基于微波消解/电感耦合等离子体质谱法测定土壤中全磷

杨丽华

(1.湖南省科学技术研究开发院，湖南 长沙 410004；2.湖南省分析测试中心有限公司,湖南 长沙 410004)

磷元素广泛存在于土壤中，是植物生长的必要营养元素之一，能增加作物产量，减少病虫害的发生。但在农业施肥过程中，绝大部分磷素被土壤吸附固定，磷的当季利用率只有20%左右。如何降低土壤对磷的吸附，提高磷的利用率一直是科研人员关注的课题[1-3]。检测磷在土壤中的全量，对科研及农业生产施肥有重大意义。

土壤全磷是指土壤中含磷矿物及有机磷化合物中磷的总量。目前土壤中的全磷一般参照相关标准采用碱熔或者电热板酸溶-钼锑抗分光光度法进行测定[4]，也有采用酶标法[5]、电感耦合等离子体发射光谱法[5-7]、近红外光谱法[8]、连续流动分析法[9]测定的报道。但标准方法样品前处理过程繁琐，化学试剂耗用量大，对操作人员要求高，危害性大；酶标法与比色法原理基本相同，磷的显色受酸度、时间、温度等诸多因素的制约；谱线干扰是电感耦合等离子体发射光谱法的一大难题；近红外光谱法不能对磷含量进行精准测定，连续流动分析法的试剂在线加入，酸度难以控制。微波消解技术因采用密闭系统，具有所需样品与化学试剂量少，环境污染小，消解能力强的优点，已被广泛应用于环境[10]、食品[11]、医药[12]等领域。电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)多用于多种元素的同时检测[10-12]，采用ICP-MS检测磷元素的研究鲜见报道。本文采用微波消解处理样品，通过优化实验条件，采用ICP-MS碰撞池(CCTked)技术，建立了一种快速检测土壤全磷的方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

带碰撞池具有CCTked功能的Xseries Ⅱ电感耦合等离子体质谱仪(美国Thermofisher Scientific公司)；UV-2450紫外可见分光光度计(日本Shimadzu公司)；Topex微波消解仪(上海屹尧仪器科技发展有限公司)；G-400赶酸仪(上海屹尧仪器科技发展有限公司)。

硝酸、氢氟酸、30%双氧水为优级纯，四水合钼酸铵、抗坏血酸、硫酸、氢氧化钠为分析纯，均购自国药集团化学试剂有限公司；酒石酸锑钾(分析纯)购自西陇化工股份有限公司；二硝基酚(指示剂)购自华东师范大学化工厂；磷酸二氢钾(基准试剂)购自天津市致远化学试剂有限公司。氩气纯度>99.999%，He/H2(H2：7%，He：93%)。实验用水为超纯水(优普超纯水制造系统制备)，电阻率≥18.25 MΩ·cm。

称取105 ℃烘干2 h的磷酸二氢钾0.439 4 g，用水溶解定容至1 000 mL，制备得到磷的标准储备液(100 mg/L)；土壤标准物质GBW07454、GBW07456、GBW07424由地球物理化学勘查研究所提供。

1.2 样品前处理

农田土壤样品的制备：取0～20 cm土层的农田土壤(湖南常德汉寿地区)，风干，去除杂物，木头敲碎，玛瑙碾钵碾磨，过0.149 mm孔径筛，混匀，装瓶密封。

准确称取0.1(±0.000 1) g土壤样品置于聚四氟乙烯微波消解管中，分别加入硝酸6 mL，氢氟酸2 mL，双氧水1 mL，轻微摇动后盖上管盖，套上外管，拧紧密封，置于微波消解仪中选用40罐消解，消解步骤如下：① 110 ℃保持2 min，② 140 ℃保持5 min，③ 180 ℃保持10 min，④ 200 ℃保持30 min。消解完毕，仪器降温后，取出内管，置于赶酸仪上赶酸至约2～3 mL(赶酸温度140 ℃)，然后将微波消解管取出，放置至室温，转移消解液至50 mL容量瓶中，超纯水定容，静置待测。空白按与样品相同方法处理。

1.3 仪器条件

将电感耦合等离子体质谱仪调到CCTked模式，碰撞气为He/H2，采用FPA材质的雾化器，优化后的仪器参数见表1。

表1 ICP-MS仪器工作条件Table 1 ICP-MS instrument working conditions

2 结果与讨论

2.1 样品处理

测定土壤中的全磷时，一般采用碱熔法或者电热板酸溶法进行消解，如LY/T 1232-2015[4]中采用硫酸-高氯酸和硝酸-高氯酸-氢氟酸消解，但消解过程中需不时转动消解容器，且易发生溶液飞溅现象，对操作人员要求较高，操作过程繁琐。微波消解采用高压全密闭系统，消解能力强，消解过程中样品无损失，同时隔绝了周围环境对样品的污染，对于批量样品的消解更显优势，很大程度地解放了人力。由于高氯酸在微波消解罐中有爆炸的危险，故本实验采用硝酸-氢氟酸-双氧水消解体系，并优化了3种试剂的加入量和程序升温过程，确保样品消解完全。结果表明：加长微波消解温控程序在高温段的停留时间，消解效果更好。在相同的升温程序下，5 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2可以将0.1 g农田土壤样品消解完全，而标准土壤样品用6 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2方可完全消解。本方法采用6 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2，程序升温，低温停留时间短，高温段停留时间长的微波消解条件。消解完全的样品溶液呈无色或淡黄色。土壤不同消解条件可能会不同。

