電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定云南富源耕地土壤中有效鉬

馮 俊 何袖輝 王銀劍 唐帥帥 楊發忠

(1.中國地質調查局 昆明自然資源綜合調查中心，昆明 650100；2.西南林業大學 化學工程學院，昆明 650051)

鉬是動植物生長不可缺少的微量元素，是硝酸還原酶的組成部分，影響植物磷和鐵元素的吸收和植物體內的循環[1]，快速準確測定土壤中鉬元素的含量有著重要的意義。隨著研究的深入，全量元素不能準確評價土壤質量級別。植物只能吸收土壤中鉬的有效態部分，即有效鉬。有效鉬是指能被草酸-草酸銨浸提劑(Tamm溶液)浸提的交換性鉬、水溶性鉬、難溶性鉬及有機結合態鉬[2-4]。準確快速測定土壤中的有效態鉬，是評價土壤肥力、土壤抗旱、抗寒和抗病能力的重要指標。

有效鉬的浸提劑主要使用LY/T 1259—1999規定的溶液，即Tamm溶液。有效鉬的測定方法有分光光度法[5]、石墨爐原子吸收光譜法[6-7]、極譜法[8]、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES)和質譜法(ICP-MS)[9]等。分光光度法因要經灼燒、顯色、萃取等工作，且銅鐵均會對顯色產生干擾，二硫酚專一性又不強，硫氰化鉀對顯色還有嚴格的要求等原因，已經很少使用；原子吸收光譜法測定鉬，因鉬的第一電離能為-7.099 eV，相對較高，使用乙炔-空氣火焰時僅有部分鉬被原子化，方法靈敏度較低，檢出限較高；催化極譜法測定鉬，浸提液要灼燒、配混合底液，操作流程較長，并且底液的配制和酸度對測定結果的影響較大，導致方法重復性差；ICP-AES測定有效鉬，浸提液要先經過電熱板烘干，后在馬弗爐灼燒破壞有機物，再用硝酸提取測定，樣品容易被污染且操作流程繁瑣，不利于大批量樣品的分析。

因ICP-MS具有檢測線性范圍寬、檢出限低、靈敏度高等優點在地質和農業領域得到廣泛的應用[10-12]。采用ICP-MS測定有效鉬存在的主要困難是前處理過程中浸提液會引入大量的有機物，溶液中鹽度也比較大，導致溶液黏度增大，使霧化器霧化效率降低，使采樣錐和截取錐容易堵塞，進樣管和霧化室積鹽，儀器穩定性下降，影響測定效果。林光西[13]采用Tamm溶液浸提出有效鉬，直接測定浸提液，因溶液鹽度較大和有機物含量較多，儀器長期穩定性不好，不利于大批量分析。如果直接采用標準LY/T 1259—1999的方法，從待測液的制備再到上機測試，過程繁瑣，耗費資源。本文在前人研究的的基礎上[14-15]，建立用草酸-草酸銨浸提劑浸提土壤中的有效鉬，浸提液用體積分數為5%稀硝酸稀釋浸提，工作曲線用Tamm溶液配制，使樣品和工作曲線基體一致，同時采用三通在線導入103Rh作為內標校正基體效應，用He氣為KED碰撞氣體降低質譜干擾來測定土壤中的有效鉬。該方法效率高、成本低、準確度和再現性好，滿足大批量有效鉬的測定。

1 實驗部分

1.1 主要試劑

草酸-草酸銨浸提劑(Tamm溶液)：準確稱取24.9 g優級純草酸銨和12.6 g優級純二水合草酸溶于水，用鹽酸(1+1)調節pH值至3.3，定容至1 L，搖勻。

UP-211C恒溫往復振蕩器(上海優普實業有限公司)，電感耦合等離子質譜儀(美國熱電公司ICAPQC)。

TUNE B調諧液：Ba、Bi、Ce、In、Co、In、Li、U，1 μg/L，介質為2%硝酸溶液，編號為1323770，美國熱電公司。

陜西渭南嶁土(HTSB-1)、陜西洛川黑壚土(HTSB-2)、新疆阿克蘇棕漠土(HTSB-6)標準物質。

所使用的試劑器皿都用稀硝酸(1+1)浸泡24 h以上，使用前用去離子水沖洗干凈；實驗用水均為新制備的去離子水。

1.2 樣品的處理

稱取5 g(精確到0.01 g)粒徑為154 μm的風干土樣，倒入250 mL錐形瓶中，加入50.0 mL浸提劑，蓋緊瓶塞，放入恒溫往復振蕩器上振蕩30 min后靜置8 h(振蕩器溫度設置為25 ℃，振蕩頻率為180 r/min)，用鹽酸(1+1)處理過的中速定量濾紙干過濾，用移液槍移取上層清液1.0 mL濾液至10 mL比色管中，用5%硝酸稀釋至刻度，搖勻后上機測定。

