徐 芳
(湖南省分析測(cè)試中心有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
苧麻為蕁麻科苧麻屬多年生宿根性草本植物,又名銀苧、苧根、山麻. 作為一種重要的韌皮纖維作物,是我國(guó)的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特產(chǎn),其主要種植于浙江、湖南、廣西、廣東、云南和貴州等地[1]. 隨著土壤重金屬污染以及修復(fù)研究的不斷深入,學(xué)者們發(fā)現(xiàn)苧麻具有一定的富集重金屬的作用,且苧麻具有生長(zhǎng)速度快、不進(jìn)入食物鏈等特點(diǎn),適合進(jìn)行土壤重金屬污染的修復(fù)[2-3]. 根據(jù)苧麻這種特性,有專家研究出了苧麻微球來吸收廢水中Cd[4].
目前,土壤中重金屬的檢測(cè)方法主要有火焰原子吸收光譜法(FAAS)、石墨爐原子吸收光譜法(GF-AAS)、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等. 與傳統(tǒng)的FAAS和GF-AAS對(duì)重金屬的檢測(cè)相比,本文所采用的ICP-MS法具有硝酸使用少、對(duì)環(huán)境污染小且效率高等優(yōu)點(diǎn). 而與ICP-AES相比,此法具有分析精度高、干擾少、重現(xiàn)性好等特點(diǎn).
本文以苧麻根、莖、葉和花的4個(gè)部位預(yù)處理后作為樣品,采用硝酸-雙氧水-氫氟酸體系微波消解,ICP-MS測(cè)定111Cd、52Cr、75As、208Pb 4種元素含量,建立了一種準(zhǔn)確、快速測(cè)定苧麻不同部位多種元素含量的方法,有助于植物修復(fù)土壤重金屬的研究.
X seriesII 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司);TOPEX型全能型微波消解儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司);TOPEXG-400型智能控溫電加熱器(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司);CP214先行者精密型電子天平(美國(guó)奧豪斯儀器上海有限公司);UPT-I I-40L型超純水制備裝置(四川優(yōu)普超純科技有限公司).
硝酸、雙氧水、氫氟酸均為優(yōu)級(jí)純;試驗(yàn)用水為經(jīng)超純水制備裝置處理過的超純水,電阻率為18.25 MΩ.cm;Cr、As、Cd、Pb單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL,),Ge、Rh、Re單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL),Ba、Be、Bi、Ce、Ni、Pb、Li、Co、In、U調(diào)諧液10 mg/L:Multi-Element Tune A(Thermo Fisher Scientific),高純氬氣(≥99.999%).
苧麻采自長(zhǎng)沙近郊,其根、莖、葉、花分別采摘,
清理干凈,風(fēng)干,用精米機(jī)粉碎,分別封存于自封袋中. 每部位取樣30份.
用萬(wàn)分之一天平稱取0.1 g(精確到0.000 1 g)樣品于微波消解罐中,加入5 mL硝酸、1 mL雙氧水和1 mL氫氟酸,旋緊罐蓋,用微波消解儀消解,消解控溫程序如表1所列. 消解完成后,緩慢打開,揭蓋放氣,將消解罐在智能控溫電加熱器上160 ℃加熱趕酸40 min. 冷卻后,用去離子水將消解液準(zhǔn)確定容至25 mL,混勻備用.
表1 波消解程序Table 1 Conditions of microwave digestion
參照食品中重金屬檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)方法和相關(guān)ICP-MS檢測(cè)方法[5-7],首先,用1 μg/L的Tune A調(diào)諧液調(diào)諧儀器,使靈敏度、氧化物比例、雙電荷比例達(dá)到檢測(cè)要求,儀器參數(shù)如表2所列. 其次,編輯檢測(cè)方法,用快速提取方法自動(dòng)進(jìn)樣. 選擇待測(cè)元素鉛、鎘、鉻、砷的同位素及所選用的內(nèi)標(biāo)元素,如表3所列,同時(shí)輸入各待測(cè)元素曲線濃度.
