电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定云南富源耕地土壤中有效钼

冯 俊 何袖辉 王银剑 唐帅帅 杨发忠

(1.中国地质调查局 昆明自然资源综合调查中心，昆明 650100；2.西南林业大学 化学工程学院，昆明 650051)

钼是动植物生长不可缺少的微量元素，是硝酸还原酶的组成部分，影响植物磷和铁元素的吸收和植物体内的循环[1]，快速准确测定土壤中钼元素的含量有着重要的意义。随着研究的深入，全量元素不能准确评价土壤质量级别。植物只能吸收土壤中钼的有效态部分，即有效钼。有效钼是指能被草酸-草酸铵浸提剂(Tamm溶液)浸提的交换性钼、水溶性钼、难溶性钼及有机结合态钼[2-4]。准确快速测定土壤中的有效态钼，是评价土壤肥力、土壤抗旱、抗寒和抗病能力的重要指标。

有效钼的浸提剂主要使用LY/T 1259—1999规定的溶液，即Tamm溶液。有效钼的测定方法有分光光度法[5]、石墨炉原子吸收光谱法[6-7]、极谱法[8]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)和质谱法(ICP-MS)[9]等。分光光度法因要经灼烧、显色、萃取等工作，且铜铁均会对显色产生干扰，二硫酚专一性又不强，硫氰化钾对显色还有严格的要求等原因，已经很少使用；原子吸收光谱法测定钼，因钼的第一电离能为-7.099 eV，相对较高，使用乙炔-空气火焰时仅有部分钼被原子化，方法灵敏度较低，检出限较高；催化极谱法测定钼，浸提液要灼烧、配混合底液，操作流程较长，并且底液的配制和酸度对测定结果的影响较大，导致方法重复性差；ICP-AES测定有效钼，浸提液要先经过电热板烘干，后在马弗炉灼烧破坏有机物，再用硝酸提取测定，样品容易被污染且操作流程繁琐，不利于大批量样品的分析。

因ICP-MS具有检测线性范围宽、检出限低、灵敏度高等优点在地质和农业领域得到广泛的应用[10-12]。采用ICP-MS测定有效钼存在的主要困难是前处理过程中浸提液会引入大量的有机物，溶液中盐度也比较大，导致溶液黏度增大，使雾化器雾化效率降低，使采样锥和截取锥容易堵塞，进样管和雾化室积盐，仪器稳定性下降，影响测定效果。林光西[13]采用Tamm溶液浸提出有效钼，直接测定浸提液，因溶液盐度较大和有机物含量较多，仪器长期稳定性不好，不利于大批量分析。如果直接采用标准LY/T 1259—1999的方法，从待测液的制备再到上机测试，过程繁琐，耗费资源。本文在前人研究的的基础上[14-15]，建立用草酸-草酸铵浸提剂浸提土壤中的有效钼，浸提液用体积分数为5%稀硝酸稀释浸提，工作曲线用Tamm溶液配制，使样品和工作曲线基体一致，同时采用三通在线导入103Rh作为内标校正基体效应，用He气为KED碰撞气体降低质谱干扰来测定土壤中的有效钼。该方法效率高、成本低、准确度和再现性好，满足大批量有效钼的测定。

1 实验部分

1.1 主要试剂

草酸-草酸铵浸提剂(Tamm溶液)：准确称取24.9 g优级纯草酸铵和12.6 g优级纯二水合草酸溶于水，用盐酸(1+1)调节pH值至3.3，定容至1 L，摇匀。

UP-211C恒温往复振荡器(上海优普实业有限公司)，电感耦合等离子质谱仪(美国热电公司ICAPQC)。

TUNE B调谐液：Ba、Bi、Ce、In、Co、In、Li、U，1 μg/L，介质为2%硝酸溶液，编号为1323770，美国热电公司。

陕西渭南嵝土(HTSB-1)、陕西洛川黑垆土(HTSB-2)、新疆阿克苏棕漠土(HTSB-6)标准物质。

所使用的试剂器皿都用稀硝酸(1+1)浸泡24 h以上，使用前用去离子水冲洗干净；实验用水均为新制备的去离子水。

1.2 样品的处理

称取5 g(精确到0.01 g)粒径为154 μm的风干土样，倒入250 mL锥形瓶中，加入50.0 mL浸提剂，盖紧瓶塞，放入恒温往复振荡器上振荡30 min后静置8 h(振荡器温度设置为25 ℃，振荡频率为180 r/min)，用盐酸(1+1)处理过的中速定量滤纸干过滤，用移液枪移取上层清液1.0 mL滤液至10 mL比色管中，用5%硝酸稀释至刻度，摇匀后上机测定。

