恒温摇床提取-电感耦合等离子体发射光谱法测定土壤中的有效硅

王文闻，胡健平，李佳，王静，罗志翔，杜宝华，盛迪波

（湖南省核地质与核技术应用中心,湖南省湘核检测科技有限公司, 长沙 410000）

土壤中有效硅是植物生长所必需的一种营养元素,能够被植物根系直接吸收利用。土壤有效硅含量是耕地质量地球化学评价重要指标之一,广泛应用于耕地质量地球化学等级划分、生态风险评价等方面[1]。测定土壤中的有效硅含量可及时了解土壤硅素肥力的状况,对指导施肥、改良土壤、提高产量、保护环境具有重要意义[2-4]。目前,农业行业标准NY/T 1121.15—2006《土壤检测 第15 部分：土壤有效硅的测定》均采用恒温箱对土壤样品进行处理,需间隔时间进行一次手动摇动,以提取有效硅,再用分光光度计进行测定。恒温箱在实际操作过程中,操作连续性差,温度难以控制,会导致提取效率不稳定,测定结果偏差较大,文献[5]报道采用该标准方法测定土壤样品中有效硅的结果偏低。分光光度法测定操作步骤多[6-9],测定值稳定性差,不适合批量化检测；针对样品处理问题,文献[10]报道了采用恒温箱恒温和振荡器振荡来提取有效硅,但仍需多次取出进行振荡,操作繁琐。文献[11]报道了振摇条件对土壤有效硅测定结果存在较大影响。文献[12-15]报道使用电感耦合等离子体发射光谱（ICPOES）法测定土壤中有效硅,得到了理想的结果。

笔者采用恒温摇床进行样品处理,该设备恒温和振荡一体,控温控时精准,振荡频率稳定,容量大,智能化程度高,精密度高,结合ICP-OES法测定,建立了一种快速简便分析土壤中有效硅的方法,可适用于大批量土壤样品的分析。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪：ICAP6300 型,美国赛默飞世尔科技公司。

立式叠加双层恒温摇床：DJS-2013R-2型,上海世平实验设备有限公司。

超纯水机：Heal Force SMART-N 型,上海康瑞克斯分析仪器有限公司。

硅标准溶液：1 mg/mL,国家标准物质中心。

柠檬酸：分析纯,天津市恒兴化学试剂制造有限公司。

土壤标准样品：（1）土壤有效态成分分析标准物质-黑龙江绥化-黑土,标准样品编号为ASA-14,有效硅标准值为（680±15）mg/kg；（2）土壤有效态成分分析标准物质-安徽蚌埠-潮土,标准样品编号为ASA-15,有效硅标准值为（508±32）mg/kg；（3）土壤有效态成分分析标准物质-吉林通化-棕壤,标准样品 编 号 为ASA-18,有 效 硅 标 准 值 为（580±31）mg/kg。津标（天津）计量检测有限公司。

天平：JE502型,上海浦春计量仪器有限公司。

实验用水：超纯水,电阻率为18 MΩ·cm（25 ℃）。

1.2 仪器工作条件

功率：1 150 W；分析泵速：50 r/min；辅助气：Ar,流量为0.5 L/min；雾化器压力：250 kPa；雾化器气体流量：Ar,流量为0.5 L/min；分析波长：251.611 nm；垂直观测高度：12 mm；积分时间：长波15 s。

1.3 实验方法

1.3.1 样品处理

准确称取通过2 mm筛孔的风干土样5.00 g（精确至0.01 g）置于250 mL 塑料瓶中,加0.025 mol/L柠檬酸钠溶液50 mL,塞好瓶塞,摇匀,置于恒温摇床上,在32 ℃下,以180 r/min 水平振荡速率振荡5 h。取出后用中速定性滤纸干过滤,同时做样品空白试验。

1.3.2 标准曲线绘制

用移液管准确移取10 mL 硅标准溶液（1 mg/mL）,置于100 mL洁净聚乙烯容量瓶中,用水稀释,定容至标线,摇匀,得硅标准中间液的质量浓度为100 μg/mL。

分别用合适的移液管准确移取0.0、5.0、10.0、20.0、30.0、40.0 mL 硅标准中间液,分别置于50 mL容量瓶中,用超纯水稀释至标线,摇匀。配制成质量浓度分别为0.0、10、20、40、60、80 μg/mL 的系列硅标准工作溶液。

按照1.2 仪器工作条件,待仪器状态稳定后,对系列硅标准工作溶液进行测定,以硅质量浓度为横坐标、仪器响应强度为纵坐标绘制标准工作曲线,计算线性相关系数。

2 结果与讨论

2.1 仪器工作条件的选择

2.1.1 射频功率

提高射频功率会使发射强度增大,从而仪器的分析灵敏度也会提升,但同时背景强度也会提高,导致仪器测定的准确性下降,并且过高的射频功率会降低仪器的使用寿命,在既保障较高的信号灵敏度又保证测试准确度相结合的情况下,最终选择仪器的射频功率为1 150 W。

2.1.2 分析泵速及雾化器压力

雾化器压力的大小决定雾化效率的高低,在一定的压力范围内,压力越大雾化效率越高。而分析泵速越高,进样量越大,但对管的磨损也越大,综合考虑,选择分析泵速为50 r/min,雾化器压力为250 kPa。