表2 ICP-MS儀器檢測(cè)參數(shù)Table 2 Parameters in inductively coupled plasma mass spectrometry
由于ICP-MS是通過元素質(zhì)量數(shù)進(jìn)行分析,氧化物、同質(zhì)異位數(shù)、多原子離子容易形成干擾,即質(zhì)譜干擾,選擇合適的同位素可以避免此干擾. 根據(jù)待測(cè)元素的質(zhì)量數(shù)、相對(duì)豐度、同位素對(duì)應(yīng)的多原子離子干擾,確定待測(cè)元素的同位素和內(nèi)標(biāo)元素如表3. 此外,由于砷元素在分析過程中極易受到基體背景帶來的氬和氯的干擾,所以通過在檢測(cè)方法中編輯干擾校正公式[8](As75=M75-3.3132 208×Ar Cl77)的方法來排除干擾. 作物樣品相對(duì)于土壤樣品來說成分較純凈,同質(zhì)元素干擾少,無(wú)需編輯干擾校正公式.
表3 待測(cè)元素選擇的同位素和內(nèi)標(biāo)元素Table 3 Isotopes and internal standard elements for element under test
以空白樣品連續(xù)測(cè)定11次,儀器自動(dòng)得到標(biāo)準(zhǔn)偏差,以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算儀器檢出限,再根據(jù)稱樣量和定容體積得到方法檢出限. 各元素的方法檢出限分別為:52Cr 0.05 mg/kg,75As 0.02 mg/kg,111Cd 0.02 mg/kg,208Pb 0.03 mg/kg. 線性范圍分別為Cr 0.5~50 mg/kg、As和Cd均是0.1~12.5 mg/kg、Pb 0.2~25 mg/kg.
與莖、葉、花部位相比,苧麻根部較難消解,且成分略復(fù)雜. 因此,以根部樣品為基質(zhì),添加3個(gè)不同水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,添加鉻元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0、4.0、8.0 mg/kg,添加砷、鎘、鉛元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4、0.8、1.0 mg/kg,每個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)做6個(gè)平行,檢測(cè)樣品中鉻、砷、鎘、鉛4種重金屬元素含量,計(jì)算回收率和變異系數(shù). 結(jié)果顯示,試驗(yàn)回收率為80.0%~125%,RSD為0.018%~0.085%,在滿足檢測(cè)要求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了檢測(cè)限. 試驗(yàn)結(jié)果如表4所列.
表4 方法的精密度和添加回收率Table 4 Precision of method and spiked recovery
*: 6組平行
通過分析檢測(cè),得到了苧麻4個(gè)不同部位的4種不同重金屬元素的含量,結(jié)果如表5所列. 由表5可知,苧麻根部中的Cr、As、Pb含量均高于莖、葉和花,而Cd含量則是葉中的含量較高,這符合尹易成等[9]的研究,其研究發(fā)現(xiàn)由于海綿組織中的細(xì)胞外負(fù)載和葉肉細(xì)胞內(nèi)隔離空泡,Cd從根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn),提高葉片Cd積累量,4種含量均較低的部位是苧麻的花. 此結(jié)果為以后的苧麻富集作用途徑和土壤重金屬的轉(zhuǎn)移方式提供了前期參考,在今后的研究中,可以進(jìn)一步探討土壤與苧麻中的重金屬作用機(jī)理.
表5 苧麻根、莖、葉、花不同部位的4種重金屬元素含量Table 5 Contents of 4 heavy metal elements in root, stem, leaf and flower of ramie /(mg/kg)
(1)建立了通過硝酸體系進(jìn)行微波消解,加熱控溫趕酸后,首次提出使用ICP-MS對(duì)苧麻不同部位的重金屬進(jìn)行檢測(cè)的方法. 方法前處理操作簡(jiǎn)便,檢測(cè)限較低(Cr 0.05 mg/kg,As 0.02 mg/kg,Cd 0.02 mg/kg,Pb 0.03 mg/kg),檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確(回收率在80.0%~125%之間),分析速度快,靈敏度高,為苧麻不同部位重金屬的檢測(cè)提供了便利,有助于推動(dòng)苧麻吸附土壤重金屬課題的研究.
