水浴消解-原子荧光光度法测定土壤中的总砷和总汞

田 翠，金 伟，刘 霜，张维娜，郑海芳，罗小娇，张 强

(泸州市农业农村局，四川 泸州 646000)

砷及化合物广泛存在于自然界中，元素形态的砷不溶于水，几乎没有毒性，有毒性的是砷的化合物三氧化二砷(As2O3)，三氧化二砷是剧毒化合物，被世界卫生组织(WHO)定级为人类致癌物质之一。砷及化合物进入人体，畜积于肝、肾、肺、骨骼等会引起器官的病变，砷污染已经成为危害十分严重的环境问题之一。汞广泛存在于自然界中，它可以通过各种途径进入人体，且有蓄积作用，可以引起神经系统的严重缺陷，表现为强烈的致癌、致畸和致突变活性，因此测定土壤中的总砷和总汞尤为重要。国标方法中总砷和总汞分开测定[1-2]，不利于大批量土壤样品的测定，本文摸索条件，提出了水浴消解-原子荧光光度法同时测定土壤中的总砷和总汞的方法[3-6]，检出限、准确度、精密度和回收率均能满足土壤检测的要求。且该方法简单易操作，一个前处理可以同时测定总砷和总汞两个参数，减轻了工作量，可广泛应用于土壤砷汞的检测。

1 材料与方法

1.1 原理

样品中的砷经水浴加热消解后，加入硫脲将五价砷还原成三价砷，再加入硼氢化钾将三价砷还原成砷化氢，由氩气导入石英原子化器中，砷化氢分解为原子态砷，在砷空心阴极灯的发射光激发下产生原子荧光，产生的荧光强度与砷的含量成正比，与标准曲线比较，得到样品中砷的含量。

样品中的汞经水浴消解后，使所含的二价汞全部转入到溶液中，再加入硼氢化钾将二价汞还原成元素汞，在汞空心阴极灯的发射光激发下产生原子荧光，产生的荧光强度与汞的含量成正比，与标准曲线比较，得到样品中汞的含量。

1.2 仪器

AFS-930型全自动顺序注射原子荧光光度计(北京吉田仪器有限公司)；HW.SY21-KP6智能恒温水浴锅(北京市长风仪器仪表公司)。

1.3 试剂

砷标准储备液：1000 mg/L，购于国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

汞标准储备液：1000 mg/L，购于国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院。

标准物质：GBW07403，GWB07428，GWB07429均购于国家标准物质测试中心。

硝酸(优级纯)：密度为 1.42 g/mL。

盐酸(优级纯)：密度为 1.19 g/mL。

5%的盐酸溶液：量取 25 mL 盐酸，加水定容至 500 mL。

硫脲(100 g/L)：称取 10 g 硫脲溶于 100 mL 水中。

汞的保存液(硝酸-重铬酸钾溶液)：称取 0.5 g 重铬酸钾，用少量水溶解，加入 50 mL 硝酸，用水稀释至 1000 mL。

砷标准中间液(1 mg/L)：使用5%的盐酸将 1000 mg/L 砷的标准贮备液逐级稀释成50、1 mg/L 的标准中间液。

汞标准中间液(50 μg/L)：用汞的保存液将 1000 mg/L 汞的标准贮备液逐级稀释成 50 mg/L、1 mg/L、50 μg/L 的标准中间液。

(1+1)王水：取3份浓盐酸与1份浓硝酸混合，然后用去离子水稀释一倍。

硼氢化钾(10 g/L )：称取硼氢化钾 1 g 溶于 2 g/L 的氢氧化钠溶液中，用水稀释至 100 mL 中，混匀，此溶液需现配现用。

硼氢化钾(0.1 g/L)：称取硼氢化钾 0.01 g 溶于 2 g/L 的氢氧化钠溶液中，用水稀释至 100 mL 中，混匀，此溶液需现配现用。

试验用水为去离子水，用水按照国家标准要求是二级水 (GB 6682-2008)。所有玻璃器皿均用20%硝酸溶液浸泡 24 h，或加热玻璃器皿使硝酸溶液回流，以达到净化的目的，最后用去离子水冲洗干净，避免污染，降低试剂空白。

1.4 标准曲线的绘制

1.4.1 汞标准曲线的绘制

准确移取 4.00 mL 50 μg/L 汞标准中间液于 100 mL 容量瓶中，用汞的保存液定容，配置成 2.00 μg/L 的汞的使用液。设置上机标准溶液质量浓度分别为0.20、0.40、0.80、1.00、1.50、2.00 μg/L，仪器根据 2.00 μg/L 汞的使用液自动稀释。以标准溶液的荧光值为纵坐标，以标准溶液质量浓度为横坐标，绘制标准曲线，线性方程为I=2750.3361×ρ+2.6833，相关系数为0.9998。

