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微波消解/ICP-AES法测定土壤中的环境有效态金属元素*
陈丰 刘芳1 ,沈良华2
1.上海市环境监测中心，上海，200030
2.Milestone中国办事处，北京，100101
摘要：本文采用微波消解样品处理技术，结合ICP-AES法测定土壤中Ag、As、Cr、Cu、Mo、Pb、Sn、Co等16种环境有效态金属元素。研究表明，该方法与传统的酸解法样品处理相比，不但分析结果相吻合，而且更具有快速、高效、清洁、污染少等优点，完全能满足环境分析的要求。
关键词：微波消解；ICP-AES；土壤；环境有效态金属元素
前言
土壤是宝贵而有限的自然资源之一，是农业最基本的生产资料。污染了的土壤，不但直接表现在引起土壤本身的理化、生物学性质发生变化，使土壤生产力下降，而且通过以土壤为起点的土壤→植物→动物→人的食物链，使某些有害物质在农业产品中不断富集起来，引起生物与人类受害、致病甚至死亡，土壤一旦遭受污染，特别是重金属的污染，将很难得到消除，因此，对土壤的监测至关重要。
随着AA、ICP-AES、ICP-MS等分析仪器的应用，样品的上机测定速度和精度得到很大的提高，但传统的土壤样品消解技术手续繁琐、耗时长、易交叉污染，消解过程还会产生有害气体影响环境，成为整个分析过程的薄弱环节和瓶颈。微波消解技术所具有的快速、高效、用量少，背景值低等特点能很好地解决这一问题，已逐渐为广大分析工作者所青睐。
1. 实验部分
1.1 仪器
1) 微波消解系统：意大利Milestone公司的MLS-1200型高压微波消解炉，MPR-100/10s 消解转子带10个Teflon-TEM高压消解罐
2) 等离子体发射光谱：美国热电公司的 IRIS 1000全谱直读型ICP-AES（双向观察）
1.2 试剂
1) 混合标准溶液：用美国 SPEX公司的金属标准储备溶液稀释而成，酸度为5%(V/V)的硝酸，浓度分别为1ug/mL、2ug/mL、5ug/mL，元素包括需要研究的16种（Ag、Al、As、Ba、Be、Co、Cr、Cu、Mn、Mo、Ni、Pb、Sn、Sr、V、Zn）
2) 优级纯的硝酸（65%）、盐酸（35%）、双氧水（30%）
3) 试剂用水为去离子水
1.3 试验步骤
1) 土壤样品预处理：土壤样品采取后自然风干，用玛瑙研钵研磨，通过100目筛。
2) 微波消解：准确称量0.500克样品，放入干净Teflon-TEM样品消解罐中，加入6mL硝酸、3mL盐酸和0.25mL双氧水。以试验获得的最佳功率、时间和温度（见表1）进行消解。消解完毕后，水冷15分钟，打开消解罐，转移消解液于50mL容量瓶中，用去离子水定容至刻度，上ICP-AES进行测定。整个消解过程只需45分钟。
表1 微波消解条件
|
步骤 |
时间（min） |
功率（W） |
温度（℃） |
|
1 |
00：05：00 |
250 |
-- |
|
2 |
00：01：00 |
0 |
-- |
|
3 |
00：10：00 |
250 |
175 |
|
4 |
00：05：00 |
450 |
175 |
*本文所指的金属元素环境有效态，在美国EPA3051标准方法中的定义是指易于被生物所利用而造成环境影响的金属形态，主要以浓硝酸在特定条件下提取得到。
3) 传统酸消解：以美国EPA3050B的消解方法（略），整个消解过程耗时近6小时。
4) ICP-AES的工作条件：高频功率1150W、载气压力25Psi、辅助气流量 1.0 L/min，双向等离子体观察方式（表2中带*的元素用垂直观察，其余元素为水平观察）。
5) 各元素分析线波长和土壤中方法检出限MDL，如下表2：
表2 元素分析线波长及土壤中方法检出限MDL（mg/kg）
|
元素 |
波长 |
检出限 |
元素 |
波长 |
检出限 |
|
Ag |
328.0 |
0.1 |
Mn* |
257.6 |
0.1 |
|
Al* |
308.2 |
1.0 |
Mo |
204.5 |
0.3 |
|
As |
193.7 |
1.0 |
Ni |
231.6 |
0.2 |
|
Ba* |
455.4 |
0.03 |
Pb |
220.3 |
1.0 |
|
Be |
313.0 |
0.05 |
Sb |
206.8 |
1.5 |
|
Cd |
228.8 |
0.1 |
Se |
196.0 |
1.0 |
|
Co |
228.6 |
0.2 |
Sn |
189.9 |
1.0 |
|
Cr |
267.7 |
0.3 |
Sr* |
407.7 |
0.06 |
|
Cu |
324.7 |
0.1 |
V |
292.4 |
0.1 |
|
Fe* |
259.9 |
0.5 |
Zn |
213.8 |
0.3 |
2. 结果与讨论
1) 本文是以EPA3050B为基础，对大部分样品来说，此方法不是全溶解技术，但这是一个非常强的消解过程，可以溶解环境分析中需获得的元素。对于嵌入在硅酸盐结构中的元素，通常不能被此方法溶解，就像在环境中它们通常不移动一样。
2) 精密度：取六份黄土平行样品，按照样品分析步骤进行微波消解和测定，其精密度RSD除了Ag、As、Pb在5%左右外，其他各元素均在2%左右。
3) 回收率：在黄土样品中加入一定量（和实际样品含量相当）的待测元素的标准溶液，按样品分析步骤进行微波消解和测定，其加标回收率在85.0-97.0%。
4) 对照试验：取黄色红壤和黄土样品分别以微波消解和传统的酸解法处理样品，ICP-AES测定，结果表明，两种样品消解技术的相对误差RSD均在10%以内，数据基本吻合。
5) 样品测定： 我国土壤类型繁多，成土母质及成土过程差异很大。我们用此方法对黄红壤、黄色石灰岩、黄棕壤、栗钙土进行了测定，结果较好（略）。
研究结果表明，用微波消解技术结合ICP-AES测定土壤中16种环境有效态金属元素，与传统酸解法处理样品相比，不但结果基本一致，而且微波消解更具有快速、高效、试剂用量少、不易沾污、减少了酸气对分析人员的伤害等优点，能满足环境分析的要求。
参考文献：
1郭振库等译。分析化学中的微波制样技术-原理及应用。北京，气象出版社。1992
2 H.M. Kingston and Lois B. Jassie. Introduction to microwave Sample Preparation, American Chemical Society,Washington,DC,1988
3 Microwave Application Notes for Acid Digestion. Application Note EW-4
4 EPA 3050B
The Detection of metal elements in an effective state of environment in soil with microwave digestion and ICP-AES
Chen Feng Liu fang1, Shen Lianghua2
1.The environment detection center of Shanghai，Shanghai，200030
2. Thermo Elemental China office，Shanghai，200235
Abstract：This paper describes a new method that detects sixteen elements in an effective state of environment in soil with microwave digestion and ICP-AES. The result shows that the new method is faster, more effective, more clean and less pollution compared with EPA method 3050B and can meet the requirement of environment analysis.
Key words: microwave digestion, ICP-AES, soil, elements in an effective state of environment