1.3 儀器及工作參數

在試樣測試前，采用TuneB調諧液將電感耦合等離子體質譜儀調諧至最佳狀態，其中氧化率小于3%，雙電荷率小于1.9%，儀器工作參數見表1。

表1 ICP-MS儀器工作參數

1.4 校準曲線的繪制

鉬標準儲備液(100 μg/mL)：稱取0.150 0 g已于105 ℃干燥2 h的高純三氧化鉬，置于150 mL塑料燒杯中，加入2 g NaOH及10 mL水，加熱溶解后，移入1 000 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，搖勻。使用時，為和樣品基體保持一致，逐級稀釋時，用Tamm溶液(10%)定容至刻度。

用鉬標準儲備液依次稀釋成鉬質量濃度分別為0、10、50、100、150、200 ng/mL的系列標準液，按照實驗條件用ICP-MS依次測試，繪制校準曲線，校準曲線方程為y=7708x+100，式中：x為鉬標準溶液的質量濃度，ng/mL；y為其對應的響應值，cps；相關系數為1.00。

2 結果與討論

2.1 樣品前處理

土壤中有效態鉬浸提劑有pH=3.3的草酸-草酸銨浸提劑(Tamm溶液)、熱水、陰離子交換樹脂和碳酸氫銨-二乙三胺五乙酸(AB-DTPA)。其中Tamm溶液緩沖容量大，浸提量與生物反應的相關性好[13]，本文選擇Tamm溶液為浸提劑。對于浸提時間，本文選用GBW07494和GBW07498按照樣品處理方法，準確稱取5.0 g(精確至0.00 1 g)樣品，分別加入50 mL Tamm溶液，在25 ℃以180 r/min 的轉速震蕩0.5 h，然后分別在靜置4、5、6、7、8、9、10、11 h 時移取上清液，用5%硝酸溶液稀釋，在儀器最佳工作條件下進行測定，以考察不同靜置時間對有效鉬含量的影響，結果見表2。從表2中可以看出，靜置時間對有效鉬的提取影響很大。當提取時間少于7 h時，有效鉬的質量濃度測定結果偏低，特別是對高含量GBW07498，這可能是因為浸提時間不夠，浸提劑與土壤中的鉬離子不能完全螯合。當靜置時間為8～11 h 時，測定結果與認定值一致，曲線平緩，考慮到生產效率，有效鉬的浸提時間為8 h。

表2 不同靜止時間測定結果表

2.2 質譜干擾及校正

2.2.1 同位素的選擇

對于質譜干擾，存在同量異位素干擾、雙電荷干擾、多原子離子干擾和氧化物干擾[16-17]。因此通常選擇靈敏度高、干擾小的同位素。鉬的7個同位素中，Zr會對92Mo、94Mo和96Mo產生干擾，Ru會對96Mo、98Mo和100Mo產生干擾，只有95Mo沒有同質異位素干擾，因此，分析同位素選擇95Mo。

2.2.2 儀器工作參數的優化

ICP-MS每個部件參數的設置，都會影響到儀器的靈敏度、背景、穩定性、以及由氣體引入的衍生干擾物。霧化器流速和分析模式的選擇是尤其重要的參數，霧化器流速嚴重影響靈敏度、穩定性和干擾程度。一般情況下，霧化器流速是一個折衷后的結果，因靈敏度、穩定性和多原子離子干擾之間存在一定的矛盾關系。隨著霧化器流速的增大，目標同位素的信號會隨著增大，但是當霧化器流速上升到一定水平后，氧化物干擾程度也會隨著上升，雙電荷產率反而會下降。

在測定有效鉬時，因鉬的第二電離能較高，雙電荷電離很小，可以忽略，主要考慮多原子離子干擾。儀器工作參數的優化是減少多原子離子干擾最簡單的有效途徑。為提高儀器分析靈敏度、降低氧化物干擾，在質譜儀點火30 min后，先用TUNE B調諧液優化自動優化儀器工作條件，使其氧化率小于3%，雙電荷率產率小于1.9%，可最大程度地消除氧化物和雙電荷造成的質譜干擾。為定量確定多原子離子產生的干擾情況，本文用單元素標準溶液鉀(100 ng/mL)在STD模式確定多原子產生的干擾強度，從圖1中可以看出，當霧化器流速從0.81 L/min到1.26 L/min時，鉀在95Mo質量數產生干擾強度有小幅度的升高，考慮到儀器穩定性和干擾強度，霧化器流速確定1.06 L/min，此時背景等效濃度(BEC)為1 ng/mL。

為降低背景等效濃度，考察了在四級桿碰撞/反應池中通入惰性碰撞氣氦氣(KED模式)下測95Mo元素背景等效濃度(BEC)和靈敏度的變化情況(圖1)。實驗表明，在KED模式下，多原子離子干擾被降低的同時，95Mo的靈敏度也會下降，碰撞池內氦氣流速過低，則干擾不能有效消除，若池內氦氣流速較大，干擾雖大大消除，但元素的靈敏度也會降低很多，使檢出限不能滿足分析要求[18]。在氦氣流速為2～4 mL/min時，考察空白和10 ng/mL鉬標準溶液在95Mo處所產生的信號響應情況，實驗表明氦氣流速為3 mL/min時，95Mo具有最低的背景等效濃度0.01 ng/mL，并且靈敏度滿足分析要求。

圖1 霧化器流速對95Mo干擾強度的影響Figure 1 Effect of atomizer flow rate on interference intensity of 95Mo.

