恒溫振蕩提取-電感耦合等離子體質譜法測定土壤中有效態鉛

田戈，郭穎超，劉衛，谷周雷，何煦

（華北地質勘查局514地質大隊，河北 承德 067000）

鉛是一種對人體健康危害性大的重金屬元素，在進入人體后會對神經系統、消化系統、心血管系統和內分泌系統等造成傷害，尤其會明顯影響兒童智力發育，當血鉛水平自100 μg·L-1上升到200 μg·L-1時，智力商數平均下降2.6分，嚴重者造成腦組織損傷，可能導致終身殘廢[1-3]。鉛進入人體有多種途徑，其中通過食物鏈進入人體是最主要方式[4-6]。植物對鉛的吸收量取決于土壤中有效態鉛含量，有效態鉛更能代表鉛的植物有效性[7-8]，因此，準確測定土壤中的有效態鉛含量，對土壤鉛污染監測、鉛元素遷聚研究以及鉛污染土壤生物修復等方面具有重要意義。

目前，對于土壤中有效態鉛的測定主要是依據《土壤質量有效態鉛和鎘的測定 原子吸收法》（GB/T 23739—2009）和《土壤8 種有效態元素的測定 二乙烯三胺五乙酸浸提－電感耦合等離子體發射光譜法》（HJ 804—2016）進行，兩種方法中均采用二乙烯三胺五乙酸（DTPA）浸提劑-普通振蕩器進行有效態鉛的提取，并以原子吸收分光光度法或電感耦合等離子體發射光譜法進行樣品測試。在實際的樣品檢測中發現，樣品前處理中使用普通振蕩器難以實現振蕩頻率和提取溫度的精準有效控制，容易導致測試結果精密度差、合格率低等問題。樣品測試中原子吸收分光光度法或電感耦合等離子體發射光譜法檢出限較高，對低含量樣品中的有效態鉛無法準確測定。針對上述存在的問題，張斌[9]和農云軍等[10]分別采用水浴恒溫振蕩器和超聲儀進行樣品前處理操作，并以電感耦合等離子體質譜儀測試，雖然解決了儀器靈敏度、檢出限的問題，但卻沒有系統性地對比研究提取溫度、提取用量等前處理條件對有效態鉛提取率的影響，并且不適宜大批量檢測。殷金濤等[11]采用王水－高氯酸體系消解土壤樣品，以電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES）測試，實驗條件簡單，可批量化檢測，但僅能用于路邊及一般土壤樣品中環境有效態鉛的檢測，不利于推廣應用。綜上所述，土壤有效態鉛的浸提方面雖有一些改進研究，但均沒有對影響有效態鉛提取率的重要影響因素開展系統性研究和對比驗證。本文結合前人的研究成果，將DTPA 浸提法與高精密的大容量恒溫搖床及ICP－MS 相結合，對土壤有效態鉛標準樣品開展單因素方法試驗，確定了方法的最佳條件，并結合實際土壤樣品進行比對驗證，建立了一種準確度高、精密度好、簡單高效測定土壤樣品中有效態鉛的方法，能實現百件以上樣品的一次性批量化檢測，具有良好的應用性。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

X-Series Ⅱ型電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS，美國熱電公司），BSD-YF2600立式雙層智能精密型搖床（上海博訊實業有限公司醫療設備廠）。

1 000 μg·mL-1鉛單元素標準溶液（中國計量科學研究院）；三乙醇胺（TEA）（分析純，天津科密歐）；二乙烯三胺五乙酸（DTPA）（分析純，天津科密歐）；二水合氯化鈣（CaCl2·2H2O）（分析純，天津科密歐）；試驗用水為純水（18MΩ·cm，實驗室自制）。

DTPA 浸提劑[12]：準確稱取1.967 g DTPA、14.92 g C6H15NO3和1.47 g CaCl2·2H2O 溶于純水中，調節pH至7.30±0.2 后，用水定容至1 000 mL，避光保存，使用前檢查pH 值。

1.2 供試土壤

選擇江西紅壤GBW07416a（ASA-5a），廣東水稻土GBW07417a（ASA-6a），陜西黃綿土GBW07460（ASA-9），安徽潮土GBW07461（ASA-10），甘肅灌漠土GBW07496（HTSB-4）5種土壤有效態標準物質作為供試土壤，有效態鉛認定值分別為：（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 實驗方法

1.3.1 樣品處理

準確稱取5.0 g 供試土壤置于200 mL 干燥的浸提瓶中，加入25 mL預先配制好的DTPA浸提劑，擰緊瓶蓋后放入智能精密型搖床中，將溫度設置為（25±2）℃，振蕩時間為2 h，頻率為（180±10）r·min-1，完成提取后，使用濾紙干過濾，濾液待測。所有條件試驗樣品均進行3 次平行測試，空白實驗與樣品處理同時進行，除不加試樣外，其他操作與樣品處理完全一致，每次實驗均進行2個空白實驗。

