微波消解ICP—AES法测定土壤中的重金属含量并用matlab进行数据分析

范怡麟+程北辰+陈璟仪

摘要：在一般工业区土壤样品测定中，我们使用了更便捷有效的前处理和数据处理方法。该实验的预处理使用微波消解法，用电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）得到土壤中的锌、铜、锰、铬的含量数据。数据经过origin和matlab拟合效果好。实验结果表明土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg，所得数据准确度高。

关键词：微波消解；ICP-AES法；土壤重金属

中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0020-02

1 概述

近年来，在国内几起大米重金属超标事件后，越来越多人开始关注国内食品安全问题，而农产品的质量主要取决于其产地的土壤质量。污染的土壤中含有较多的重金属，这些重金属通过生物富集作用而大量聚集于农产品中，并通过食物链传递给人类。土壤中重要的对人类与环境危害较大的重金属包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素。这些重金属无法通过生物与化学等降解方法而降低危害，因此，如何快速准确地测定土壤中的重金属对当地环境指导有着非常重要的意义。

目前，对土壤全量的预处理方法主要有三种，分别是碱熔融法、湿法消解、微波消解法。碱熔融法操作方式最简便，且溶解的速度很快，对土壤样品一次性溶解的数量没有限制，溶解的过程中不会排出污染环境的气体。但是溶解液纯度不够，实验结果误差较大。湿法消解又称为电热板加热消解法，其优点是成本比其他消解方式低很多。但是其消解方法相对速度较慢，且易有其他杂质产生，并且排出的酸雾将会污染空气。微波消解法，是相对较新颖的预处理方法，因其具有快速、高效、溶剂用量少等特点而受到广泛应用。该实验选取广州郊区多处土壤样品并混合进行测量，采用王水微波消解土壤样品，电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）测定土壤中的锌、铜、锰、铬的含量。该法灵敏度高，稳定性高，准确度高，相比原子吸收光谱法而言具有同时对多种不同浓度的元素进行测定的优势。实验数据用matlab与最小二乘法软件分别拟合，对两种拟合的精度进行比较。

2 实验内容

2.1 仪器试剂

（1）仪器及工作条件。高压密闭微波消解仪。工作条件：功率1600W，升温15min，温度190℃，消解10min。

水平观测全谱直读等离子体发射光谱仪。工作条件：高频电源入射功率1.30kW，冷却气流量16L/min，辅助气流量0.7L/min，载气流量0.8mL/min，进样流速1.5mL/min（进样蠕动泵转速为2），预冲洗时间30s，积分时间24s。

（2）试剂与标准溶液。铜、锌、锰、镉标准溶液（1.0mg/mL）。分别吸取上述各元素的标准溶液5mL于100mL容量瓶中，以2%硝酸（G.R）溶液配制成各元素浓度均为50μg/mL的混合液；盐酸、硝酸为优级纯；二次去离子水（超纯水）。

土壤样品制备。将采集的土壤样品（一般不少于500g）混匀后用四分法缩分至100g，缩分后的土样经风干后，除去土样中的石子与动植物残体等异物。用玛瑙研钵将土壤样品碾压，过2mm尼龙筛除去2mm以上的沙砾，混匀。上述土样进一步研磨，再过10目尼龙筛，试样混匀后备用（实验室制备）。

2.2 实验方法

标准系列的配制：于5个25mL比色管中分别加入重金属混合标准溶液（50μg/mL）0mL、0.1mL、0.2mL、0.4mL和1mL，分别加入0.2mL的HNO3用二次水稀释至刻度，摇匀。该系列各元素浓度分别为0μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、2μg/mL、5μg/mL。

土壤样品的微波消解步骤：准确称取0.20g上述干燥的土壤样品（105℃干燥2h），置于聚四氟乙烯（PTFE）消解罐中，依次加入2mL硝酸、6mL盐酸振摇使之与样品充分混合，加内盖。擦干消解罐表面液体，拧上消解罐外盖，放入微波消解仪炉腔内，设定工作条件后启动。微波消解完成后，仪器自动执行冷却程序，冷却后取出消解罐，迅速打开消解罐外盖和内盖。分别以每次1～2mL的二次去离子水冲洗消解罐杯盖和杯壁2～3次，用滤纸擦净消解罐表面液体，连同溶液一同抽滤，转移至25mL比色管中，再以二次去离子水定容。

ICP-AES测定：从仪器中选择各元素的测量波长，设定工作条件，进行ICP-AES分析。

3 数据处理

3.1 标准溶液发射强度

3.3 MATLAB程序实现

MATLAB一元多项式函数的格式为p=polyfit（x，y，n）。其中x，y为输入的数据矩阵，n为多项式的最高阶数，n=1时不可省略。输出参数为拟合多项式的系数，自左向右依次表示多项式高次幂项到低次幂项的系数。