1.3 仪器及工作参数

在试样测试前，采用TuneB调谐液将电感耦合等离子体质谱仪调谐至最佳状态，其中氧化率小于3%，双电荷率小于1.9%，仪器工作参数见表1。

表1 ICP-MS仪器工作参数

1.4 校准曲线的绘制

钼标准储备液(100 μg/mL)：称取0.150 0 g已于105 ℃干燥2 h的高纯三氧化钼，置于150 mL塑料烧杯中，加入2 g NaOH及10 mL水，加热溶解后，移入1 000 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀。使用时，为和样品基体保持一致，逐级稀释时，用Tamm溶液(10%)定容至刻度。

用钼标准储备液依次稀释成钼质量浓度分别为0、10、50、100、150、200 ng/mL的系列标准液，按照实验条件用ICP-MS依次测试，绘制校准曲线，校准曲线方程为y=7708x+100，式中：x为钼标准溶液的质量浓度，ng/mL；y为其对应的响应值，cps；相关系数为1.00。

2 结果与讨论

2.1 样品前处理

土壤中有效态钼浸提剂有pH=3.3的草酸-草酸铵浸提剂(Tamm溶液)、热水、阴离子交换树脂和碳酸氢铵-二乙三胺五乙酸(AB-DTPA)。其中Tamm溶液缓冲容量大，浸提量与生物反应的相关性好[13]，本文选择Tamm溶液为浸提剂。对于浸提时间，本文选用GBW07494和GBW07498按照样品处理方法，准确称取5.0 g(精确至0.00 1 g)样品，分别加入50 mL Tamm溶液，在25 ℃以180 r/min 的转速震荡0.5 h，然后分别在静置4、5、6、7、8、9、10、11 h 时移取上清液，用5%硝酸溶液稀释，在仪器最佳工作条件下进行测定，以考察不同静置时间对有效钼含量的影响，结果见表2。从表2中可以看出，静置时间对有效钼的提取影响很大。当提取时间少于7 h时，有效钼的质量浓度测定结果偏低，特别是对高含量GBW07498，这可能是因为浸提时间不够，浸提剂与土壤中的钼离子不能完全螯合。当静置时间为8～11 h 时，测定结果与认定值一致，曲线平缓，考虑到生产效率，有效钼的浸提时间为8 h。

表2 不同静止时间测定结果表

2.2 质谱干扰及校正

2.2.1 同位素的选择

对于质谱干扰，存在同量异位素干扰、双电荷干扰、多原子离子干扰和氧化物干扰[16-17]。因此通常选择灵敏度高、干扰小的同位素。钼的7个同位素中，Zr会对92Mo、94Mo和96Mo产生干扰，Ru会对96Mo、98Mo和100Mo产生干扰，只有95Mo没有同质异位素干扰，因此，分析同位素选择95Mo。

2.2.2 仪器工作参数的优化

ICP-MS每个部件参数的设置，都会影响到仪器的灵敏度、背景、稳定性、以及由气体引入的衍生干扰物。雾化器流速和分析模式的选择是尤其重要的参数，雾化器流速严重影响灵敏度、稳定性和干扰程度。一般情况下，雾化器流速是一个折衷后的结果，因灵敏度、稳定性和多原子离子干扰之间存在一定的矛盾关系。随着雾化器流速的增大，目标同位素的信号会随着增大，但是当雾化器流速上升到一定水平后，氧化物干扰程度也会随着上升，双电荷产率反而会下降。

在测定有效钼时，因钼的第二电离能较高，双电荷电离很小，可以忽略，主要考虑多原子离子干扰。仪器工作参数的优化是减少多原子离子干扰最简单的有效途径。为提高仪器分析灵敏度、降低氧化物干扰，在质谱仪点火30 min后，先用TUNE B调谐液优化自动优化仪器工作条件，使其氧化率小于3%，双电荷率产率小于1.9%，可最大程度地消除氧化物和双电荷造成的质谱干扰。为定量确定多原子离子产生的干扰情况，本文用单元素标准溶液钾(100 ng/mL)在STD模式确定多原子产生的干扰强度，从图1中可以看出，当雾化器流速从0.81 L/min到1.26 L/min时，钾在95Mo质量数产生干扰强度有小幅度的升高，考虑到仪器稳定性和干扰强度，雾化器流速确定1.06 L/min，此时背景等效浓度(BEC)为1 ng/mL。

为降低背景等效浓度，考察了在四级杆碰撞/反应池中通入惰性碰撞气氦气(KED模式)下测95Mo元素背景等效浓度(BEC)和灵敏度的变化情况(图1)。实验表明，在KED模式下，多原子离子干扰被降低的同时，95Mo的灵敏度也会下降，碰撞池内氦气流速过低，则干扰不能有效消除，若池内氦气流速较大，干扰虽大大消除，但元素的灵敏度也会降低很多，使检出限不能满足分析要求[18]。在氦气流速为2～4 mL/min时，考察空白和10 ng/mL钼标准溶液在95Mo处所产生的信号响应情况，实验表明氦气流速为3 mL/min时，95Mo具有最低的背景等效浓度0.01 ng/mL，并且灵敏度满足分析要求。

图1 雾化器流速对95Mo干扰强度的影响Figure 1 Effect of atomizer flow rate on interference intensity of 95Mo.