1.3.2 實驗條件優化

在實驗條件優化中，采用單因素試驗方法，即每次只改變單一影響因素，并以前一次得到的最優提取條件作為后續實驗的確定實驗條件開展研究。本研究中分別對振蕩頻率（140、160、180、200、220 r·min-1）、提取溫度（15、20、25、30、35 ℃）、振蕩時間（1、1.5、2、2.5、3 h）、浸提劑用量（15、20、25、30、35 mL）4個影響因素開展實驗，每個條件優化中均進行3 次平行實驗以確定最佳提取條件。

1.3.3 標準溶液

吸取一定量鉛單元素標準溶液，以DTPA浸提劑為介質，標準溶液配制濃度分別為0.00、0.02、0.05、0.10、0.50、1.00、2.00 mg·L-1的系列標準溶液，搖勻備用。

1.3.4 儀器參數

使用ICP-MS 進行測試時，采用103Rh 作為內標校正基體效應。由于ICP-MS 的測試信號會受到功率、氣體流速等參數的影響，故在測試前，需要將電感耦合等離子體質譜儀調諧至最佳狀態，設置ICP-MS 的功率為1 550 W，霧化氣流量為1.0 L·min-1，輔助氣流量為0.85 L·min-1，冷卻氣流量為15.0 L·min-1，采樣深度為5 mm，采樣錐孔徑為1.0 mm，截取錐直徑為0.7 mm，測量次數為3次。

1.3.5 樣品測試

在使用ICP-MS 進行樣品測試時，設置好儀器工作參數后，把鉛單元素標準溶液系列按照濃度由低至高的順序依次導入ICP-MS 中，測定鉛元素和內標元素的信號響應值，以鉛元素的質量濃度為橫坐標，鉛元素與所選內標元素響應信號值的比值為縱坐標，建立標準曲線。在此基礎上，按照與建立標準曲線相同的條件和步驟將空白和試樣溶液分別導入ICP-MS中，測定鉛元素和所選內標元素的信號響應值，計算鉛元素與所選內標元素的響應信號值比值，根據標準曲線得到待測液中鉛元素的質量濃度。

2 結果與討論

2.1 振蕩頻率的確定

在土壤有效態鉛的提取中，振蕩頻率是重要的影響因素，直接影響著樣品測試結果（表1）。在對不同振蕩頻率進行研究后發現，隨著振蕩頻率的增加，有效態鉛提取率呈現明顯增長趨勢，但當振蕩頻率達到200 r·min-1時，增長情況出現轉折點。當振蕩頻率在140 r·min-1時，振蕩頻率過低，在有效的提取時間內，部分樣品中有效態鉛的提取不完全，造成測定值低于認定值范圍。振蕩頻率達到220 r·min-1時，頻率過高，長時間過于劇烈的振蕩，導致有部分溶液飛濺至浸提瓶頂部甚至沿密封螺紋外溢，浸提平行性不理想，甚至有超出標準物質認定值范圍的結果出現，存在部分非有效態鉛被提取的可能。在160~200 r·min-1的振蕩頻率范圍內，有效態鉛均能得到很好的提取，在180 r·min-1的振蕩頻率下，測定值最接近標準物質的認定值，但是達到200 r·min-1時，有測試結果偏高和穩定性變差的風險。在保證測定結果準確的前提下，考慮減少對前處理設備的損耗，選擇（180±10）r·min-1作為前處理操作振蕩頻率。

表1 振蕩頻率對樣品測試結果的影響Table 1 Effects of oscillation frequency on sample test results 單位：mg·kg-1

2.2 提取溫度的確定

提取溫度對有效態鉛測定結果的影響見表2。由表2 可以看出，溫度的升高，對于有效態鉛的提取有積極影響，當提取溫度較低（15 ℃）時，提取反應速率低，樣品中的有效態鉛不能在確定的時間內被完全提取，隨著溫度的升高，目標元素與浸提劑反應加快，有效態鉛提取量逐漸增加。但在過高的提取溫度（35 ℃）下，有部分提取結果超出標準物質認定值范圍，提取效果均不理想。在20~30 ℃范圍內，提取效果較好，25 ℃溫度點效果最佳。綜合考慮實際可操作性，選擇提取溫度為（25±2）℃。

表2 提取溫度對樣品測試結果的影響Table 2 Effects of extraction temperature on sample test results 單位：mg·kg-1

2.3 振蕩時間的確定

提取時間時是有效態鉛提取的重要影響因素之一。如表3 所示，有效態鉛提取量隨著振蕩時間的增長而增加。當提取時間較短（1 h）時，樣品中的有效態鉛不能被完全提取，有部分結果不在標準物質認定值范圍內。增加提取時間，樣品中的有效態鉛進入溶液中的量增加，當振蕩時間為2 h時，提取效果最佳，超過2.5 h，有效態鉛提取量沒有明顯變化。考慮生產效率、資源節約等因素，確定2 h為最佳振蕩時間。

