微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法同时测定畜禽粪便中7种重金属元素

王 倩

(北京市畜牧总站，北京 102200)

畜禽养殖业的快速发展，产生了大量的养殖废弃物，给自然环境承载力带来巨大的挑战，大多数畜禽养殖场，畜禽粪污处理设施落后，处理技术参差不齐，畜禽养殖中产生的畜禽粪便和污水对周围的水源、土壤、空气可造成严重的环境污染，对畜禽养殖业的可持续发展和畜禽产品的质量安全构成威胁[1]。

近年来，国家越发重视畜禽粪污的还田利用和养殖污染监管，2020年，农业农村部、生态环境部出台相关政策，鼓励畜禽粪污还田利用，明确了畜禽粪污还田利用有关标准和要求[2]。畜禽粪便含有丰富的有机质和氮、磷、钾等营养物质，因此，在农业生产中，农民一直将处理后的畜禽粪便作为有机肥来使用。一直以来，人们多关注粪便中氮、磷等污染问题，对粪便中重金属元素关注较少[3]。由于饲料中添加过量的微量元素，畜禽粪便中的重金属含量明显增加[4-5]，铜、锌常被添加于动物饲料中以促进动物生长、改善动物皮毛颜色等[6]。有机铬和有机砷制剂能刺激动物生长，改善肉质，并且具有广谱高效抗菌的作用，常作为饲料添加剂[7-8]。镉、铅、汞等元素会由伴生矿物、机械工具磨削或大气沉降物而进入饲料中[9]。饲料中的重金属只能被动物吸收一小部分，剩下的大部分会随粪尿排出[10]。重金属超标的畜禽粪便一旦还田会造成土壤重金属累积，并促进重金属向土壤深层迁移，过量重金属会抑制植物生长，或者通过食物链危害人类健康[11]。畜禽粪便如果未经检测就还田可能会对环境造成污染。因此，需要建立一种检测畜禽粪便中重金属元素的方法，对粪便科学规范还田起辅助支撑作用。

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法具有可同时测定多种金属元素、精密度和灵敏度比较高、线性范围宽、分析速度快的优点[12-13]。样品前处理方法中微波消解应用广泛，具有多种优点，包括简单、快速、节省化学试剂、减轻环境污染等[14-15]。本文建立了可同时检测畜禽粪便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7种重金属元素的微波消解-电感耦合等离子体质谱法，适用于畜禽粪便还田前的多种重金属检测，对种养结合、农牧循环的可持续发展起促进作用。

1 实验部分

1.1 仪器与主要工作参数

NexlON 2000-C电感耦合等离子体质谱仪(美国PerkinElmer公司)，每次检测前需采用1.0 μg/L的Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U调谐液对仪器进行手动调谐，调谐优化后主要工作参数见表1；CPA224S电子分析天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，MARS 240/50微波消解仪(美国CEM公司)，恒温干燥箱，样品研磨仪，0.25 mm样品筛。

表1 ICP-MS仪器的主要工作参数

1.2 主要试剂

硝酸(优级纯)、氢氟酸(优级纯)、盐酸(优级纯)均购自国药集团化学试剂有限公司，99.99%高纯液氩，氦气，Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg单元素标准溶液购自中国计量科学研究院，金(Au)标准溶液(1 000 mg/L)、Re、Rh内标溶液(10 μg/mL)购自国家有色金属及电子材料分析测试中心，混合内标溶液(10 μg/mL)购自美国PerkinElmer公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品制备

取粪便样品500 g充分混匀，经65 ℃烘干至恒重后，研磨，过0.25 mm样品筛，置于洁净、干燥的容器中备用。

1.3.2 样品消解

精确称取样品0.25 g(精确至0.001 g)于消解管中，加入8 mL硝酸，混匀。将消解管放入微波消解仪中，800 W下20 min内升温至160 ℃，保持20 min。冷却后，在赶酸器上100 ℃赶酸10 min，用纯水转移并定容至50 mL。此溶液作为7种重金属元素的测定溶液，若Cu、Zn测定结果过高，再将此溶液进行5倍或10倍稀释作为Cu、Zn的测定溶液。同时进行全试剂空白消解。

1.3.3 标准工作溶液和内标溶液

以5%硝酸溶液为介质，加入金溶液(1 000 μg/L) 作为汞标准溶液的稳定剂，按照表2所示，对各浓度梯度进行逐级稀释，作为标准工作溶液。Ge作为Cu、Zn、Cr的内标，Bi作为Hg和Pb的内标，Rh作为As和Cd的内标，内标混合溶液浓度为500 μg/L。

