司敬沛 劉以笏 劉海濤

(北京海光儀器有限公司 北京101312)

汞是自然存在的特殊的重金屬元素，有劇毒，在自然界中，汞多以化合物的形態(tài)存在，對(duì)人類(lèi)和環(huán)境帶來(lái)的危害愈來(lái)愈引起普遍的關(guān)注。研究結(jié)果表明土壤中汞含量在一定范圍內(nèi)和水稻中汞含量呈正相關(guān)的關(guān)系[1]。大米中重金屬的污染情況及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)有了很多報(bào)道，關(guān)于稻米中重金屬對(duì)健康的危害進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[2]，認(rèn)為當(dāng)前大米中重金屬的污染比較嚴(yán)重，應(yīng)該重視起來(lái)。2017 年8月，作為唯一一個(gè)全球范圍內(nèi)的管控條約《關(guān)于汞的水俁公約》，對(duì)我國(guó)正式履約生效，對(duì)汞提出全面管控要求。 USEPA(美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局)也早于1997年就制定了無(wú)機(jī)汞日安全攝入量不超過(guò)0.30 μg/(kg·d)[3]，我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限制了食品、飼料、種植土壤中的汞限量，食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定谷物中總汞的限量為不超過(guò)0.02 mg/kg[4]；稻米的谷殼、葉、莖、根等植株可以作為飼料原料利用，而我國(guó)飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定飼料原料中汞的限量不超過(guò)0.1 mg/kg[5]；土壤中汞含量按土壤的酸堿程度劃分，最大不超過(guò)1.0 mg/kg[6]。趙靜等[7]、趙琳琳等[8]分析了大米的汞污染情況，對(duì)大米的安全控制作了闡述。

作為我國(guó)的汞工業(yè)礦區(qū)基地之一的貴州省銅仁礦區(qū)，因長(zhǎng)期大規(guī)模開(kāi)采和冶煉汞，導(dǎo)致大量廢石和冶煉礦渣的堆積，形成汞礦閉坑廢棄地，是重要的汞釋放源之一。種植在汞礦污染區(qū)的農(nóng)作物遭受?chē)?yán)重的汞污染，對(duì)礦區(qū)居民的健康造成了潛在威脅。并且汞污染的土壤對(duì)水稻有抑制作用，抑制作用隨汞的濃度增大而增大，降低稻米產(chǎn)量[9]。

傳統(tǒng)的測(cè)汞方法在樣品處理過(guò)程中容易引起汞損失及產(chǎn)生記憶效應(yīng)，使結(jié)果不穩(wěn)定。而且，傳統(tǒng)的測(cè)汞設(shè)備測(cè)汞線性范圍窄，遇到高汞含量的樣品，需要稀釋甚至多次稀釋?zhuān)滓胝`差。而直接測(cè)汞儀采用的是直接進(jìn)樣-熱解析-冷原子吸收光譜法的原理，免樣品消解，無(wú)汞損失，高溫加熱催化管、管路中氧氣流的一直吹掃，大大降低了記憶效應(yīng)。而且，直接測(cè)汞儀設(shè)計(jì)有長(zhǎng)、短不同的兩個(gè)吸收池，可以設(shè)置低、高濃度范圍的兩條標(biāo)準(zhǔn)曲線，低、高汞含量的樣品可以選擇適合的曲線校正。特別是同批次測(cè)量汞含量差別大的樣品時(shí)，既避免了前處理時(shí)的交叉污染，上機(jī)時(shí)汞的記憶效應(yīng)大大降低，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

目前，有關(guān)稻米中汞的暴露風(fēng)險(xiǎn)、汞的檢測(cè)研究較多，但對(duì)相關(guān)的水稻植株不同器官及其環(huán)境土壤系列樣品中汞的檢測(cè)研究不多，特別是汞污染礦區(qū)的樣品，傳統(tǒng)的測(cè)汞方式需根據(jù)不同類(lèi)的樣品選擇不同的前處理方法，繁瑣且周期長(zhǎng)。要了解汞在稻米植株中的遷移規(guī)律，采取措施控制汞的遷移，修復(fù)治理汞污染種植土壤，直接、快速、準(zhǔn)確獲得稻米及其生長(zhǎng)植株、土壤中的汞含量，將會(huì)大大縮短實(shí)驗(yàn)周期，提升實(shí)驗(yàn)效率。而直接測(cè)汞儀免化學(xué)消解直接測(cè)量，降低了樣品前處理帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，能更方便、快速獲得測(cè)量數(shù)據(jù)，更直觀地比較結(jié)果，為土壤修復(fù)研究提供快捷、可靠的數(shù)據(jù)支持。