2.2 实验条件优化

CCTked模式下，碰撞气为He/H2混合气体，用20 μg/L 的In(2%盐酸稀释)进行仪器调谐，调整仪器参数使In的离子计数满足测量要求，氧化物比率和双电荷比率尽量调低，详见表1。实验发现，碰撞气的流量对仪器灵敏度影响较大，流量加大，磷的基体干扰明显减少，同时目标元素的CPS也降低。为获得合适的信噪比，选用碰撞气流量为4.0 mL/min。因土壤盐分较高，实验采用耐盐性较好的Xt截取锥，31P定量。

2.3 干扰消除

采用内标法消除基质效应，但由于土壤基质复杂，很难找到与之匹配而基质中又没有的元素，本文选用在基质中比较稳定的72Ge作为内标。本方法中，质谱干扰主要来自17OH+14N(99.4%),16O+15N,采用碰撞池(CCTked)技术，以He/H2作为碰撞气，对多原子干扰的消除有较好的效果。这是因为多原子NOH、NO等体积大，被碰撞的机会多，能量消耗大，随着碰撞次数的增多，与目标分析物P+的动能差异越来越大，从而可实现碰撞能量过滤，使之无法进入四极杆，进而达到消除质谱干扰的目的。

2.4 与钼锑抗分光光度法的比较

取磷的标准储备溶液10.0 mL于100 mL容量瓶中，用水定容，配成10 mg/L的标准中间液。以此标准中间液配制质量浓度分别为0、16、40、200、400、1 000、2 000 μg/L的标准工作溶液(2%的硝酸定容)，供ICP-MS分析；同时配制质量浓度为0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mg/L的标准溶液。参照LY/T 1232-2015进行钼锑抗分光光度法检测。以标准溶液磷的质量浓度为横坐标，离子计数/吸光度为纵坐标，绘制标准曲线。ICP-MS和钼锑抗分光光度法的线性方程分别为y=0.228 4x+1.152(0～2 000 μg/L，r2= 0.999 98)，y=0.504x+0.000 9(0～0.6 mg/L，r2=0.999 84)，检出限(LODL，(LODL=3S/K))分别为5、20 μg/L。其中，ICP-MS法换算成固体样品的检出限为2.5 μg/g(LODS=LODL×50/0.1/1 000，根据0.1 g样品，50 mL定容体积计算)。 结果显示：ICP-MS法的线性范围和检出限优于钼锑抗分光光度法。

分别采用上述两种方法对土壤中的全磷进行测定，结果见表2。t检验(t0.05,4=2.78)结果显示，两种方法无显著性差异。钼锑抗分光光度法的线性范围较窄，浓度高的样品需要重新稀释，操作过程应严格控制酸度、显色时间、温度，操作过程繁琐；而 ICP-MS法具有超宽的线性范围，在满足溶液盐分合适(检测过程中内标稳定，其比率不持续走低，说明溶液盐度适合)的前提下无需再稀释样品，批量样品可以选择统一的稀释倍数一次测定，操作过程简单、快速。

表2 土壤中全磷不同检测方法的结果比较(n=5)Table 2 Comparison of results of different detection methods of total phosphorus in soil (n=5)

2.5 加标回收率及检出限

用建立的方法检测农田土壤样品，取按“1.2”处理过的样品5 mL于25 mL容量瓶中，分别进行低、中、高3个浓度的加标实验，结果见表3。其回收率为94.0%～103%，相对标准偏差(RSD)为2.8%～4.2%。

表3 土壤样品的回收率及相对标准偏差Table 3 Recoveries and relative standard deviations of soil(n=3)

3 结 论

建立了微波消解/ICP-MS法测定土壤中全磷的方法，其线性范围为0～2 000 μg/L,r2=0.999 98，检出限为5 μg/L，固体样品的检出限为2.5 μg/g,加标回收率为94.0%～104%，检测结果与钼锑抗分光光度法无显著性差异，具有检出限低，线性范围宽，样品处理快速、简便的特点，可以满足土壤全磷快速测定的需要。此外，微波消解处理后的溶液还可用于土壤中其他元素的检测。

致谢:感谢罗学兰董事长对本工作的大力支持；感谢徐芳、陈涓提供的帮助。