荧光强度超出工作曲线最高点的样品可分取部分试液稀释测定）。同时做空白试验；

（4）首先将仪器预热30 min调至最佳工作条件，然后在载流和还原剂的带动下，利用双道原子荧光光度计同时测定砷、汞工作曲线各点的荧光强度，再测定砷、汞空白试样及未知样品的荧光强度，最后计算出相应未知试样中总砷、总汞的含量。

3 结果讨论

3.1 试样消解、前处理过程的优化

3.1.1 试样消解、前处理过程

利用氢化物发生原子荧光光谱法测定总砷、总汞的以往标准中，总砷、总汞的酸消解步骤及消解完毕之后对消解液的前处理均是单独进行的，而且在总汞的检测中多有用到保存液和稀释液，这不仅延长了样品分析检测周期，还增加了试剂、人工成本。且样品消解的好与坏直接影响了检测结果的准确性。为此，本研究对试样制备步骤进行了优化：将总砷和总汞的消解、前处理过程同时进行（详见本文2.4分析步骤），利用双道原子荧光光度计一同测定总砷、总汞。

将国家农业土壤标准样品GBW07402、GBW07403、GBW07408按照此消解方法进行处理，静置30 min后通过双道原子荧光光度计进行测定，数据结果见表1。

表1 试样消解、前处理过程的优化

由表1可知，在其他测定条件不变的前提下，将砷、汞一同消解及前处理，所测标准样品值均在其标准值不确定度范围内。由此可见，优化后的方法测得的数据具有良好的准确度，证明该方法可靠；其相对标准偏差均低于《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第2部分：土壤中总砷的测定》（GB/T 22105.2—2008）和《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分：土壤中总汞的测定》（GB/T 22105.1—2008）标准所要求的7%和12%，说明该改进方法具有良好的精密度，符合质量规范要求。总之，以上结果均表明本研究改进的方法可用于农业土壤样品中砷、汞试样的消解及前处理。

3.1.2 试液A保存时间（段）

试样消解、前处理完毕后，将试液A静置30 min以上，待反应完全后方可进行测定。同时根据GB/T 22105.1—2008标准中的消解过程表明试液A在有保存液和稀释液时，汞试液可保存2～3 d。为此，为了探究最佳保存时间（段），文章采用改进后的消解、前处理方法处理国家标准样品GBW07408，进行了静置时间为0.25、0.5、1、3、6、12、24、36、48、60 h 的10 组实验，实验结果见表2。

表2 试液A保存时间（段）的优化

由表2数据可以看出，试液A测得总砷值的保存时间在0.5～48 h处于标准值范围，而由于总汞易挥发等因素只能保存24 h。又因为本研究将砷、汞一同进行测定，所以试液A宜尽早测定，一般只允许保存24 h。

3.2 工作曲线的优化

3.2.1 工作曲线的绘制

因将总砷和总汞的消解、前处理及上机测定一并进行，所以其工作曲线系列溶液也应一同配制。配制步骤如下：

首先吸取0.00、0.25、0.50、1.00、2.00、4.00 mL 1.00 mg/L砷标准使用液和0.00、0.25、1.00、2.00、4.00、5.00 mL 20.00 ng/mL汞标准使用液分别置于6个50 mL容量瓶中，其次分别加入10 mL盐酸和10 mL硫脲—抗坏血酸溶液，然后用纯水稀释至刻度，摇匀。可得含砷量为0.00、5.00、10.0、20.0、40.0、80.0 ug/L和含汞量为0.00、0.10、0.40、0.80、1.60、2.00 ug/L的工作曲线系列溶液。

将此工作曲线溶液在同一测定条件下连续测定3次，所得曲线回归方程见表3。

表3 工作曲线参数

从表3数据可知，砷和汞的工作曲线呈较好的线性关系，且相关系数均大于0.999 0，测定取得了满意的结果。相较于国家标准而言，不仅节省了检测时间，而且还降低了检测成本，可用于农业土壤总砷、总汞的测定。

3.2.2 工作曲线系列溶液保存时间（段）

由于土壤样品前处理完试液A只允许保存24 h，而砷和汞的工作曲线系列溶液的保存时间是否也是24 h，24 h之后所配制的工作曲线系列溶液是否仍能继续使用目前还不清楚。为了进一步探究工作曲线系列溶液的保存时间段，减少试剂、人工和时间成本，通过多次试验探究了工作曲线系列溶液在不同温度下的保存时间（段），其结果见表4、表5。

表4 工作曲线系列溶液保存时间（段）（25±3 ℃）

表5 工作曲线系列溶液保存时间（段）（4℃）

由表4、表5数据可以看出，砷汞工作曲线系列溶液在25±3 ℃（室温）下，前3 d曲线相关系数在0.999 0以上，表明溶液可以继续使用；而在4 ℃（冰箱储存）条件下，工作曲线系列溶液保存时间明显延长，甚至达到了7 d。由此可以看出，砷汞工作曲线系列溶液配制好静置30 min之后在4 ℃下保存，可储存一周，无须在检测每批土壤样品时再进行配制。

