高原条件下原子荧光法测定土壤中的砷和汞

2023-12-14潘崇双

西藏农业科技 2023年3期

潘崇双

（西藏自治区农牧科学院农业质量标准与检测研究所，西藏拉萨 850032）

“十四五”规划和2035 年远景目标明确要求，以保障国家粮食安全为底线，坚持最严格的耕地保护制度，守牢耕地红线，推动“藏粮于地、藏粮于技”落实落地。由于现代工业的快速发展以及化肥、农药的过度使用，大量重金属进入土壤，以各种形态存在于土壤中并表现出不同的活性和生物毒性［1-2］。土壤重金属污染具有隐蔽性强、不易检测的特点，因此，研究土壤重金属分析方法对于指导农业生产和环境保护，保障粮食安全意义重大。

目前用于检测土壤中总砷和总汞的方法有原子荧光法，如GB/T 22105—2008［3］、NY/T 1121—2006［4］、NY/T 3788—2020［5］、HJ 680—2013［6］等；分光光度法，如GB/T 17134—1997［7］；电感耦合等离子体质谱法，如DB43/T 1220—2016［8］；冷原子吸收分光光度法，如GB/T 17136—1997［9］、HJ 923—2017［10］；其他方法，如能量色散型X 射线荧光光谱法、阳极溶出伏安法等。原子荧光光谱法因其性价比高、操作简便、准确度高等优点而被广泛使用［11-25］。

《土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法》（GB/T 22105—2008）是测定土壤中总砷和总汞最常使用的国家标准，由于高原环境中大气压力、环境温度均不同程度降低，按照国标GB/T 22105在高原条件下测定砷和汞的结果常常偏低。针对上述问题，本文主要讨论了不同前处理对测定结果的影响，并在GB/T 22105—2008 的基础上对前处理进行了优化，希望摸索出适合高原环境下测定土壤样品中的总砷和总汞的前处理方法。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

试剂为盐酸、硝酸、硫酸、重铬酸钾、硼氢化钾、氢氧化钾、硫脲、抗坏血酸，均为优级纯；汞、砷标准溶液（浓度均为100 μg/mL）。土壤样品：土壤标准物质GBW07424（GSS-10）、土壤标准物质GBW07401a（GSS-1a）、土壤标准物质GBW07402a（GSS-2a）。

1.2 仪器

主要仪器为AFS-9700型双道原子荧光光度计（北京海光），砷空心阴极灯，汞空心阴极灯，电子天平，水浴锅。

1.3 土壤样品前处理

样品前处理采用水浴消解，具体参照GB/T 22105.1 的5.1 和GB/T 22105.2 的5.1 部分。选择5种前处理方法消解土壤成分分析标准物质（GSS-10、GSS-1a、GSS-2a），分别设为A 组、B 组、C 组、D组和E组。

A 组：称取土壤样品于消解管中，加入（1+1）王水10 mL 后摇匀，置于沸水浴中消解2 h，中间摇动几次，取下冷却。总汞：立即加入10 mL 保存液，用稀释液稀释至刻度，摇匀后静置1 h，取上清液待测。总砷：比色管用超纯水定容后摇匀，静置至溶液澄清，约1 h。吸取一定量上清液于容量瓶中，依次加入3 mL HCl、5 mL 硫脲-抗坏血酸溶液，用超纯水定容后摇匀静置待测。

B 组：称取土壤样品于消解管中，加入（1+1）王水10 mL 后摇匀静置过夜。次日于沸水浴中消解2 h，中间摇动几次，取下冷却。总汞：立即加入10 mL保存液，用稀释液稀释至刻度，摇匀后静置1 h，取上清液待测。总砷：比色管用超纯水定容后摇匀，静置至溶液澄清，约1 h。吸取一定量上清液于容量瓶中，依次加入3 mL HCl、5 mL 硫脲-抗坏血酸溶液，用超纯水定容后摇匀静置待测。

C组：称取土壤样品于消解管中，加入（1+1）王水10 mL后摇匀，置于沸水浴中消解3 h，每隔30 min摇匀一次，取下冷却。总汞：立即加入10 mL 保存液，用稀释液稀释至刻度，摇匀后静置1 h，取上清液待测。总砷：比色管用超纯水定容后摇匀，静置至溶液澄清，约1 h。吸取一定量上清液于容量瓶中，依次加入3mL HCl、5 mL硫脲-抗坏血酸溶液，用超纯水定容后摇匀静置待测。

D组：称取土壤样品于消解管中，加入（1+1）王水10 mL后摇匀，置于沸水浴中消解4 h，每隔30 min摇匀一次，取下冷却。总汞：立即加入10 mL 保存液，用稀释液稀释至刻度，摇匀后静置1 h，取上清液待测。总砷：比色管用超纯水定容后摇匀，静置至溶液澄清，约1 h。吸取一定量上清液于容量瓶中，依次加入3 mL HCl、5 mL 硫脲-抗坏血酸溶液，用超纯水定容后摇匀静置待测。

E组：称取土壤样品于消解管中，加入（1+1）王水10 mL后摇匀，置于沸水浴中消解3 h，每隔30 min摇匀一次，取下冷却。立即加入10 mL 保存液，用超纯水稀释至刻度，摇匀后静置1 h，取上清液直接进行汞的测定。同一消解液吸取5 mL上清液于50 mL容量瓶中，加入3 mL 盐酸，5 mL 硫脲-抗坏血酸溶液，用超纯水定容后摇匀，静置1 h 后进行砷的测定。

