陳 燦 劉慧娟 曹 俊 葉 脈

(廣東省環(huán)境科學(xué)研究院，廣東 廣州 510045)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各項(xiàng)工農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致重金屬不可避免地進(jìn)入土壤和水體，并通過食物鏈危及人類健康。由于土壤重金屬具有隱蔽性、易遷移、殘留周期長且易進(jìn)入食物鏈等特點(diǎn)，重金屬污染已成為中國當(dāng)前最突出的土壤環(huán)境問題[1-3]。土壤重金屬的準(zhǔn)確、高效檢測，對全面了解土壤污染狀況并針對性提出修復(fù)措施具有指導(dǎo)意義。為加強(qiáng)土壤環(huán)境監(jiān)管，保障土壤生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境安全，2018年生態(tài)環(huán)境部頒布《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)(試行)》(GB 15618—2018)和《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(GB 36600—2018)，涉及金屬元素As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Hg、Ni、Pb、Sb、V、Zn等，標(biāo)準(zhǔn)中引用的重金屬檢測方法均為光譜法，包括原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法、X射線熒光光譜法。

電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)具有檢出限低、干擾少、靈敏度高且多元素可同時(shí)測定等優(yōu)點(diǎn)，在光譜法中備受肯定。目前已發(fā)布的ICP-MS土壤檢測標(biāo)準(zhǔn)只有《土壤和沉積物 12種金屬元素的測定 王水提取-電感耦合等離子體質(zhì)譜法》(HJ 803—2016)，但該標(biāo)準(zhǔn)未涵蓋土壤環(huán)境質(zhì)量全部評價(jià)指標(biāo)，且由于王水無法破壞土壤晶格結(jié)構(gòu)，該方法測定結(jié)果比國內(nèi)廣泛使用的全量消解法低[4]，不能滿足我國對于土壤環(huán)境調(diào)查和監(jiān)測的需要。傳統(tǒng)的土壤前處理方法主要是濕法消解和干法灰化，新方法主要為微波消解和石墨消解。許海等[5]比較了微波消解、電熱板消解、干法灰化3種方法處理土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品的效果，結(jié)果表明微波消解具有高效、準(zhǔn)確、污染少等優(yōu)點(diǎn)。

目前尚未建立測定土壤和沉積物中常見重金屬元素總量的ICP-MS標(biāo)準(zhǔn)方法，因此對該方法進(jìn)行測量不確定度的評定非常必要。綜合考慮方法可行性以及土壤中重金屬元素含量水平，以涵蓋7大地理區(qū)域的3個(gè)土壤標(biāo)準(zhǔn)品(GSS-5、GSS-23、GSS-34)和4個(gè)沉積物標(biāo)準(zhǔn)品(GSD-12、GSD-18、GSD-25、GSD-27)為消解受體，通過響應(yīng)面法(RSM)對微波消解+ICP-MS測定土壤和沉積物中As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Sb、V、Zn的酸消解體系進(jìn)行優(yōu)化，然后以As為例，依據(jù)《測量不確定度評定與表示》(JJF 1059.1—2012)，對最佳條件下測定結(jié)果的不確定度進(jìn)行科學(xué)評估，為相關(guān)科研和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制(修)訂提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設(shè)備

ICAP RQ型ICP-MS分析儀(美國賽默飛)、TOPEX+智能型微波消解儀、Milli-Q超純水機(jī)(美國密理博)。

1.2 試 劑

土壤標(biāo)準(zhǔn)品(定認(rèn)機(jī)構(gòu)為中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘察設(shè)計(jì)院)；多元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液(美國AccuStandard)，證書標(biāo)注質(zhì)量濃度為100 μg/mL，擴(kuò)展不確定度為2.4 μg/mL；內(nèi)標(biāo)溶液(美國O2si)；調(diào)諧液(美國賽默飛)；HNO3、HCl、HF、HClO4均為優(yōu)級純；實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率18.1 MΩ·cm)。