1.4.2 砷标准曲线的绘制

准确移取 1.00 mL 1 mg/L 砷标准中间液于 100 mL 容量瓶中，加入 5 mL 盐酸和 5 mL 100 g/L 的硫脲溶液，用水定容至 100 mL，配置成 10.00 μg/L 的砷的使用液。设置上机标准溶液质量浓度分别为1.00、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 μg/L，仪器根据 10.00 μg/L 的砷的使用液自动稀释。以标准溶液的荧光值为纵坐标，以标准溶液的质量浓度为横坐标，绘制标准曲线，线性方程为I=427.4546×ρ+121.7398，相关系数为0.9992。

1.5 仪器测定条件

1.5.1 土壤总砷测定条件

负高压：270 V；灯电流：60 mA；载气流量：400 mL/min；屏蔽气流量：800 mL/min；原子化器高度：8 mm；原子化器温度：200 ℃；读数时间：10.0 s；延迟时间：1.0 s。测量方法为标准曲线法，读数方式为峰面积，载流为5%的盐酸，还原剂为 10 g/L 硼氢化钾。

1.5.2 土壤总汞测定条件

负高压：270 V；灯电流：30 mA，载气流量：400 mL/min；屏蔽气流量：800 mL/min；原子化器高度：8 mm；原子化器温度：200 ℃；读数时间：10.0 s；延迟时间 1.0 s。测量方法为标准曲线法，读数方式为峰面积，载流为5%的盐酸，还原剂为 0.1 g/L 硼氢化钾。

1.6 样品前处理

称取自然风干、研磨并过 0.149 nm 孔径筛的土壤样品 0.5 g(精确至 0.0001 g)于 50 mL 比色管中，加入(1+1)王水 10 mL，加盖摇匀，并浸泡过夜。次日取下盖子于 100 ℃ 水浴锅中消煮 2 h，每 30 min 摇匀一次，取下冷却，然后用汞的保存液定容至 50 mL，加盖摇匀后静置过夜。同时做两个空白试验。

1.6.1 汞的上机测定

取 10 mL 上清液直接上机测定，按照1.5.2土壤总汞测定条件上机测试。

1.6.2 砷的上机测定

取 5 mL 上清液于 25 mL 比色管中，加入 2.5 mL 盐酸和 5 mL 100 g/L 的硫脲溶液，用水定容至 25 mL，静置 30 min 以上，按照1.5.1土壤总砷测定条件上机测试。

1.7 结果表示

1.7.1 汞含量的计算

w=(ρ×V总)/(1000×m)。

式中：w为土壤汞的质量分数，mg/kg；ρ为从标准曲线中查到的汞的质量浓度，μg/L；V总为试样消煮后的定容体积，mL，本方法V总为 50 mL；m为试样的称样质量，g；1000为体积换算系数。

1.7.2 砷含量的计算

w=(ρ×V2×V总)/(1000×m×V1)。

式中：w为土壤砷的质量分数，mg/kg；ρ为从标准曲线中查到的砷的质量浓度，μg/L；V2溶液定容体积，mL，本方法V1为 25 mL；V1分取样品的体积，mL，本方法V1为 10 mL；V总为试样消煮后的定容体积，mL，本方法V总为 50 mL；m为试样的称样质量，g；1000为体积换算系数。

2 结果与分析

2.1 汞的保存液作用

由于汞易蒸发且易在容器壁吸附，其溶液不稳定，在溶液中加入氧化剂重铬酸钾可以防止汞的还原，重铬酸钾也是一种强电解质，可以破坏溶液中胶体、器皿及其它杂质颗粒的吸附。酸是一种稳定剂，与Hg2+具有相同电荷的H+占领活性点，可以防止汞的吸附。

土壤样品消解完后可以直接加水定容，但是应尽早上机测定。也可以加汞的保存液，防止汞的损失，一般情况下加了汞的保存液，可以放置2～3天。

2.2 原子荧光工作的环境条件

温湿度是影响氢化反应的重要因素，因此原子荧光光度计对环境温湿度要求很严格。温度过低，氢化反应速度、效率降低，测量稳定性变差；温度过高，氢化反应加剧，还原剂容易分解，同样导致测量稳定性变差。湿度过大，会引起散射干扰使测量稳定性变差，还会导致荧光猝灭，致使荧光信号降低。原子荧光光度计的工作温度一般为15～30 ℃，湿度一般小于75%。

2.3 光电倍增管负高压和灯电流的选择

负高压过低，灵敏度降低；负高压增大，仪器的灵敏度增大，但暗电流等噪音也同时增大，精密度降低。测总砷时负高压为 270 V 时信噪比最高，因此测砷时选择的负高压为 270 V；测汞时负高压为 270 V 时信噪比最高，因此测汞时也选择 270 V 的负高压。

