混合酸溶樣氫化物發(fā)生–原子熒光光譜法同時(shí)測(cè)定土壤中的硒和鍺

楊小斌，張鑫，文嘉明，陳艾利

（核工業(yè)二三0 研究所，長沙 410007）

硒和鍺是兩種非常重要的可維持人體生命活動(dòng)的微量元素，其中鍺有細(xì)胞生成促進(jìn)劑的作用，適當(dāng)攝入含硒和鍺的有機(jī)化合物能夠提高人體抗腫瘤、消除體內(nèi)自由基的能力并增強(qiáng)機(jī)體免疫力，是幫助人體抵制自然環(huán)境污染侵害，防病健身的有效途徑，但如果過量攝入硒、鍺可能出現(xiàn)中毒反應(yīng)［1–5］。硒和鍺都可以從土壤中通過食物鏈向人體遷移，人類從食物鏈中獲取適量的硒和鍺是最安全有效的可靠途徑［6］，因此對(duì)土壤中硒和鍺的含量進(jìn)行準(zhǔn)確的分析具有重要意義。

土壤中硒、鍺含量的主要測(cè)定方法有光度法、原子吸收(AAS)法、X 射線熒光光譜(XRF)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP–OES)法、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP–MS)法［7–11］，這幾種分析方法均有一些不足之處，如靈敏度低，檢出限高，分析時(shí)間長，操作繁瑣等。其中ICP–MS 法雖然靈敏度高，檢出限較低，但用于測(cè)定硒時(shí)氬氣會(huì)形成多原子離子(Ar2+)，與待測(cè)離子質(zhì)荷比相同而干擾測(cè)定，而且ICP–MS 法檢測(cè)成本較高。絕大部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)在測(cè)定土壤中硒和鍺的含量時(shí)首選氫化物發(fā)生原子熒光光譜（HG–AFS）法［12–16］。近年來由于激發(fā)光源（特制空心陰極燈）、原子化器、氫化物發(fā)生與原子熒光光譜聯(lián)用分析技術(shù)的快速發(fā)展，氫化物發(fā)生–原子熒光光譜分析技術(shù)的應(yīng)用更為廣泛，該方法具有干擾少、靈敏度高、準(zhǔn)確度高、檢出限低、線性范圍寬、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)儀器價(jià)格低廉也為該方法的推廣提供了便利。目前，氫化物發(fā)生–原子熒光光譜法可測(cè)定各類樣品中痕量和超痕量的砷、汞、銻、鉍、硒、鍺、鉛、錫、碲、鋅和鎘等11 種元素［17–24］。

目前針對(duì)土壤中硒和鍺含量的測(cè)定，國內(nèi)報(bào)道的方法均為硒、鍺單元素測(cè)定技術(shù)，利用氫化物發(fā)生–原子熒光光譜法測(cè)定土壤中硒和鍺的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)也都是單元素測(cè)定法［25–26］，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種元素的樣品前處理方法不同，因?yàn)槲南怏w系中需要使用鹽酸，且硒在溫度高于150℃時(shí)會(huì)有所損失，而鍺在氯離子存在時(shí)，86℃以上就會(huì)揮發(fā)，因此消解體系中若含有氯離子，會(huì)導(dǎo)致鍺的測(cè)定結(jié)果偏低［27–29］。

筆者采用硝酸–氫氟酸–高氯酸–濃硫酸混合酸消解體系，在磷酸介質(zhì)中，硒、鍺與硼氫化鉀進(jìn)行氫化物發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而利用原子熒光光譜法對(duì)硒和鍺同時(shí)測(cè)定，消除了硒、鍺需要分體系消解且只能單獨(dú)測(cè)定的弊端。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

雙通道原子熒光光度計(jì)：AFS–8800 型，配硒、鍺元素空心陰極燈，北京海光儀器有限公司；

石墨電熱板：JRY–D350–A 型，湖南金蓉園儀器設(shè)備有限公司；

電子分析天平：ML204／02 型，梅特勒–托利多儀器（上海）有限公司；

超存水制備儀：ZWL–PA2–10 型，中沃實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備有限公司；

