基于微波消解/電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定土壤中全磷

楊麗華

(1.湖南省科學(xué)技術(shù)研究開發(fā)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省分析測(cè)試中心有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

磷元素廣泛存在于土壤中，是植物生長(zhǎng)的必要營(yíng)養(yǎng)元素之一，能增加作物產(chǎn)量，減少病蟲害的發(fā)生。但在農(nóng)業(yè)施肥過程中，絕大部分磷素被土壤吸附固定，磷的當(dāng)季利用率只有20%左右。如何降低土壤對(duì)磷的吸附，提高磷的利用率一直是科研人員關(guān)注的課題[1-3]。檢測(cè)磷在土壤中的全量，對(duì)科研及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)施肥有重大意義。

土壤全磷是指土壤中含磷礦物及有機(jī)磷化合物中磷的總量。目前土壤中的全磷一般參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用堿熔或者電熱板酸溶-鉬銻抗分光光度法進(jìn)行測(cè)定[4]，也有采用酶標(biāo)法[5]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[5-7]、近紅外光譜法[8]、連續(xù)流動(dòng)分析法[9]測(cè)定的報(bào)道。但標(biāo)準(zhǔn)方法樣品前處理過程繁瑣，化學(xué)試劑耗用量大，對(duì)操作人員要求高，危害性大；酶標(biāo)法與比色法原理基本相同，磷的顯色受酸度、時(shí)間、溫度等諸多因素的制約；譜線干擾是電感耦合等離子體發(fā)射光譜法的一大難題；近紅外光譜法不能對(duì)磷含量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)定，連續(xù)流動(dòng)分析法的試劑在線加入，酸度難以控制。微波消解技術(shù)因采用密閉系統(tǒng)，具有所需樣品與化學(xué)試劑量少，環(huán)境污染小，消解能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境[10]、食品[11]、醫(yī)藥[12]等領(lǐng)域。電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)多用于多種元素的同時(shí)檢測(cè)[10-12]，采用ICP-MS檢測(cè)磷元素的研究鮮見報(bào)道。本文采用微波消解處理樣品，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，采用ICP-MS碰撞池(CCTked)技術(shù)，建立了一種快速檢測(cè)土壤全磷的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

帶碰撞池具有CCTked功能的Xseries Ⅱ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermofisher Scientific公司)；UV-2450紫外可見分光光度計(jì)(日本Shimadzu公司)；Topex微波消解儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)；G-400趕酸儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)。

硝酸、氫氟酸、30%雙氧水為優(yōu)級(jí)純，四水合鉬酸銨、抗壞血酸、硫酸、氫氧化鈉為分析純，均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；酒石酸銻鉀(分析純)購(gòu)自西隴化工股份有限公司；二硝基酚(指示劑)購(gòu)自華東師范大學(xué)化工廠；磷酸二氫鉀(基準(zhǔn)試劑)購(gòu)自天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司。氬氣純度>99.999%，He/H2(H2：7%，He：93%)。實(shí)驗(yàn)用水為超純水(優(yōu)普超純水制造系統(tǒng)制備)，電阻率≥18.25 MΩ·cm。

稱取105 ℃烘干2 h的磷酸二氫鉀0.439 4 g，用水溶解定容至1 000 mL，制備得到磷的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(100 mg/L)；土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07454、GBW07456、GBW07424由地球物理化學(xué)勘查研究所提供。

1.2 樣品前處理

農(nóng)田土壤樣品的制備：取0～20 cm土層的農(nóng)田土壤(湖南常德漢壽地區(qū))，風(fēng)干，去除雜物，木頭敲碎，瑪瑙碾缽碾磨，過0.149 mm孔徑篩，混勻，裝瓶密封。

準(zhǔn)確稱取0.1(±0.000 1) g土壤樣品置于聚四氟乙烯微波消解管中，分別加入硝酸6 mL，氫氟酸2 mL，雙氧水1 mL，輕微搖動(dòng)后蓋上管蓋，套上外管，擰緊密封，置于微波消解儀中選用40罐消解，消解步驟如下：① 110 ℃保持2 min，② 140 ℃保持5 min，③ 180 ℃保持10 min，④ 200 ℃保持30 min。消解完畢，儀器降溫后，取出內(nèi)管，置于趕酸儀上趕酸至約2～3 mL(趕酸溫度140 ℃)，然后將微波消解管取出，放置至室溫，轉(zhuǎn)移消解液至50 mL容量瓶中，超純水定容，靜置待測(cè)?？瞻装磁c樣品相同方法處理。

1.3 儀器條件

將電感耦合等離子體質(zhì)譜儀調(diào)到CCTked模式，碰撞氣為He/H2，采用FPA材質(zhì)的霧化器，優(yōu)化后的儀器參數(shù)見表1。

表1 ICP-MS儀器工作條件Table 1 ICP-MS instrument working conditions

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品處理

測(cè)定土壤中的全磷時(shí)，一般采用堿熔法或者電熱板酸溶法進(jìn)行消解，如LY/T 1232-2015[4]中采用硫酸-高氯酸和硝酸-高氯酸-氫氟酸消解，但消解過程中需不時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)消解容器，且易發(fā)生溶液飛濺現(xiàn)象，對(duì)操作人員要求較高，操作過程繁瑣。微波消解采用高壓全密閉系統(tǒng)，消解能力強(qiáng)，消解過程中樣品無損失，同時(shí)隔絕了周圍環(huán)境對(duì)樣品的污染，對(duì)于批量樣品的消解更顯優(yōu)勢(shì)，很大程度地解放了人力。由于高氯酸在微波消解罐中有爆炸的危險(xiǎn)，故本實(shí)驗(yàn)采用硝酸-氫氟酸-雙氧水消解體系，并優(yōu)化了3種試劑的加入量和程序升溫過程，確保樣品消解完全。結(jié)果表明：加長(zhǎng)微波消解溫控程序在高溫段的停留時(shí)間，消解效果更好。在相同的升溫程序下，5 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2可以將0.1 g農(nóng)田土壤樣品消解完全，而標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品用6 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2方可完全消解。本方法采用6 mL HNO3+2 mL HF+1 mL H2O2，程序升溫，低溫停留時(shí)間短，高溫段停留時(shí)間長(zhǎng)的微波消解條件。消解完全的樣品溶液呈無色或淡黃色。土壤不同消解條件可能會(huì)不同。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

