超声提取-抗坏血酸还原-催化光度法测定土壤中的碘

2023-10-25字雨姝张皓吴亮黄宇琪

化学分析计量 2023年9期

字雨姝，张皓，吴亮，黄宇琪

（核工业二三〇研究所，湖南省伴生放射性矿产资源评价与综合利用工程技术研究中心，长沙 410007）

碘是人体必需的微量元素，人体可以从食物、空气、水中摄取碘，人体碘摄入的缺乏或过高都可能引发疾病。加碘食盐是人体摄入碘的主要方式，其次通过食品摄入碘，而植物中的碘主要来源于土壤，因此测定土壤中碘对一些地方性疾病的调查研究有着重要意义。

碘在自然界中分布范围较广，存在形态较多，以游离的碘元素、碘化物、碘酸盐、甲基碘等多种形式存在，并具极强的亲生物性、高活动性、易氧化还原、易吸附等特点[1-4]。碘的这些特点使土壤中碘的分析测定受到一定局限。

目前测定土壤中碘的方法主要有电感耦合等离子体-质谱法、离子色谱法、催化动力学光度法、X荧光法等[5-12]。由于催化动力学光度法操作简单，使用仪器设备价格低，灵敏度高，在土壤中碘的测定应用最多，但其测量准确度和精密度受样品处理方式的影响很大[13]。笔者通过降低空白干扰，优化碳酸钠和氧化锌半熔试剂的配制方法，采用超声提取的方式，加入抗坏血酸使碘元素价态与曲线统一，再加乙酸摇至无气泡产生，最后加入4, 4'-四甲基二氨基苯甲烷（四碱）与氯胺T，在600 nm处测定吸光度。选用土壤标准样品及土壤试验样品验证方法的正确度和精密度，建立了一种准确、适合大批量土壤样品测定的方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

可见分光光度计：721型，上海仪电分析仪器有限公司。

电子天平：ME204E 型，感量为0.000 1 g，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；

碘离子标准溶液：100 mg/L（k=2），标准物质编号为BW20017-100-W-20，坛墨质检科技股份有限公司。

土壤成分分析标准物质：标准物质编号分别为GBW 07402a（内蒙古白云鄂博土壤）、GBW 07407a（湖南浏阳七宝山多金属矿区土壤）、GBW 07409（黑龙江土壤）、GBW 07408a（陕西洛川土壤），中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所（廊坊市）。

碳酸钠-氧化锌混合溶剂（艾斯卡试剂）：称取300 g 优级纯碳酸钠和200 g 氧化锌，分别经碾磨后过孔径为0.25 mm（60 目）的筛，充分混匀后转入大口塑料瓶中备用。

L+抗坏血酸：1 g/L，称取0.1 g 抗坏血酸溶液50 mL水中，定容至100 mL，现用现配。

乙酸溶液：体积分数为8%，量取80 mL 乙酸至500 mL水中，定容至1 000 mL。

碳酸钠溶液：36 g/L，称取36 g 碳酸钠溶于800 mL水中，定容至1 000 mL。

氯胺T 溶液：1.00 g/L，称取1.00 g 氯胺T 置于250 mL 烧杯中，加水待完全溶解后，用水稀释至1 000 mL，转入磨口玻璃瓶中，摇匀。现用现配。

4.4'-四甲基二氨基苯甲烷（四碱）溶液：0.1 g/L，称取0.100 0 g 四碱于250 mL 烧杯中，加入1 mL 乙酸，待完全溶解后，用水稀释至1 000 mL，若溶液浑浊需过滤后使用，现用现配。

硝酸溶液：体积分数为1.0%，量取10 mL 硝酸于1 000 mL纯水中。

实验所用其它试剂均为优级纯。

实验用水为去离子水。

1.2 标准溶液配制

碘离子系列标准工作溶液：取碘离子标准溶液1 mL，置于800 mL 的水中，用纯水定容至1 000 mL，配成1 mg/L的碘离子标准中间液。分别取0.5、1.0、2.0、4.0、6.0、8.0 mL碘离子标准中间液，采用36 g/L 碳酸钠溶液定容至100 mL 容量瓶中，配成0.005、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08 mg/L 的碘离子系列标准工作溶液，转移至100 mL 聚乙烯塑料瓶中，每次使用时从瓶中分取。

1.3 实验方法

称取0.5 g（精确至0.000 1 g）土壤样品，置于预先加入1.5 g艾斯卡试剂的10 mL瓷坩埚中，搅拌均匀，再均匀覆盖1.5 g 艾斯卡试剂，将坩埚置于马弗炉中，从室温升至700 ℃，保持40 min，取出冷却。将冷却后的试样倒入至50 mL 比色管中，用约25 mL 热水将瓷坩埚冲洗干净，加入去离子水至50 mL，并滴入6～8 滴无水乙醇，置于70 ℃的超声水浴仪中超声1 h，冷却后定容至50 mL，摇匀，放置至澄清。

