吳小龍 陳琴放* 符式錦 周女琬 陳京成

(1.海南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，海口 570206；2.廣州譜臨晟科技有限公司，廣州 510000)

六價(jià)鉻是指以Cr6+形態(tài)存在的金屬鉻，通常以CrO42-、Cr2O72-兩種陰離子形式被吸附于土壤和沉積物中。在各種價(jià)態(tài)的鉻化合物中，六價(jià)鉻的毒性最大且土壤對(duì)其吸附能力較弱，遷移性強(qiáng)，導(dǎo)致其易對(duì)環(huán)境造成污染[1]。六價(jià)鉻主要來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，例如毛皮鞣制及制品加工、含鉻礦石的加工、金屬塑料電鍍、印染、印刷等行業(yè)排放的污水中均含有六價(jià)鉻化合物[2]。這些污水中的六價(jià)鉻流入地表水會(huì)污染水源，滲入地下則會(huì)污染土壤以及地下水，從而對(duì)環(huán)境和生物造成嚴(yán)重威脅[3-4]。此外，在我國(guó)，六價(jià)鉻已被規(guī)定為總量控制指標(biāo)之一，在國(guó)家發(fā)布的《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)[5]中明確規(guī)定了土壤中六價(jià)鉻的限值。因此，使用簡(jiǎn)便的方法對(duì)土壤和沉積物中六價(jià)鉻進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定具有重大意義。

目前，測(cè)定土壤和沉積物中的六價(jià)鉻需要先使用堿性提取液進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)打開土壤基體中的鈣硅結(jié)構(gòu)，提取出六價(jià)鉻，從而得到待測(cè)溶液，然后再用分光光度法(如二苯碳酰二肼分光光度法)[6]、離子色譜法[7]、原子吸收光譜法[8-10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[11]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[12]。此外，六價(jià)鉻的測(cè)定還可以使用相關(guān)的聯(lián)用技術(shù)如離子色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法[13]、液相色譜-電感耦合等離子體質(zhì)譜法[14]等方法進(jìn)行測(cè)定。這些方法中，分光光度法的準(zhǔn)確度受試樣色度影響大，導(dǎo)致應(yīng)用范圍??；電感耦合等離子體質(zhì)譜法和聯(lián)用技術(shù)儀器價(jià)格昂貴，運(yùn)行成本高。本文采用的柱后衍生離子色譜法相較于其他測(cè)定方法來(lái)說(shuō)，成本較低，儀器測(cè)定六價(jià)鉻不受試樣色度、鹽分、pH值及三價(jià)鉻影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

配有雙離子色譜泵和TLD檢測(cè)器的超痕量六價(jià)鉻分析儀(IC-UV/VIS)，保護(hù)柱((4.1 mm×50 mm)及Prin-Cen Cr(VI) Spec Fast Column(4.1 mm×50 mm)色譜柱(廣州譜臨晟科技有限公司)；超純水儀(臺(tái)灣艾科普有限公司)，pH 計(jì)(梅特勒-托利多儀器有限公司)，分析天平(上海天平儀器廠)，攪拌加熱裝置(常州普天儀器制造有限公司)，真空抽濾裝置(天津津騰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)，高速離心機(jī)(賽默飛科技有限公司)，超聲清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)。

MgCl、NH3·H2O、Na2CO3、NaOH、濃硫酸、二苯碳酰二肼、K2HPO4、KH2PO4均為分析純?cè)噭?，HNO3(優(yōu)級(jí)純)，CH3OH(色譜純，美國(guó)霍尼韋爾貿(mào)易有限公司)，K2Cr2O7基準(zhǔn)試劑(純度99.8%，使用前在105 ℃干燥箱中烘2 h后保存于干燥器內(nèi)，備用)。

聚碳酸酯濾膜(0.45 μm)，尼龍篩(0.15 mm，100目)，聚乙烯薄膜。

1.2 試劑配制

K2HPO4-KH2PO4緩沖溶液(pH=7)：稱取87.1 g K2HPO4和68.0 g KH2PO4溶于超純水中，稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻。

堿性提取溶液：稱取30 g Na2CO3與20 g NaOH溶于超純水中，稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻儲(chǔ)存于聚乙烯瓶中并密封待用。

衍生化試劑：先稱取0.80 g二苯碳酰二肼，溶解于100 mL甲醇中，再將28 mL濃硫酸緩緩加入500 mL超純水中，混勻后冷卻至室溫。然后將二苯碳酰二肼甲醇溶液轉(zhuǎn)至硫酸水溶液中，加超純水稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻后轉(zhuǎn)移至衍生試劑瓶，用氬氣(純度≥99.99%)或超聲脫氣5～10 min，再將該溶液于1～4 ℃下避光保存，5 d內(nèi)使用。

