盧濱　劉明慧　孫愛(ài)德

摘要 采用超聲波-微波協(xié)同對(duì)土壤樣品進(jìn)行消解，運(yùn)用均勻正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)影響試驗(yàn)條件的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，包括酸的類型及其用量、消解功率和消解時(shí)間。采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICPOES），測(cè)定土壤中重金屬的含量。測(cè)定的重金屬元素包括Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Ni、Mn、Co、Fe。在最佳試驗(yàn)條件下（當(dāng)樣品量為0.5 g時(shí)，采用過(guò)氧化氫0.25 ml、硝酸4 ml、鹽酸2 ml的混酸體系，功率為80 Hz，消解時(shí)間為10 min），對(duì)土壤樣品進(jìn)行消解。結(jié)果表明，這種方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高、靈敏度好，能用于實(shí)際土壤樣品的快速分析。

關(guān)鍵詞 超聲波-微波協(xié)同消解；ICPOES；重金屬；土壤

中圖分類號(hào) S122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）08-02390-03

Determination of Heavy Metals by MicrowaveAssisted Inductively Couple Plasma Optical Emission Spectrometry

LU Bin， SUN Aide et al

（Environmental Protection Bureau of Linyi， Linyi， Shandong 276005； College of Resource and Environment， Linyi University， Linyi， Shandong 276005）

Abstract The conditions of soil samples digested by the ultrasonic and microwave was studied which was optimized with uniform orthogonal experimental design， including the amount of acids， digestion power and digestion time. The heavy metals in the soil were analyzed by inductively coupled plasma optical emission spectrometry. In this method， the main elements of the heavy metals include Cu， Pb， Zn， Cr， Cd， Ni， Mn， Co， Fe. Under the optimum experiment conditions（sample volume 0.5 g， hydrogen peroxide 0.25 ml， hydrogen nitrate 4 ml， hydrochloric acid 2 ml， power 80 Hz， digestion time 10 min）， soil samples were digested. The results showed that it is an easy， high accuracy method with a good of precision for the rapid analysis of solid samples.

Key words Ultrasonicmicrowave digestion； ICPOES； Heavy metal； Soil

有些重金屬元素是人體健康必須的微量元素，有些有害于人體健康，如汞、鎘、鉻、鉛、砷等。有害金屬侵入人體后將會(huì)使某些酶失去活性而出現(xiàn)不同程度的中毒癥狀。土壤中部分重金屬元素是農(nóng)田環(huán)境評(píng)價(jià)中的必檢項(xiàng)目。樣品預(yù)處理多采用常壓濕法消解樣品。這種前處理方法費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，耗酸量大，還易造成樣品污染或消解不完全，使得測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差[1-2]。

ICPOES 分析結(jié)果在很大程度上依賴樣品的預(yù)處理效果。由于土壤等環(huán)境樣品中基質(zhì)復(fù)雜，且部分元素在預(yù)處理中易損失或被污染，易引起待測(cè)組分之間的干擾[3-4]。目前，土壤樣品消解普遍采用無(wú)機(jī)酸敞開(kāi)體系，方法費(fèi)時(shí)，操作繁瑣，難以保證分析質(zhì)量。微波消解處理土壤樣品比傳統(tǒng)的酸解法節(jié)省大量時(shí)間，具有快速、高效、清潔、用量少、背景值小等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

超聲波-微波協(xié)同萃取在加溫、加壓條件下使酸與樣品有效地反應(yīng)，加快樣品分解速度，同時(shí)減少消解過(guò)程中樣品污染，已成為樣品預(yù)處理被廣泛應(yīng)用的新技術(shù)。為了探明該方法對(duì)土壤樣品重金屬元素測(cè)定的影響，筆者對(duì)超聲波—微波協(xié)同消解土壤的條件控制及重金屬的分析方法進(jìn)行了研究，以期為土壤樣品中重金屬的預(yù)處理和分析提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

全譜直讀型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Vista，ICPOES）：自激式空冷40 MHz 射頻發(fā)生器，吹掃型中階梯光柵多色器和Vista Chip（CCD）固體檢測(cè)器，水平耐氫氟酸炬管，光譜范圍167～785 nm；功率0.7～1.7 kW可調(diào)[8-9]。等離子氣流量、輔助氣流量、霧化氣流量均連續(xù)可調(diào)，帶聚四氟乙烯高鹽霧化器，蠕動(dòng)泵進(jìn)樣系統(tǒng)。

超聲波-微波協(xié)同萃取儀（上海新拓微波溶樣測(cè)試技術(shù)有限公司）：超聲頻率為40 Hz；微波功率從0～800 W可調(diào)。

Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、Ni、Mn、Co、Fe單元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：1 000 μg/L（購(gòu)買自國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心），然后根據(jù)不同元素測(cè)定的需要，配成合適的系列梯度濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，介質(zhì)均為3% HNO3。

試驗(yàn)所用試劑硝酸、鹽酸、過(guò)氧化氫均為優(yōu)級(jí)純，試劑和試液均采用去離子水配制。所用玻璃儀器均需以硝酸（20%）浸泡24 h以上，然后用去離子水沖洗干凈。

1.2 樣品處理

將土壤樣品置于冰箱中24 h冷凍，然后將冰凍土壤自然風(fēng)干。取一定量土壤樣品置于研缽中研細(xì)，過(guò)60～100目篩后，采取四分法取20 g樣品保存?zhèn)溆谩?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 微波消解條件的選擇