1.3 樣品前處理

稱取樣品置于微波消解罐中，采用HCl-HNO3-HF酸消解體系和3階段微波消解法消解樣品，待冷卻至室溫后，將消解罐放入趕酸裝置加入HClO4加熱趕酸，待酸趕盡后轉(zhuǎn)移至50.00 mL容量瓶(A級)中，定容、待測。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品做6次室內(nèi)平行。消解程序參照《土壤和沉積物 金屬元素總量的消解 微波消解法》(HJ 832—2017)。

1.4 樣品檢測

利用ICP-MS進(jìn)行土壤樣品檢測，ICP-MS分析儀測定條件見表1。

表1 ICP-MS分析儀測定條件

1.5 分析方法

采用中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對微波消解+ICP-MS測定土壤中As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Sb、V、Zn的酸消解體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。分別以HCl、HNO3、HF、HClO4體積為自變量A、B、C、D，參照當(dāng)前常用的幾種土壤和沉積物中重金屬測定方法以及傳統(tǒng)四酸消解體系酸用量[6]，確定4種消解酸的實(shí)驗(yàn)范圍，其中HCl為1～3 mL，HNO3為6～10 mL，HF為1～3 mL，HClO4為0～2 mL；以檢測結(jié)果準(zhǔn)確度作為響應(yīng)值，取標(biāo)準(zhǔn)品測定結(jié)果在參考值范圍內(nèi)的元素個(gè)數(shù)作為因變量Y，設(shè)計(jì)4因素3水平的響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，后通過Design Expert 12軟件分析并確定最佳酸體系。

2 結(jié)果與討論

2.1 模型和顯著性分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果見表2，利用Design Expert 12對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到方程模型見式(1)。

表2 實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果

Y=353+50.92A-10.00B-5.42C+24.00D+15.50AB-14.25AC-1.50AD+14.50BC-4.00BD-7.50CD+6.33A2-4.29B2-9.42C2-12.04D2

(1)

對模型進(jìn)行方差分析可得模型回歸項(xiàng)的F值為4.42，P<0.005，說明該模型顯著，能較好地?cái)M合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；模型失擬項(xiàng)的F值為4.02，P>0.050，結(jié)果不顯著，表明該模型可用于預(yù)測。模型的決定系數(shù)(R2)為0.815 4，表明模型中各獨(dú)立項(xiàng)之間的相關(guān)性較好，模型可代替真實(shí)值對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析；變異系數(shù)(CV)為7.77%，小于10%，表示實(shí)驗(yàn)有良好的穩(wěn)定性[7-8]。

2.2 交互作用分析

響應(yīng)曲面及其等高線圖可直觀反映各因素之間的交互作用，曲面坡度反映因素對響應(yīng)值的影響，坡面越陡說明該因素影響越大；等高線形狀反映各因素之間交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，接近橢圓形表明兩因素間交互作用顯著，且橢圓越密表明交互作用越顯著[9-10]。考慮到常規(guī)酸消解體系中HNO3用量最大，選取與HNO3體積有交互作用的影響因素，通過對表2數(shù)據(jù)擬合得到響應(yīng)曲面及其等高線如圖1所示。

圖1(a)反映了HCl體積與HNO3體積的交互影響，可以看出HCl體積的曲面坡度較陡，表明HCl體積對準(zhǔn)確度影響顯著；HNO3體積的曲面坡度相對平緩，表明HNO3體積對準(zhǔn)確度影響比HCl體積小。當(dāng)HCl體積在1～2 mL時(shí)，準(zhǔn)確度隨HNO3體積增大而降低，HCl體積在2～3 mL時(shí)，準(zhǔn)確度隨HNO3體積增大而提高；HNO3體積一定時(shí)，準(zhǔn)確度隨HCl體積增大而提高。響應(yīng)曲面等高線形狀接近圓形，且統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示P>0.05，表明A、B間交互作用不顯著[11]。

圖1(b)反映了HNO3體積和HF體積的交互影響，從等高線圖的橢圓性質(zhì)可以看出，HNO3體積和HF體積存在顯著的交互作用。當(dāng)HNO3體積較小時(shí)，準(zhǔn)確度隨HF體積增大而降低，當(dāng)HNO3體積較大時(shí)，準(zhǔn)確度隨HF體積增大而提高；當(dāng)HF體積較小時(shí)，準(zhǔn)確度隨HNO3體積增大而降低，當(dāng)HF體積較大時(shí)，準(zhǔn)確度隨HNO3體積增大而提高。