预先将所用试剂及样品溶液移至恒温室（25 ℃）中2 h，移取5 mL上清液于50 mL比色管中，加入1 mL 1 g/L 抗坏血酸溶液，摇匀，再加入5 mL 8%的乙酸溶液，摇匀排除二氧化碳气泡；加入5 mL四碱溶液，定容至25 mL，摇匀。静置20 min，加入1 mL氯胺T溶液于比色管中，迅速盖塞，摇匀后，倒入2 cm比色皿中，记录溶液在600 nm处的最大吸光度值。在相同的试验条件下进行工作曲线的吸光度值测定，利用吸光度和碘的含量绘制工作曲线。

2 结果与讨论

2.1 空白优化

（1）长期未用的马弗炉会吸收空气中的碘元素，在进行样品测定时会使空白吸光度升高，所以马弗炉长时间未用或出现空白溶液吸光度高时，应将马弗炉按照1.3中升温步骤处理，过程中适当的敞开一点炉门，使氧气进入。

（2）每次混匀后的艾斯卡试剂应进行空白试验，防止艾斯卡试剂混匀过程污染或者试剂本底吸光度高的问题。

（3）分光光度计的比色皿在试验完成后应浸泡在无水乙醇中，使吸附在比色皿上的有机物洗脱，且每次测定前应检查杯差。

（4）瓷坩埚、玻璃器皿用完去离子水冲洗后应浸泡在稀硝酸（1%）溶液中，使用前用纯水冲洗干净，烘干待用。

2.2 艾斯卡试剂的配制

商品碳酸钠为颗粒状，氧化锌呈粉状且极易成团，两种物质未经研磨直接2混合，或碳酸钠经过研磨与氧化锌直接混合，土壤标准物质测定值均远低于推荐值。将碳酸钠及氧化锌分别经研磨后过孔径分别为0.25 mm（60目）、0.15 mm（100目）筛，再混合均匀，土壤标准物质测定值仍低于推荐值，但二者较为接近。

分别采用以下3种方式处理艾斯卡试剂：（1）碳酸钠、氧化锌研磨后混合；（2）研磨后过孔径为0.25 mm 的筛，混合；（3）研磨后过孔径为0.15 mm 的筛，混合。三种不同方式下国家土壤标准物质GBW 07402a、GBW 07408a的测定结果见表1。

表1 不同艾斯卡试剂制备方法土壤标准样品碘质量分数测定值 mg/kg

由表1 可知，研磨后直接混匀配制的艾斯卡试剂测定值与推荐值偏差很大，超出标准推荐值范围。研磨过筛后混匀的艾斯卡试剂能与样品充分接触，未过筛的样品测定值有明显提升。过0.25 mm筛和0.15 mm 筛的样品测定值区别不大，故选用研磨过0.25 mm 筛的碳酸钠和氧化锌进行混匀，配制艾斯卡试剂。

2.3 超声提取条件

土壤样品的常规提取方法[14]为：将半熔后冷却熔块倒入100 mL 烧杯中，用热水提取，加几滴乙醇煮沸，将溶液连同沉淀一起移入50 mL比色管中，用水稀释至标线，摇匀，放至澄清。此提取方式在实践中常有改变，应用最多的为向半熔后的样品加入一定量蒸馏水，再加几滴无水乙醇，煮沸，冷却后定容至50 mL，澄清后测试。此方法处理样品时速度慢、煮沸时溶液容易飞溅，需人长时间值守，不适合大批量样品分析。

采用超声提取方式，将半熔冷却后的样品倒入50 mL的比色管中，用热水将瓷坩埚冲洗干净，冲洗液倒入至比色管中，加入超纯水30 mL和几滴乙醇，将比色管放置超声提取仪中，功率调至最大进行提取。

2.3.1 提取温度

对两种土壤标准物质（GBW 07402a、GBW 07408a）样品熔块分别在水浴温度50、60、70、80、90、100 ℃下进行超声提取，不同水浴温度对应的测定结果见表2。由表2 可知，水浴温度从50 ℃升高至70 ℃，测定结果呈递增趋势；在水浴温度为70 ℃时测定值达到稳定；继续提高水浴温度，测定值变化不明显，且产生大量蒸汽，因此选定超声提取的水浴温度为70 ℃。

表2 不同水浴温度对应的测定结果（GBW 07402a、GBW 07408a）

2.3.2 提取时间

设定提取温度为70 ℃，对两种土壤国家标准物质（GBW 07402a、GBW 07408a）的样品熔块分别提取25、30、35、40、45、50 min，不同提取时间对应的碘质量分数测定值见表3。由表3 可知，提取时间为25～40 min 时，随着提取时间增加，碘测定值随之增大，并逐渐接近推荐值；当提取时间大于40 min时，碘测定值基本稳定，无明显变化，因此选定超声提取时间为40 min。

