DTPA浸提-石墨爐原子吸收光譜法測定農田土壤中的有效態(tài)鎘

周嘉誠　黎小鵬　陳楠　馮東儀　馬世柱　林俊杰

摘要 ? ?本文提出了一種石墨爐原子吸收光譜法測定農田土壤有效態(tài)鎘的檢測方法。使用DTPA提取劑浸提樣品，經離心、過濾后，待測樣與基體改進劑共進原子吸收光譜儀測定。結果表明，本方法中，有效態(tài)鎘在0.1～4.0 ng/mL濃度范圍內有良好的線性關系，標準曲線相關系數r=0.999 3，檢出限為0.005 9 ng/mL;使用2種有證土壤有效態(tài)成分分析標準物質進行質控，測定結果均在標準物質標稱值范圍內，且相對標準偏差小于5.0%。本方法前處理流程簡單、質控良好、精密度高、檢測效果顯著。

關鍵詞 ? ?有效態(tài)鎘;DTPA浸提-石墨爐原子吸收光譜法;基體改進劑;農田土壤

中圖分類號 ? ?S151.9;X53 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）19-0175-03

Determination ?of ?Available ?Cadmium ?in ?Farmland ?Soil ?by ?DTPA ?Extraction-Graphite ?Furnace ?Atomic ?Absorption ?Spectrometry

ZHOU Jiacheng ? ?LI Xiaopeng ? ?CHEN Nan ? ?FENG Dongyi ? ?MA Shizhu ? ?LIN Junjie

（Sanxiang Inspection & Testing Station of Agricultural Products in Guangdong Province， Zhongshan Guangdong 528463）

Abstract ? ?In this paper， a method for the determinantion of available cadmium in farmland soil by graphite furnace atomic absorption spectrometry was presented. Samples were extracted with DTPA extractant， then centrifuged and filtered， finally tested by GFAAS along with matrix modifier. The results showed that using the above method， the effective cadmium had a good linear relationship in the concentration range of 0.1-4.0 ng/mL， the standard curve correlation coefficient r was 0.999 3， the detection limit reach 0.005 9 ng/mL. Two reference materials for analysis of soil effective components were tested and results could reach the range of nominal value， and the relative standard deviation was less than 5.0%. The method has a simply pre-processing flow， good quality control， high precision， and the detection effect is remarkable.

Keywords ? ?available cadmium; DTPA extraction-GFAAS; matrix modifier; farmland soil

鎘元素是我國《重金屬污染防治“十二五”規(guī)劃》中重點防治的重金屬污染物，而作為農業(yè)種植的重要載體——土壤，其鎘污染問題在當前社會更是不容忽視，鎘元素嚴重影響土壤的可持續(xù)利用和糧食的種植安全[1]。土壤的鎘元素來源有多種途徑，首先是土壤本身含有鎘元素;其次是工業(yè)、農業(yè)和人類活動。例如，采礦、冶煉和電鍍業(yè)的應用過程中，廢水、廢氣和廢渣在未經過任何處理的情況下直接排放在環(huán)境中，通過循環(huán)造成農田土壤鎘污染;農業(yè)種植過程中農戶使用生活污水、工業(yè)廢水灌溉，使用了含鎘農藥以及施肥不合理;日常生活中人們亂投放含鎘的固體廢物[2]。由羅小玲等[3]調查的珠三角地區(qū)典型農村耕地和余姝潔等[4]調查的中山市工業(yè)園區(qū)的土壤重金屬污染現(xiàn)狀可知，2種地形土壤重金屬污染主要以鎘污染為主。

作為主要污染元素的鎘，對生物體生長發(fā)育有直接危害，其具有易積累、難排除、生物遷移性強等特點，對植物毒性低而對動物和人類毒性高，通過污染進入植物體是其危害人體健康的重要途徑[5]。然而，在植物吸收土壤鎘的過程中，所吸附的并非土壤鎘的全量，而是能夠被植物實際吸收和利用的、具有活性的一種形態(tài)，稱為土壤有效態(tài)。