硝酸、硫酸、氫氟酸、高氯酸：均為優(yōu)級(jí)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

鹽酸、磷酸：均為優(yōu)級(jí)純，成都市科隆化學(xué)品有限公司；

三氯化鐵晶體（FeCl3·6H2O）：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

硼氫化鉀、氫氧化鉀：均為優(yōu)級(jí)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；

硒、鍺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液：質(zhì)量濃度均為1 000 mg／L，國家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；

氬氣：純度為99.999%，長沙賽眾特種氣體有限公司；

2.0%硼氫化鉀–0.5%氫氧化鉀溶液：稱取20 g 硼氫化鉀于預(yù)先加有5 g 氫氧化鉀的500 mL 超純水中，用玻璃棒攪拌至溶解，加水稀釋至1 000 mL，攪拌均勻，此溶液需現(xiàn)用現(xiàn)配；

土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號(hào)分別為GBW 07405，GBW 07408，GBW 07429，GBW 07449，GBW 07453，GBW 07457，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；

實(shí)驗(yàn)所用玻璃器皿均使用20%硝酸溶液浸泡24 h 以上，洗凈之后方可使用；

實(shí)驗(yàn)用水：超純水，電阻率為18.25 M?·cm。

1.2 儀器工作條件

原子化器高度：8 mm；空心陰極燈電流：硒、鍺燈均為80 mA；光電倍增管負(fù)高壓：270 V；載氣流量：300 mL／min；屏蔽氣流量：800 mL／min；測(cè)量方法：標(biāo)準(zhǔn)曲線法；標(biāo)準(zhǔn)曲線校正方式：單點(diǎn)校正；空白判別值：5；讀數(shù)方式：峰面積；讀數(shù)時(shí)間14 s；延遲時(shí)間：1 s。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

用鹽酸溶液（1∶4）將1 000 mg／L 硒標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋至1 μg／mL 的硒標(biāo)準(zhǔn)使用液；用磷酸溶液（1∶9）將1 000 mg／L 鍺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋至2 μg／mL 的鍺標(biāo)準(zhǔn)使用液。取7 只清洗并干燥好的100 mL 容量瓶，分別準(zhǔn)確移取0.00，0.10，0.20，0.40，0.80，1.60，2.00 硒 標(biāo) 準(zhǔn) 使 用 液 和0.00，0.25，0.50，1.00，2.00，4.00，5.00 mL 鍺標(biāo)準(zhǔn)使用液，依次加入磷酸溶液（1∶1）20 mL，鹽酸溶液（1∶1，含鐵鹽）40 mL，用超純水定容至100 mL，搖勻，配制成系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中硒的質(zhì)量溶度依次為0.00，1.00，2.00，4.00，8.00，16.00，20.00 μg／L；鍺的質(zhì)量濃度依次為0.00，5.00，10.00，20.00，40.00，80.00，100.00 μg／L。

儀器開機(jī)預(yù)熱穩(wěn)定后，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)空白，再由低濃度到高濃度依次測(cè)定系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，以標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度為自變量、熒光強(qiáng)度為因變量，儀器自動(dòng)擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程。

1.4 樣品前處理方法

稱取0.250 0 g 土壤樣品（精確至0.1 mg）于25 mL 聚四氟乙烯坩堝中，加幾滴水潤濕后，依次加入的硫酸溶液（1∶1）1 mL、5～10 mL 硝酸、3 mL 氫氟酸、1 mL 高氯酸，將坩堝置于石墨電熱板上恒溫加熱（電熱板溫度控制在140℃），加熱至剛冒白煙時(shí)小心取下；待坩堝自然冷卻后，加入10 mL 超純水，繼續(xù)溫?zé)嶂聋}類溶解，用超純水將溶液全部轉(zhuǎn)移至25 mL 玻璃比色管中，加入磷酸溶液（1∶1） 5 mL（或濃磷酸2.5 mL ）、鹽酸溶液（1：1，含鐵鹽）10 mL，用超純水稀釋至標(biāo)線，搖勻，溶液中三價(jià)鐵離子的最終質(zhì)量濃度為1 mg／mL，放置至澄清。

