楊小斌，張鑫，文嘉明，陳艾利

（核工業(yè)二三0 研究所，長沙 410007）

硒和鍺是兩種非常重要的可維持人體生命活動的微量元素，其中鍺有細胞生成促進劑的作用，適當攝入含硒和鍺的有機化合物能夠提高人體抗腫瘤、消除體內自由基的能力并增強機體免疫力，是幫助人體抵制自然環(huán)境污染侵害，防病健身的有效途徑，但如果過量攝入硒、鍺可能出現(xiàn)中毒反應［1–5］。硒和鍺都可以從土壤中通過食物鏈向人體遷移，人類從食物鏈中獲取適量的硒和鍺是最安全有效的可靠途徑［6］，因此對土壤中硒和鍺的含量進行準確的分析具有重要意義。

土壤中硒、鍺含量的主要測定方法有光度法、原子吸收(AAS)法、X 射線熒光光譜(XRF)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP–OES)法、電感耦合等離子體質譜(ICP–MS)法［7–11］，這幾種分析方法均有一些不足之處，如靈敏度低，檢出限高，分析時間長，操作繁瑣等。其中ICP–MS 法雖然靈敏度高，檢出限較低，但用于測定硒時氬氣會形成多原子離子(Ar2+)，與待測離子質荷比相同而干擾測定，而且ICP–MS 法檢測成本較高。絕大部分檢測機構在測定土壤中硒和鍺的含量時首選氫化物發(fā)生原子熒光光譜（HG–AFS）法［12–16］。近年來由于激發(fā)光源（特制空心陰極燈）、原子化器、氫化物發(fā)生與原子熒光光譜聯(lián)用分析技術的快速發(fā)展，氫化物發(fā)生–原子熒光光譜分析技術的應用更為廣泛，該方法具有干擾少、靈敏度高、準確度高、檢出限低、線性范圍寬、操作簡便等優(yōu)點，同時儀器價格低廉也為該方法的推廣提供了便利。目前，氫化物發(fā)生–原子熒光光譜法可測定各類樣品中痕量和超痕量的砷、汞、銻、鉍、硒、鍺、鉛、錫、碲、鋅和鎘等11 種元素［17–24］。

目前針對土壤中硒和鍺含量的測定，國內報道的方法均為硒、鍺單元素測定技術，利用氫化物發(fā)生–原子熒光光譜法測定土壤中硒和鍺的現(xiàn)行國家標準也都是單元素測定法［25–26］，標準規(guī)定的兩種元素的樣品前處理方法不同，因為硒的消解體系中需要使用鹽酸，且硒在溫度高于150℃時會有所損失，而鍺在氯離子存在時，86℃以上就會揮發(fā)，因此消解體系中若含有氯離子，會導致鍺的測定結果偏低［27–29］。

筆者采用硝酸–氫氟酸–高氯酸–濃硫酸混合酸消解體系，在磷酸介質中，硒、鍺與硼氫化鉀進行氫化物發(fā)生反應，進而利用原子熒光光譜法對硒和鍺同時測定，消除了硒、鍺需要分體系消解且只能單獨測定的弊端。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

雙通道原子熒光光度計：AFS–8800 型，配硒、鍺元素空心陰極燈，北京海光儀器有限公司；

石墨電熱板：JRY–D350–A 型，湖南金蓉園儀器設備有限公司；

電子分析天平：ML204／02 型，梅特勒–托利多儀器（上海）有限公司；

超存水制備儀：ZWL–PA2–10 型，中沃實驗室儀器設備有限公司；

硝酸、硫酸、氫氟酸、高氯酸：均為優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司；

鹽酸、磷酸：均為優(yōu)級純，成都市科隆化學品有限公司；

三氯化鐵晶體（FeCl3·6H2O）：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

硼氫化鉀、氫氧化鉀：均為優(yōu)級純，天津市科密歐化學試劑有限公司；

硒、鍺標準儲備液：質量濃度均為1 000 mg／L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

氬氣：純度為99.999%，長沙賽眾特種氣體有限公司；

2.0%硼氫化鉀–0.5%氫氧化鉀溶液：稱取20 g 硼氫化鉀于預先加有5 g 氫氧化鉀的500 mL 超純水中，用玻璃棒攪拌至溶解，加水稀釋至1 000 mL，攪拌均勻，此溶液需現(xiàn)用現(xiàn)配；

土壤成分分析標準物質：編號分別為GBW 07405，GBW 07408，GBW 07429，GBW 07449，GBW 07453，GBW 07457，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所；