拟合Cr的标准曲线示例：

3.4 样品溶液分析讨论

土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg。国家标准中未对锰含量进行规定，而铜、锌。铬的含量均达到了国家的一级标准。

4 结语

最小二乘法作为一种简便而有效的数据处理方法，已经得到了广泛的认可和使用。本实验采用最小二乘法处理实验数据，拟合各元素的一元线性标准曲线，得到了比较好了结果。

采用最小二乘法数据处理软件（版权属阳江市海陵中学陈家校）所得结果如下：

两者结果比较，两者结果相近，并没有太大的出入。但是使用MATLAB计算精度较高，有效位数准确，而使用最小二乘法数据处理软件可直观得出回归系数和相关系数。另外，使用MATLAB还可以拟合多项式，而使用最小二乘法数据处理软件只能拟合为一元线性函数。

参考文献

[1] 史永进，黄金秀.简述土壤重金属污染及其治理方法[J].安徽农学通报（下半月刊），2011，（18）.

[2] 黄正勇，刘君生.土壤中金属测定的样品制备技术以及预处理方法分析[J].地球，2013，（11）.

[3] 陈六平，邹世春.现代化学实验与技术[M].北京：科学出版社，2007.

[4] 土壤环境质量标准（GB 15618-1995）[S].北京：中国标准出版社，1995.

摘要：在一般工业区土壤样品测定中，我们使用了更便捷有效的前处理和数据处理方法。该实验的预处理使用微波消解法，用电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）得到土壤中的锌、铜、锰、铬的含量数据。数据经过origin和matlab拟合效果好。实验结果表明土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg，所得数据准确度高。

关键词：微波消解；ICP-AES法；土壤重金属

中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0020-02

1 概述

近年来，在国内几起大米重金属超标事件后，越来越多人开始关注国内食品安全问题，而农产品的质量主要取决于其产地的土壤质量。污染的土壤中含有较多的重金属，这些重金属通过生物富集作用而大量聚集于农产品中，并通过食物链传递给人类。土壤中重要的对人类与环境危害较大的重金属包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素。这些重金属无法通过生物与化学等降解方法而降低危害，因此，如何快速准确地测定土壤中的重金属对当地环境指导有着非常重要的意义。

目前，对土壤全量的预处理方法主要有三种，分别是碱熔融法、湿法消解、微波消解法。碱熔融法操作方式最简便，且溶解的速度很快，对土壤样品一次性溶解的数量没有限制，溶解的过程中不会排出污染环境的气体。但是溶解液纯度不够，实验结果误差较大。湿法消解又称为电热板加热消解法，其优点是成本比其他消解方式低很多。但是其消解方法相对速度较慢，且易有其他杂质产生，并且排出的酸雾将会污染空气。微波消解法，是相对较新颖的预处理方法，因其具有快速、高效、溶剂用量少等特点而受到广泛应用。该实验选取广州郊区多处土壤样品并混合进行测量，采用王水微波消解土壤样品，电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）测定土壤中的锌、铜、锰、铬的含量。该法灵敏度高，稳定性高，准确度高，相比原子吸收光谱法而言具有同时对多种不同浓度的元素进行测定的优势。实验数据用matlab与最小二乘法软件分别拟合，对两种拟合的精度进行比较。

2 实验内容

2.1 仪器试剂

（1）仪器及工作条件。高压密闭微波消解仪。工作条件：功率1600W，升温15min，温度190℃，消解10min。

水平观测全谱直读等离子体发射光谱仪。工作条件：高频电源入射功率1.30kW，冷却气流量16L/min，辅助气流量0.7L/min，载气流量0.8mL/min，进样流速1.5mL/min（进样蠕动泵转速为2），预冲洗时间30s，积分时间24s。

（2）试剂与标准溶液。铜、锌、锰、镉标准溶液（1.0mg/mL）。分别吸取上述各元素的标准溶液5mL于100mL容量瓶中，以2%硝酸（G.R）溶液配制成各元素浓度均为50μg/mL的混合液；盐酸、硝酸为优级纯；二次去离子水（超纯水）。

土壤样品制备。将采集的土壤样品（一般不少于500g）混匀后用四分法缩分至100g，缩分后的土样经风干后，除去土样中的石子与动植物残体等异物。用玛瑙研钵将土壤样品碾压，过2mm尼龙筛除去2mm以上的沙砾，混匀。上述土样进一步研磨，再过10目尼龙筛，试样混匀后备用（实验室制备）。

