土壤消解前處理過程趕酸時間對土壤中總鉻測定結(jié)果的影響探究

安廣靖

（安徽省蚌埠生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽 蚌埠 233000）

引言

目前在我國的工業(yè)化進(jìn)程中，各種工業(yè)“三廢”造成的土壤污染問題越發(fā)受到重視，其中最為嚴(yán)重的是重金屬污染問題。重金屬土壤污染具有隱蔽性、滯后性、累積性、難可逆性等特點，都對土壤污染防治工作提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。做好土壤污染研究的關(guān)鍵步驟是樣品前處理，目的是準(zhǔn)確測定重金屬含量。隨著技術(shù)與樣本分析方法的進(jìn)步，采取最新技術(shù)分析土樣中微量元素的含量變得十分重要。作為全新技術(shù)方式的代表，微波消解主要利用微波加熱，在加入酸溶液后，土樣會變成強(qiáng)極性溶液。與傳統(tǒng)加熱技術(shù)相比，微波加熱速度極快，并且加熱形式為內(nèi)加熱，具有消解能力強(qiáng)、用時少、用酸量少且引入污染少等優(yōu)勢。在前處理中使用微波消解，不僅對土樣產(chǎn)生的污染少，并且整個消解過程受到環(huán)境因素的影響較小，更適用于大批量土壤樣品的前處理過程。鑒于此，本文通過重點分析火焰原子吸收分光光度法面對大批量土壤樣品前處理中微波消解法的應(yīng)用策略，希望能為大批量分析土壤中總鉻含量的樣品前處理技術(shù)升級提供支持。

1 研究背景

土壤是環(huán)境的重要組成部分，其質(zhì)量、污染情況對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康具有重要影響，測定土壤總鉻含量的現(xiàn)實意義如下。首先，測定土壤中總鉻含量可以評估土壤的污染程度，了解鉻在環(huán)境中的分布和累積情況。其次，鉻的存在形態(tài)多樣，測定土壤總鉻含量可以準(zhǔn)確掌握土壤中各種鉻形態(tài)的累積情況，確定污染源及污染途徑，為污染治理提供重要參考。再次，土壤是農(nóng)作物的生長基質(zhì)，鉻能在土壤中進(jìn)行轉(zhuǎn)化和遷移，最終進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品，過高的鉻含量會導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品中的鉻含量超標(biāo)，對食品安全構(gòu)成潛在風(fēng)險。測定土壤總鉻含量可以評估農(nóng)產(chǎn)品的鉻污染程度，保證食品安全和健康。最后，了解土壤中鉻含量的變化情況，有助于相關(guān)人員監(jiān)測環(huán)境質(zhì)量，評估污染治理效果，為土壤保護(hù)和環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。需要注意的是，土壤中的鉻形態(tài)復(fù)雜，不同形態(tài)的鉻在環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中的行為和生物效應(yīng)也不同，因此，除了總鉻含量外，在實際工作中，研究人員還需要視情況測定土壤中不同形態(tài)的鉻含量，如六價鉻、三價鉻等。

2 核心概念介紹

2.1 微波消解

微波消解是一種化學(xué)分析技術(shù)，其原理是利用微波加熱，加速樣品中的化學(xué)反應(yīng)，將樣品中所含有機(jī)、無機(jī)物轉(zhuǎn)化為可溶解的離子，使其更容易被分析儀器檢測。在保證檢測結(jié)果與實際情況相符的前提下，最大限度提升檢測速度，為后續(xù)工作留出更加充足的時間[2]。與傳統(tǒng)的消解方法相比，微波消解具有更快的反應(yīng)速度、更高的溶解率以及更少的化學(xué)廢物。正因如此，該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、食品安全和藥物分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，將其用于土壤、水和生物樣品的前處理，可以快速、高效地溶解樣品中的有機(jī)物和無機(jī)物，為樣品分析提供準(zhǔn)確且可靠的數(shù)據(jù)[3]。

在實際工作中，研究人員要嚴(yán)格遵循以下原則：（1）在微波消解前，按照規(guī)定處理樣品，確保樣品的均勻性和代表性。（2）根據(jù)樣品的特性、待測元素的要求，以及消解劑對樣品中有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)的溶解性及對待測元素的影響，選擇合適的消解劑。（3）根據(jù)待測元素的特性和土樣的性質(zhì)，確定合適的消解條件，確保土樣中的有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)能夠被有效轉(zhuǎn)化為可溶解的離子，盡量避免待測元素的損失或干擾。（4）前處理時，要嚴(yán)格控制處理質(zhì)量，例如以空白樣品和標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)作為參照物，確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性。（5）遵守實驗室安全操作規(guī)程，佩戴個人防護(hù)裝備，避免接觸有害化學(xué)品及產(chǎn)生有害氣體。（6）在處理廢液時，要遵守環(huán)保規(guī)定，通過無害化處理，消除廢液對環(huán)境的負(fù)面影響。

