微波消解ICP.doc

微波消解ICP-AES 法测定土壤中的重金属元素
卢家熙*, 许孟强, 梁永文, 钟毅芳, 陈国平, 林泽凯, 黄海华, 李大纬, 张力, 陈龑骢, 李思路
(中山大学化学与化学工程学院，广州，08331012)
摘要 先用密闭微波消解土壤样品，再用硝酸-盐酸（1:3）混合液消解，得到样品溶液后利用电感耦合等离子体原子发射法(ICP-AES)对其中的四种重金属元素Cr、Mn、Cu及Zn进行定性定量分析。实验结果证明，该土壤中Cr含量属于国家土壤环境质量标准(GB 15618—1995)的一级标准，Cu和Zn含量属于二级标准，Mn含量在国标中未提及。本方法所运用全谱直读等离子体光谱仪具有精密度好、基体效应和自吸效应小、稳定性好、灵敏度高、线性范围宽的特点。标准曲线采用与样品成分相近的混合标样，以保持基体基本一致，消除了多元素间的干扰。此方法准确快速，值得推广于实验室。
关键词 微波消解 ICP-AES 土壤 重金属

1.引言
重金属本以天然浓度广泛存在于自然界中。但由于人类活动，不少以各种化学状态存在的重金属得以大量进入土壤环境，通过生物富集作用存留、在食物链中积累和迁移，对人类造成严重危害。当代食品安全科学需要解决的重要问题之一，就是分辨土壤环境中的污染物积累程度。其中，重金属污染因滞留持久、高富集、易于通过食物链进入农产品中等特性，受到了格外的重视。因此，发展准确测定土壤中重金属含量的方法，提高监测环境土壤质量的能力，对有效控制土壤中重金属污染非常必要。[1]
提取和测定土壤中微量元素的各类方法中，前处理的传统方法是湿法加热，即用电热板加热，在敞开体系中消解土壤样品。此方法耗时，而且交叉污染大，影响准确度。[2]本方法中使用的全封闭微波消解法，利用微波的强穿透性，通过影响极性分子使得它们相互摩擦，吸收微波能量，从固相快速进入液相，大大缩减了提取时间，又因为全封闭环境，防止了交叉污染。微波消解技术具有安全、高效、节能的特点。
消解液的选择方面，传统上使用的是HCl/ DTPA和Mehlich 3提取剂。Mehlich 3是于1982年由英国Mehlich教授在自己发明的Mehlich 2试剂的基础上改进而来的，具有性质稳定, 便于配制和贮存, 能同时浸提多种有效元素的特点。[3]本方法采用了硝酸-盐酸（1:3）混合液消解土壤样品，避免了前述方法中使用有机溶剂对环境造成毒害的缺点，但相应的要求更多用量。
对重金属进行检测的仪器和方法也有很多。除了本实验所用的ICP-AES法外，见诸文献报道的还有ICP-MS法[4]、分光光度法[5]和X射线荧光光谱法 [6]等。现代等离子体技术的发展，使得ICP及与其联用的仪器应用越来越广泛。电感耦合等离子体（ICP）以其可进行多元素同时分析，样品无须分离杂质就可直接测定等特点，为现代实验室所选用。
本方法采取微波消解结合ICP-AES对土壤中的重金属元素Cu、Zn、Mn、Cr进行定量分析，具有操作简便，分析速度快，干扰少，测量精密度、准确度高，一步完成四种元素测定等特点。

2、材料和方法
2.1 仪器试剂
2.1.1 仪器及工作条件
(1)高压密闭波消解仪（Mars-Xpress型，培安•CEM微波化学（中国）技术中心）。微波消解温度-时间程序为：加热到190ºC-15min，保温15min，降温15min。
(2) SPECTRO CIROS VISION EOP垂直观测型全谱直读等离子体发射光谱仪(德国斯派克分析仪器)。ICP 工作条件：高频电源入射功率1.30kW；冷却气流量16L·min-1;辅助气流量0.7 L·min-1；载气流量0.8mL·min-1。