2.2 实验方法

标准系列的配制：于5个25mL比色管中分别加入重金属混合标准溶液（50μg/mL）0mL、0.1mL、0.2mL、0.4mL和1mL，分别加入0.2mL的HNO3用二次水稀释至刻度，摇匀。该系列各元素浓度分别为0μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、2μg/mL、5μg/mL。

土壤样品的微波消解步骤：准确称取0.20g上述干燥的土壤样品（105℃干燥2h），置于聚四氟乙烯（PTFE）消解罐中，依次加入2mL硝酸、6mL盐酸振摇使之与样品充分混合，加内盖。擦干消解罐表面液体，拧上消解罐外盖，放入微波消解仪炉腔内，设定工作条件后启动。微波消解完成后，仪器自动执行冷却程序，冷却后取出消解罐，迅速打开消解罐外盖和内盖。分别以每次1～2mL的二次去离子水冲洗消解罐杯盖和杯壁2～3次，用滤纸擦净消解罐表面液体，连同溶液一同抽滤，转移至25mL比色管中，再以二次去离子水定容。

ICP-AES测定：从仪器中选择各元素的测量波长，设定工作条件，进行ICP-AES分析。

3 数据处理

3.1 标准溶液发射强度

3.3 MATLAB程序实现

MATLAB一元多项式函数的格式为p=polyfit（x，y，n）。其中x，y为输入的数据矩阵，n为多项式的最高阶数，n=1时不可省略。输出参数为拟合多项式的系数，自左向右依次表示多项式高次幂项到低次幂项的系数。

拟合Cr的标准曲线示例：

3.4 样品溶液分析讨论

土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg。国家标准中未对锰含量进行规定，而铜、锌。铬的含量均达到了国家的一级标准。

4 结语

最小二乘法作为一种简便而有效的数据处理方法，已经得到了广泛的认可和使用。本实验采用最小二乘法处理实验数据，拟合各元素的一元线性标准曲线，得到了比较好了结果。

采用最小二乘法数据处理软件（版权属阳江市海陵中学陈家校）所得结果如下：

两者结果比较，两者结果相近，并没有太大的出入。但是使用MATLAB计算精度较高，有效位数准确，而使用最小二乘法数据处理软件可直观得出回归系数和相关系数。另外，使用MATLAB还可以拟合多项式，而使用最小二乘法数据处理软件只能拟合为一元线性函数。

参考文献

[1] 史永进，黄金秀.简述土壤重金属污染及其治理方法[J].安徽农学通报（下半月刊），2011，（18）.

[2] 黄正勇，刘君生.土壤中金属测定的样品制备技术以及预处理方法分析[J].地球，2013，（11）.

[3] 陈六平，邹世春.现代化学实验与技术[M].北京：科学出版社，2007.

[4] 土壤环境质量标准（GB 15618-1995）[S].北京：中国标准出版社，1995.

摘要：在一般工业区土壤样品测定中，我们使用了更便捷有效的前处理和数据处理方法。该实验的预处理使用微波消解法，用电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）得到土壤中的锌、铜、锰、铬的含量数据。数据经过origin和matlab拟合效果好。实验结果表明土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg，所得数据准确度高。

关键词：微波消解；ICP-AES法；土壤重金属

中图分类号：X132 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）16-0020-02

1 概述

近年来，在国内几起大米重金属超标事件后，越来越多人开始关注国内食品安全问题，而农产品的质量主要取决于其产地的土壤质量。污染的土壤中含有较多的重金属，这些重金属通过生物富集作用而大量聚集于农产品中，并通过食物链传递给人类。土壤中重要的对人类与环境危害较大的重金属包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素。这些重金属无法通过生物与化学等降解方法而降低危害，因此，如何快速准确地测定土壤中的重金属对当地环境指导有着非常重要的意义。

目前，对土壤全量的预处理方法主要有三种，分别是碱熔融法、湿法消解、微波消解法。碱熔融法操作方式最简便，且溶解的速度很快，对土壤样品一次性溶解的数量没有限制，溶解的过程中不会排出污染环境的气体。但是溶解液纯度不够，实验结果误差较大。湿法消解又称为电热板加热消解法，其优点是成本比其他消解方式低很多。但是其消解方法相对速度较慢，且易有其他杂质产生，并且排出的酸雾将会污染空气。微波消解法，是相对较新颖的预处理方法，因其具有快速、高效、溶剂用量少等特点而受到广泛应用。该实验选取广州郊区多处土壤样品并混合进行测量，采用王水微波消解土壤样品，电感耦合等离子体原子发射法（ICP-AES）测定土壤中的锌、铜、锰、铬的含量。该法灵敏度高，稳定性高，准确度高，相比原子吸收光谱法而言具有同时对多种不同浓度的元素进行测定的优势。实验数据用matlab与最小二乘法软件分别拟合，对两种拟合的精度进行比较。

