超聲提取-ICP-MS法測(cè)定土壤中有效態(tài)礦質(zhì)元素

楊喆 陳秋生 張強(qiáng) 劉燁潼 殷萍

摘要：以DTPA為提取劑，建立了超聲提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測(cè)定土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅的方法。考察了超聲提取時(shí)間、測(cè)定條件等因素，并對(duì)基體干擾的消除進(jìn)行了對(duì)比研究。在優(yōu)化的ICP-MS條件下，有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅在1～200 μg/L濃度范圍內(nèi)線(xiàn)性關(guān)系良好，方法檢出限分別為45.6、0.90、0.32、0.44 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%（n=6）。用國(guó)家土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07413a、GBW07414a）進(jìn)行準(zhǔn)確度驗(yàn)證，測(cè)定結(jié)果與證書(shū)值一致，表明該方法簡(jiǎn)便快捷、檢出限低，具有良好的準(zhǔn)確度和精密度，可滿(mǎn)足大批量農(nóng)業(yè)土壤樣品中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅的含量測(cè)定要求。

關(guān)鍵詞：土壤;超聲提取;電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）;有效態(tài);礦質(zhì)元素

中圖分類(lèi)號(hào)：O657.63? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）09-0094-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.09.021? ? ? ? ? ?開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： This experiment with DTPA as extracted，Ultrasonic extraction is established-inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS） in the determination of soil effective state of Fe，Mn，Cu and Zn. Experiment investigates the factors such as ultrasonic extraction time， measurement conditions， and has carried on the contrast research to eliminate matrix interference. Under the condition of the optimization of the ICP-MS，the results shows that effective state of Fe Mn Cu and Zn have good linearity in the concentrations of 1～200 μg/L. and the detection limits of the method are 45.6 μg/L、0.90 μg/L、0.32 μg/L、0.44 μg/L， the relative standard deviation less than 5%（n=6）. The precision and accuracy of the method were verified by analyaing national standard reference materials， The relative error less than 5%（n=6）， there was no significant differentce between this method and national standard method（NY/T890-2004） by test and the results were consistent with the national standard method. This method has characteristics of convenient low detection limit high accuracy and good precision， which can be applied to determin with available forms of effective state Fe Mn Cu and Zn in large batches agricultural pollution soil.

Key words： soil; ultrasonic extraction; inductively coupled plasma mass spectrometry （icp-ms）; effective state; mineral elements

鐵（Fe）、錳（Mn）、銅（Cu）、鋅（Zn）是植物生長(zhǎng)所必需的微量元素，它與生物分子蛋白質(zhì)、多糖、核酸、維生素等密切相關(guān)，對(duì)植物的各種生理代謝過(guò)程起到調(diào)控作用[1-3]。但近年來(lái)，為了追求農(nóng)作物的高產(chǎn)，大量施用氮、磷、鉀肥，尤其是高濃度單質(zhì)化肥，而鐵、錳、銅、鋅等微量元素投入量相對(duì)較少，加上作物單位面積產(chǎn)量不斷提高，養(yǎng)分帶走量增加，造成土壤中微量元素含量急劇降低，這不僅影響農(nóng)作物的品質(zhì)，還會(huì)引發(fā)各種生理病害，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。

目前，中性及石灰性土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅的測(cè)定主要采用二乙三胺五乙酸（DTPA）作為浸提劑，在（25±2） ℃、（180±20） r/min條件下振蕩2 h后過(guò)濾，用火焰原子吸收光譜法（FAAS）或電感耦合等離子體發(fā)射光譜測(cè)定浸提液中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅的含量。該方法操作較為繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)，并且有些土壤中有效態(tài)礦質(zhì)元素含量較低，而這兩種儀器方法靈敏度相對(duì)較低，有時(shí)達(dá)不到準(zhǔn)確測(cè)定的要求。因此，建立一種可同時(shí)滿(mǎn)足mg/L和μg/L水平，且能高效、快速分析中性及石灰性土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅的方法，對(duì)農(nóng)業(yè)土壤有效態(tài)礦質(zhì)元素含量水平調(diào)查具有重要意義。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）具有多元素同時(shí)分析、高靈敏度、低檢出限、線(xiàn)性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品、中醫(yī)藥等領(lǐng)域的元素檢測(cè)中[4-9]。而超聲波提取技術(shù)因其具有提取效率高及提取時(shí)間短等特點(diǎn)，也已得到廣泛應(yīng)用[10-15]。基于此，本研究利用超聲波輔助提取技術(shù)，結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)，建立一種土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅同時(shí)分析測(cè)定的快速檢測(cè)方法，該方法準(zhǔn)確、快速、靈敏度高，可為土壤中有效態(tài)微量元素含量水平狀況調(diào)查提供技術(shù)支持。

