恒温摇床提取-电感耦合等离子体质谱法测定土壤中有效态镉的含量

向勇，邓聂，易田芳，谢莉蓉，李发

(1.广电计量检测(湖南)有限公司，长沙 410000；2.农业农村部南方耕地污染防控重点实验室，长沙 410000)

镉是土壤中毒性较强的有害元素，是农产品卫生标准中重要的限制元素之一。植物对镉的吸收取决于土壤中有效态镉的含量[1]。土壤中的有效态镉以离子状态吸附在带电荷的土壤胶体表面，进而被植物吸收利用，其含量是评价土壤重金属污染的一个重要指标。

目前，GB/T 23739－2009《土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法》和HJ 804－2016《土壤8种有效态元素的测定 二乙烯三胺五乙酸浸提-电感耦合等离子体发射光谱法》均是以二乙烯三胺五乙酸(DTPA)为提取剂，采用普通振荡器对土壤进行前处理，以提取有效态镉。而在实际操作过程中，普通振荡器的振荡频率和实验室温度难以控制，会导致提取效率不稳定，测定结果的精密度较差。并且，原子吸收光谱法涉及到火焰法和石墨炉法，分别适用于不同浓度水平的样品，操作繁琐；电感耦合等离子体原子发射光谱法的检出限较高，实际上很多未受到污染的土壤中有效态镉的含量通常低于该值，对低含量有效态镉的样品无法准确测定。针对样品前处理问题，文献[2-4]报道了采用超声提取法来提取有效态镉，但超声清洗仪的空间较小，单次处理量有限，在提取过程中需要经常搅拌样品，工作效率较低，对黏度大的土壤提取效果较差。针对上机测试问题，文献[5]使用普通振荡器，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)分析得到了较好的测定结果，但是前处理过程中的关键参数(土壤颗粒大小和固液比)发生了变化，与GB/T 23739－2009 和HJ 804－2016不具有可比性。鉴于此，本工作前处理采用振荡频率稳定、容量大、智能化程度高、精密度高的恒温摇床，结合ICP-MS，提出了一种快速简便测定土壤中有效态镉含量的方法，可适用于大批量土壤分析。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

BSD-YF2600型恒温摇床；iCAP RQ 型电感耦合等离子体质谱仪；NBL223e 型电子天平(感量0.001 g)；HI8424型便携式pH计。

镉标准溶液：1 000μg·L－1。

提取剂：称取三乙醇胺14.92 g、DTPA 1.967 g和氯化钙1.110 g，加水搅拌使其完全溶解，继续加水稀释至约950 mL，用50%(体积分数)盐酸溶液调节溶液酸度至pH7.3后，将其转移至1 000 mL容量瓶中，用水定容。

所用试剂均为优级纯；试验用水为超纯水。

土壤国家标准物质：GBW 07416a 江西红壤(ASA-5a)、GBW 07460陕西黄绵土(ASA-9)、GBW 07493陕西塿土(HTSB-1)、GBW 07496 甘肃灌漠土(HTSB-4)和GBW 07497 青海栗钙土(HTSB-5)。各土壤国家标准物质中有效态镉的认定值见表1。

表1 土壤国家标准物质中有效态镉的认定值Tab.1 Certified values of available Cd in soil national standard substances

1.2 仪器工作条件

等离子体功率1 550 W；蠕动泵速率40 r·min－1；采样深度5 mm；雾化气流量1.116 L·min－1，冷却气流量14L·min－1，辅助气流量0.8 L·min－1；测定同位素111Cd，内标同位素103Rh；选择碰撞反应池(KED)模式消除多原子离子干扰。

1.3 试验方法

将土壤样品放至搪瓷盘中，摊薄至2 cm 厚左右，自然风干。将风干后的样品用木锤、瓷研钵等非金属工具研磨，过2 mm 尼龙筛。称取过筛后的土壤样品5.00 g，置于50 mL 具塞离心管中，加入25 mL提取剂，放入恒温摇床中，设置提取温度为20～25 ℃，水平振荡频率为200 r·min－1，提取时间为100 min。提取结束后，取下，以转速4 000 r·min－1离心3 min，用0.45μm 水系微孔滤膜过滤，弃去最初的5～6 mL 滤液，收集续滤液。移取5.00 mL续滤液至25 mL比色管中，用1%(体积分数)硝酸溶液稀释至刻度，按照仪器工作条件测定，外标法定量。随同做空白试验。

2 结果与讨论

2.1 提取温度的选择

土壤中有效态镉的测定是条件选择性试验，提取条件的改变会使得测定结果出现较大的变化。设置水平振荡频率为180 r·min－1，提取时间为120 min，考察了不同提取温度(15，20，25，30 ℃)对有效态镉测定结果的影响。每个样品平行测定3次，计算平均值，结果见表2。