1.4 仪器工作参数和实验条件

仪器工作参数设置详细见表1，实验条件详细见表2。

表1 仪器工作参数

表2 实验条件

1.5 标准曲线的绘制及样品的测定

配制As含量分别为0、1、2、4、6、8、10、20 ng/mL的系列标准溶液以及Hg 含量分别为0、0.05、0.1、0.2、0.4、0.8 ng/mL的系列标准溶液。

将砷、汞系列标准溶液、标准空白、样品空白以及样品溶液先后放入进样器内，在表1 设置的工作参数下，按照仪器操作规程进行测定。如若测定值超出曲线范围，则需要稀释后再进行测定。

1.6 数据处理

所有数据采用Excel 和SPSS 软件进行统计分析。检测结果保留3位有效数字，As在重复条件下测定结果的相对偏差不得超过7%，Hg 在重复条件下测定结果的相对偏差不得超过12%。

2 结果与讨论

2.1 总砷的测定结果

原子荧光光谱法测定土壤标准物质中总砷，标准曲线线性方程：If=223.981*C+3.564，相关系数r2=0.999 9；各组前处理方法后测定的总砷结果见表3。

表3 各组前处理方法测定总砷的结果（n=3）

由于高原环境下气候条件特殊，通过设定不同前处理时间，讨论沸水浴时间对测定结果的影响。A 组是按照GB/T 22105.2 进行前处理，土壤样品在沸水浴中消解2 h。但是经过测定后发现，A 组的总砷结果低于标准物质参考值，消解效果并不理想。与A组相比，B组在A组的基础上静置过夜，消解后测定的总砷结果在标准物质参考值范围内。C组和D组比A组增加了沸水浴时间，结果表明，沸水浴3、4 h测定的总砷均在土壤成分分析标准物质中的总砷参考值范围内，以C 组（沸水浴3 h）效果最佳，RSD和回收率也较好。

吴旸等［26］按照GB/T 22105.2 对GSS-8a 进行前处理，土壤样品在沸水浴中消解2 h后采用原子荧光光谱法测定总砷，其结果在参考值（13.2±1.4）mg/kg范围内，RSD为2.3%。笔者实验室位于海拔3 658 m、大气压强为643 hPa 的西藏拉萨，高原条件下水浴锅沸水温度最高达到89.1 ℃，而土壤中的砷存在形态较为复杂，高原条件下按照GB/T 22105 消解2 h容易消解不完全，测定总砷的结果会偏低，RSD 也会因样品消解程度不一样而受影响。此外，笔者也尝试减少称样量，虽然过少的样品易消解完全，但是结果RSD易偏高，重复性较差。

综合考虑时间成本，在高原条件下（海拔3 658 m，沸水浴温度89 ℃），称样量0.2 g 左右，沸水浴时间达到3 h时才能将土壤中的砷消解完全。

2.2 总汞的测定结果

原子荧光光谱法测定土壤标准物质中总汞，标准曲线线性方程：If=5 837.987*C+6.387，相关系数r2=1.000 0。各组前处理方法后测定总汞的结果见表4。

表4 各组前处理方法测定总汞的结果（n=3）

A 组按照GB/T 22105.1，土壤样品在沸水浴中消解2 h。消解后测定的总汞结果符合土壤成分分析标准物质中的总汞参考值范围。与A 组相比，B组在A 组的基础上静置过夜，C 组在A 组的基础上沸水浴3 h，消解后B 组和C 组测定的总汞结果比A组稍高，均在土壤成分分析标准物质中的总汞参考值范围内，但是RSD和回收率相对较好。如果沸水浴时间过长（≥4 h），总汞测定结果则低于土壤成分分析标准物质中的总汞参考值。

综上所述，与砷相比，土壤中的汞含量较低，高原条件下沸水浴温度（89 ℃）较低的情况下，按照GB/T 22105 中消解2 h 容易也能够消解完全，回收率80%～120%。如若样品静置过夜或者沸水浴3 h，则测定结果的重复性较好。

2.3 同时测定土壤中的总砷和总汞的前处理方法

2.3.1 测定结果

在确定了最佳消煮时间的基础上，本试验尝试用同一种前处理方法测定As 和Hg。E 组具体操作为：0.2 g 土壤样品加入10 mL（1+1）王水后摇匀，沸水浴3 h 取下冷却，加入10 mL 保存液后用水定容。取一定量上清液直接测定Hg；再取一定量上清液置于50 mL 容量瓶中，加入3 mL 盐酸和5 mL 硫脲-抗坏血酸溶液后用水定容后摇匀，静置1 h 后进行总As的检测。

As 和Hg 的检测结果如表2、表3 所示，E 组总砷和总汞的测定结果均在土壤成分分析标准物质参考值范围内，总砷的RSD≤7%，总汞的RSD≤12%，回收率也均在80%～120%范围内。

2.3.2 方法检出限

按照E 组方法进行前处理后用AFS-9700 型双道原子荧光光度计连续11 次测定空白的荧光强度，计算空白结果的标准偏差。检出限的计算公式为：检出限=t（n-1，0.99）×标准偏差，得出As 和Hg的检出限为0.026 5 ng/mL、0.015 8 ng/mL。以4 倍检出限作为测定下限，得出As 和Hg 的测定下限为0.106 1 ng/mL、0.063 2 ng/mL。具体见表5。