3.3 载流的优化

在已知砷、汞检测标准中可以了解到，由于砷、汞测定是分开的，除了还原剂可为同一种溶液，其酸性载流也不同。大部分检测标准中，测定砷所用的载流为盐酸，而测定汞所用的载流为硝酸。因为需将砷、汞一同进行测定，所以必须采用同一载流。因此，研究分别考察盐酸和硝酸在同一测定条件下作为载流测定汞溶液的情况，结果见表6、表7。

表7 5%盐酸、5%硝酸对荧光强度的影响

表6数据表明，5%～10%盐酸溶液测定的荧光强度基本稳定。另外，为了最大程度地降低检测成本，研究选择5%盐酸作为载流。

由表7数据可知，5%盐酸和5%硝酸分别作为载流时二者灵敏度及精密度较高，且汞溶液荧光强度基本持平，但为了兼顾砷、汞的测定，文章选择5%盐酸溶液作为载流。

3.4 仪器测定条件的优化

不同型号仪器的最佳参数不同，所以在本研究中只探究了北京海光仪器有限公司的原子荧光光度计（型号：AFS-8520）的测定条件。

经过多次调试，发现如下：

（1）增大灯电流，会改善仪器检测总砷、总汞的灵敏度，但在一定程度上会缩短空心阴极灯的使用寿命，同时也会出现自吸情况；若灯电流太低，荧光强度又达不到检测要求。

（2）增大负高压，会使得仪器的荧光强度和噪声同时增加，并且缩短了空心阴极灯的使用寿命。为此，应尽量选择在较低的负高压下进行总砷、总汞含量的测定。

（3）原子化器高度对仪器灵敏度也有较大的影响，高度过高，其灵敏度和精密度都会有一定程度的下降，而高度太低的话，则会增加噪声，使空白荧光强度过高，从而影响检测数据。

（4）载气流速对试样荧光强度也存在一定程度的影响。载气流速太大，则会产生稀释作用，使得试样荧光强度降低；载气流速太低，形成的挥发性物质难以进入原子化器，甚至可能会加大其记忆性，对后续试样的测定造成比较大的影响。

综上所述，用AFS-8520型原子荧光光度计测定农业土壤中总砷、总汞时最佳测定条件见表8。

表8 仪器测定条件

氢化物发生原子荧光光谱法测定微量元素时受环境因素影响很大，所以空心阴极灯灯电流、光电倍增管负高压、原子化器高度、载气流量和屏蔽气流量等仪器条件参数在实际检测中应适当调节以满足分析检验要求。

3.5 实际样品

综上所述，以改良后的消解前处理方式、工作曲线、载流及仪器测定条件为前提，将国家农业土壤标准样品GBW07407、GBW07426、GBW07427、GBW07428按照此消解、前处理方法进行了完整的测定程序。具体仪器工作条件参数详见表8，工作曲线及原始检测数据结果见表9。

表9 AS工作曲线数据

计算公式：If=a×C+b

由表9、图1可知，AS工作曲线相关系数为0.999 5，线性方程为If=33.23 0C+28.06 0曲线满足分析要求。

图1 A3拟合工作曲线

由表10、图2可知，Hg工作曲线相关系数为1.000 0，线性方程为If=1 387.899C-2.773曲线满足分析要求。

图2 Hg拟合工作曲线 （cug/L）

表10 Hg工作曲线数据

由表11数据可以看出，土壤标准样品检测值均在证书标准值不确定度范围内，且精密度也满足分析检测要求。

表11 综合检测数据

4 结论

研究相较于现行国家标准有以下优化：（1）将之前对砷、汞单独的消解前处理方法优化为同时进行。此优化过程中王水、硼氢化钾、氢氧化钾等试剂用量减半，不仅减少了试剂、检测成本，并且能够同时对总砷和总汞进行上机检测，无须再按照以往标准将砷、汞分开检测，此方法检测周期缩短了近一半，节省了时间成本；（2）将工作曲线系列溶液在配制和保存时间方面进行了优化。传统方法检测每一批样品时对砷、汞曲线系列溶液都是分开配制的，本研究中，砷、汞工作曲线可配置为同一溶液，且曲线系列溶液可在25±3 ℃（室温）下保存3 d、在4 ℃（冰箱储存）下可保存7 d，无须重复配制，同一系列溶液也可反复使用，这很大程度上减少了试剂和人工成本；（3）对载流进行了优化。由以往测定砷、汞分别所用的两种溶液（盐酸溶液、硝酸溶液）优化为同一种溶液（5 %盐酸溶液），这一改进也在一定程度上节约了试剂成本；（4）确定了AFS-8520型原子荧光光度计的最佳仪器测定条件，对灯电流、负高压、原子化器高度、载气流量、屏蔽气流量等进行了分析，降低了前期仪器试错成本。

综上所述，研究建立了双道原子荧光光度计利用改进后的消解前处理方法、工作曲线、载流及仪器测定条件同时检测农业土壤试样中总砷和总汞含量的方法，有效降低了试剂、时间及人工成本，同时该方法的精密度和准确度均能满足分析测试要求且优于现行国家标准。由此可见，优化后的原子荧光光谱检测方法完全适用于农业土壤中总砷及总汞的检测且有效降低了分析检测成本。