表2 提取温度对有效态镉测定结果的影响Tab.2 Effect of extraction temperature on determination results of available Cd

结果显示：当提取温度为20，25 ℃时，5个标准物质中有效态镉的测定值均在认定值范围内；当提取温度过低或过高时，均可能造成测定结果不准确。因此，试验选择的提取温度为20～25 ℃。

2.2 水平振荡频率的选择

除了提取温度，恒温摇床的水平振荡频率也是提取土壤中有效态镉的一个重要参数。设置提取温度为25 ℃，提取时间为120 min，考察了不同水平振荡频率(100，150，180，200，250 r·min－1)对有效态镉测定结果的影响。每个样品平行测定3次，计算平均值，结果见表3。

表3 水平振荡频率对有效态镉测定结果的影响Tab.3 Effect of horizontal oscillation frequency on determination results of available Cd

结果显示：当水平振荡频率为150～200 r·min－1时，5个标准物质中有效态镉的测定值均在认定值范围内；当水平振荡频率过低或过高时，均可能造成测定结果不准确。为保证有效态镉被充分提取，试验选择的水平振荡频率为200 r·min－1。

2.3 提取时间的选择

设置提取温度为25 ℃，水平振荡频率为200 r·min－1，考察了不同提取时间(60，80，100，120，150 min)对有效态镉测定结果的影响。每个样品平行测定3次，计算平均值，结果见表4。

表4 提取时间对有效态镉测定结果的影响Tab.4 Effect of extraction time on determination results of available Cd

结果显示，当提取时间为100，120 min时，5个标准物质中有效态镉的测定值均在认定值范围内，为提高前处理效率，试验选择的提取时间为100 min。

2.4 提取器皿的选择

为了进一步提高前处理效率，在上述优化条件下，考察了不同提取器皿(100 mL 具塞三角锥瓶、100 mL聚乙烯塑料瓶和50 mL 具塞离心管)对有效态镉测定结果的影响，结果见表5。

表5 提取器皿对有效态镉测定结果的影响Tab.5 Effect of extraction vessel on determination results of available Cd

结果显示，使用3种提取器皿均能够较好地测定土壤中有效态镉的含量。但实际操作中发现，使用离心管时，不必再次进行样品转移，减少了样品的转移损失和器皿的清洗次数，操作更加高效、快捷，因此试验选择的提取器皿为50 mL具塞离心管。

2.5 标准曲线和检出限

移取适量的镉标准溶液，用提取剂稀释，配制成镉质 量浓度为0.50，1.00，3.00，5.00，10.0，50.0，100μg·L－1的标准溶液系列。按照仪器工作条件对上述溶液进行测定，以镉的质量浓度为横坐标，其对应的响应值为纵坐标绘制标准曲线。结果显示，镉标准曲线的线性范围为0.50～100μg·L－1，线性回归方程为y＝3448x＋82.42，相关系数为0.999 9。

按照试验方法对空白土壤样品进行7次测定，计算测定值的标准偏差(s)，根据3.143s计算方法的检出限，并以4倍检出限计算测定下限[6]。

结果显示，镉的检出限为0.001 mg·kg－1，测定下限为0.004 mg·kg－1，低于HJ 804－2016中给出的检出限(0.007 mg·kg－1)，说明该方法更适用于测定低浓度水平土壤样品中有效态镉的含量。

2.6 精密度和准确度试验

按照试验方法对国家标准物质GBW 07416a、GBW 07460、GBW 07493、GBW 07496 进行测定，每个样品平行测定6次，计算测定值的相对标准偏差(RSD)，结果见表6。

表6 精密度和准确度试验结果(n=6)Tab.6 Results of tests for precision and accuracy(n=6)

结果显示，国家标准物质中有效态镉测定值均在认定值范围内，RSD 为3.1%～5.0%，表明该方法的准确度和精密度均较好。

2.7 样品分析

选取全国具有代表性耕作区的9个实际土壤样品，按照本法和GB/T 23739－2009进行测定，结果见表7。

表7 样品分析结果Tab.7 Analytical results of the samples

采用配对样本t检验法分析两种方法的差异性，计算得t0.05，8＝1.145，小于查表得出的t0.05，8＝2.306，说明本法与GB/T 23739－2009 无显著性差异。

恒温摇床具有精准控温、振荡平稳、空间较大和智能化程度高的特点，能够避免普通振荡器无法控温、处理批次少和振荡频率不稳定等问题。本工作采用恒温摇床的前处理方式，提出了ICP-MS测定土壤中有效态镉含量的方法，该方法精密度好、准确度高、快速简便，适用于大批量不同类型土壤样品的分析，为农业土壤监测提供了有效的分析手段。