實驗所用玻璃器皿均使用20%硝酸溶液浸泡24 h 以上，洗凈之后方可使用；

實驗用水：超純水，電阻率為18.25 M?·cm。

1.2 儀器工作條件

原子化器高度：8 mm；空心陰極燈電流：硒、鍺燈均為80 mA；光電倍增管負高壓：270 V；載氣流量：300 mL／min；屏蔽氣流量：800 mL／min；測量方法：標準曲線法；標準曲線校正方式：單點校正；空白判別值：5；讀數(shù)方式：峰面積；讀數(shù)時間14 s；延遲時間：1 s。

1.3 標準曲線繪制

用鹽酸溶液（1∶4）將1 000 mg／L 硒標準儲備液逐級稀釋至1 μg／mL 的硒標準使用液；用磷酸溶液（1∶9）將1 000 mg／L 鍺標準儲備液逐級稀釋至2 μg／mL 的鍺標準使用液。取7 只清洗并干燥好的100 mL 容量瓶，分別準確移取0.00，0.10，0.20，0.40，0.80，1.60，2.00 硒 標 準 使 用 液 和0.00，0.25，0.50，1.00，2.00，4.00，5.00 mL 鍺標準使用液，依次加入磷酸溶液（1∶1）20 mL，鹽酸溶液（1∶1，含鐵鹽）40 mL，用超純水定容至100 mL，搖勻，配制成系列混合標準工作溶液。系列混合標準工作溶液中硒的質量溶度依次為0.00，1.00，2.00，4.00，8.00，16.00，20.00 μg／L；鍺的質量濃度依次為0.00，5.00，10.00，20.00，40.00，80.00，100.00 μg／L。

儀器開機預熱穩(wěn)定后，測定標準空白，再由低濃度到高濃度依次測定系列混合標準溶液，以標準溶液的質量濃度為自變量、熒光強度為因變量，儀器自動擬合標準曲線線性方程。

1.4 樣品前處理方法

稱取0.250 0 g 土壤樣品（精確至0.1 mg）于25 mL 聚四氟乙烯坩堝中，加幾滴水潤濕后，依次加入的硫酸溶液（1∶1）1 mL、5～10 mL 硝酸、3 mL 氫氟酸、1 mL 高氯酸，將坩堝置于石墨電熱板上恒溫加熱（電熱板溫度控制在140℃），加熱至剛冒白煙時小心取下；待坩堝自然冷卻后，加入10 mL 超純水，繼續(xù)溫熱至鹽類溶解，用超純水將溶液全部轉移至25 mL 玻璃比色管中，加入磷酸溶液（1∶1） 5 mL（或濃磷酸2.5 mL ）、鹽酸溶液（1：1，含鐵鹽）10 mL，用超純水稀釋至標線，搖勻，溶液中三價鐵離子的最終質量濃度為1 mg／mL，放置至澄清。

1.5 樣品測定

儀器開機，將原子化器預熱30 min 以上，調節(jié)至最佳工作條件。以2.0%硼氫化鉀溶液–0.5%氫氧化鉀溶液作為還原劑，10%磷酸溶液作為載流液，將進樣管、還原劑管、載流液管插入相應的試劑溶液中，壓緊蠕動泵，導入還原劑及空白介質溶液5～10 min，測定系列混合標準工作溶液。然后在相同的條件下測定樣品空白、試樣。

2 結果與討論

2.1 樣品消解體系的選擇

由于土壤成分相對復雜，不同的消解體系會對測定結果有較大的影響。筆者選用硝酸–氫氟酸–高氯酸–濃硫酸的濕法消解體系。與單一酸消解體系相比，這種混合酸的消解體系不僅試劑用量少，試劑的氧化能力也得到增強；高氯酸的加入可有效破壞土壤中的有機質；同時消解溫度控制在140℃可避免因溫度過高而導致硒的損失；而采用在樣品消解完并冷卻之后再加入鹽酸，既滿足了硒的測量要求，又避免了在溫度高于86℃時引入氯離子而造成鍺的揮發(fā)損失。