圖1(c)反映了HNO3體積和HClO4體積的交互影響，等高線圖接近圓形且統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示P>0.05，表明HNO3體積和HClO4體積交互作用不顯著。當(dāng)HNO3體積一定時(shí)，準(zhǔn)確度隨HClO4體積增大而提高；當(dāng)HClO4體積一定時(shí)，準(zhǔn)確度隨HNO3體積增大而降低。

圖1 消解體系交互作用響應(yīng)曲面及等高線

2.3 模型驗(yàn)證

Design Expert 12軟件推薦的最優(yōu)方案為：HCl體積3 mL、HNO3體積6 mL、HF體積1 mL、HClO4體積2 mL。在該條件下以土壤標(biāo)準(zhǔn)品GSS-5、GSS-23、GSS-34和沉積物標(biāo)準(zhǔn)品GSD-12、GSD-18、GSD-25、GSD-27為消解受體，進(jìn)行了6次重復(fù)測定，As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Sb、V、Zn的精密度和準(zhǔn)確度匯總表見表3。對于質(zhì)量濃度在0.1～1.0、>1.0～10.0、>10.0～100.0、>100.0 mg/kg的元素，對應(yīng)測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.3%～9.6%、0.9%～12.5%、1.2%～8.5%、0.3%～3.4%，滿足《土壤環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)對精密度的相關(guān)規(guī)定；對于質(zhì)量濃度在<1.0、1.0～10.0、>10.0 mg/kg的元素，測定結(jié)果相對誤差分別為-13.3%～18.3%、-5.3%～10.0%、-4.0%～8.3%，滿足《化學(xué)分析方法驗(yàn)證確認(rèn)和內(nèi)部質(zhì)量控制要求》(GB/T 32465—2015)定量方法準(zhǔn)確度相關(guān)規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)品元素測定結(jié)果在參考值范圍內(nèi)的總個(gè)數(shù)為440，總個(gè)數(shù)與模型預(yù)測值447的相對誤差為-1.6%，模型擬合性較好。

表3 測定元素準(zhǔn)確度和精密度

2.4 不確定度評估

2.4.1 不確定度來源識別

不確定度評定的方法主要分為兩類，對一系列測定值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法為A類評定；根據(jù)有關(guān)信息或經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的先驗(yàn)概率分布得到標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)值的方法為B類評定[12]。稱取某實(shí)際土壤樣品0.200 0 g，按最優(yōu)方案進(jìn)行微波消解后定容到50 mL，并利用ICP-MS測定其金屬含量。以As為例，對影響測定結(jié)果的不確定度來源進(jìn)行識別，主要來源于稱樣、消解、定容、標(biāo)準(zhǔn)溶液配置、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合和樣品重復(fù)測定。

2.4.2 A類評定

(1) 消解引入的相對不確定度urel(D)

受消解條件、樣品基質(zhì)、試劑性質(zhì)以及元素性質(zhì)等因素影響，樣品中待測元素不可能完全進(jìn)入消解液，參照J(rèn)JF 1059.1—2012，以加標(biāo)回收率上界、下界來計(jì)算消解過程引入的不確定度[13]。樣品加標(biāo)回收6次平行測定結(jié)果分別為96.3%、98.7%、103.0%、104.0%、94.7%、91.3%，回收率平均值(D)為98.0%，根據(jù)式(2)可計(jì)算得到消解引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為3.67%，則消解引入的相對不確定度urel(D)為0.037。

(2)

式中：u(D)為消解引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，%；d+為回收率上界與100%的差值，%；d-為100%與回收率下界的差值，%。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對不確定度urel(C)

配置質(zhì)量濃度分別為0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，標(biāo)準(zhǔn)曲線各點(diǎn)均重復(fù)測定兩次，擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線方程斜率為636.057，截距為16.651，消解液樣品重復(fù)測定6次得到As質(zhì)量濃度平均值為76.4 μg/L?；谏鲜鰷y試參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中方法，可計(jì)算得到由標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對不確定度為urel(C)=0.011。