表2 7种元素在标准系列溶液中的浓度

2 结果与讨论

2.1 消解体系和消解温度的选择

消解体系中所用的酸一般有硝酸、盐酸、氢氟酸、过氧化氢等[16]，由于之前的研究已经验证过，H2O2在消解中所起作用不大[17]，所以在消解体系用酸选择中，先不考虑H2O2。HNO3由于其强氧化性和强酸性，可以把大部分的物质消解掉，因此是消解体系中最常用的酸。HF主要作用是消解硅酸盐[18]，大部分粪便中不含硅酸盐，因此，把HF作为备选，可以对比下有无HF对消解效果的影响。加入HCl的主要目的是和硝酸组成王水增强氧化性，尤其是检测Hg时加入HCl，氯离子和汞离子形成氯化物，有助于增强汞的稳定性，避免汞的逃逸，确保检测的准确[19-20]。因此，为了同时检测粪便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7种重金属元素，设置了三种消解体系进行选择，即HNO3(8 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)+HF(1 mL)。至于消解温度，检测Hg元素时，由于Hg元素较其他元素易逃逸，因此一般选择较低温度进行消解，检测其他重金属元素时，一般选择较高温度，如180 ℃，因此，设置了160 ℃和180 ℃两个消解温度进行选择。具体分组情况如表3所示。6组均20 min升温到所设温度，并保持20 min。

表3 消解体系和消解温度分组

6组消解条件下按照样品消解要求处理后进行上机测定，结果如表4所示，6组样品各元素回收率在80.3%～120%。各组回收率均符合要求，表明各组消解条件均可达到彻底消解粪便的目的。在此前提下，由于酸种类越少，引入杂离子越少，干扰就越少，也会减少污染的风险，因此，选择8 mL HNO3消解体系。由于160 ℃和180 ℃条件下，所测结果相差不大，最终选择160 ℃消解温度。为了防止消解液放置时间过久Hg可能会逃逸，因此建议样品消解后，3 d内完成上机测试。

表4 各组消解条件下7种元素的回收率

2.2 干扰消除及内标元素的选择

采用KED模式(He碰撞模式)来消除质谱干扰，通过内标元素校正来减弱或消除非质谱干扰，主要是基体效应。内标元素通过筛选出与目标金属元素抑制/增强强度一致的金属元素来确定[17]。具体方法如下：准备纯水(A)、50 μg/L的多金属元素混合标准溶液(B)、粪便样品消解液(C)、加标(50 μg/L)的同一粪便样品消解液(D)，将四种溶液分别上机，测定各种金属元素的信号强度，用I代表强度值(cps)，R代表各金属元素被基体效应抑制/增强的程度，那么R=(ID-IC)/(IB-IA)[17]。与目标金属元素抑制/增强程度一致的金属元素可作为其内标。其中多金属元素混合标准溶液为目标金属元素Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg和内标元素Re、Rh、Ge、Bi、In、Sc、Tb、Y、Li、Ru、Os的混合溶液，D溶液中加标指的是所有这些目标元素和内标元素的加标。通过此方法最终筛选出各金属元素的内标，Ge作为Cu、Zn、Cr的内标，Bi作为Hg和Pb的内标，Rh作为As和Cd的内标。

2.3 Hg的吸附效应

Hg在检测过程中具有很强的吸附效应，尤其是检测较高浓度的样品。在这种情况下，Hg与其他金属元素混合在一起，不仅自身吸附效应影响检测的准确性，还有可能影响其他元素。针对此种情况，对标准溶液介质进行了相应的探索和改进。分别采用纯水、HNO3(2%)、HNO3(5%)以及含金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)为介质，配制标准溶液系列并上机测定。发现以水为介质配制7种元素混合标准溶液系列时，吸附效应是最强的，Hg的线性相关系数才达到0.996，其他元素线性相关系数在0.998及以上；当用HNO3(2%)为介质配制标准溶液系列时，吸附效应明显减轻，各元素的线性相关系数均能达到0.999；HNO3浓度增加到5%时，线性更好，加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)为介质时，不仅线性更好，所有元素线性相关系数均在0.999 6及以上，且Hg的测定更加稳定，因此实验选择加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)为标准溶液系列的介质，可配制7种元素混合标准溶液，而不需要单独配制Hg的标准溶液，做到了仅检测一次标准溶液系列，即可同时检测7种元素，大大节省了检测时间。