1.5 樣品測(cè)定

儀器開機(jī)，將原子化器預(yù)熱30 min 以上，調(diào)節(jié)至最佳工作條件。以2.0%硼氫化鉀溶液–0.5%氫氧化鉀溶液作為還原劑，10%磷酸溶液作為載流液，將進(jìn)樣管、還原劑管、載流液管插入相應(yīng)的試劑溶液中，壓緊蠕動(dòng)泵，導(dǎo)入還原劑及空白介質(zhì)溶液5～10 min，測(cè)定系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。然后在相同的條件下測(cè)定樣品空白、試樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品消解體系的選擇

由于土壤成分相對(duì)復(fù)雜，不同的消解體系會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果有較大的影響。筆者選用硝酸–氫氟酸–高氯酸–濃硫酸的濕法消解體系。與單一酸消解體系相比，這種混合酸的消解體系不僅試劑用量少，試劑的氧化能力也得到增強(qiáng)；高氯酸的加入可有效破壞土壤中的有機(jī)質(zhì)；同時(shí)消解溫度控制在140℃可避免因溫度過高而導(dǎo)致硒的損失；而采用在樣品消解完并冷卻之后再加入鹽酸，既滿足了硒的測(cè)量要求，又避免了在溫度高于86℃時(shí)引入氯離子而造成鍺的揮發(fā)損失。

2.2 儀器工作條件的選擇

2.2.1 原子化器高度

原子化器的高度即火焰的觀測(cè)高度，是關(guān)系到樣品是否穩(wěn)定、測(cè)定結(jié)果是否準(zhǔn)確的先決條件，原子化器高度過小，會(huì)使儀器的散射光形成較強(qiáng)的背景信號(hào)，信噪比降低，還會(huì)產(chǎn)生氣相干擾，檢出限變高；而原子化器高度過大又會(huì)降低儀器的靈敏度和精密度。筆者依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)方法推薦的儀器條件，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器，分別選擇8，9，10 mm 3 個(gè)不同原子化器高度對(duì)硒、鍺系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的最高濃度點(diǎn)采用雙通道同時(shí)測(cè)定并進(jìn)行比較，結(jié)果列于表1。由表1 可知，當(dāng)原子化器高度從8 mm 升高至10 mm 時(shí)，硒和鍺系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的最高濃度點(diǎn)熒光強(qiáng)度均有明顯下降，而信噪比的增加卻不大，因此選擇8 mm 作為最佳的原子化器高度。

表1 不同原子化器高度試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 空心陰極燈燈電流

在一定范圍內(nèi)，待測(cè)元素所產(chǎn)生的熒光會(huì)隨著燈電流的增大而增強(qiáng)，即分析靈敏度提高。但過大的燈電流會(huì)產(chǎn)生自吸現(xiàn)象，造成標(biāo)準(zhǔn)曲線彎曲，嚴(yán)重影響重現(xiàn)性，而且會(huì)加快空心陰極燈能量的損耗，使燈的使用壽命大幅降低［30］，設(shè)定燈電流50～100 mA進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同硒、鍺燈電流對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度

由圖1 可知，硒燈、鍺燈電流為50～80 mA 時(shí)，熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，其中硒的熒光強(qiáng)度增大明顯。硒和鍺的熒光信號(hào)值均在燈電流為80 mA 時(shí)達(dá)到最高，超過80 mA 之后均呈下降趨勢(shì)。在滿足靈敏度要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較低的燈電流，以便有效降低燈能量的消耗，延長燈的使用壽命，實(shí)驗(yàn)最終選擇鍺、硒燈電流均為80 mA。