淋洗液：準(zhǔn)確移取4 mL HNO3和4 mL NH3·H2O，加入到900 mL超純水中，混勻并分析其pH值(若溶液的pH值不在7.5±0.5范圍內(nèi)，則使用氨水溶液或硝酸溶液調(diào)節(jié))，最后將其轉(zhuǎn)移至1 000 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度，充分混合(使用前超聲10 min)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集

按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)和《建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控和修復(fù)監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 25.2—2019)的相關(guān)要求進(jìn)行土壤樣品的采集和保存，按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 91—2002)、《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》(HJ 494—2009)及《水質(zhì)采樣方案設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(HJ 495—2009)的相關(guān)要求進(jìn)行水質(zhì)樣品的采集和保存，按照“海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第三部分：樣品采集、貯存與運(yùn)輸”(GB 17378.3—2007)的相關(guān)要求進(jìn)行沉積物樣品的采集和保存。樣品的采集與保存均未使用金屬制品儲(chǔ)存器；按照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 166—2004)，將采集的樣品在實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)干、破碎、過(guò)尼龍篩，保存。

1.3.2 樣品預(yù)處理

準(zhǔn)確稱取5.0 g(精確至0.000 1 g)經(jīng)制備的樣品置于250 mL燒杯中，加入50.0 mL堿性提取溶液，再加入400 mg氯化鎂和0.5 mL磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液，放入攪拌子，用聚乙烯薄膜封口，置于攪拌加熱裝置上，常溫下攪拌樣品5 min后，開啟加熱裝置，加熱攪拌，保持60 min。取下燒杯，冷卻至室溫。用濾膜抽濾，將濾液轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，用超純水定容至刻度線，搖勻，稀釋10倍待超痕量六價(jià)鉻分析儀檢測(cè)(空白試樣的制備除了不加樣品其余步驟與預(yù)處理步驟相同)。

1.3.3 水分的測(cè)定

按照“土壤干物質(zhì)和水分的測(cè)定重量法”(HJ 613—2011)測(cè)定經(jīng)制備的土壤樣品的干物質(zhì)含量，按照“海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范第五部分：沉積物分析”(GB 17378.5—2007)測(cè)定經(jīng)制備的沉積物樣品的干物質(zhì)含量。

1.3.4 超痕量六價(jià)鉻測(cè)定

超痕量六價(jià)鉻分析儀按照表1中的儀器參數(shù)設(shè)置測(cè)定條件，并以此作為繪制工作曲線以及實(shí)際樣品預(yù)處理后消解液的測(cè)定條件。

表1 超痕量六價(jià)鉻分析儀工作條件Table 1 Working conditions of the ultra-trace hexavalent chromium analyzer

1.3.5 工作曲線的繪制

準(zhǔn)確稱取一定量的K2Cr2O7基準(zhǔn)試劑，用少量超純水溶解后，轉(zhuǎn)移至容量瓶中，經(jīng)稀釋定容搖勻后，得到質(zhì)量濃度為10 mg/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液。分別吸取0、0.05、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、10.0 mL六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，置于250 mL燒杯中，按照樣品預(yù)處理的步驟制備溶液濃度為0、5.0、20.0、50.0、100、200、500、1 000 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。然后以空白試樣調(diào)儀器零點(diǎn)，按照儀器參數(shù)，由低濃度到高濃度依次進(jìn)樣測(cè)定，并以目標(biāo)化合物的質(zhì)量濃度(μg/L)為橫坐標(biāo)，以其對(duì)應(yīng)的峰面積或峰高為縱坐標(biāo)建立工作曲線。所繪制的工作曲線線性方程為：y=18398.1467x+7581.6100(r=1.0000)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿性提取液pH值的優(yōu)化

《土壤和沉積物 六價(jià)鉻的測(cè)定 堿溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到堿性提取液的pH值對(duì)六價(jià)鉻的提取效率有較大影響，進(jìn)而會(huì)影響到六價(jià)鉻測(cè)定的準(zhǔn)確度。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，通過(guò)使用土壤六價(jià)鉻質(zhì)控樣GBW(E)070255來(lái)考察提取液pH值的變化對(duì)測(cè)定六價(jià)鉻的實(shí)際影響，結(jié)果如圖1所示。當(dāng)提取液的pH值小于11.5時(shí)，六價(jià)鉻測(cè)定值隨著pH值的增大而接近土壤六價(jià)鉻質(zhì)控樣的標(biāo)準(zhǔn)值(68±7) mg/kg；當(dāng)提取液的pH值等于11.5時(shí)，六價(jià)鉻的測(cè)定值已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)值的可接受范圍內(nèi)；當(dāng)提取液的pH值大于11.5時(shí)，六價(jià)鉻的測(cè)定值受pH值變化的影響不大，趨于平穩(wěn)。因此，選定的提取液pH值為11.5。

圖1 提取液pH值優(yōu)化Figure 1 pH value of the extraction solution optimization.