直接測(cè)汞儀因其免消解直接測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到檢測(cè)行業(yè)的歡迎[10-11]。要想快速獲取稻米的籽粒、植株及生長(zhǎng)環(huán)境土壤等一系列關(guān)聯(lián)樣品中的汞含量，特別是對(duì)于研究汞污染區(qū)的一系列相關(guān)樣品中汞含量，直接測(cè)汞儀是最佳選擇，為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、土壤修復(fù)等研究提供快速、直觀、準(zhǔn)確的系列數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

HGA-100直接進(jìn)樣測(cè)汞儀(北京海光儀器有限公司)，萬(wàn)分之一電子天平(SQP，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)，移液槍(100～1 000 μL、10～100 μL，德國(guó)Brand公司)，超純水機(jī)(20 N系列，北京歷元電子儀器有限公司)，馬弗爐(盈安美誠(chéng)儀器公司)，干燥箱(BG2-246，上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)，粉碎機(jī)(FW 100，天津市泰斯特儀器有限公司)，陶瓷研缽(韋斯實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)。

質(zhì)控樣品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：柑橘葉(GBW 10020)、芹菜(GBW 10048)、湖南大米(GBW 10045)、土壤(GSS-7)、水系沉積物(GSD-9)均購(gòu)自地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

汞標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(1 00 μg/mL，中國(guó)計(jì)量院)，硝酸(優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，重鉻酸鉀(化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)，載氣(高純氧，99.99%)，實(shí)驗(yàn)用水(超純水)。

實(shí)驗(yàn)樣品：稻米成熟季節(jié)貴州銅仁市某廢棄汞礦區(qū)稻米產(chǎn)地采集的水稻(整株帶谷殼、葉、莖、根)、根際土、非根土。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品的制備

樣品采集后，放實(shí)驗(yàn)室晾臺(tái)晾曬、風(fēng)干后，把植株的帶殼稻米捋下，摘取稻葉、剪下莖、根。用研缽把帶殼稻米研磨至谷、殼分離，分別收集米、殼。稱(chēng)取各類(lèi)樣品100 g，米粒(糙米)、殼分別用粉碎機(jī)粉碎，過(guò)380 μm孔徑尼龍篩；葉、莖、根分類(lèi)后剪成小段，粉碎機(jī)粉碎，過(guò)380 μm篩。土壤樣品混勻后用木棒輾軋，過(guò)2 mm尼龍篩，再過(guò)140 μm篩。注意：粉碎樣品順序?yàn)槊琢?、谷殼、莖、葉和根等汞含量相對(duì)較低的樣品，再粉碎土壤，每類(lèi)樣品粉碎完后研缽要清理干凈，避免交叉污染。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的制作

用移液槍分別吸取10、20、50 μL汞使用液100 μg/L和10、15 μg/L汞標(biāo)準(zhǔn)工作溶液1 000 μg/L，配制成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)1.0、2.0、5.0、10、15 ng的長(zhǎng)池低濃度系列標(biāo)準(zhǔn)工作曲線；吸取15、50 μL汞標(biāo)準(zhǔn)工作液(1 000 μg/L)和50、75、100 μL汞標(biāo)準(zhǔn)使用液(2 000 μg/L)，配制成標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)為15、50、100、150、200 μg/L的短池高濃度系列標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。以各系列標(biāo)準(zhǔn)溶液中汞的絕對(duì)含量(ng)為橫坐標(biāo)，以其產(chǎn)生的吸光度(Abs)為縱坐標(biāo)，分別繪制長(zhǎng)池和短池汞的標(biāo)準(zhǔn)曲線，拓展線性范圍，兼顧樣品濃度大小都能準(zhǔn)確測(cè)量。

