氢化物发生-原子荧光法同时测定土壤样品中As和Se

常 青，张培新，高孝礼

(江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018)



氢化物发生-原子荧光法同时测定土壤样品中As和Se

常 青，张培新，高孝礼

(江苏省地质调查研究院，江苏南京 210018)

摘要[目的]研究采用氢化物发生-原子荧光法同时测定土壤样品中As和Se含量的可行性。[方法]研究炉高、负高压、灯电流、载气流速、屏蔽气流速、还原剂种类、酸度浓度、硼氢化钾浓度对原子荧光法同时测定As和Se含量的影响，采用氢化物原子荧光光谱法同时测定土壤样品As和Se含量。[结果]氢化物发生-原子荧光法测定As的检出限为0.370 ng/mL，Se的检出限为0.430 ng/mL，As和Se的相对标准偏差分别为1.28%和2.73%。[结论]氢化物发生-原子荧光法用于同时测定土壤样品中As和Se含量可行，能完全满足土壤样中As、Se的测定要求。

关键词As；Se；原子荧光法

砷(As)是地壳中普遍存在的一种非金属元素，主要以硫化物的形式存在，如雄黄(As4S4)、雌黄(As2S3)、黄铁矿(FeAsS)等[1]。因其特殊的类金属性和韧性[2]，As主要用于与Cu、Pb及其他金属形成合金。随着社会经济和工业的发展，许多国家面临严重的As污染威胁，As污染已成为人们普遍关注的环境问题之一。硒(Se)是生命活动中必需的微量元素，在人体中以硒蛋白的形式存在，具有提高免疫、抗氧化、抗肿瘤、延缓衰老、解毒和抗辐射等生物与生理功能。人体Se缺乏会降低硒蛋白的表达及生物学功能的正常发挥，会引起贫血、冠心病、高血压、癌症等40余种疾病，适量补Se有利于人体健康[3-5]。但Se对人体的有益生理功能必需控制在安全浓度范围之内，过量补Se又会引起生物体中毒[6]。

As的主要检测技术包括原子光谱(原子吸收和原子荧光)、电感耦合等离子体质谱、有机质谱[7-9]。这几种检测技术各有优势，如原子荧光光谱具有运行成本低、仪器价格低廉、便于维护的特点；电感耦合等离子体质谱具有检测限低、线性范围宽、稳定的优点；有机质谱(电喷雾)则能提供化合物的结构信息，便于化合物的定性。近年来，原子荧光光谱技术逐步被完善，可以实现As与其他多种元素的同时测定[10-11]。目前,测定Se的方法主要有光学分析法(分光光度法、荧光法、原子荧光光谱法、原子吸收法等)[12-14]、电化学分析法(阴极溶出伏安法、极谱法等)[15-16]、色谱学分析法(离子色谱法、高效液相色谱法、气相色谱法等)[17]、联用技术(电感耦合等离子体质谱法)等[18-19]，每种方法都有其优缺点，可针对不同情况选择适当的检测方法。以上方法都是单独测定As和Se，分析操作繁琐，易造成大量试剂浪费。笔者采用王水一次消解土样，用原子荧光光度法同时测定土壤中的As、Se含量，旨在为提高As和Se含量测定的精密度和准确度提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试仪器氢化物发生双道原子荧光分光光度计(北京吉天，AFS820)。

1.2供试试剂1+1王水(盐酸与硝酸按体积比1∶3混合后，加入等体积蒸馏水稀释)，2%硼氢化钾溶液(取1.00 g氢氧化钾加入200 mL蒸馏水溶解，加入4.00 g硼氢化钾)，10%硫脲溶液，10%抗坏血酸溶液，10%草酸溶液，100 μg/L As标准储备液，100 μg/L Se标准储备液，1.00 μg/mL As标准使用液(吸取1.00 mL As标准溶液于100 mL容量瓶中，蒸馏水定容)，1.00 μg/mL Se标准溶液(吸取1.00 mL Se标准溶液于100 mL容量瓶中，蒸馏水定容)。

1.3试验步骤50 mL比色管中加入1.00 μg/mL As、Se标准使用液各0.5 mL，1+1王水15 mL，还原剂0.5 g，Fe3+50 mg，摇匀放置30 min，在原子荧光光度计上与2%KBH4反应，测定荧光强度值。

