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        電熱板消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定農(nóng)用地土壤中鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛

        2022-03-22 09:15:30董龍騰劉才云張彩霞孫國卿
        化學(xué)分析計(jì)量 2022年3期
        關(guān)鍵詞:電熱板校正儀器

        董龍騰,劉才云,張彩霞,孫國卿

        (河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì),河北邢臺(tái) 054000)

        土壤中重金屬含量的檢測是評(píng)價(jià)土壤污染程度的重要指標(biāo)。一般來說,土壤中的重金屬超標(biāo)主要是因?yàn)楣I(yè)污染以及農(nóng)作物施肥不當(dāng)形成的重金屬殘留。這些重金屬元素很難通過生物降解的自然作用消除,并且會(huì)通過食物鏈富集于人體,危害人體健康[1-2]。研究表明[3-5],土壤中重金屬含量對(duì)其產(chǎn)地農(nóng)作物中重金屬含量有重大影響,且不同農(nóng)作物對(duì)不同種類重金屬的富集作用也不盡相同,因此測定土壤中多種重金屬元素具有重要意義。

        土壤中重金屬元素的檢測方法主要有電感耦合等離子體質(zhì)譜法[6-8]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[9-10]、石墨爐原子吸收分光光度法[11-12]、原子熒光分光光度法[13-15]等。在上述方法中,電感耦合等離子體質(zhì)譜法因具有檢出限低、準(zhǔn)確度高、可進(jìn)行多元素同時(shí)測定等優(yōu)勢應(yīng)用最為廣泛,但是由于土壤樣品基體復(fù)雜,在測定過程中往往存在較大的質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾,對(duì)測定結(jié)果會(huì)造成一定的影響。在樣品處理方式上,多元素同時(shí)測定大多采用微波消解法[16-18]、高壓密閉消解法[19]和電熱板消解法進(jìn)行樣品處理。控溫電熱板消解樣品相對(duì)于微波消解和高壓密閉消解不受消解罐穴位數(shù)量限制,消解通量大,操作更加靈活,有利于大批量樣品的處理,且儀器成本和使用成本更低;相對(duì)于傳統(tǒng)電熱板消解,可根據(jù)樣品種類和試劑合理調(diào)節(jié)樣品消解溫度,樣品受熱也更加均勻。控溫電熱板消解法在樣品處理中雖有應(yīng)用[20],但采用的是多次加酸的方式,操作較為復(fù)雜,且鹽酸的用量較大,在測定過程中存在較大干擾。筆者采用控溫電熱板消解樣品,應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀碰撞池模式,結(jié)合干擾校正方程等抗干擾手段,建立了同時(shí)測定土壤樣品中鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛6 種重金屬元素含量的方法,該方法干擾小、測定結(jié)果準(zhǔn)確。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器與試劑

        電感耦合等離子體質(zhì)譜儀:Themro iCAP Q 型,美國賽默飛世爾科技有限公司。

        控溫電熱板:EG37C 型,溫控精度為±2 ℃,北京萊伯泰科儀器股份有限公司。

        電子天平:CP224S 型,感量為0.1 mg,德國賽多利斯股份公司。

        土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):編號(hào)分別為GBW 07423(洪澤湖土壤沉積物)、GBW 07427(華北平原土壤)、GBW 07452(浙江省土壤沉積物)、GBW 07453(廣東省土壤沉積物),中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

        水中鉻標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E)083340a-2,北京壇墨質(zhì)檢科技有限公司。

        鎳單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E) 080128,中國計(jì)量科學(xué)研究院。

        銅單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E) 080122,中國計(jì)量科學(xué)研究院。

        鋅單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E) 080130,中國計(jì)量科學(xué)研究院。

        鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E) 080119,中國計(jì)量科學(xué)研究院。

        鉛單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):100 μg/mL,編號(hào)為GBW(E) 080129,中國計(jì)量科學(xué)研究院。

        銠單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液:1 000 μg/mL,編號(hào)為GSB04-1746-2004,國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

        土壤樣品:野外采集的土壤樣品除去雜質(zhì)后自然風(fēng)干,經(jīng)反復(fù)研磨、過篩,制成直徑不大于2 mm的粗樣品,然后經(jīng)反復(fù)混勻、縮分后,進(jìn)一步研磨、過篩,制成直徑不大于0.15 mm 的待測樣品,編號(hào)為ZZYP 01。

        鹽酸、硝酸、氫氟酸、高氯酸:均為優(yōu)級(jí)純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

        自動(dòng)調(diào)諧液:TUNE B iCAP Q(Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U 的質(zhì)量濃度均為1.0 μg/L),美國賽默飛世爾科技有限公司。

        氬氣:體積分?jǐn)?shù)為99.995%,邢臺(tái)市邢西氧氣站。

        氦氣:體積分?jǐn)?shù)為99.999%,石家莊市西三教實(shí)用氣體有限公司。

        實(shí)驗(yàn)用水:去離子水,電阻率大于18 MΩ·cm。

        1.2 儀器工作條件

        開機(jī)穩(wěn)定時(shí)間:30 min;等離子體功率:1 550 W;檢測器模擬電壓:-2 325 V;檢測器脈沖電壓:1 250 V;冷卻氣:氬氣,流量為14 L/min;輔助氣:氬氣,流量為0.8 L/min;霧化氣:氬氣,流量為1.1 L/min;采樣深度:5 mm;碰撞氣:氦氣,流量為4 mL/min。