2.4 线性关系与检出限

将Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7种元素混合标准溶液系列由低浓度到高浓度依次上机测定，采用KED模式(He碰撞模式)，以各金属元素响应值和内标元素响应值的比值为纵坐标，各金属元素的浓度(μg/L)为横坐标，得到线性回归方程，线性过原点，线性相关系数均大于0.999 5，如表5所示。将全试剂空白溶液平行测定11次，计算各元素的标准偏差，其3倍标准偏差即为各元素的检出限，如表5所示，7种金属元素的检出限在0.005～0.305 μg/L，表明此方法具有较高的检出能力。

表5 7种元素的线性相关系数和检出限

2.5 方法的精密度和准确度

选取2份粪便样品，每份粪便样品称量6个平行样进行前处理后上机测定，计算各个元素的平均含量及其相对标准偏差(RSD)，见表6，所有金属元素的RSD为0.70%～5.6%，精密度较高。在已知粪便中7种金属元素含量本底值的前提下，按照各种元素1倍本底值左右的量进行加标，加标后按照正常前处理程序进行微波消解、赶酸、定容并测定，计算各元素加标后含量以及加标回收率，见表7。7种金属元素的加标回收率为83.6%～112%，表明此方法准确性良好。

2.6 部分畜禽养殖场粪便重金属检测分析

用建立的方法对部分畜禽养殖场的粪便进行检测，包括鸡粪6份、鸭粪3份、牛粪12份、猪粪9份共30份样本。粪便中7种重金属元素的含量均值见表8，从均值来看，粪便中Zn含量最高，其次为Cu，Cr、Pb含量次之，As、Cd和Hg是含量最低的。从畜禽种类来看，猪粪的各种重金属元素含量相对来说是最高的，尤其是Cu和Zn；四种畜禽粪便中，Cu和Zn含量最低的是牛粪。

重金属对植物具有低浓度促进生长，而高浓度抑制其生长的作用[9]。如Cu过量后会引起中毒反应，引起失绿症，抑制植物生长；Zn过量后会影响光合作用和营养物质流失，导致生长缓慢、叶片枯黄；Cd过量后会降低植物体内酶的活性，影响植物对营养物质的吸收等[18]。各种重金属过量后均最终导致抑制植物生长的作用。国家标准《畜禽粪便还田技术规范》(GB/T 25246—2010)规定了制作肥料的畜禽粪便中重金属Cu、Zn、As的含量限值(按照不同的土壤pH值和作物种类进行规定)，中华人民共和国农业行业标准《有机肥料》(NY/T 525—2012)规定了有机肥料中重金属Cr、As、Cd、Pb、Hg的限量指标(分别为≤150、15、3、50、2 mg/kg)。畜禽粪便样本中7种重金属元素的含量范围值如表9所示，所测的6份鸡粪样本、3份鸭粪样本和12份牛粪样本中，7种重金属元素均未超过标准限值。9份猪粪样本中，重金属Cr、As、Cd、Pb、Hg均未超过标准限值，Cu和Zn均为部分样本超标。根据Cu含量测定结果，22.2%的猪粪样本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的种植(限值85 mg/kg)，但对于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果树的种植，并未超出标准限值(限值分别为150、300和400 mg/kg)，对于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果树的种植，猪粪样本中Cu含量均未超过标准限值(限值分别为170、300、600和800 mg/kg)。根据Zn含量测定结果，11.11%的猪粪样本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的种植(限值500 mg/kg)，但对于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果树的种植，并未超出标准限值(限值分别为900、2 000和1 200 mg/kg)，对于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果树的种植，猪粪样本中Zn含量均未超过标准限值(限值分别为pH值在6.5～7.5：700、1 200、2 700和1 700 mg/kg，pH>7.5：900、1 500、3 400和2 000 mg/kg)。

表6 方法的精密度

表7 方法的准确度

表8 部分畜禽养殖场粪便中7种元素含量均值

表9 部分畜禽养殖场粪便中7种元素含量范围

3 结论

畜禽养殖场产生的大量粪便会给环境造成污染，但粪便是有机肥的重要原料，并且，粪便还可以经过科学处理后直接还田用于农作物种植。粪便中的重金属含量对植物的生长至关重要，本文建立了一种微波消解-电感耦合等离子体质谱法，可同时检测畜禽粪便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7种重金属元素的方法。方法用时短、操作简便、准确度高、检出限低、实用性强，用建立的方法检测了30份畜禽粪便样本，检测结果对粪便科学还田具有指导意义。本方法的建立对于形成粪污农田良性循环，促进生态环境不断优化具有积极的辅助作用。