2结果与分析

2.1仪器条件试验

2.1.1灯电流。加大空心阴极灯灯电流主要为了增加元素灯发射的谱线强度，元素蒸气被照射后被激发强度加大，从而增加荧光强度，提高灵敏度。从图1可见，As的灯电流大于100 mA、Se大于120 mA时，荧光强度反而随着灯电流的增加而减小，这是由于灯电流过大，激发元素浓度过大造成自吸，从而激发强度变小。根据测定浓度大小确定测定灵敏度，在小于自吸的电流内选择合适灯电流。

图1　灯电流对As和Se荧光强度的影响Fig.1　Effects of lamp current on the fluorescence intensities of As and Se

图2　负高压对As和Se荧光强度的影响Fig.2　Effects of negative high voltage on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.2负高压。负高压作用主要增加光电倍增管电压，放大荧光强度转化成的电信号，负高压过低，没有足够的灵敏度；负高压过高，一方面减少光电倍增管寿命，另一方面超出光电倍增管线性范围，导致信号变得不稳定。从图2可见，根据浓度大小测定灵敏度，在光电倍增管线性工作区间选择合适的负高压。随着负高压的增长，As和Se的荧光强度随之升高，负高压为450 V时，二者荧光强度达最大，之后反而下降。2.1.3炉高。生成的氢化物在炉口不同高度的浓度不同，接近炉口未分解的氢化物浓度较高，远离炉口氢化物分解的元素蒸气浓度由于扩散作用变小，只有在合适的高度才有最大灵敏度。不同元素在炉口最大蒸气浓度所处高度不同，如双道测定需要综合考虑2个元素的合适高度。从图3可见，当炉高低于6 cm时，As和Se的荧光强度急剧上升，其实这是假信号，主要由于炉口接近日盲管口，造成部分遮挡。炉高为6～15 cm，As的荧光强度相差不大，说明As相对稳定。而Se则随炉高的增加，荧光强度缓慢下降，说明Se稳定性稍差。当炉高为7～9 cm时灵敏度较高，且随着炉高的增加，Se的灵敏度明显下降，因此选择炉高8 cm较为合适。

图3　炉高对As和Se荧光强度的影响Fig.3　Effects of furnace height on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.4载气。载气的作用一是将测定溶液与硼氢化钾混合后送至气液分离器，二是将生成的氢化物载至原子化器，氢化物在炉口点火后生成元素蒸气。没有载气易造成因生成氢气使局部气压过高发生爆裂等安全事故，因此，从安全角度，仪器默认设置如果没有载气将不能测定。气流量过小，造成氢化物输送不畅，火焰无力，记忆严重，但灵敏度较高，仪器默认最低流量(300 mL/min)。气流量过大，会造成生成的氢化物在炉口停留时间过短，难以生成火焰，分解成原子蒸气过程不完全，灵敏度急剧下降，仪器默认最高流量(800 mL/min)。

设定载气流速为300～1 000 mL/min时，载气流速越大，荧光强度越低，选择载气流速为300 mL/min(图4)。

图4　载气对As和Se荧光强度的影响Fig.4　Effects of carrier gas on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.5屏蔽气。屏蔽气主要作用是在火焰周围形成稳定的屏蔽层，通常要比载气流量大。一方面，防止火焰受周围气流影响，使火焰不稳定，另一方面，防止火焰周围空气中氧气参与火焰的化学反应，确保火焰的化学稳定性。气流量过小，起不到屏蔽作用，仪器默认最低(500 mL/min)。气流量过大，将造成生成的氢化物在炉口停留时间过短，难以生成火焰，分解成原子蒸气过程不完全，灵敏度急剧下降，仪器默认最高流量(1 200 mL/min)。

图5　屏蔽气对As和Se荧光强度的影响Fig.5　Effects of shield gas on the fluorescence intensities of As and Se

图6　王水浓度对As和Se的荧光强度的影响Fig.6　Effects of nitrohydrochloric acid concentration on the fluorescence intensities of As and Se

从图5可见，屏蔽气影响比载气小得多，屏蔽气为500～900 mL/min时，随着气流量增加，As的荧光强度下降，Se的荧光强度几乎不变。这主要是由于As原子蒸气在火焰各高度分布均匀，受火焰周边气流影响较大，Se原子蒸气最高浓度主要在炉口附近，外围火焰中Se浓度较低，受火焰周边气流影响较小。屏蔽气为900～1 200 mL/min时，随着气流量的增加，As的荧光强度变化不大，Se的荧光强度下降。这主要由于As原子蒸气分布相对均匀，达到一定气流量后，As原子蒸气浓度变化不大，而此时Se原子蒸气被吹至火焰外围，受周围气流的影响较大。由于As灵敏度较高，Se相对较低。综合两元素屏蔽气影响结果，选择屏蔽气为800 mL/min。2.2测定条件试验2.2.1酸度浓度。从图6可见，王水浓度为5%～30%时对As荧光强度的影响小，5%～15%时，Se的荧光强度呈上升趋势，15%～30%时，Se的荧光强度相对稳定。大于30%时As和Se的荧光强度反而下降。因此，王水的最佳浓度为15%。2.2.2硼氢化钾浓度。硼氢化钾主要用来生成氢化物，不同元素生成氢化物的最佳硼氢化钾浓度不同。从图7可见，硼氢化钾浓度小于1.00%时，灵敏度较低，1.50%～3.00%时，As和Se的荧光强度高且稳定。因此，硼氢化钾的最佳浓度为2.00%。