2.2 儀器工作條件的選擇

2.2.1 原子化器高度

原子化器的高度即火焰的觀測高度，是關系到樣品是否穩(wěn)定、測定結果是否準確的先決條件，原子化器高度過小，會使儀器的散射光形成較強的背景信號，信噪比降低，還會產(chǎn)生氣相干擾，檢出限變高；而原子化器高度過大又會降低儀器的靈敏度和精密度。筆者依據(jù)國家標準方法推薦的儀器條件，結合實驗室現(xiàn)有的儀器，分別選擇8，9，10 mm 3 個不同原子化器高度對硒、鍺系列標準溶液的最高濃度點采用雙通道同時測定并進行比較，結果列于表1。由表1 可知，當原子化器高度從8 mm 升高至10 mm 時，硒和鍺系列標準溶液的最高濃度點熒光強度均有明顯下降，而信噪比的增加卻不大，因此選擇8 mm 作為最佳的原子化器高度。

表1 不同原子化器高度試驗結果

2.2.2 空心陰極燈燈電流

在一定范圍內，待測元素所產(chǎn)生的熒光會隨著燈電流的增大而增強，即分析靈敏度提高。但過大的燈電流會產(chǎn)生自吸現(xiàn)象，造成標準曲線彎曲，嚴重影響重現(xiàn)性，而且會加快空心陰極燈能量的損耗，使燈的使用壽命大幅降低［30］，設定燈電流50～100 mA進行試驗，結果如圖1 所示。

圖1 不同硒、鍺燈電流對應的熒光強度

由圖1 可知，硒燈、鍺燈電流為50～80 mA 時，熒光強度不斷增強，其中硒的熒光強度增大明顯。硒和鍺的熒光信號值均在燈電流為80 mA 時達到最高，超過80 mA 之后均呈下降趨勢。在滿足靈敏度要求的前提下，應盡可能采用較低的燈電流，以便有效降低燈能量的消耗，延長燈的使用壽命，實驗最終選擇鍺、硒燈電流均為80 mA。

2.2.3 光電倍增管負高壓

在一定范圍內待測元素的熒光強度和儀器測量靈敏度均會隨著光電倍增管負高壓的增大而提高。負高壓過低不能滿足靈敏度的要求；而負高壓過高則會導致背景噪聲增強，同時儀器穩(wěn)定性變差。依據(jù)大量實際樣品的測量經(jīng)驗及檢測儀器的特性，合適的負高壓應控制在系列標準溶液濃度最高點的熒光信號值在1 000～3 000 范圍。設定光電倍增管的負高壓為220～320 V 進行試驗，結果如圖2 所示。

圖2 不同光電倍增管負高壓對應的熒光強度

由圖2 可知，硒、鍺被激發(fā)所產(chǎn)生的熒光強度隨著光電倍增管負高壓的增大而增強，結合硒和鍺元素的特性，選擇使鍺和硒的標準曲線最高點熒光強度分別達到約1 500 和2 500 的光電倍增管負高壓作為最佳負高壓。實驗選擇270 V 的負高壓，既能夠保證滿足信號值、靈敏度、噪聲的要求，又有利于延長光電倍增管的使用壽命。

2.2.4 載氣流量及屏蔽氣流量

適當?shù)妮d氣流量可以保證將氫化物發(fā)生反應產(chǎn)生的硒和鍺的氫化物迅速導入到原子化器中，并保證穩(wěn)定的氫–氬火焰。過大的載氣流量會稀釋待測原子濃度，使熒光強度和分析靈敏度降低；過小的載氣流量則會使信號峰拖尾。設定載氣流量為200～600 mL／min 進行試驗比較，結果如圖3 所示。由圖3 可知，當載氣流量從200 mL／min 增大至300 mL／min 時，硒和鍺的熒光強度隨之增大；當載氣流量大于300 mL／min 時，熒光強度均有所下降，特別是硒的熒光強度下降比較明顯。實驗確定本方法載氣流量為300 mL／min。

圖3 不同載氣流量對應的熒光強度

屏蔽氣對氫–氬火焰起保護作用，可防止空氣進入火焰而產(chǎn)生熒光淬滅，穩(wěn)定火焰狀態(tài)，保證熒光效率，合適的屏蔽氣流量范圍應為800～1 100 mL／min。本實驗選擇屏蔽氣流量為800 mL／min。

2.2.5 還原劑的濃度

作為氫化物發(fā)生反應的還原劑，硼氫化鉀溶液的濃度對方法靈敏度、穩(wěn)定性、準確度起著決定性作用。硼氫化鉀溶液的濃度過高會產(chǎn)生過量的氫，稀釋待測原子，甚至引起熒光淬滅，并造成氣相和液相干擾；硼氫化鉀溶液的濃度過低則氫化物發(fā)生反應難以進行。選擇硼氫化鉀質量濃度為5～30 g／L（其中含5 g／L 氫氧化鉀）進行試驗，結果如圖4 所示。