        應(yīng)用自動(dòng)調(diào)諧溶液TUNE B iCAP Q 在STD模式下進(jìn)行調(diào)諧,控制調(diào)諧液Li、Co、In、U 的靈敏度計(jì)數(shù)分別大于50 000、100 000、200 000、300 000 cps;CeO/Ce 氧化物產(chǎn)率比值小于0.03;137Ba2+/137Ba+雙電荷產(chǎn)率比值小于0.03。應(yīng)用上述調(diào)諧設(shè)置,在KED 模式下進(jìn)行調(diào)諧,控制Co 靈敏度計(jì)數(shù)大于25 000 cps,59Co/35Cl16O 凈信號(hào)與干擾信號(hào)比值大于18。

        各元素的測定同位素分別為52Cr、60Ni、63Cu、66Zn、114Cd、208Pb。

        1.3 溶液配制

        鎘標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液:2 μg/mL,準(zhǔn)確移取10.0 mL鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),置于500 mL 容量瓶中,加入15 mL 硝酸,用去離子水定容至標(biāo)線,混勻。

        鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛混合標(biāo)準(zhǔn)溶液:準(zhǔn)確移取鎘標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液2.0 mL 及水中鉻標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、鎳、銅、鋅、鉛單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各10 mL,置于同一只200 mL 容量瓶中,加入6 mL 硝酸,用去離子水定容至標(biāo)線,混勻,配制成鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛的質(zhì)量濃度分別為5 000,5 000,5 000,5 000,20,5 000 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。

        鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液:依次準(zhǔn)確移取0,0.1,0.2,0.4,1.0,2.0,10.0 mL 鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,分別置于7 只100 mL 容量瓶中,各加入3 mL 硝酸,用去離子水定容至標(biāo)線,混勻,配制成系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中各元素的質(zhì)量濃度見表1。

        表1 系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中各元素的質(zhì)量濃度 μg/L

        1.4 樣品處理

        準(zhǔn)確稱取0.100 0 g 待測土壤樣品,置于50 mL聚四氟乙烯燒杯中,分別加入6 mL 氫氟酸、4 mL 濃硝酸和1 mL 高氯酸,置于130 ℃電熱板上預(yù)溶解1 h,然后將電熱板溫度升至260 ℃驅(qū)趕酸,至白煙冒盡,且內(nèi)容物呈黏稠狀。加入5 mL 王水溶液(1+1),加熱至溶液微沸、澄清,取下。冷卻至室溫后轉(zhuǎn)移至25 mL 比色管中,用去離子水定容至標(biāo)線,混勻,靜置6 h 以上,移取上清液0.50 mL 于比色管中,用3%硝酸溶液稀釋至5 mL,混勻,待測。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 樣品消解條件優(yōu)化

        選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07427 為待測樣品,分別考察兩種不同消解方式對(duì)測定結(jié)果的影響。方案一:先將樣品于130 ℃下預(yù)溶解1 h,然后升溫至260 ℃驅(qū)趕酸,至白煙冒盡,且內(nèi)容物呈黏稠狀。方案二:將樣品直接于260 ℃加熱溶解至白煙冒盡,且內(nèi)容物呈黏稠狀。消解完成后,在1.2 儀器工作條件下進(jìn)行測定,結(jié)果見表2。

        表2 不同處理?xiàng)l件時(shí)各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 mg/kg

        由表2 可知,方案一的測定值均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)示值不確定度范圍內(nèi);方案二的測定值大多偏離了標(biāo)示值不確定度范圍。方案一中設(shè)置溫度梯度,先將樣品于130 ℃預(yù)溶解1 h,然后升高溫度繼續(xù)溶解樣品及趕酸,延長了樣品消解時(shí)間,使試劑與樣品反應(yīng)完全,有助于樣品的完全溶解;而方案二中設(shè)置的初始溫度偏高,樣品與試劑反應(yīng)時(shí)間較短,不能將樣品溶解完全,導(dǎo)致測定結(jié)果偏低。

        按照方案一分別消解不同產(chǎn)地的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07452和GBW 07453,各元素測定結(jié)果見表3。由表3 可知,測定值均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)示值不確定度范圍內(nèi),表明該樣品處理方案能夠滿足華北平原土壤、浙江省土壤沉積物、廣東省土壤沉積物等不同種類土壤的消解要求,具有較好的通用性,因此樣品處理方法選擇方案一。

        表3 不同標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 mg/kg

        2.2 干擾的消除

        質(zhì)譜法存在的干擾主要包括質(zhì)譜型干擾和非質(zhì)譜型干擾。非質(zhì)譜型干擾可通過樣品稀釋、內(nèi)標(biāo)校正、標(biāo)準(zhǔn)加入等方法降低;質(zhì)譜型干擾可通過干擾校正方程、降低干擾原子的引入、碰撞池技術(shù)等方法降低。本方法主要采用樣品稀釋、內(nèi)標(biāo)校正、干擾校正方程以及碰撞池技術(shù)來降低測定過程中存在的干擾。