1.2.3 儀器工作條件

調(diào)節(jié)氧氣瓶出口減壓閥至出口壓力為0.5 MPa，依次打開(kāi)HAG-100測(cè)汞儀主機(jī)電源、電腦開(kāi)關(guān)，雙擊軟件工作站聯(lián)接儀器，等待溫控模塊溫度升到設(shè)定值，設(shè)置載氣流量200 mL/min。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需進(jìn)空樣品舟測(cè)量空白，以驗(yàn)證樣品舟是否干凈，同時(shí)除去樣品舟及管路殘留，連續(xù)測(cè)量直至所測(cè)空舟吸光度小于0.003，可進(jìn)行樣品測(cè)試。具體溫控工作條件參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 HGA-100直接測(cè)汞儀儀器工作條件

1.3 測(cè)定方法

為了防止污染，減小汞的記憶效應(yīng)，樣品按大致判斷汞含量先低后高的順序測(cè)量。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.15 g樣品于樣品舟中(可根據(jù)汞濃度含量高低調(diào)整稱(chēng)樣量，可變范圍在20～200 mg)，本實(shí)驗(yàn)測(cè)量順序按稻米、谷殼、莖、葉、根、非根際土、根際土的順序上機(jī)測(cè)定。按設(shè)定好的儀器條件開(kāi)始檢測(cè)，獲得相應(yīng)的吸光度值，從標(biāo)準(zhǔn)曲線讀取對(duì)應(yīng)的汞絕對(duì)含量，再根據(jù)樣品稱(chēng)樣量算出樣品中汞的相對(duì)含量(儀器直接輸出最終結(jié)果)。

選取國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)湖南大米(GBW 10045)、芹菜(GBW 10048)、柑橘葉(GBW 10020)、土壤(GSS-7)為質(zhì)控樣品，測(cè)定汞含量，結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)值比較驗(yàn)證儀器的準(zhǔn)確性。稱(chēng)樣量范圍為50～200 mg，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)定三次，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均測(cè)定值。

選取三種不同類(lèi)別的樣品大米、茶葉、土壤分別做加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，計(jì)算加標(biāo)回收率，驗(yàn)證儀器的穩(wěn)定性。每種樣品稱(chēng)取100 mg，分別添加2、5、10 ng標(biāo)準(zhǔn)溶液，測(cè)定加標(biāo)后的含量，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)三次，計(jì)算平均值、精密度(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD)和回收率。

2 結(jié)果與討論

2.1 儀器裂解溫度的確定

對(duì)于干粉類(lèi)樣品，在保證樣品完全裂解的前提下，為了節(jié)省時(shí)間及節(jié)約電能，可以適當(dāng)縮短干燥時(shí)間。裂解溫度過(guò)低保持時(shí)間不夠，樣品中的汞不能完全被蒸發(fā)出來(lái)；裂解溫度過(guò)高保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)縮短爐絲壽命且浪費(fèi)電能。本實(shí)驗(yàn)先保持裂解時(shí)間40 s，裂解溫度從500 ℃增加到750 ℃，每次增加50 ℃，分別連續(xù)測(cè)定三次稻米樣品。實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度的升高，測(cè)定結(jié)束后退出來(lái)的樣品舟中殘留的灰燼中黑色碳化物漸少，灰白色灰燼漸多，且目視質(zhì)輕，儀器信號(hào)也趨于穩(wěn)定。溫度保持時(shí)間過(guò)短影響裂解效率，過(guò)長(zhǎng)影響測(cè)樣效率，綜合考慮，選擇裂解溫度650 ℃保持40 s為最佳裂解條件。

2.2 外標(biāo)曲線標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇

外標(biāo)法制作標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇可以選擇液體和固體，固體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稱(chēng)重根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值中位值計(jì)算不同稱(chēng)樣量上機(jī)，制作不同汞絕對(duì)含量的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSS-7)；液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液按高濃度逐級(jí)稀釋后取不同的體積上機(jī)，儀器根據(jù)信號(hào)值換算汞濃度。標(biāo)準(zhǔn)曲線制作好以后，測(cè)定湖南大米(GBW 10045)、柑橘葉(GBW 10020)、土壤(GSS-7)三種質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)品。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論采用固體還是液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作外標(biāo)曲線，測(cè)定結(jié)果沒(méi)有明顯差異，說(shuō)明無(wú)論固體還是液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，對(duì)固體進(jìn)樣的樣品檢測(cè)結(jié)果無(wú)明顯影響。方便起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)選擇液體標(biāo)準(zhǔn)溶液制作外標(biāo)曲線。