2.3 基体干扰的消除

2.3.1 内标的选择

基体干扰会引起分析信号的增强或减弱，内标法是常用的基体消除方法。内标的选择原则是分析物中没有的物质，质量数和电离能相近，本文选择103Rh作为内标，通过三通在线加入，用来校正基体效应。

2.3.2 浸提液稀释倍数的确定

由于采用Tamm溶液对样品进行浸提，溶液基体中含有大量的盐和有机物，如果直接对浸提液进行测定，易使仪器的采样锥和截取锥发生堵塞，雾化室和炬管积盐，进而导致仪器稳定性降低，测定结果的准确度受到影响。实验采用5%稀硝酸对浸提液稀释一定倍数，并在标准溶液系列中加入Tamm溶液进行基体匹配以消除基体对测定的干扰。选用土壤有效态成分分析标准物质GBW07498(HTSB-6)进行考察，平行测定为6次。从表3中可以看出，提取液直接测定相对标准偏差较大，和用5%硝酸稀释测定作比较分析，如表3所示，提取液直接测定时，测定值和认定值相差较大，测定精密度较差，相对标准偏差为7%，这可能是溶液中盐分和有机物含量较大，引起采样系统和矩管堆积盐分较快，引起信号漂移所致；用体积分数5%硝酸稀释20倍时，测定值和认定值相差也较大，数据精密度较差，可能是稀释倍数较大，溶液中待测组分含量较低，接近检出限，导致准确度和精密度变差。因此，实验确定浸提液用体积分数为5%的硝酸稀释10倍上机待测。

表3 不同稀释方式对有效钼测定的影响

2.4 方法检出限和定量限

用ICP-MS对Tamm溶液11份平行空白测定，根据国际纯粹与应用化学联合会测定空白的3倍标准偏差，3S/K为方法检出限，其中S为标准偏差，μg/L；K为灵敏度，即方程斜率。通过计算，的钼检出限为0.002 μg/L。空白换算为相应浓度的10倍标准偏差为方法的定量限，方法的定量限为0.007 μg/L。方法满足《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD 2005—03)中检出限0.05 μg/L的规定。

2.5 方法准确度和精密度实验

为了验证干扰校正后方法的精密度和准确度，对国家一级地球化学标准物质GBW07493(HTSB-1)、 GBW07494(HTSB-2)和GBW07498(HTSB-6)进行准确度和精密度实验，结果见表4，测定结果的相对标准偏差(RSD)小于5%，测定结果的精密度高。测定值与标准值间的相对误差小于2%，测量误差小于规范《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD2005-03)中元素有效态及浸提性分析相对偏差允许限要求(DD 2005-03中规定有效钼含量>1 μg/g，允许相对偏差为5%；有效钼含量为1～0.1 μg/g时，允许相对偏差为10%；有效钼含量≤0.1 μg/g，允许绝对偏差为0.01 μg/g)，测量准确度好。

表4 准确度和精密度测定结果

2.6 与其他方法结果对比

按照实验方法对云南富源-贵州盘州能源矿产集中区生态修复项目的2 000余件样品进行分析，安插在分析批次里面的国家一级标准物质160件，合格率为99%。按照验收要求对基本分析样品进行一定比例的外检(外检样品为200件)，外检单位采用LY/T 1259—1999极谱法分析，相互对比一次合格率为98%，部分数据对比见表5。

表5 不同实验方法数据对比

3 结论

建立了用Tamm溶液对土壤中的有效钼浸提，浸提液用5%硝酸稀释10倍，ICP-MS在KED模式下测定有效钼。通过国家一级标准物质的验证和加标回收率的验证，该方法的灵敏度高、检出限低和线性范围宽。对云南富源-贵州盘州能源矿产集中区生态修复的2 000余件土壤样品进行分析，结果准确可靠，对200件样品进行外检，相互对比合格率好。该方法前处理简单快速，满足《生态地球化学评价样品分析技术要求》(DD 2005-03)要求，具有很高的实用价值，适用于各种土壤类型中有效钼的大批量测定。