2.1.1 消解酸選擇。

消解試劑體系的選擇對(duì)樣品預(yù)處理結(jié)果起著重要的作用。截至目前，試劑的選擇仍是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。消解土壤樣品通常采用無(wú)機(jī)混合酸體系，但是加酸種類和消解方式各有不同。一般的消解試劑體系常選擇一種酸、多種酸的混合試劑或在混酸體系中加入某種氧化劑如H2O2等[10]。

試驗(yàn)中，對(duì)于0.5 g土壤樣品，加入過(guò)氧化氫、硝酸、鹽酸進(jìn)行消解，避免強(qiáng)氧化性高氯酸和強(qiáng)腐蝕性氫氟酸的使用。

2.1.2 消解酸用量的選擇。

采用三因子三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，HNO3 、HCl、H2O2三因子各選擇3個(gè)濃度水平進(jìn)行微波消解，試驗(yàn)因子與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。稱取約0.5 g土壤樣品于超聲微波協(xié)同萃取儀的玻璃萃取瓶中，加幾滴蒸餾水潤(rùn)濕，分別按表1的設(shè)計(jì)加入各種酸，振蕩，混勻。在相同的微波控制條件（80 W，10 min）下，進(jìn)行樣品消解。冷卻后，取出玻璃萃取瓶，過(guò)濾，然后置于電熱板上加熱，直至消解液透明、無(wú)色。最后，轉(zhuǎn)入25 ml容量瓶中，用濃度3% HNO3定容，待測(cè)。以消解樣品同樣的步驟做空白試樣，供ICPOES測(cè)定。

樣品中不同元素所需的最佳酸用量見(jiàn)表2。從總體上來(lái)看，采用過(guò)氧化氫0.25 ml、硝酸4.00 ml、鹽酸2.00 ml的混酸體系進(jìn)行消解，效果最佳。

2.1.3 消解功率和時(shí)間的選擇。

在對(duì)微波消解的功率和時(shí)間進(jìn)行研究時(shí)，從消解效果和不安全因素（防爆膜破裂）角度[11-12]來(lái)考慮，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：稱取9組標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品約0.5 g于玻璃萃取瓶?jī)?nèi)，加幾滴蒸餾水潤(rùn)濕，依次加入0.25 ml H2O2、2.00 ml HCl和4.00 ml HNO3。不同消解功率、時(shí)間條件見(jiàn)表3，分別使用超聲波-微波協(xié)同萃取儀消解。冷卻后，取出玻璃萃取瓶，過(guò)濾于燒杯中，然后置于電熱板上加熱，直至消解液透明、無(wú)色。最后，轉(zhuǎn)入25 ml容量瓶中，以濃度3%

研究表明，對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品在低功率消解10～12 min、中功率消解4～6 min、高功率消解2～3 min的條件下均可達(dá)到較好的消解效果。由于微波具有很強(qiáng)的穿透能力，對(duì)試樣有非常有效、瞬時(shí)、深層加熱的作用，使得消解時(shí)間大大縮短，但若功率過(guò)高、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則由于內(nèi)壓過(guò)大，超出玻璃萃取瓶的承壓能力，造成玻璃萃取瓶破裂，溶液濺失；反之，則會(huì)消解不完全，使得結(jié)果偏低。從安全與經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用低功率緩慢消解不僅安全，而且消解效果相對(duì)較好。因此，最佳的消解條件為樣品量為0.5 g時(shí)，用過(guò)氧化氫0.25 ml、硝酸4.00 ml、鹽酸2.00 ml的混酸體系，功率為80 Hz，消解時(shí)間為10 min。

2.2 儀器條件的優(yōu)化

2.2.1 功率的選擇。

研究表明，被測(cè)元素隨入射功率的增加，譜線強(qiáng)度亦增加，但功率增大，信噪比有所下降，功率按照0.05 kW的增量設(shè)置，建議設(shè)置范圍0.9～1.5 kW。綜合考慮，選取功率1 000 W較合適。

2.2.2 霧化壓力的選擇。

當(dāng)霧化壓力為200 MPa時(shí)，多數(shù)待測(cè)元素工作曲線線性好，靈敏度好[13]。儀器的最佳工作參數(shù)為：

功率1 150 W，載氣流量0.85 L/min，輔助氣流量0.5 L/min，冷卻氣流量15 L/min，提升量2.4 L/min；霧化氣壓力172 MPa，積分時(shí)間5～10 s，樣品分析時(shí)間 80 s，平行測(cè)定3次。

2.2.3 分析線的選擇。

根據(jù)儀器推薦的最佳分析線，預(yù)選譜線之間干擾少、靈敏度適中的待測(cè)元素分析線[8-9]。試驗(yàn)選用的各待測(cè)元素的分析線為：

Cr 267.716 nm，Mn 257.610 nm，F(xiàn)e 238.204 nm，Co 238.892 nm，Ni 231.604 nm，Cu 327.395 nm，Zn 213.857 nm，Cd 214.439 nm，Pb 220.353 nm。

2.3 土壤樣品的測(cè)定

取約0.5 g土壤樣品于玻璃萃取瓶?jī)?nèi)，加幾滴蒸餾水潤(rùn)濕，依次加入0.25 ml H2O2、2.00 ml HCl和4.00 ml HNO3，在80 W、10 min的微波條件下進(jìn)行消解。按照以上處理方法處理完畢后進(jìn)行平行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。

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