1? 材料與方法

1.1? 儀器與試劑

Agilent 7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（Agilent，USA），附帶Babington高鹽霧化器;石英雙通道霧化室;石英一體化矩管;鎳材質(zhì)樣品錐;240Z/240FS原子吸收光譜儀（Varian，USA）;THZ-C恒溫振蕩器（太倉(cāng)市實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠）;KQ-600GDV臺(tái)式恒溫?cái)?shù)控超聲波清洗器（工作頻率40 kHz，功率600 W，昆山市超聲儀器有限公司）;TD5A-WS臺(tái)式離心機(jī)（長(zhǎng)沙湘儀離心機(jī)儀器公司），美國(guó)Millipore公司超純水機(jī)（Milli-Q）。

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液Part# 5183-4688（Agilent，USA）：1 000 mg/L的鐵，10 mg/L的錳、銅、鋅。

混合標(biāo)準(zhǔn)使用溶液：用DTPA提取劑將鐵、錳、銅、鋅標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋為5、10、20、50、100、200 μg/L混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，備用。

內(nèi)標(biāo)溶液Part# 5188-6525（Agilent，USA）：100 mg/L Rh，用2%硝酸溶液稀釋為1 mg/L，備用。

調(diào)諧溶液Part# 5184-3566（Agilent，USA）：10 μg/L鋰、鈷、銥、鈰、鉈混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，介質(zhì)為2%硝酸溶液。

土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07413a（河南安陽(yáng)的黃潮土）;GBW07414a（四川簡(jiǎn)陽(yáng)的紫色土）。

硝酸（天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司），MOS級(jí)，試驗(yàn)用水為超純水，電阻率大于18.2 MΩ/mL。

1.2? 樣品前處理

稱(chēng)取過(guò)2 mm孔徑篩的土壤樣品10.00 g，置于150 mL具塞錐形瓶中，加DTPA浸提劑20 mL，蓋緊瓶塞，放入超聲波清洗儀，超聲20 min，取出樣品，以3 000 r/min離心5 min，然后取部分濾液，用DTPA浸提液稀釋測(cè)定。同時(shí)做空白試驗(yàn)。土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07413a、GBW07414b處理方法與樣品處理方法相同。

1.3? 儀器條件優(yōu)化

ICP-MS的測(cè)試信號(hào)主要受載氣流速、矩管位置、射頻功率、離子透鏡電壓等參數(shù)的影響。用調(diào)諧液調(diào)整儀器的各項(xiàng)參數(shù)，使儀器的靈敏度、氧化物、雙電荷、分辨率、質(zhì)量軸等達(dá)到測(cè)定要求，優(yōu)化后的儀器參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4? 樣品測(cè)定

在優(yōu)化的儀器條件下編輯測(cè)定方法，引入在線(xiàn)內(nèi)標(biāo)校正儀器漂移，待儀器穩(wěn)定后，依次加入空白試劑、標(biāo)準(zhǔn)溶液、空白樣品、樣品溶液。編輯校準(zhǔn)文件，選擇合適的內(nèi)標(biāo)校正元素，并根據(jù)校準(zhǔn)方程計(jì)算土壤中各有效態(tài)元素濃度。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 超聲提取時(shí)間的確定

前期研究表明，提取時(shí)間越長(zhǎng)，物質(zhì)分子運(yùn)動(dòng)頻率和速度、溶劑穿透力、樣品與提取劑之間接觸面積等都能得到相應(yīng)增加，越易使被提取物質(zhì)獲得較大的加速度、動(dòng)能和強(qiáng)大的外來(lái)沖擊。按照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 890-2004要求，固定土壤樣品與提取劑比例，超聲提取時(shí)間分別設(shè)置為5、10、15、20、25、30 min，比較其提取效果（圖1）。從圖1可以看出，土壤有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅的提取量隨提取時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，但在20 min后趨于穩(wěn)定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，5 min與20 min之間土壤有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅測(cè)定結(jié)果平均相對(duì)偏差為12.4%～14.8%，5 min與30 min之間平均相對(duì)偏差為10.7%～13.7%，而20 min與30 min之間平均相對(duì)偏差為2.43%～4.25%。由此可以看出，提取20 min時(shí)，土壤固相吸附固定的有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅基本達(dá)到吸附交換平衡，因此選擇超聲提取時(shí)間為20 min。