(3) 樣品重復(fù)測定引入的相對不確定度urel(n)

土壤樣品6次重復(fù)測定得到As質(zhì)量濃度平均值為19.1 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.186。依據(jù)JJF 1059.1—2012中A類評定的方法，則樣品重復(fù)測定引入的相對不確定度urel(n)=0.004。

2.4.3 B類評定

(1) 稱樣引入的相對不確定度urel(m)

(2) 定容引入的相對不確定度urel(V)

將上述3個(gè)分量合成得到定容引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(V)為0.036 mL，故定容引入的相對不確定度為urel(V)為0.000 72。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的相對不確定度urel(f)

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制步驟為：用1 mL單標(biāo)移液管(A級)移取質(zhì)量濃度為100.0 μg/mL標(biāo)準(zhǔn)儲備液1.00 mL至100 mL容量瓶(A級)中，用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HNO3定容至標(biāo)線，得到1.0 mg/L的多元素標(biāo)準(zhǔn)使用液。用10 mL有刻度移液管(A級)準(zhǔn)確移取不同體積的使用液至100 mL容量瓶(A級)中，配成質(zhì)量濃度為1.0、5.0、10.0、20.0、50.0、100.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配置引入的不確定度包括4個(gè)分量，分別為標(biāo)準(zhǔn)儲備液引入的不確定度和1 mL單標(biāo)移液管(A 級)、10 mL分刻度移液管(A 級)、100 mL容量瓶(A 級)引入的不確定度。3種玻璃量器引入的不確定度參照50 mL 容量瓶(A 級)引入的相對不確定度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果匯總見表4。檢測所用100.0 μg/mL多元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液證書標(biāo)注擴(kuò)展不確定度為2.4 μg/mL，依據(jù)JJF 1059.1—2012，按正態(tài)分布k取2，則標(biāo)準(zhǔn)儲備液引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.2 μg/mL，相對不確定度為0.012。將以上4個(gè)分量合成，得到標(biāo)準(zhǔn)溶液配置引入的相對不確定度urel(f)為0.013。

表4 標(biāo)準(zhǔn)溶液配置玻璃量器引入的不確定度

2.4.4 合成不確定度urel(X)

根據(jù)式(3)計(jì)算由消解、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合、樣品重復(fù)測定、稱樣、定容及標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的合成不確定度，可得urel(X)為0.041。

(3)

參考JJF 1059.1—2012中的方法，按照置信水平為95%計(jì)算，得到其擴(kuò)展不確定度為1.6 mg/kg，即微波消解+ICP-MS測定土壤和沉積物中As質(zhì)量濃度為(19.1±1.6) mg/kg。

3 結(jié) 論

(1) 利用響應(yīng)面法優(yōu)化得到微波消解+ICP-MS同時(shí)測定土壤和沉積物中多種金屬元素的最佳消解體系為：HCl體積3 mL、HNO3體積6 mL、HF體積1 mL、HClO4體積2 mL。該條件下，對標(biāo)準(zhǔn)品GSS-5、GSS-23、GSS-34、GSD-12、GSD-18、GSD-25、GSD-27分別進(jìn)行6次重復(fù)測定，As、Be、Cd、Cr、Co、Cu、Ni、Pb、Sb、V、Zn含量測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對誤差滿足HJ/T 166—2004和GB/T 32465—2015對檢測方法精密度和準(zhǔn)確度的要求。

(2) 影響微波消解+ICP-MS同時(shí)測定土壤和沉積物中多種金屬元素的不確定度分別來源于樣品消解、標(biāo)準(zhǔn)溶液配置、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合、樣品重復(fù)測定、定容、稱樣。

(3) 稱取某實(shí)際土壤樣品0.200 0 g，以As為例按最優(yōu)方案進(jìn)行含量測定，計(jì)算得到最終合成的擴(kuò)展不確定度為1.6 mg/kg。鑒于樣品消解、標(biāo)準(zhǔn)溶液配置和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度相對較大，因此在實(shí)驗(yàn)過程中要加強(qiáng)人員操作的規(guī)范性，同時(shí)反復(fù)摸索儀器最佳狀態(tài)，優(yōu)化消解過程，從而降低檢測過程的不確定度。