荧光强度的大小与灯电流有关。灯电流过低，灵敏度下降，灯电流增大，灵敏度也随之提高，但噪音也同时增大，而且灯电流过高会影响灯的寿命。测砷灯电流为 60 mA 时信噪比最高，因此测砷选择的灯电流为 60 mA；测汞灯电流为 30 mA 时信噪比最高，因此测汞选择的灯电流为 30 mA。

2.4 炉高对测定的影响

炉高是荧光的激发点到石英炉顶端的距离。炉高太高，由于石英炉的折射和火焰根部的反射作用，使测定噪音增大，信噪比下降；炉高太低，激发区在火焰的顶部，测定精密度和灵敏度下降。本方法中选择炉高为 8 mm。

2.5 硼氢化钾的影响

硼氢化钾作为还原剂，为元素发生氢化反应提供氢，硼氢化钾可以与酸反应生成氢气，在石英炉原子化器出口形成Ar-H2-O2浸入焰，提供原子化阶段的能量，硼氢化钾还可以提供充分的氢自由基，促使氢化物的原子化。因此硼氢化钾浓度对测定灵敏度有着非常重要的影响，浓度太低时，还原高价砷的能力差，灵敏度低。浓度过高时，不但会增加干扰和背景波动，而且大量氢气的产生会使氢化物被稀释，灵敏度降低。实验结果表明测总砷时硼氢化钾的质量浓度为 10 g/L，灵敏度高且干扰较少。测汞时，硼氢化钾的浓度不宜过高，这样可以得到更好的稳定性和灵敏度，并且大大降低了铜、铅、砷等的干扰，本实验选择 0.1 g/L 的硼氢化钾做还原剂，灵敏度高且干扰较少。

硼氢化钾容易水解，需要将称量好的硼氢化钾加入到碱性溶液中，硼氢化钾溶液需现配现用。

2.6 载气、屏蔽气流速对测定的影响

原子荧光光度计通常以高纯氩气作为载气。主要作用是将产生的气态氢化物或冷原子带入原子化器。载气流速太小，会使氢化物在传输过程中发生吸附、分解等现象而导致测定灵敏度下降；载气流速太大，则会将分析元素的原子迅速带出原子化气，冲稀了原子化区的原子浓度，使测定灵敏度下降。本方法中选择载气流量为 400 mL/min。

原子荧光光度计通常以高纯氩气作为屏蔽气。主要作用是在原子化区将周围的空气隔离，降低原子荧光猝灭现象。屏蔽载气流速太小，荧光猝灭效应显著，测定灵敏度下降；屏蔽气流速太大，冲稀了原子化区的原子浓度，使测定灵敏度下降。本方法选择屏蔽气流量为 800 mL/min。

2.7 载流对测定的影响

载流的作用是生成砷化氢和原子态化汞，盐酸、硝酸、硫酸等酸都可以提供酸性环境，但是硝酸具有较强的氧化性，可以将砷从低价态氧化成高价态，降低荧光强度，硫酸作为非挥发性酸，残留严重且对仪器的损害较大，故选用盐酸做载流。

当盐酸的浓度低于5%时，荧光强度随盐酸的减小而降低，盐酸的质量分数在5%～10%时砷汞的荧光强度相对稳定，故选择5%的盐酸溶液做载流。

2.8 检出限

用最优的仪器条件连续测定空白11次，用3倍空白样品浓度的标准偏差除以标准曲线的斜率即为检出限，本方法中总砷的的检出限为 0.70 μg/kg，总汞的检出限为 4.52 μg/kg。

2.9 精密度

取土壤标准物质GBW07403，GWB07428，GWB07424，按照最优的实验方法和最优的仪器条件进行前处理和上机测定，其相对标准偏差符合质量控制要求，见表1。

表1 方法的精密度

2.10 准确度

取土壤标准物质GBW07403，GWB07428，GWB07424，按照最优的实验方法和最优的仪器条件进行前处理和上机测定，测定结果如表2所示，测定值均在土壤标准物质的范围内，这说明此方法能符合质控样和方法准确度的要求。

表2 方法的准确度

2.11 回收率

取土壤标准物质GBW07403，GWB07428，GWB07424分别加入砷、汞的标准溶液，按最优的实验方法和最优的仪器条件进行前处理和上机测定，测定结果如表3所示，总砷的回收率91%～103%，总汞的回收率103%～106%，均能满足回收率的要求。

表3 方法的回收率(总砷)

表4 方法的回收率(总汞)

3 小结

本文土壤样品采用王水消解，原子荧光光度法测定总砷和总汞，还原剂硼氢化钾分别选择 10 g/L 和 0.1 g/L，载流选择5%的盐酸，该方法检出限、精密度、准确度、回收率均能满足土壤检测的要求。且一个前处理可以同时测定总砷和总汞两个参数，操作简便快捷，是一种值得推广的测定土壤总砷和总汞的方法。