2.2? 同位素和內(nèi)標(biāo)元素的選擇

質(zhì)譜檢測(cè)過(guò)程會(huì)受到同位素的干擾。在選取質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)應(yīng)按照豐度大、干擾小、靈敏度高的原則來(lái)選擇同位素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。同位素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)選擇見(jiàn)表2。

另外，在ICP-MS測(cè)定過(guò)程中，檢測(cè)信號(hào)會(huì)隨著檢測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生漂移，且樣品的基體效應(yīng)較明顯，待測(cè)元素信號(hào)會(huì)出現(xiàn)抑制或增強(qiáng)效應(yīng)。通過(guò)加入內(nèi)標(biāo)可有效解決這兩個(gè)問(wèn)題。本試驗(yàn)選用103Rh作為內(nèi)標(biāo)元素，不僅可以校正信號(hào)的漂移，還可以補(bǔ)償基體效應(yīng)。

2.3? 分析干擾及校正

ICP-MS 技術(shù)主要有質(zhì)譜型干擾和非質(zhì)譜型干擾兩種。質(zhì)譜型干擾主要是同質(zhì)異位素、多原子離子和雙電荷離子干擾。本試驗(yàn)通過(guò)優(yōu)化功率、載氣流速、采樣深度等儀器工作參數(shù)來(lái)提高離子化效率并降低雙電荷離子干擾;利用儀器自帶的干擾方程EPA_200.8來(lái)校正同質(zhì)異位素和多原子離子的干擾。非質(zhì)譜型干擾主要是基體效應(yīng)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生的影響，本試驗(yàn)采用在線(xiàn)加入內(nèi)標(biāo)的方法來(lái)消除基體干擾。

2.4? 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)與方法檢出限

按照優(yōu)化好的儀器工作參數(shù)，通過(guò)測(cè)定有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅多元素混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，儀器自動(dòng)繪制出標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)。通過(guò)連續(xù)測(cè)定11 次空白樣品溶液，以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算各元素的檢出限，工作曲線(xiàn)、相關(guān)系數(shù)及檢出限見(jiàn)表3。

2.5? 準(zhǔn)確度和精密度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證所建立的超聲提取-ICP-MS測(cè)定方法的可靠性及準(zhǔn)確性，在選定的試驗(yàn)條件下，對(duì)土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07413a和GBW07414a進(jìn)行分析測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅的測(cè)定值與證書(shū)值吻合，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于5%，表明所建立的方法準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好。

2.6? 與國(guó)標(biāo)方法的比較

選取土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW07413a），分別采用超聲提取-ICP-MS法和振蕩提取-火焰原子吸收光譜法/石墨爐原子吸收光譜法（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法NY/T 890-2004）測(cè)定有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅含量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。經(jīng)t檢驗(yàn)，P>0.05，表明2個(gè)方法的檢測(cè)結(jié)果無(wú)顯著性差異，超聲波-ICP-MS法可以用于土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅含量的測(cè)定。

2.7? 樣品的測(cè)定

選取部分大田及設(shè)施土壤，采用超聲提取-ICP-MS方法進(jìn)行樣品前處理和測(cè)定，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品進(jìn)行全程質(zhì)控，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，該方法準(zhǔn)確度高，結(jié)果可靠，可用于日常樣品及大批量科研樣品中有效態(tài)元素含量的測(cè)定。

3? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)土壤樣品中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅提取技術(shù)的改進(jìn)，對(duì)儀器操作條件進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)基體干擾進(jìn)行了校正，建立了以DTPA為提取劑，超聲提取-ICP-MS法測(cè)定土壤中有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅含量的方法。與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 890-2004相比，該方法簡(jiǎn)便、快速、線(xiàn)性范圍寬，可滿(mǎn)足大批量農(nóng)業(yè)土壤污染調(diào)查樣品中微量有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅、有效態(tài)鋅的分析要求。

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收稿日期：2018-10-15

基金項(xiàng)目：天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（17YFXTZC00040）

作者簡(jiǎn)介：楊? 喆（1990-），女，天津人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，（電話(huà)）022-27950229（電子信箱）yz98967@163.com;通信作者，陳秋生（1979-），男，河北泊頭人，副研究員，主要從事農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，（電子信箱）tjzbscqs@126.com。