2.2 趕酸時間

土壤消解前處理環(huán)節(jié)的趕酸時間通常由實驗要求、土壤樣品特性決定，確定趕酸時間時，相關(guān)人員應(yīng)注意以下幾點。首先是根據(jù)實驗采用的分析方法和要求，選擇適當(dāng)?shù)内s酸時間。其次是考慮土壤樣品的種類、含水量、有機(jī)質(zhì)含量等因素，一般來說，含有較高有機(jī)質(zhì)含量的樣品可能需要更長的趕酸時間。最后是查閱并了解相關(guān)的研究文獻(xiàn)或?qū)嶒炇医?jīng)驗，了解類似樣品在類似實驗條件下的趕酸時間。趕酸時間過短可能導(dǎo)致有機(jī)物無法完全轉(zhuǎn)化，從而影響后續(xù)的分析結(jié)果；趕酸時間過長則可能導(dǎo)致溶液中析出雜質(zhì)或損失目標(biāo)分析物[4]。因此，確定趕酸時間時，相關(guān)人員應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和驗證實驗，以確保得到準(zhǔn)確、可靠的分析結(jié)果，通過縮短土壤消解濃縮的時間，提高監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 實驗儀器和試劑

3.1 實驗儀器

3.1.1 原子吸收分光光度計

實驗使用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的原子吸收分光光度計，型號為A3F-12，鉻空心陰極燈。

3.1.2 微波消解儀

實驗使用北京盈安美誠科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的微波消解儀，型號為MICHEM MD6。該微波消解儀采用程序控溫設(shè)置及調(diào)節(jié)微波功率、加熱時間、溫度等參數(shù)的控制系統(tǒng)；具有溫度、壓力傳感器和安全閥等安全設(shè)施及消解程序結(jié)束后的樣品通風(fēng)冷卻系統(tǒng)。使用該儀器將樣品冷卻并過濾，最終得到用于后續(xù)分析的樣品溶液。

消解罐采用內(nèi)罐和外罐的模式，具有以下特性：（1）耐高溫、耐壓，能夠承受高溫和高壓條件下的工作環(huán)境，確保在微波加熱過程中不會發(fā)生破裂或泄漏；（2）具有良好的密封性能，能夠有效防止消解過程中的化學(xué)品揮發(fā)和外界物質(zhì)的進(jìn)入，保證消解過程的安全性、準(zhǔn)確性；（3）耐腐蝕，能夠與各種消解劑和待測樣品之間發(fā)生反應(yīng)而不受損；（4）方便清洗，可以保證下一次實驗的準(zhǔn)確性。

3.1.3 智能樣品處理器

實驗使用LabTech生產(chǎn)的智能樣品處理器VB24 UP型，用于微波消解冷卻后對樣品進(jìn)行加熱趕酸處理。

3.2 實驗試劑

本實驗分析時實驗用水為新制備的去離子水。實驗所用的玻璃器皿需先用洗滌劑洗凈，再用1+1硝酸溶液浸泡24 h，使用前再依次用自來水、去離子水洗凈。消解過程使用鹽酸（優(yōu)級純）、硝酸（優(yōu)級純）、氫氟酸（分析純）、高氯酸（優(yōu)級純）10%氯化銨水溶液、鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液ρ=50 mg/L，臨用時現(xiàn)配。