表3 不同提取时间对应的测定结果

2.4 抗坏血酸用量的影响

在艾斯卡试剂熔样测定碘元素的标准物质的过程中发现，碘的测定值仍出现系统性的偏低。由催化光度法分析原理可知：在乙酸-碳酸钠缓冲体系中，利用碘离子在四碱和氯胺T（由氯胺T水解产生的次氯酸）的氧化反应中的催化作用，产生有色络合物[15]，因此半熔后的澄清液中碘元素的存在价态对测定结果有直接影响。

以艾斯卡试剂半熔后的土壤样品中的碘经热水提取后，大部分以碘离子形式存在，但还有一部分以氧化态存在。现已IO3-为例，分取后的上清液在加入乙酸后与I-反应，生成I2；加入四碱溶液和氯胺T后此部分碘已无法在这个氧化反应过程中起到催化作用。抗坏血酸具有极强的还原性，在溶液中加入过量的抗化学酸可使其它价态的碘全部还原为负一价态的碘离子，测定结果更准确。

加入抗坏血酸后，过量的抗坏血酸会与氯胺T发生氧化还原反应，消耗大部分的氯胺T，从而使吸光度显著下降。由于溶液显色时间与溶液中氯胺T的浓度呈反比，浓度越高催化反应越快。在合适的吸光度下，应尽量降低氯胺T浓度。在选用1 cm比色皿时，样品吸光度很小，因此需增大氯胺T用量来提高吸光度。随着氯胺T 加入量变大，显色时间变短，比色测量时已不是最大吸光度值。在实验过程中，四碱浓度过高容易造成溶液浑浊，故未调整四碱浓度，仍选用经典推荐值。

选用2 cm比色皿测定0.08 mg/L碘离子溶液，1 g/L抗坏血酸溶液，温度为25 ℃，对不同抗坏血酸体积、氯胺T质量浓度及体积进行试验，试验结果如表4。由表4可知，选取0.5 mL的1 g/L抗坏血酸溶液、1.0 mL 的1.0 g/L 氯胺T 溶液，最大吸光度约为0.977，且到达吸光度最大值的时间为44 s，可充分保证比色时间。

表4 抗坏血酸、氯胺T用量对应的最大吸光度及用时

2.5 线性方程与检出限

按照1.3 实验方法对碘离子系列标准工作溶液进行测定，溶液中碘的质量浓度为横坐标（x），吸光度强度为纵坐标（y），绘制标准工作曲线，线性方程（由于催化光度法的特殊性采用二项式建立线性方程）为y=0.105x2+ 0.267 6x，相关系数为0.999 5。表明碘的质量浓度在0.002 5～0.08 mg/L范围内与吸光度强度具有良好的线性关系。

以对空白样品连续测定12 次，以3 倍标准偏差计算方法检出限为0.25 mg/kg。按照0.5 g样品提取定容在50 mL 比色管，分取5 mL 测定进行换算，碘质量分数为0.25～8 mg/kg（核实），对于低含量样品可通过增大称样质量，高浓度样品可通过减少分取体积来增大测定范围。

2.6 精密度试验

取3组实验土壤样品碘含量低、中、高的实验室的土壤样品，按照本方法测定6次，测定结果见表5。由表5 可知，不同碘含量的土壤样品测定值的相对标准偏差为3.50%～9.40%，表明该方法具有良好的精密度。

表5 精密度试验结果

2.7 标准物质测定结果

取GBW 07409、GBW 07407a、GBW 07408a 3种标准物质，按照本方法分别测定6次，测定结果见表6。由表6可知，3种标准物质的测定值均在推荐值范围内，测定结果的相对误差小于5%，表明该法测定结果准确。

表6 正确度试验碘质量分数测定结果

2.8 方法对比

对3 组国家标准物质GBW 07409、GBW 07408a、GBW 07407a 分别采用超声提取-抗坏血酸还原-催化光度法、电感耦合等离子体质谱（ICPMS）法进行测量对比，测定结果见表7。由表7 可知，碘含量较高时两种方法测量值均接近推荐值；碘含量低时，超声提取-抗坏血酸还原-催化光度法测量值比ICP-MS 法测定值更接近推荐值，相对误差更小。利用ICP-MS法测定高浓度样品后需要用大量的空白溶液冲洗，否则仪器的记忆效应会对样品测定结果有很大影响；而催化光度法使用的仪器一般实验室均配备，且不要考虑高浓度样品对低浓度的干扰，样品处理无须离子交换树脂吸附除杂质，处理效率更高。