2.2.3 光電倍增管負(fù)高壓

在一定范圍內(nèi)待測(cè)元素的熒光強(qiáng)度和儀器測(cè)量靈敏度均會(huì)隨著光電倍增管負(fù)高壓的增大而提高。負(fù)高壓過低不能滿足靈敏度的要求；而負(fù)高壓過高則會(huì)導(dǎo)致背景噪聲增強(qiáng)，同時(shí)儀器穩(wěn)定性變差。依據(jù)大量實(shí)際樣品的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)及檢測(cè)儀器的特性，合適的負(fù)高壓應(yīng)控制在系列標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度最高點(diǎn)的熒光信號(hào)值在1 000～3 000 范圍。設(shè)定光電倍增管的負(fù)高壓為220～320 V 進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同光電倍增管負(fù)高壓對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度

由圖2 可知，硒、鍺被激發(fā)所產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度隨著光電倍增管負(fù)高壓的增大而增強(qiáng)，結(jié)合硒和鍺元素的特性，選擇使鍺和硒的標(biāo)準(zhǔn)曲線最高點(diǎn)熒光強(qiáng)度分別達(dá)到約1 500 和2 500 的光電倍增管負(fù)高壓作為最佳負(fù)高壓。實(shí)驗(yàn)選擇270 V 的負(fù)高壓，既能夠保證滿足信號(hào)值、靈敏度、噪聲的要求，又有利于延長光電倍增管的使用壽命。

2.2.4 載氣流量及屏蔽氣流量

適當(dāng)?shù)妮d氣流量可以保證將氫化物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的硒和鍺的氫化物迅速導(dǎo)入到原子化器中，并保證穩(wěn)定的氫–氬火焰。過大的載氣流量會(huì)稀釋待測(cè)原子濃度，使熒光強(qiáng)度和分析靈敏度降低；過小的載氣流量則會(huì)使信號(hào)峰拖尾。設(shè)定載氣流量為200～600 mL／min 進(jìn)行試驗(yàn)比較，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)載氣流量從200 mL／min 增大至300 mL／min 時(shí)，硒和鍺的熒光強(qiáng)度隨之增大；當(dāng)載氣流量大于300 mL／min 時(shí)，熒光強(qiáng)度均有所下降，特別是硒的熒光強(qiáng)度下降比較明顯。實(shí)驗(yàn)確定本方法載氣流量為300 mL／min。

圖3 不同載氣流量對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度

屏蔽氣對(duì)氫–氬火焰起保護(hù)作用，可防止空氣進(jìn)入火焰而產(chǎn)生熒光淬滅，穩(wěn)定火焰狀態(tài)，保證熒光效率，合適的屏蔽氣流量范圍應(yīng)為800～1 100 mL／min。本實(shí)驗(yàn)選擇屏蔽氣流量為800 mL／min。

2.2.5 還原劑的濃度

作為氫化物發(fā)生反應(yīng)的還原劑，硼氫化鉀溶液的濃度對(duì)方法靈敏度、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確度起著決定性作用。硼氫化鉀溶液的濃度過高會(huì)產(chǎn)生過量的氫，稀釋待測(cè)原子，甚至引起熒光淬滅，并造成氣相和液相干擾；硼氫化鉀溶液的濃度過低則氫化物發(fā)生反應(yīng)難以進(jìn)行。選擇硼氫化鉀質(zhì)量濃度為5～30 g／L（其中含5 g／L 氫氧化鉀）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同濃度的硼氫化鉀溶液對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度