2.1.3 仪器其它工作参数的选择

在射频功率为1 150 W,分析泵速为50 r/min,雾化器压力250 kPa条件下,进一步考察雾化器气体流量、辅助气流量、垂直观测高度、积分时间等仪器工作参数,使得各项参数达到最佳,具体参数见1.2仪器工作条件。

2.1.4 分析谱线的选择

参照仪器软件推荐的硅元素测试谱线,根据硅元素与共存元素之间的干扰、光谱峰形、响应强度、左右背景数值等情况,分别选择212.412、251.611、288.158 nm 3 条谱线作为分析谱线,对土壤标准样品ASA-14 中的有效硅含量进行测定,测定结果见表1。由表1 可知,251.611 nm 这条谱线灵敏度高、干扰少、响应强度大,硅在该谱线下测定结果精密度较高,测定值与标准值最为接近,因此选用谱线251.611 nm作为仪器的分析谱线。

表1 选择不同分析谱线土壤标准样品ASA-14中有效硅的测定结果

2.2 样品提取温度的选择

分别选择ASA-14、ASA-18 两种土壤标准样品,设置水平振荡速率为180 r/min,提取时间为5 h,分别设置提取温度为20、25、30、35、40 ℃,考察不同提取温度下有效硅的测定结果,取每个样品平行测定3次,计算平均值,结果见表2。表2结果显示,提取温度为30～35℃时测定值准确,提取温度过低或过高时,测定结果均不准确。综合考虑,实验验选择提取温度为32 ℃。

表2 不同提取温度下土壤标准样品中有效硅的测定结果

2.3 样品提取时间的选择

分别选择ASA-14、ASA-18 两种土壤标准样品,设置提取温度为30 ℃,水平振荡速率为180 r/min,分别设置样品提取时间为2、3、4、5、6 h,考察不同提取时间时有效硅含量测定结果,每个样品平行测定3次,计算平均值,结果见表3。由表3可知,提取时间为2～4 h时,标准物质中有效硅的测定值偏小；当提取时间为5 h时,标准物质中有效硅的测定值与标准值相吻合；当提取时间为6 h时,标准物质中有效硅的测定结果偏高,因此实验选择的提取时间为5 h。

表3 不同提取时间时土壤标准样品中有效硅的测定结果

2.4 水平振荡速率的选择

除了提取温度、提取时间,恒温摇床的水平振荡速率也是提取土壤中有效态硅的一个重要参数。分别选择ASA-14、ASA-18 两种土壤标准样品,设置提取温度为30 ℃,提取时间为5 h,分别设置恒温摇床的水平振荡速率为100、140、160、180、200、250 r/min,考察恒温摇床不同水平振荡速率下有效硅含量的测定结果,每个样品平行测定3 次,计算平均值,结果见表4。结果显示,当振荡速率为160～200 r/min时,标准样品中有效硅的测定值在标准值范围内；当水平振荡速率过低或过高时,测定结果均不准确。为保证有效硅被充分提取,选择水平振荡频率为180 r/min。

表4 不同水平振荡速率下土壤标准样品中有效硅的测定结果

2.5 线性关系

按照1.3.2方法绘制标准工作曲线,有效硅质量分数在0.0～80 μg/mL 范围内线性相关,线性方程为y=1 560x+545.37,线性相关系数为0.999 9。表明该法线性良好。

2.6 方法检出限

按照实验方法制备7 个样品空白溶液,在优化的仪器测定条件下,测定样品空白溶液7次,计算标准偏差,然后按IUPAC 规定的检出限计算方法[16],得ICP-OES法测定有效硅的检出限,相关试验数据及检出限结果见表5。由表5中数据可知,ICP-OES法对有效硅的检出限是0.015 7 μg/mL,与NY/T 1121.15—2006 比色法测定有效硅相比,检出限更低,说明该方法更适用于测定低浓度水平土壤样品中有效硅的含量。

表5 方法检出限试验有效硅质量浓度测定结果 μg/mL

2.7 精密度和准确度试验

按照实验方法对国家标准物质ASA-15、ASA-18进行测定,每个样品平行测定7次,计算测定值的相对标准偏差,结果见表6。由表6 可知,国家标准物质中有效硅测定值与认定值能很好的吻合,测定值与认定值的相对误差为0.04%～0.49%,相对标准偏差为0.39%～0.70%,表明该方法的准确度和精密度均较好。

表6 精密度和准确度试验结果

3 结语

建立了ICP-OES 测定土壤中有效硅含量的方法,采用恒温摇床提取样品处理方式,有效解决了普通恒温箱无法振荡、温度控制不稳定和普通振荡器无法控温、样品处理批次少、振荡频率不稳定导致检测结果偏差加大的问题。国家土壤标准样品中有效硅的测定结果与标准值吻合。与标准方法NY/T 1121.15—2006相比,该方法简便快捷,实用性强,灵敏度高,检出限低,具有良好的精密度和准确度,适用于大批量农业土壤调查样品中有效硅的分析要求,在实际工作中具有很好的推广价值。