(2)本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),根部4種重金屬元素含量均高于莖、葉和花,其次是葉高于莖,花則最低,這可能與根直接接觸土壤有關(guān),而花在植物生長(zhǎng)階段是最晚發(fā)育的. 從元素含量分布來看,只有根是按照Cr、Pb、Cd和As的順序依次遞減,其他3個(gè)部位都是Cd含量最高,Cr和Pb次之,As的含量最低,可見相對(duì)于其他3種元素,苧麻各部位對(duì)砷的吸附效果較差.
[1] 朱睿,楊飛,周波,等. 中國(guó)苧麻的起源、分布與栽培利用史[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2014,30(12):258-266.[ZHU Rui, YANG Fei, ZHOU Bo, et al. Origin, distribution of boehmeria nivea and its history of cultivation and utilization in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014,30(12):258-266.]
[2] 朱守金. 苧麻對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)利用與鎘脅迫響應(yīng)基因研究[D]. 2014:5-6.[ZHU Shou-jin. The remediation and utilization of heavy metal contaminated soil and characteristics of Cd stress responsed genes in ramie(Boehmeria nivea (L.) Gaud.) [D].2014:5-6.]
[3] 黃閨,孟桂元,陳躍進(jìn),等. 苧麻對(duì)重金屬鉛耐受性及其修復(fù)鉛污染土壤潛力研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2013,29(20):148-152.[HUANG Gui, MENG Gui-yuan, CHEN Yue-jin, et al. Study on Pb tolerance and remediation potential of lead-contaminated soil of ramie[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2013,29(20):148-152.]
[4] 熊易鵬,蘇思維,夏明桂,等. 具有吸附鎘離子作用的羧甲基功能化多孔苧麻微球的制備[J].纖維素,2018:1-18.[XONG Yi-peng, SU Si-wei, XIA Ming-gui, et al. Fabrication of carboxymethyl-functionalized porous ramie microspheres as effective adsorbents for the removal of cadmium ions[J]. cellulose, 2018:1-18.]
[5] 國(guó)家衛(wèi)生和計(jì)劃生育委員會(huì), 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局. 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 5009.268-2016 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定.[National Food Safety Standard Food multi-element determination ,National Standards of the People’s Republic of China , GB 5009.268-2016.]
[6] 彭珍華,牛華,張學(xué)忠,等. ICP-MS同時(shí)測(cè)定松花粉中16種稀土元素[J]. 食品與營(yíng)養(yǎng)科學(xué),2013(2):16-19.[PENG Zhen-hua, NIU Hua, ZHANG Xue-zhong, et al. Simultaneous determination of 16 rare earth elements in pine pollen by ICP-MS[J]. Hans Journal of Food and Nutrition Science, 2013(2):16-19.]
[7] 胡安A V A Barros,Alex Virgilio,Daniela Schiavo, et al. 電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜法(ICP-MS / MS)測(cè)定植物中痕量鉬的含量[J]. 微化學(xué)雜志,2017(133):567-571.[Juan A V A Barros, Alex Virgilio, Daniela Schiavo, et al. Determination of ultra-trace levels of Mo in plants by inductively coupled plasma tandem mass spectrometry (ICP-MS/MS)[J]. Microchemical Journal,2017(133):567-571.]
[8] 袁靜. 微波消解ICP-MS測(cè)定土壤和底泥中的12種金屬元素[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè),2012,28(5):96-98.[YUAN Jing. Determination of 12 metals in soil and sediment by microwave digestion and ICP-MS[J]. Environmental Monitoring in China,2012,28(5):96-98.]
[9] 尹易成,王雅琴,劉云國(guó),等. 添加EDTA和NTA的鎘污染土壤上苧麻的鎘積累以及在外胚層和共質(zhì)體的轉(zhuǎn)運(yùn)[J]. RSC ADV, 15(5):47584-47591.[YIN Yi-cheng, WANG Ya-qin, LIU Yun-guo, et al. Cadmium accumulation and apoplastic and symplastic transport in Boehmeria nivea (L.)Gaudich on cadmium- contaminated soil with the addition of EDTA or NTA[J]. RSC Advances,15(5):47584-47591.]