2.3 基體干擾的消除

2.3.1 內標的選擇

基體干擾會引起分析信號的增強或減弱，內標法是常用的基體消除方法。內標的選擇原則是分析物中沒有的物質，質量數和電離能相近，本文選擇103Rh作為內標，通過三通在線加入，用來校正基體效應。

2.3.2 浸提液稀釋倍數的確定

由于采用Tamm溶液對樣品進行浸提，溶液基體中含有大量的鹽和有機物，如果直接對浸提液進行測定，易使儀器的采樣錐和截取錐發生堵塞，霧化室和炬管積鹽，進而導致儀器穩定性降低，測定結果的準確度受到影響。實驗采用5%稀硝酸對浸提液稀釋一定倍數，并在標準溶液系列中加入Tamm溶液進行基體匹配以消除基體對測定的干擾。選用土壤有效態成分分析標準物質GBW07498(HTSB-6)進行考察，平行測定為6次。從表3中可以看出，提取液直接測定相對標準偏差較大，和用5%硝酸稀釋測定作比較分析，如表3所示，提取液直接測定時，測定值和認定值相差較大，測定精密度較差，相對標準偏差為7%，這可能是溶液中鹽分和有機物含量較大，引起采樣系統和矩管堆積鹽分較快，引起信號漂移所致；用體積分數5%硝酸稀釋20倍時，測定值和認定值相差也較大，數據精密度較差，可能是稀釋倍數較大，溶液中待測組分含量較低，接近檢出限，導致準確度和精密度變差。因此，實驗確定浸提液用體積分數為5%的硝酸稀釋10倍上機待測。

表3 不同稀釋方式對有效鉬測定的影響

2.4 方法檢出限和定量限

用ICP-MS對Tamm溶液11份平行空白測定，根據國際純粹與應用化學聯合會測定空白的3倍標準偏差，3S/K為方法檢出限，其中S為標準偏差，μg/L；K為靈敏度，即方程斜率。通過計算，的鉬檢出限為0.002 μg/L。空白換算為相應濃度的10倍標準偏差為方法的定量限，方法的定量限為0.007 μg/L。方法滿足《生態地球化學評價樣品分析技術要求》(DD 2005—03)中檢出限0.05 μg/L的規定。

2.5 方法準確度和精密度實驗

為了驗證干擾校正后方法的精密度和準確度，對國家一級地球化學標準物質GBW07493(HTSB-1)、 GBW07494(HTSB-2)和GBW07498(HTSB-6)進行準確度和精密度實驗，結果見表4，測定結果的相對標準偏差(RSD)小于5%，測定結果的精密度高。測定值與標準值間的相對誤差小于2%，測量誤差小于規范《生態地球化學評價樣品分析技術要求》(DD2005-03)中元素有效態及浸提性分析相對偏差允許限要求(DD 2005-03中規定有效鉬含量>1 μg/g，允許相對偏差為5%；有效鉬含量為1～0.1 μg/g時，允許相對偏差為10%；有效鉬含量≤0.1 μg/g，允許絕對偏差為0.01 μg/g)，測量準確度好。

表4 準確度和精密度測定結果

2.6 與其他方法結果對比

按照實驗方法對云南富源-貴州盤州能源礦產集中區生態修復項目的2 000余件樣品進行分析，安插在分析批次里面的國家一級標準物質160件，合格率為99%。按照驗收要求對基本分析樣品進行一定比例的外檢(外檢樣品為200件)，外檢單位采用LY/T 1259—1999極譜法分析，相互對比一次合格率為98%，部分數據對比見表5。

表5 不同實驗方法數據對比

3 結論

建立了用Tamm溶液對土壤中的有效鉬浸提，浸提液用5%硝酸稀釋10倍，ICP-MS在KED模式下測定有效鉬。通過國家一級標準物質的驗證和加標回收率的驗證，該方法的靈敏度高、檢出限低和線性范圍寬。對云南富源-貴州盤州能源礦產集中區生態修復的2 000余件土壤樣品進行分析，結果準確可靠，對200件樣品進行外檢，相互對比合格率好。該方法前處理簡單快速，滿足《生態地球化學評價樣品分析技術要求》(DD 2005-03)要求，具有很高的實用價值，適用于各種土壤類型中有效鉬的大批量測定。