2.2 提取溫度的優(yōu)化

使用土壤六價(jià)鉻質(zhì)控樣GBW(E)070255進(jìn)行不同提取溫度下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而確定合適的提取溫度。由圖2結(jié)果可知，提取溫度在90～95 ℃時(shí)，六價(jià)鉻的測(cè)定結(jié)果與樣品的標(biāo)準(zhǔn)值非常接近；當(dāng)提取溫度低于90 ℃時(shí)，因樣品消解不完全，六價(jià)鉻的提取效率低導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏低；當(dāng)提取溫度高于95 ℃時(shí)，提取液會(huì)沸騰濺出造成損失，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果偏低，影響結(jié)果準(zhǔn)確性。故所選定的提取溫度為90～95 ℃。

圖2 提取溫度優(yōu)化Figure 2 Extraction temperature optimization.

2.3 提取時(shí)間的優(yōu)化

在其他條件不變的情況下研究提取時(shí)間對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定結(jié)果的影響，選擇不同的提取時(shí)間對(duì)土壤六價(jià)鉻質(zhì)控樣GBW(E)070255進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由圖3可知，當(dāng)提取時(shí)間小于60 min時(shí)，由于提取時(shí)間短，樣品中的六價(jià)鉻不足以完全溶出，故測(cè)定結(jié)果偏低；當(dāng)提取時(shí)間延長(zhǎng)至60 min時(shí)，六價(jià)鉻測(cè)定值與在標(biāo)準(zhǔn)值的可接受范圍內(nèi)；當(dāng)提取時(shí)間大于60 min時(shí)，提取時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定值幾乎沒(méi)有影響?？紤]到時(shí)間效率和能源成本，選擇60 min作為提取時(shí)間。

圖3 提取時(shí)間優(yōu)化Figure 3 Extraction time optimization.

2.4 氯化鎂加入量的優(yōu)化

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署發(fā)布的《EPA Method 3060A Alkaline Digestion for Hexavalent Chromium》中提到想要消除樣品中三價(jià)鉻對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定時(shí)的干擾，可以利用氯化鎂和磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液抑制鉻提取過(guò)程中三價(jià)鉻氧化反應(yīng)的特性來(lái)達(dá)到目的。為了找到六價(jià)鉻提取過(guò)程中合適的氯化鎂加入量，使用六價(jià)鉻質(zhì)控樣GBW(E)070254(標(biāo)準(zhǔn)值為7.1 mg/kg±0.7 mg/kg)為基體并加入100 μg三價(jià)鉻進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)。在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，改變氯化鎂的用量，依次為100、200、300、400、500和600 mg，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明：當(dāng)氯化鎂加入量小于400 mg時(shí)，由于氯化鎂的使用量過(guò)少不足以抑制鉻提取過(guò)程中三價(jià)鉻的氧化對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定的影響，所以樣品測(cè)定值及回收率均偏高，但隨著氯化鎂的用量增加，氯化鎂對(duì)三價(jià)鉻的氧化反應(yīng)抑制能力逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致樣品測(cè)定值及回收率逐漸降低；當(dāng)氯化鎂加入量為400 mg時(shí)，六價(jià)鉻測(cè)定值與標(biāo)樣的標(biāo)準(zhǔn)值相當(dāng)且回收率為98.6%；當(dāng)氯化鎂加入量大于400 mg時(shí)，即使氯化鎂的用量增加，測(cè)定結(jié)果也基本保持穩(wěn)定。因此，確定氯化鎂的加入量為400 mg。

圖4 氯化鎂加入量的優(yōu)化Figure 4 Magnesium chloride optimization dosage.

2.5 三價(jià)鉻干擾實(shí)驗(yàn)

將兩種土壤樣品和沉積物樣品按照優(yōu)化好的預(yù)處理步驟處理后，進(jìn)行三價(jià)鉻的干擾實(shí)驗(yàn)，考察三價(jià)鉻的添加對(duì)試樣中六價(jià)鉻測(cè)定值的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，樣品中添加的三價(jià)鉻對(duì)六價(jià)鉻的測(cè)定沒(méi)有影響，說(shuō)明三價(jià)鉻在本方法確定的堿溶液提取條件下不會(huì)溶出，從而不會(huì)干擾六價(jià)鉻的測(cè)定。

表2 三價(jià)鉻的干擾實(shí)驗(yàn)Table 2 The interference experiment of trivalent chromium

2.6 pH值調(diào)節(jié)后進(jìn)樣與直接進(jìn)樣比對(duì)