2 实验内容

2.1 仪器试剂

（1）仪器及工作条件。高压密闭微波消解仪。工作条件：功率1600W，升温15min，温度190℃，消解10min。

水平观测全谱直读等离子体发射光谱仪。工作条件：高频电源入射功率1.30kW，冷却气流量16L/min，辅助气流量0.7L/min，载气流量0.8mL/min，进样流速1.5mL/min（进样蠕动泵转速为2），预冲洗时间30s，积分时间24s。

（2）试剂与标准溶液。铜、锌、锰、镉标准溶液（1.0mg/mL）。分别吸取上述各元素的标准溶液5mL于100mL容量瓶中，以2%硝酸（G.R）溶液配制成各元素浓度均为50μg/mL的混合液；盐酸、硝酸为优级纯；二次去离子水（超纯水）。

土壤样品制备。将采集的土壤样品（一般不少于500g）混匀后用四分法缩分至100g，缩分后的土样经风干后，除去土样中的石子与动植物残体等异物。用玛瑙研钵将土壤样品碾压，过2mm尼龙筛除去2mm以上的沙砾，混匀。上述土样进一步研磨，再过10目尼龙筛，试样混匀后备用（实验室制备）。

2.2 实验方法

标准系列的配制：于5个25mL比色管中分别加入重金属混合标准溶液（50μg/mL）0mL、0.1mL、0.2mL、0.4mL和1mL，分别加入0.2mL的HNO3用二次水稀释至刻度，摇匀。该系列各元素浓度分别为0μg/mL、0.5μg/mL、1μg/mL、2μg/mL、5μg/mL。

土壤样品的微波消解步骤：准确称取0.20g上述干燥的土壤样品（105℃干燥2h），置于聚四氟乙烯（PTFE）消解罐中，依次加入2mL硝酸、6mL盐酸振摇使之与样品充分混合，加内盖。擦干消解罐表面液体，拧上消解罐外盖，放入微波消解仪炉腔内，设定工作条件后启动。微波消解完成后，仪器自动执行冷却程序，冷却后取出消解罐，迅速打开消解罐外盖和内盖。分别以每次1～2mL的二次去离子水冲洗消解罐杯盖和杯壁2～3次，用滤纸擦净消解罐表面液体，连同溶液一同抽滤，转移至25mL比色管中，再以二次去离子水定容。

ICP-AES测定：从仪器中选择各元素的测量波长，设定工作条件，进行ICP-AES分析。

3 数据处理

3.1 标准溶液发射强度

3.3 MATLAB程序实现

MATLAB一元多项式函数的格式为p=polyfit（x，y，n）。其中x，y为输入的数据矩阵，n为多项式的最高阶数，n=1时不可省略。输出参数为拟合多项式的系数，自左向右依次表示多项式高次幂项到低次幂项的系数。

拟合Cr的标准曲线示例：

3.4 样品溶液分析讨论

土壤样品中锌的含量为36.05mg/kg，铜的含量为3.898mg/kg，锰的含量为217.06mg/kg，铬的含量为13.03mg/kg。国家标准中未对锰含量进行规定，而铜、锌。铬的含量均达到了国家的一级标准。

4 结语

最小二乘法作为一种简便而有效的数据处理方法，已经得到了广泛的认可和使用。本实验采用最小二乘法处理实验数据，拟合各元素的一元线性标准曲线，得到了比较好了结果。

采用最小二乘法数据处理软件（版权属阳江市海陵中学陈家校）所得结果如下：

两者结果比较，两者结果相近，并没有太大的出入。但是使用MATLAB计算精度较高，有效位数准确，而使用最小二乘法数据处理软件可直观得出回归系数和相关系数。另外，使用MATLAB还可以拟合多项式，而使用最小二乘法数据处理软件只能拟合为一元线性函数。

参考文献

[1] 史永进，黄金秀.简述土壤重金属污染及其治理方法[J].安徽农学通报（下半月刊），2011，（18）.

[2] 黄正勇，刘君生.土壤中金属测定的样品制备技术以及预处理方法分析[J].地球，2013，（11）.

[3] 陈六平，邹世春.现代化学实验与技术[M].北京：科学出版社，2007.

[4] 土壤环境质量标准（GB 15618-1995）[S].北京：中国标准出版社，1995.