表3 振蕩時間對樣品測試結果的影響Table 3 Effects of extraction time on sample test results 單位：mg·kg-1

2.4 浸提劑用量的確定

浸提劑用量的實驗結果如表4 所示。可以看出，當浸提劑為15 mL 時，樣品的測試結果不在認定值范圍內。這是因為浸提劑用量過少，會造成固液混合不均勻，有效態鉛提取不完全。浸提劑用量增加時，有效態鉛提取量隨之增加，但增長幅度隨用量增加逐漸減小。當使用25 mL 浸提劑時，測試結果最理想，當用量超過30 mL 時，測試結果差別不明顯，考慮到節約成本，選擇25 mL為最佳用量。

2.5 內標元素的選擇

在使用ICP-MS 進行樣品測試時，會出現基體干擾造成的信號不穩定情況出現，為消除樣品的基體抑制效應常采用內標法進行校正[13-14]，內標元素的選擇非常重要，本研究綜合考慮樣品溶液的含量，電離電位、質量數和化學特征與分析元素接近情況，采用103Rh 作為內標元素，并采用蠕動泵在線加入方式進行有效態鉛的測試。

2.6 方法檢出限

準確稱取5.0 g低含量樣品置于200 mL干燥的浸提瓶中，加入25 mL 預先配制好的DTPA 浸提劑，在（25±2）℃條件下，采用（180±10）r·min-1的頻率振蕩2 h，干過濾后，使用ICP-MS 進行測試。進行獨立10次測試后，計算10次平行測定的標準偏差，按公式MDL=t（9，0.99）×S計算方法檢出限，并以4 倍檢出限確定測定下限，如表5所示。

表5 方法檢出限Table 5 Method detection limit

經試驗和數據計算，本方法檢出限達到0.009 mg·kg-1，測定下限為0.038 mg·kg-1，均遠低于《土壤8種有效態元素的測定二乙烯三胺五乙酸浸提－電感耦合等離子體發射光譜法》HJ 804—2016 中要求的0.05 mg·kg-1和0.2 mg·kg-1，此方法更適合評價未受到嚴重污染的土壤有效態鉛含量情況。

2.7 方法準確度和精密度

選擇GBW07494、GBW07497、GBW07415a 三種土壤標準物質進行準確度和精密度驗證。分別準確稱取5.0 g 標準物質置于200 mL 干燥的浸提瓶中，加入25 mL 預先配制好的DTPA 浸提劑，設置恒溫振蕩箱的溫度為（25±2）℃，頻率振蕩為（180±10）r·min-1，振蕩2 h 后，過濾、測試。每個樣品進行11 次平行實驗，并計算測試結果的相對標準偏差（RSD），結果見表6。表6 顯示，本方法的RSD 為2.1%~3.3%，平行樣品測試結果的精密度高，能很好地滿足檢測需求。

表6 方法精密度和準確度Table 6 Method precision and accuracy

2.8 實際樣品分析比對

在樣品庫中選擇留存的6 種土壤樣品進行比對實驗。所選擇的樣品分別為吉林黑土樣品、河南黃褐土樣品、湖北紅壤樣品、河北潮土樣品、江西紫色土樣品、廣東水稻土樣品，分別按照本方法流程和《土壤質量有效態鉛和鎘的測定原子吸收法》GB/T 23739—2009 進行樣品三平行測試，測試結果平均值如表7 所示。

表7 實際樣品比對結果Table 7 Actual sample comparison results

分析測試結果表明，在對不同地區的實際樣品測試中，該方法與國家標準方法的RSD 均小于5%，結果準確可靠。

3 結論

（1）本研究采用雙層智能精密型搖床作為前處理設備，進行了有效態鉛前處理條件優化實驗，最終提出了恒溫振蕩提取、ICP-MS 測定土壤中的有效態鉛的方法，并確定振蕩時間為2 h，提取溫度為（25±2）℃，振蕩頻率為（180±10）r·min-1，浸提劑用量為25 mL為本方法的最佳前處理條件。

（2）在提取條件實驗過程中發現，振蕩時間、提取溫度、振蕩頻率、浸提劑用量均對有效態鉛的提取量有著積極的影響，其中，提取溫度和振蕩頻率的影響最為顯著。

（3）本方法檢出限達到0.009 mg·kg-1，測定下限為0.038 mg·kg-1，相對標準偏差為2.1%~3.3%，檢出限低、精密度好、準確度高，對土壤鉛污染監測、鉛元素遷聚特征研究以及鉛污染土壤修復研究等具有較高的實用價值。