4 實驗設(shè)計與結(jié)果討論

4.1 微波消解法實驗設(shè)計

微波消解現(xiàn)已成為一種常用的土樣前處理方法，可以將樣品中的有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為溶液，為后續(xù)的元素分析提供便利。將其用于樣品前處理的一般步驟如下：（1）用所采集土壤制備樣品，按照規(guī)定研磨并風(fēng)干樣品，確保樣品的均勻性和代表性；（2）將經(jīng)過制備的樣品放入微波消解容器內(nèi)；（3）向樣品中加入適當(dāng)?shù)南鈩ㄍǔ閺?qiáng)酸或混合酸），促進(jìn)土壤中有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)的溶解；（4）根據(jù)待測元素的特性和土樣的性質(zhì)，設(shè)置微波消解的溫度、消解時間等參數(shù)；（5）將裝有樣品和消解劑的容器放入微波消解儀，進(jìn)行微波消解處理，微波消解過程中，樣品中的有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)會被轉(zhuǎn)化為可溶解的離子；（6）待微波消解結(jié)束，將容器取出，冷卻樣品溶液，通過適當(dāng)?shù)倪^濾處理，去除固體殘留物；（7）將微波消解后的樣品溶液儲存、備用[5]。本次實驗準(zhǔn)確稱取0.2 g（精確至0.000 2 g）試樣于微波消解罐中，用少量去離子水潤濕后加入6 mL硝酸、2 mL氫氟酸，按照表1設(shè)定的升溫程序進(jìn)行消解，冷卻后將消解罐轉(zhuǎn)移至智能樣品處理器，加入2 mL高氯酸后將智能樣品處理器溫度控制在150 ℃，驅(qū)趕白煙并蒸至內(nèi)容物呈黏稠狀；取下消解罐稍冷，加入鹽酸溶液3 mL，溫?zé)崛芙饪扇苄詺堅哭D(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，加入5 mL NH4Cl溶液，冷卻后定容至標(biāo)線，搖勻；用去離子水代替土壤樣品，采用相同的步驟和試劑制備兩個全程序空白樣品。微波消解的升溫時間、溫度和持續(xù)時間詳見表1。

表1 微波消解的升溫時間、溫度和持續(xù)時間

本次實驗中，分別選取了高、中、低三個濃度梯度的GSS系列土壤標(biāo)樣，按照微波消解法的步驟進(jìn)行土壤樣品的消解，在微波消解結(jié)束并冷卻后，將消解罐轉(zhuǎn)移至智能樣品處理器進(jìn)行加熱趕酸，在趕酸濃縮土壤樣品的階段分別選取高、中、低三個濃度的土壤標(biāo)樣按照縮短0 min、30 min、60 min做對比試驗，消解完成后定容上機(jī)檢測。

4.2 分析步驟

準(zhǔn)確移取鉻標(biāo)準(zhǔn)使用液0.00、0.50、1.00、2.00、3.00、4.00 mL于50 mL容量瓶中，分別加入5 mL NH4Cl 溶液、3 mL鹽酸溶液、去離子水定容至標(biāo)線，搖勻，配置質(zhì)量濃度分別為0.50、1.00、2.00、3.00、4.00 mg/L的鉻標(biāo)準(zhǔn)曲線，用原子吸收分光光度計測定標(biāo)準(zhǔn)曲線的吸光度；用減去空白的吸光度與相對應(yīng)的鉻的質(zhì)量濃度繪制校準(zhǔn)曲線；將前處理完畢的土壤標(biāo)樣上機(jī)進(jìn)行測試。

4.3 實驗結(jié)果

微波消解在樣品前處理中的效果取決于諸多因素，例如樣品的性質(zhì)、溫度、酸堿度等微波消解的條件及消解時間、待測元素的特性等。在本實驗中，選取已知保證值的土壤標(biāo)樣進(jìn)行微波消解的前處理，再通過比較縮短不同趕酸時間的方式，通過多次重復(fù)實驗，測出不同消解時間下，高、中、低保證值土壤標(biāo)樣的平均值。本方法分析GSS系列土壤標(biāo)樣中總鉻的實驗結(jié)果見表2。

表2 總鉻測定實驗結(jié)果

由此可見，在微波消解測定土樣中的總鉻含量時，適當(dāng)縮短趕酸時間可以提高總鉻測定值的準(zhǔn)確性[6]。在縮短趕酸時間30 min時，可以在保證監(jiān)測準(zhǔn)確性的同時提高消解效率；在縮短消解時間60 min時，監(jiān)測結(jié)果偏低，原因可能是土壤樣品未完全消解，趕酸時間過短使得殘留消解酸對原子吸收分光光度計產(chǎn)生了影響。

5 結(jié)論

綜上，微波消解法用于土壤中的總鉻的前處理，具有消解速度快、使用成本低、不會給空氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染、樣品揮發(fā)速度慢等諸多優(yōu)點，利用其消解樣品，可以充分滿足土壤檢測工作的需要。實驗證明，通過適當(dāng)減少微波消解法在樣品濃縮過程中的趕酸時間，可以減少總鉻的損失，提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，同時提高微波消解的效率。因此，未來在應(yīng)對大批量土壤樣品中的總鉻分析任務(wù)時，相關(guān)人員可以在此基礎(chǔ)上，通過更多的實驗來形成完整且科學(xué)的方案，使得土樣前處理工作有據(jù)可依，有效提高監(jiān)測效率，保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性。