2.1.2 试剂
(1)Cu、Zn、Mn、Cr 标准溶液(1.0mg⋅mL-1，国家标准物质研究中心)。分别吸取上述各元素的标准溶液1mL于100mL容量瓶中，以2%硝酸(G.R.)溶液配制成各元素浓度均为10μg⋅mL-1的混合液：盐酸、硝酸均为优级纯；二次去离子水。
(2)土壤样品制备。将采集的土壤样品(一般布少于500g)混匀后用四分法缩分至100g，缩分后的土样经风干后，除去土样中的石子和动植物残体等异物。用玛瑙研钵将土壤样品碾压，过2mm 尼龙筛除去2mm 以上的沙砾，混匀。上述土样进一步研磨，再过100目尼龙筛，试样混匀后备用。

2.2 试验方法
2.2.1标准系列的配制
于5 个50mL 容量瓶中分别加入重金属混合标准溶液(10μg⋅mL-1) 0.00mL、0.25mL、0.50mL、1.00mL 和2.00mL，分别用2%HNO3 稀释至刻度，摇匀。该系列各元素浓度分别为0.00μg⋅mL-1、0.50μg⋅mL-1、0.10μg⋅mL-1、0.20μg⋅mL-1 和0.40μg⋅mL-1。

2.2.2土壤样品的微波消解步骤
(1)准确称取0.2000g 上述干燥的土壤样品(105℃干燥2h)，置于聚四氟乙烯(PTFE)溶样杯中，用少量水润湿。分别加入2mL HNO3、6mLHCl，振摇使之与样品充分混合，放置等待反应完毕，加盖（内盖）。
(2)将该样品杯放入消解罐，拧上外罐罐盖，放入Mars-Xpress型微波消解仪炉腔内。设定微波消解程序，一个大气压，时间程序为：加热到190ºC-15min，保温15min。启动微波开关，开始进行消解。
(3) 微波消解完成后，仪器会自动执行冷却程序，15min冷却后，取出消解罐，稍冷后打开消解罐罐盖，小心打开内盖。
(4)分别以每次1～2mL的超纯水冲洗溶样杯杯盖和杯壁2-3次，抽滤，并把过滤和冲洗抽滤瓶2次（1～2mL）液体转移至25 mL比色管中，再以去离子水定容。待ICP-AES分析。

2.2.3 样品的测定
从仪器中选择各元素的测量波长并记录于表1中，随后进行ICP-AES分析。

3、结果与讨论
3.1 数据分析
3.1.1 各元素的测量波长
各元素的测量波长如表1所示。
表1 各元素的测量波长
元素
Cr
Mn
Cu
Zn
波长/nm
267.716
257.611
324.754
213.856

3.1.2土壤样品质量
土壤样品质量如表2所示。
表2 土壤样品质量
样品
0
1
3
5
7
9
11
13
平均
质量/g
0.0000
0.1999
0.2003
0.2001
0.1998
0.2003
0.1999
0.2005
0.2001

3.1.3测量数据及实验结果
在选定的工作条件下，用ICP-AES测定不同浓度Cr、Mn、Cu、Zn标准溶液的谱线发射强度，以发射强度对元素浓度绘制标准曲线分别如图1～4所示。由结果可知，在所选浓度范围内，这4种元素的浓度与强度响应值的线性关系并不显著，实验可能存在失误，在后文单独讨论。与此同时测定土壤样品中Cr、Mn、Cu、Zn的谱线发射强度，然后根据Cr、Mn、Cu、Zn标准溶液的回归方程求出土壤样品中4种元素的浓度。根据土壤样品质量，计算4种元素的质量浓度。实验测量数据及标准系列实验结果如表3所示。另有对土壤样品中Cr、Mn、Cu、Zn的含量的测量数据及实验结果，因涉及数据处理过程，列为表4/5/6所示。

表3测量数据及各标准系列实验结果

元素浓度/μg·mL-1 及对应测量值S
校正曲线特性参数
元素
Cr
Mn
Cu
Zn
a
b
R
标

样
标
准
浓
度
C
C0
0.00
131889
-11870.5
0.96
Cr
C1
0.50
754005.42
-84230.14
0.96
Mn
C2
1.00
104163.67
-10389.21
0.96
Cu
C3
2.00
238576.64
-17866.08
0.96
Zn
C4
4.00

标
准
响
应
值
S
S0
5488.91
4606.9
14299.4
3519.51
S1
74675.1
406778
137102
57410
S2
143023
814410
263139
112948
S3
146630
829645
268874
113855
S4
559998
3178450
1016580
441549