由圖4 可知，當(dāng)5～15 g／L 的硼氫化鉀溶液參與反應(yīng)時(shí)，待測(cè)元素產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度較低，說明硒和鍺沒有完全被還原；當(dāng)硼氫化鉀的質(zhì)量濃度由15 g／L 增大至20 g／L 時(shí)，待測(cè)元素產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)硼氫化鉀的濃度增大到25 g／L 時(shí)，待測(cè)元素產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)硼氫化鉀的濃度增加到30 g／L 時(shí)，待測(cè)元素產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度下降非常明顯。可能是因?yàn)檫€原反應(yīng)產(chǎn)生過量的氫，稀釋了GeH4和H2Se，并導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定。在配制硼氫化鉀濃液時(shí)需加入適量氫氧化鉀防止其過快水解，綜合考慮熒光強(qiáng)度、靈敏度、穩(wěn)定性等因素，選定20 g／L 硼氫化鉀溶液–5 g／L 氫氧化鉀溶液作為還原劑。

2.2.6 載流液的濃度

選擇體積分?jǐn)?shù)為2%～20%的磷酸作為載流液，考察其對(duì)硒、鍺熒光強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 可知，隨著磷酸濃度增大，熒光強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)磷酸體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，硒的熒光強(qiáng)度達(dá)到峰值，此后隨著磷酸體積分?jǐn)?shù)的增加，硒和鍺的熒光強(qiáng)度均有所下降，可能是硼氫化鉀與磷酸的反應(yīng)速度太過劇烈，大量的氫以氫氣的形式逸出，從而影響了GeH4，H2Se 的生成，降低了方法的靈敏度。因此，在保證足夠靈敏度的前提下應(yīng)盡可能使用較低濃度的磷酸作為載流液。實(shí)驗(yàn)選擇10%的磷酸作為載流液已能滿足要求。

圖5 載流液的濃度對(duì)鍺、硒熒光強(qiáng)度的影響

2.3 線性范圍與檢出限

在選定的儀器工作條件及測(cè)定條件下，對(duì)硒和鍺的系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行雙通道同時(shí)測(cè)定，分別以硒、鍺的質(zhì)量濃度（X，μg／L）為自變量、熒光強(qiáng)度（Y）為因變量進(jìn)行線性擬合，得硒、鍺的線性方程分別為Y=139.98X+1.27，Y=15.44X+9.91，相關(guān)系數(shù)（r2）分別為1.000，0.999 3。硒、鍺的線性范圍分別為0～20，0～100 μg／L。平行進(jìn)行7 次空白試驗(yàn)，按照土壤稱樣量為0.25 g，定容體積為25 mL，計(jì)算硒、鍺測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差s分別為0.003，0.006 mg／kg，按MDL=stn–1，0.99計(jì) 算 方 法 檢 出 限，當(dāng)n=7 時(shí)，t值取3.143［31］，得硒、鍺的檢出限分別為0.010，0.020 mg／kg。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定結(jié)果

按照1.4 的樣品前處理方法對(duì)編號(hào)分別為GBW 07405，GBW 07408，GBW 07429，GBW 07449，GBW 07453，GBW 07457 的土壤國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行消解，然后雙通道同時(shí)測(cè)定硒、鍺的含量，平行測(cè)定6 次，與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)硒、鍺含量標(biāo)示值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差，并與單道測(cè)定結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 準(zhǔn)確度與精密度試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知，不同含量的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)硒、鍺測(cè)定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，相對(duì)誤差分別為–5.38%～5.01%，–4.83%～2.43%，與單通道測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差分別為–2.45%～3.71%，–1.78%～3.09%。雙通道同時(shí)測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.19%～3.68%，0.64%～2.70%(n=6)。依據(jù)土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范，該方法同時(shí)測(cè)定土壤中硒和鍺時(shí)，準(zhǔn)確度和精密度均能滿足質(zhì)量控制要求［32］。

3 結(jié)語

針對(duì)大批量土壤樣品中硒和鍺的測(cè)定需求，選定硫酸–硝酸–氫氟酸–高氯酸組成的消解體系，建立了雙通道原子熒光光譜法同時(shí)測(cè)定硒和鍺含量的方法。該方法檢出限低，靈敏度高，精密度好，準(zhǔn)確度高，成本低，消除了鍺和硒需要分體系消解、一次只能單通道測(cè)定一種元素的弊端，具有良好的應(yīng)用前景。