《土壤和沉積物 六價(jià)鉻的測(cè)定 堿溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到由于強(qiáng)堿性溶液會(huì)對(duì)儀器造成損害，所以試樣在進(jìn)樣分析前需要調(diào)節(jié)pH值至7.5±0.5。由于本研究使用的超痕量六價(jià)鉻分析儀對(duì)試樣的pH值要求不高，所以堿性待測(cè)試樣可以不需pH值調(diào)節(jié)，直接進(jìn)入儀器測(cè)定六價(jià)鉻。對(duì)沉積物和土壤的實(shí)際樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)pH值調(diào)節(jié)后進(jìn)樣和直接進(jìn)樣的測(cè)定結(jié)果對(duì)比來(lái)探究?jī)煞N進(jìn)樣方式對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定的影響，結(jié)果如表3所示。經(jīng)過(guò)5次平行測(cè)定以及t檢驗(yàn)，得知兩組結(jié)果的t值分別為0.938和1.450,均小于t0.05(8)=2.31。說(shuō)明兩種進(jìn)樣方式對(duì)六價(jià)鉻測(cè)定值無(wú)顯著差異，試樣可以不經(jīng)pH值調(diào)節(jié)，直接進(jìn)入超痕量六價(jià)鉻分析儀測(cè)定六價(jià)鉻，避免了火焰原子吸收光譜法中所必需的調(diào)節(jié)pH值過(guò)程，從而避免導(dǎo)致沉淀現(xiàn)象的產(chǎn)生以及后續(xù)相應(yīng)的過(guò)濾等繁瑣步驟，也避免了試樣中因六價(jià)鉻含量的損失而對(duì)測(cè)定準(zhǔn)確度的影響。

表3 進(jìn)樣前處理方式對(duì)比實(shí)驗(yàn)Table 3 The comparison experiment of treatment methods before injection /(mg·kg-1)

2.7 方法檢出限

根據(jù)“環(huán)境監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)修訂技術(shù)導(dǎo)則”(HJ 168—2020)中對(duì)測(cè)定檢出限的要求以及儀器的靈敏度進(jìn)行檢出限的測(cè)定。選擇的檢出限的測(cè)定質(zhì)量濃度為0.70 μg/L，先按照樣品的預(yù)處理步驟處理樣品，然后配制7份濃度均為0.70 μg/L的待測(cè)樣品并上機(jī)測(cè)定。經(jīng)儀器分析可知，方法的檢出限為0.02 mg/kg，測(cè)定下限則為0.08 mg/kg。

2.8 精密度實(shí)驗(yàn)

精密度實(shí)驗(yàn)是通過(guò)采用兩種沉積物，兩種土壤樣品及測(cè)定下限附近濃度的空白加標(biāo)樣品進(jìn)行的，經(jīng)6次平行測(cè)定后所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4可知，六價(jià)鉻測(cè)定值得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.3%～11.0%，表明本方法具有較好的精密度。

表4 精密度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 4 The test results of relative standard deviation(n=6)

2.9 方法的準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品GBW(E)070254及GBW(E)070255進(jìn)行6次平行測(cè)定，由表5可知測(cè)定的相對(duì)誤差為0和-3.5%，測(cè)定平均值與標(biāo)準(zhǔn)值接近且均在可接受范圍內(nèi)；其次，分別對(duì)兩種土壤樣品和兩種沉積物樣品，通過(guò)加入一定量的重鉻酸鉀基準(zhǔn)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)。表6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，樣品的加標(biāo)回收率在84.0%～94.0%，表明本方法準(zhǔn)確度良好。

表5 土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果Table 5 Determination results of soil reference materials

表6 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of recovery

2.10 方法比較

使用沉積物2和土壤2兩種實(shí)際樣品，分別按照本方法和國(guó)家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 1082—2019進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，表7中列出了5次平行測(cè)定的結(jié)果，并進(jìn)行t檢驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算得知兩組t值分別為0.877及1.507,均小于t0.05(8)=2.31，表明兩種方法測(cè)定六價(jià)鉻結(jié)果無(wú)顯著差異。

表7 本方法與HJ 1082—2019方法檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比Table 7 Comparison for the determination of the method with HJ 1082—2019(n=5) /(mg·kg-1)

3 結(jié)論

建立了一種能準(zhǔn)確、高效地檢測(cè)土壤和沉積物中六價(jià)鉻的柱后衍生-離子色譜法，該方法檢出限為0.028 2 mg/kg。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)際土壤和沉積物樣品中的加標(biāo)回收率為84.0%～94.0%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3%～11.0%。此外，本方法與火焰原子吸收分光光度法相比，樣品中的鹽分、酸堿度以及三價(jià)鉻的存在不會(huì)影響儀器對(duì)六價(jià)鉻定量分析，并且該方法操作簡(jiǎn)便，靈敏度高、精密度好、準(zhǔn)確度高和穩(wěn)定性強(qiáng)，能滿足《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)中的六價(jià)鉻的限值測(cè)試要求，對(duì)測(cè)定土壤和沉積物中的六價(jià)鉻有很好的應(yīng)用前景。