表4土壤样品发射强度
样品发射强度
Cr
Mn
Cu
Zn
0
1
3
5
7
9
11
13
10773.8
33765.5
72342
80304.6
31222.9
74805.9
62006.2
52854.5
20281.1
1208010
2681450
2242650
1161410
2415410
2292240
2014240
18894.3
53588
103120
102877
52429.5
97270
91476.3
81233.4
22407.6
88829
188805
173526
75717.1
162828
127969
125421
表5土壤样品计算浓度（μg·mL-1）
计算浓度
Cr
Mn
Cu
Zn
0
1
3
5
7
9
11
13
0.272
0.5286
0.5568
0.6172
0.4902
0.5755
0.4785
0.4091
0.239
3.3738
3.6411
3.0591
3.2502
3.2883
3.1249
2.7562
0.256
0.4406
0.4279
0.4269
0.4308
0.4034
0.3791
0.3362
0.406
1.4748
1.6972
1.5505
1.223
1.4478
1.1132
1.0887
注：根据标准曲线求出的浓度，公式为

其中1号样和7号样的浓度乘以2倍，因为实验时1号和7号样是定容于50mL容量瓶的，而其它样品都定容于25mL比色皿。
表6 土壤样品计算质量分数（μg·g-1）
计算浓度
Cr
Mn
Cu
Zn
1
3
5
7
9
11
13
平均值
66.1081
69.4958
77.1114
61.3363
71.8298
59.8424
51.01
65.25
421.936
454.4558
382.1964
406.6817
410.4219
390.8079
343.6658
401.4
55.1026
53.4074
53.3358
53.9039
50.3495
47.4112
41.9202
50.78
184.4422
211.8323
193.7156
153.028
180.7039
139.2196
135.7481
171.2
注：根据表2和表5相关数据，应用下列公式
cm = (c × 25) / M土壤
进行计算出质量分数，并计算平均值。

图1 Cr标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps=131889C-11870.5 R=0.96

图2 Mn标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps=754005.42C-84230.14 R=0.96

图3 Cu标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps=104163.67C-10389.21 R=0.96

图4 Zn标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps=238576.64C-17866.08 R=0.96

3.2讨论
3.2.1土壤重金属浓度标准分析
表7 国家土壤环境质量标准[7]
元素
Cr
Cu
Zn
一级标准m/μg·g -1
二级标准m/μg·g -1
三级标准m/μg·g -1
90
300
400
35
100
400
100
250
500
实验测得土壤样品中Cr、Cu、Zn的含量分别为65.25μg/g、50.78μg /g、171.2μg /g，因此Cr含量属于国家土壤环境质量标准(GB 15618—1995)的一级标准，Cu和Zn含量属于二级标准，Mn含量在国标中未被提及，因此暂时不考虑其含量。由以上分析来看，此土壤对环境与人体产生的危害在安全范围之内。

3.2.2实验结果与问题讨论
(1)标准系列与浓度的线性相关性（0.96）与实验手册要求（0.9999以上）相差较大，推测可能有过失误差，故采用标准化残差法对标准系列的第三项进行统计检验。根据标准化残差的定义有：

标准化残差=

其中，为残差，为残差的标准差，为回归的标准差，为样本数，为自变量的值， 为自变量均值。取标准样品浓度c为自变量，发射谱线强度I为因变量，样本数N=5，检验结果如表3：

表8 标准化残差临界值表[8]
编号
C/（μg·mL-1）
Cr267.716
Mn257.61
Cu324.75
Zn213.856
0
0
-0.331561964
-0.300612803
-0.339666559
-0.332617162
1
0.5
-0.356619438
-0.349642197
-0.341483388
-0.340660966
2
1
-0.378464838
-0.421569357
-0.385924979
-0.394950633
3
2
1.732001702
1.731737633
1.731980019
1.732006568
4
4
-1.534160264
-1.512949166
-1.533996573
-1.529481775

由上表可知，在N=5，显著性水平0.05时，标准化残差的临界值为1.71，由此可判断3号标准样品的发射谱线强度为异常值。
剔除此异常值后，以剩余四组数据绘制标准曲线分别如图5～8所示