2.3 儀器釋放溫度的選擇

樣品被高溫分解后，汞被富集在齊化管上形成金汞齊，加熱齊化管釋放汞蒸氣，最終被檢測(cè)器檢測(cè)輸出信號(hào)。如果齊化管的釋放溫度過(guò)低，金汞齊中的汞不能完全被釋放，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低或不穩(wěn)定；釋放溫度過(guò)高會(huì)縮短釋放爐絲的壽命，觀察爐絲亮度和檢測(cè)樣品結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，選擇釋放溫度為900 ℃最佳(釋放時(shí)間系統(tǒng)默認(rèn))。

2.4 方法檢出限的確定

標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)完后，清理干凈樣品舟至空舟吸光值在0.003以下，連續(xù)11次測(cè)定空樣品舟，記錄吸光度值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，查自由度為10、置信度為99%時(shí)的t分布(單側(cè))值與標(biāo)準(zhǔn)偏差相乘的積，計(jì)算得出本儀器的方法檢出限為0.005 ng，按稱(chēng)量0.15 g樣品來(lái)算，方法檢出限為0.033 μg/kg，定量下限一般為方法檢出限的4倍，為0.13 μg/kg。

2.5 稻米、各部分植株及土壤中的汞測(cè)定

按照實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定稻米、各部分植株及生長(zhǎng)土壤中的汞含量，按照米、殼、莖、葉、根、根際土及非根土的順序，依次測(cè)定。根據(jù)預(yù)測(cè)樣品不同含量，米、殼、莖的取樣量為50～100 mg，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)3次，計(jì)算平均值及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(表2)。

表2 稻米及其植株、土壤中汞含量

由表2可以看出，實(shí)驗(yàn)用樣品大米中汞的含量遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的污染物汞限量指標(biāo)；谷殼、莖、葉和根用來(lái)作飼料原料，汞含量遠(yuǎn)超我國(guó)飼料衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的汞限量；根際土和非根土中汞的含量遠(yuǎn)超過(guò)我國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)。從大米及其生長(zhǎng)植株、生長(zhǎng)土壤中汞濃度高低可看出，含汞濃度順序?yàn)椋焊H土>非根土>葉>根>莖>殼>米，葉中汞含量高于根部，符合謝國(guó)雄等[12]的研究結(jié)論，因大氣沉降嚴(yán)重導(dǎo)致的。此水稻種植地受汞污染程度嚴(yán)重，且受大氣沉降導(dǎo)致的汞污染影響明顯。

2.6 質(zhì)控樣品的測(cè)定

選擇與待測(cè)樣品同類(lèi)別的四種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 10045湖南大米、GBW 10048芹菜、GBW 10020柑橘葉和GBW 07407土壤為質(zhì)控樣品測(cè)定其汞含量，每個(gè)樣品連續(xù)測(cè)定3次，計(jì)算平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)汞測(cè)定值

從表3可以看出，選取的四種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作質(zhì)控樣品，測(cè)定值都在標(biāo)準(zhǔn)證書(shū)值范圍內(nèi)，且接近中位值，3次測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值比較小，說(shuō)明直接測(cè)汞儀儀器有較好的準(zhǔn)確性和重現(xiàn)性。

2.7 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

按照實(shí)驗(yàn)方法，選擇大米、茶葉、土壤3種與待測(cè)樣品同類(lèi)別的樣品，按照汞含量范圍包括低、中、高濃度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，計(jì)算測(cè)定值、精密度及平均加標(biāo)回收率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，對(duì)3類(lèi)樣品的加標(biāo)測(cè)定實(shí)驗(yàn)，3次測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較低，重復(fù)性較好，3種樣品的加標(biāo)回收率在90.7%～108%，說(shuō)明儀器在測(cè)定這類(lèi)樣品時(shí)有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

表4 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

運(yùn)用直接測(cè)汞儀對(duì)汞污染區(qū)的稻米米粒、谷殼、莖、葉、根及根際土和非根土系列樣品的免消解快速直接測(cè)定。建立了直接測(cè)汞儀快速測(cè)定稻米及其生長(zhǎng)植株和生長(zhǎng)環(huán)境土壤中汞含量的方法。確定方法檢出限為0.033 μg/kg，驗(yàn)證了該方法測(cè)汞的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。該儀器樣品免化學(xué)消解，避免了消解帶來(lái)的誤差，省去了試劑消耗和人力，節(jié)能減排，為汞濃度跨度大，對(duì)汞的檢測(cè)提供方便。