CCTked模式下，碰撞氣為He/H2混合氣體，用20 μg/L 的In(2%鹽酸稀釋)進(jìn)行儀器調(diào)諧，調(diào)整儀器參數(shù)使In的離子計(jì)數(shù)滿足測(cè)量要求，氧化物比率和雙電荷比率盡量調(diào)低，詳見表1。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碰撞氣的流量對(duì)儀器靈敏度影響較大，流量加大，磷的基體干擾明顯減少，同時(shí)目標(biāo)元素的CPS也降低。為獲得合適的信噪比，選用碰撞氣流量為4.0 mL/min。因土壤鹽分較高，實(shí)驗(yàn)采用耐鹽性較好的Xt截取錐，31P定量。

2.3 干擾消除

采用內(nèi)標(biāo)法消除基質(zhì)效應(yīng)，但由于土壤基質(zhì)復(fù)雜，很難找到與之匹配而基質(zhì)中又沒有的元素，本文選用在基質(zhì)中比較穩(wěn)定的72Ge作為內(nèi)標(biāo)。本方法中，質(zhì)譜干擾主要來自17OH+14N(99.4%),16O+15N,采用碰撞池(CCTked)技術(shù)，以He/H2作為碰撞氣，對(duì)多原子干擾的消除有較好的效果。這是因?yàn)槎嘣覰OH、NO等體積大，被碰撞的機(jī)會(huì)多，能量消耗大，隨著碰撞次數(shù)的增多，與目標(biāo)分析物P+的動(dòng)能差異越來越大，從而可實(shí)現(xiàn)碰撞能量過濾，使之無法進(jìn)入四極桿，進(jìn)而達(dá)到消除質(zhì)譜干擾的目的。

2.4 與鉬銻抗分光光度法的比較

取磷的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液10.0 mL于100 mL容量瓶中，用水定容，配成10 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)中間液。以此標(biāo)準(zhǔn)中間液配制質(zhì)量濃度分別為0、16、40、200、400、1 000、2 000 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液(2%的硝酸定容)，供ICP-MS分析；同時(shí)配制質(zhì)量濃度為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。參照LY/T 1232-2015進(jìn)行鉬銻抗分光光度法檢測(cè)。以標(biāo)準(zhǔn)溶液磷的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，離子計(jì)數(shù)/吸光度為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。ICP-MS和鉬銻抗分光光度法的線性方程分別為y=0.228 4x+1.152(0～2 000 μg/L，r2= 0.999 98)，y=0.504x+0.000 9(0～0.6 mg/L，r2=0.999 84)，檢出限(LODL，(LODL=3S/K))分別為5、20 μg/L。其中，ICP-MS法換算成固體樣品的檢出限為2.5 μg/g(LODS=LODL×50/0.1/1 000，根據(jù)0.1 g樣品，50 mL定容體積計(jì)算)。 結(jié)果顯示：ICP-MS法的線性范圍和檢出限優(yōu)于鉬銻抗分光光度法。

分別采用上述兩種方法對(duì)土壤中的全磷進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。t檢驗(yàn)(t0.05,4=2.78)結(jié)果顯示，兩種方法無顯著性差異。鉬銻抗分光光度法的線性范圍較窄，濃度高的樣品需要重新稀釋，操作過程應(yīng)嚴(yán)格控制酸度、顯色時(shí)間、溫度，操作過程繁瑣；而 ICP-MS法具有超寬的線性范圍，在滿足溶液鹽分合適(檢測(cè)過程中內(nèi)標(biāo)穩(wěn)定，其比率不持續(xù)走低，說明溶液鹽度適合)的前提下無需再稀釋樣品，批量樣品可以選擇統(tǒng)一的稀釋倍數(shù)一次測(cè)定，操作過程簡(jiǎn)單、快速。

表2 土壤中全磷不同檢測(cè)方法的結(jié)果比較(n=5)Table 2 Comparison of results of different detection methods of total phosphorus in soil (n=5)

2.5 加標(biāo)回收率及檢出限

用建立的方法檢測(cè)農(nóng)田土壤樣品，取按“1.2”處理過的樣品5 mL于25 mL容量瓶中，分別進(jìn)行低、中、高3個(gè)濃度的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。其回收率為94.0%～103%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.8%～4.2%。

表3 土壤樣品的回收率及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 3 Recoveries and relative standard deviations of soil(n=3)

3 結(jié) 論

建立了微波消解/ICP-MS法測(cè)定土壤中全磷的方法，其線性范圍為0～2 000 μg/L,r2=0.999 98，檢出限為5 μg/L，固體樣品的檢出限為2.5 μg/g,加標(biāo)回收率為94.0%～104%，檢測(cè)結(jié)果與鉬銻抗分光光度法無顯著性差異，具有檢出限低，線性范圍寬，樣品處理快速、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，可以滿足土壤全磷快速測(cè)定的需要。此外，微波消解處理后的溶液還可用于土壤中其他元素的檢測(cè)。

致謝:感謝羅學(xué)蘭董事長(zhǎng)對(duì)本工作的大力支持；感謝徐芳、陳涓提供的幫助。