图5 剔除异常值后Cr标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps= 138681C+5109.7 R= 0.999997824

图6 剔除异常值后Mn标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps= 792336C+ 11598.2 R= 0.99998636

图7 剔除异常值后Cu标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps= 250861C+ 12845.7 R= 0.999996803

图8 剔除异常值后Cu标准溶液的谱线发射强度与浓度的标准曲线
其中cps= 109588C+ 3172.59 R= 0.999997998

以上图表说明，剔除异常值后，标准曲线的相关性提高很多。因此，在实验中应当非常严谨地配制标准系列，不能容忍有人为误差产生。一旦发现，应立即重配。
（2）最后所得的土壤中重金属元素含量的质量分数，是通过表6中各组数据取平均所得。现对表6中的数据计算相对平均偏差，如表9所示：
表9 相对平均偏差（%）
重金属元素
Cr
Mn
Cu
Zn
相对平均偏差
10.31%
6.2%
7.1%
14.31%
由表9可知，本实验数据的相对平均偏差普遍较大，可能原因包括①土壤样品是固体样品，混合不均匀②消解不完全，剩余物质冲洗不完全，导致各份样品之间有差别③因为每份样品由不同实验员完成，故存在实验员之间的系统误差。

3.2.2思考题
(1) 若采用本实验方法测定微量Hg和As，在样品前处理应注意哪些事项（可查阅相关文献）？
Hg和As在分解过程中，易与盐酸形成氯化物挥发，所以要湿法消解要用到硝酸——高氯酸体系，微波消解需要用硫脲——抗坏血酸体系。[9]另外，土壤中Hg和As的消解过程对温度敏感。温度过高会造成挥发损失，温度不足又使消解程度不理想。查阅相关文献[10]，可知在280℃下消解土壤较完全且很少挥发损失，因此消解温度应尽量控制在280℃。
（2）影响等离子体温度的因素有哪些？酸度对ICP-AES的干扰效应主要有哪些？当采用有机试剂进行ICP分析时，对高频功率、试剂化学结构、冷却气和辅助气等都有哪些特殊要求？
在ICP中，影响等离子体温度的因素有：①载气流量：流量增大，中心部位温度下降；②载气的压力：激发温度随载气压力的降低而增加；③频率和输入功率：激发温度随功率增大而增高，近似线性关系，在其他条件相同时，增加频率，放电温度降低；④释放剂：引入低电离电位的释放剂，可以使温度增加。
酸度对ICP-AES的干扰效应主要表现在：①雾化率及元素谱线强度均低于水溶液；②随着酸度增加，谱线强度显著降低。
当采用有机试剂进行ICP分析时，要求为：①高频功率，一般应高于水溶液试样；②冷却气流量要增高，载气流量要减少，同时应通入较高流量的辅助气；③采用链状结构的有机溶剂作稀释剂。
（3）为什么开机前要先通冷却水？为什么要在点燃炬焰后才能通入载气？
先通冷却水的原因是：①冷却线圈，防止炬管过热而把线圈烧坏。炬管内产生涡电流后，它的电阻很小，电流很大（可达几百安培），释放出大量的热能（达10000K），所以要先冷却；②冷却半导体致冷器，一般要求在测试前5分钟开启半导体致冷器以降低暗电流，所以开机前必须先通入冷却水。
点燃炬焰后才能通入载气的原因：①因为如果在点燃炬焰前通入载气，会使炬管内气体浓度太高，降低了炬管内电子和离子与气体分子、原子碰撞的几率，使炬管内产生的涡电流小，以致于无法在管口形成火炬状的等离子焰炬。②若载气通入时间太长，会降低检测通道温度和待测元素的原子、离子在通道的停留时间，从而使造成测定样品的误差

3.3结论
本方法采用微波消解-电感耦合等离子体-原子发射光谱法（ICP-AES）同时对土壤中的重金属元素Cr、Mn、Cu及Zn进行定性定量分析。结果表明，4种元素的回归方程相关系数R均为0.96；Cr、Mn、Cu及Zn的含量分别为65.25μg/g、401.4μg /g、50.78μg /g和171.2μg /g。该分析方法具有快速、简便，准确度及灵敏度高的优点，适用于土壤中重金属元素的快速分析.

参考文献
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