        樣品稱樣量為0.100 0 g,定容至25 mL 后若直接上機(jī)測定,由于存在基體干擾,其內(nèi)標(biāo)回收率波動(dòng)范圍較大。為了降低測定干擾,將待測溶液以3%的硝酸溶液稀釋至10 倍體積,降低了基體濃度,從而降低基體效應(yīng)帶來的干擾。

        內(nèi)標(biāo)校正是為了降低樣品基體及儀器信號(hào)漂移造成的干擾。根據(jù)土壤樣品中基體成分,選擇10 μg/L 的銠(Rh)元素作為內(nèi)標(biāo)校正液,應(yīng)用三通管將校正液在線加入到待測液中。內(nèi)標(biāo)元素的信號(hào)強(qiáng)度作為參比信號(hào)參與計(jì)算,并由儀器軟件Qtegra 對(duì)元素強(qiáng)度信號(hào)的抑制或增強(qiáng)作用進(jìn)行校正。

        由于114Cd 的豐度高于111Cd,故通常選擇114Cd作為分析同位素。測定過程中114Cd 會(huì)受到118Sn 的干擾,需要準(zhǔn)確測定樣品中118Sn 的強(qiáng)度,并應(yīng)用數(shù)學(xué)公式扣除其干擾得到114Cd 的實(shí)際強(qiáng)度。所用的干擾校正方程[21]如下:

        114Cd(校正)=114Cd(表觀)-0.026 837 3118Sn在樣品消解過程中,不可避免地引入一些其它元素,形成多原子干擾,例如本方法鹽酸的使用會(huì)導(dǎo)致形成ClO 多原子,主要會(huì)在質(zhì)量數(shù)51 和53 處形成較大干擾,影響53Cr 的測定,因此在選擇測定同位素時(shí)避開了53Cr 而選擇了52Cr,同時(shí)應(yīng)用碰撞池技術(shù)來消除ClO 多原子在52Cr 處形成的較低水平的干擾。

        2.3 線性方程與檢出限

        在1.2 儀器工作條件下,分別對(duì)1.3 中的鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定,設(shè)定橫坐標(biāo)(x)為待測元素的質(zhì)量濃度,縱坐標(biāo)(y)為待測元素信號(hào)強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素信號(hào)強(qiáng)度的比值,由儀器操作軟件Qtegra 自動(dòng)生成線性方程。

        在1.2 儀器工作條件下,重復(fù)12 次空白試驗(yàn),按照1.4 條件下的稱樣質(zhì)量及樣品溶液定容體積,將測定結(jié)果換算成樣品中的含量,計(jì)算各元素標(biāo)準(zhǔn)偏差,以3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差作為方法檢出限,以4 倍檢出限作為定量限。

        6 種元素的質(zhì)量濃度線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限見表4。

        表4 質(zhì)量濃度線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)、檢出限及定量限

        2.4 精密度試驗(yàn)

        選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07423、GBW 07452、自制樣品ZZYP 01 為待測樣品,按1.4 方法分別平行處理6 份樣品溶液,在1.2 儀器工作條件下進(jìn)行測定,結(jié)果見表5。由表5 可知,樣品測定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.64%~4.36%,表明該方法精密度良好。

        表5 精密度試驗(yàn)結(jié)果

        2.5 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

        選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07423、GBW 07452 為待測樣品,按1.4 方法進(jìn)行樣品處理,在1.2 儀器工作條件下進(jìn)行測定,驗(yàn)證方法準(zhǔn)確度,測定結(jié)果見表6。由表6 可知,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定值均在其標(biāo)示值不確定度范圍內(nèi),相對(duì)誤差為0.80%~9.60%,表明該方法準(zhǔn)確度較高。

        表6 準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果

        2.6 加標(biāo)回收試驗(yàn)

        采用固體加標(biāo)的方式進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn),向0.050 0 g 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07452 中加入等質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07453,以前者的含量為本底值,以后者的含量為加標(biāo)量。按1.4方法進(jìn)行樣品處理,在1.2儀器工作條件下進(jìn)行測定,結(jié)果見表7。由表7 可知,各元素加標(biāo)回收率為90.6%~109.5%,表明該方法回收率良好,能夠滿足分析要求。

        表7 加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果

        3 結(jié)語

        設(shè)置階梯溫度進(jìn)行控溫,以氫氟酸、硝酸、高氯酸為溶劑常壓敞口溶解樣品,建立了電感耦合等離子體質(zhì)譜法同時(shí)測定農(nóng)用地土壤中鉻、鎳、銅、鋅、鎘、鉛6 種重金屬元素的方法。該方法采用控溫電熱板消解樣品,用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀碰撞池測定模式,結(jié)合樣品稀釋、干擾校正方程、內(nèi)標(biāo)校正等手段,降低了測定過程中存在的干擾,準(zhǔn)確度和精密度高、干擾小,適用于土壤樣品中重金屬含量的測定。

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