圖4 不同濃度的硼氫化鉀溶液對應的熒光強度

由圖4 可知，當5～15 g／L 的硼氫化鉀溶液參與反應時，待測元素產(chǎn)生的熒光強度較低，說明硒和鍺沒有完全被還原；當硼氫化鉀的質量濃度由15 g／L 增大至20 g／L 時，待測元素產(chǎn)生的熒光強度達到最大值；當硼氫化鉀的濃度增大到25 g／L 時，待測元素產(chǎn)生的熒光強度呈現(xiàn)下降趨勢；當硼氫化鉀的濃度增加到30 g／L 時，待測元素產(chǎn)生的熒光強度下降非常明顯。可能是因為還原反應產(chǎn)生過量的氫，稀釋了GeH4和H2Se，并導致火焰不穩(wěn)定。在配制硼氫化鉀濃液時需加入適量氫氧化鉀防止其過快水解，綜合考慮熒光強度、靈敏度、穩(wěn)定性等因素，選定20 g／L 硼氫化鉀溶液–5 g／L 氫氧化鉀溶液作為還原劑。

2.2.6 載流液的濃度

選擇體積分數(shù)為2%～20%的磷酸作為載流液，考察其對硒、鍺熒光強度的影響，結果如圖5 所示。

從圖5 可知，隨著磷酸濃度增大，熒光強度逐漸增加，當磷酸體積分數(shù)為10%時，硒的熒光強度達到峰值，此后隨著磷酸體積分數(shù)的增加，硒和鍺的熒光強度均有所下降，可能是硼氫化鉀與磷酸的反應速度太過劇烈，大量的氫以氫氣的形式逸出，從而影響了GeH4，H2Se 的生成，降低了方法的靈敏度。因此，在保證足夠靈敏度的前提下應盡可能使用較低濃度的磷酸作為載流液。實驗選擇10%的磷酸作為載流液已能滿足要求。

圖5 載流液的濃度對鍺、硒熒光強度的影響

2.3 線性范圍與檢出限

在選定的儀器工作條件及測定條件下，對硒和鍺的系列混合標準工作溶液進行雙通道同時測定，分別以硒、鍺的質量濃度（X，μg／L）為自變量、熒光強度（Y）為因變量進行線性擬合，得硒、鍺的線性方程分別為Y=139.98X+1.27，Y=15.44X+9.91，相關系數(shù)（r2）分別為1.000，0.999 3。硒、鍺的線性范圍分別為0～20，0～100 μg／L。平行進行7 次空白試驗，按照土壤稱樣量為0.25 g，定容體積為25 mL，計算硒、鍺測定結果的標準偏差s分別為0.003，0.006 mg／kg，按MDL=stn–1，0.99計 算 方 法 檢 出 限，當n=7 時，t值取3.143［31］，得硒、鍺的檢出限分別為0.010，0.020 mg／kg。

2.4 標準樣品測定結果

按照1.4 的樣品前處理方法對編號分別為GBW 07405，GBW 07408，GBW 07429，GBW 07449，GBW 07453，GBW 07457 的土壤國家標準物質進行消解，然后雙通道同時測定硒、鍺的含量，平行測定6 次，與標準物質硒、鍺含量標示值進行比較，計算相對誤差，并與單道測定結果進行比較，結果見表2。

表2 準確度與精密度試驗結果

由表2 可知，不同含量的標準物質硒、鍺測定結果均在標準物質標準值范圍內，相對誤差分別為–5.38%～5.01%，–4.83%～2.43%，與單通道測定結果相對誤差分別為–2.45%～3.71%，–1.78%～3.09%。雙通道同時測定結果的相對標準偏差分別為0.19%～3.68%，0.64%～2.70%(n=6)。依據(jù)土壤環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范，該方法同時測定土壤中硒和鍺時，準確度和精密度均能滿足質量控制要求［32］。

3 結語

針對大批量土壤樣品中硒和鍺的測定需求，選定硫酸–硝酸–氫氟酸–高氯酸組成的消解體系，建立了雙通道原子熒光光譜法同時測定硒和鍺含量的方法。該方法檢出限低，靈敏度高，精密度好，準確度高，成本低，消除了鍺和硒需要分體系消解、一次只能單通道測定一種元素的弊端，具有良好的應用前景。