图7　硼氢化钾浓度对As和Se荧光强度的影响Fig.7　Effects of potassium borohydride concentration on the fluorescence intensities of As and Se

2.2.3预还原剂种类及浓度。由表1可知，硫脲、抗坏血酸对As和Se的荧光强度的测定不利，而草酸的测定效果稳定。因此，选择1.0%草酸作为还原剂。

表1还原剂种类及浓度对As和Se荧光强度的影响

Table 1Effects of reducing agent type and concentration on the fluorescence intensities of As and Se

还原剂种类Typeofreducingagent还原剂浓度Concentrationofreducingagent∥%荧光强度FluorescenceintensityAsSe硫脲Thiourea0.2414.394.730.4371.344.550.6397.129.320.8427.3610.611.0372.633.90抗坏血酸0.2111.74204.41Ascorbicacid0.497.37193.510.6109.583.810.8117.873.401.0120.504.64草酸0.2694.93486.80Oxalicacid0.4677.94480.180.6635.35474.920.8681.10492.511.0642.54470.69

2.3方法评价试验

2.3.1线性关系。根据土壤样品通常含量，按操作后溶液中的浓度确定曲线浓度范围，在1份溶液中加入As和Se的标准溶液，同时测定As和Se的荧光强度绘制As和Se的校准曲线(图8、9)。

图8　As的校准曲线Fig.8　Calibration curve of As

图9　Se的校准曲线Fig.9　Calibration curve of Se

2.3.2检出限。原子荧光法同时连续测定11个空白溶液中的As和Se，检出限=空白绝对值的平均值+3×空白标准偏差。经计算，As的检测限为0.370 ng/mL，Se的检测限为0.430 ng/mL(表2)。

表2　As和Se的检出限

2.3.3精密度。10 ng/mL浓度检测11次，As的RSD为1.28%，Se的RSD为2.73%(表3)。

表3　As和Se的精密度

2.4样品分析称取0.5 g土壤样品于50 mL比色管中，加入15 mL 1+1王水，水浴溶解1 h，取下，加入5 mL 10%草酸，摇匀，采用原子荧光法测定As、Se的分析值。由表4可知，样品测定结果误差均小于0.100，符合DZ/T 0130—2005多目标地球化学样品测定误差要求。

表4　土壤标准样品测定结果

3结论

氢化物发生-原子荧光光度法是测定能生成氢化物痕量元素的高灵敏度方法。该研究结果表明，As的检出限为0.370 ng/mL，Se为0.430 ng/mL，11次测定的相对标准偏差为1.28%和2.73%，说明该方法简便、快速、灵敏，因此，可用于土壤样品中As和Se的同时测定。

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作者简介常青(1982-)，女，山东泰安人，工程师，硕士，从事地球化学样品分析以及质量管理工作。

收稿日期2016-03-30

中图分类号S 158.4

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)14-162-04

Simultaneous Determination of As and Se in Soil Samples by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry

CHANG Qing, ZHANG Pei-xin, GAO Xiao-li

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 210018)

Abstract[Objective] To research the feasibility of simultaneous determination of As and Se in soil samples by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry. [Method] we researched the effects of furnace height, negative high voltage, lamp current, flow rate of carrier gas, flow rate of shield gas, type of reducing agent, acidity concentration and potassium borohydride concentration on the As and Se contents by Atomic Fluorescence Spectrometry. Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry were used to simultaneously detect the As and Se contents in soil samples. [Result] Detection limits of As and Se by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry were 0.370 and 0.430 ng/mL, respectively. The relative standard deviations of As and Se were 1.28% and 2.73%, respectively. [Conclusion] It is feasible to use Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry to detect the As and Se contents in soil samples, which fully meets the detection requirements of As and Se in soil samples.

Key wordsAs; Se; Atomic Fluorescence Spectrometry