當前，土壤重金屬鎘的檢測主要以全量檢測為主，而土壤含量背景值以外的鎘元素又以多種形式存在，全量檢測的方式不能有代表性地概括當前農用種植土壤的實際鎘污染情況。因此，通過測定其有效態(tài)鎘的含量對當地土壤鎘元素污染情況進行評價更具有實際意義。

目前，對土壤有效態(tài)的檢測方法已有不少報道，尤其是隨著電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）的普及，使用ICP-MS法測定土壤有效態(tài)的報道屢見不鮮。楊 ?喆等[6]使用超聲提取-電感耦合等離子體質譜法的方式測定了土壤中的有效態(tài)鐵、有效態(tài)錳、有效態(tài)銅和有效態(tài)鋅;張 ?寧等[7]通過DTPA振蕩浸提、過濾后，使用ICP-MS氦碰撞/反應池模式測定了石灰性土壤中的有效態(tài)元素鉛、鎘、鎳;農云軍等[8]使用超聲提取-ICP-MS的方法測定了土壤中的有效態(tài)鉛和鎘;熊 ?婕等[9]使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀（ICP-OES），研究了南方稻田土壤有效態(tài)鎘9種提取方法的提取能力及提取態(tài)鎘和稻米鎘含量的相關關系。

電感耦合等離子體質譜儀給許多檢測機構帶來了便捷，但其儀器及分析成本高昂，不適用于基層檢測機構的分析檢測工作。當前，原子吸收光譜儀仍為大多數基層檢測機構的首選，而對于原子吸收光譜法測定土壤有效態(tài)的方法，尤其是對南方農田土壤中有效態(tài)鎘研究分析的相關論著，近年來少有報道。本文通過使用DTPA浸提作前處理，對工作曲線和測試液進行基體匹配，分析過程中使用基體改進劑以減少分析過程中的基體干擾、原子吸收光譜法進行檢測的方法，其間通過使用2種不同地區(qū)不同類型的土壤有效態(tài)成分分析標準物質作質控樣品，探究DTPA提取時間、基體改進劑質量濃度對農田土壤有效態(tài)鎘檢測的影響，以優(yōu)化出一種能夠有效檢測土壤有效態(tài)鎘的前處理方法和儀器條件，使試驗結果準確、精密度高且整個試驗流程簡單便捷。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗材料

農田土壤，采集自廣東省中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)某水稻種植區(qū)。

Agilent AA-240Z原子吸收光譜儀，配有GTA120自動進樣器，塞曼扣背景（Agilent公司），Cd單元素燈（Agilent公司），ML104萬分之一天平（梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司），KS501圓周式震蕩搖床（IKA集團），TD5K-Ⅲ離心機（長沙東旺實驗儀器有限公司），Spring-S20（i.RM）多功能超純水系統(tǒng)（廈門銳思捷水純化技術有限公司），STATER 3100 pH計（奧豪斯公司）。

二亞乙基三胺五乙酸（DTPA）（D106364-25 g），為阿拉丁試劑有限公司生產;三乙醇胺（TEA），分析純，由山東西亞化學股份有限公司生產;無水氯化鈣，分析純，由廣州化學試劑廠生產;鹽酸，優(yōu)級純，由廣州化學試劑廠生產;磷酸二氫銨，色譜純，由阿拉丁試劑有限公司生產。

試驗所使用的土壤有效態(tài)成分分析標準物質——黑龍江黑土GBW07458（ASA-7）和陜西黃綿土GBW 07460（ASA-9）均為地球物理地球化學勘察研究所IGGE生產;鎘單元素標準溶液，標準值為1 000 μg/mL，由國家有色金屬及電子分析材料測試中心生產，分析前使用10%硝酸溶液稀釋至10 μg/mL，此溶液作為標準儲備液，在4 ℃條件下可儲存1個月。

1.2 ? ?提取液配制

稱取DTPA固體1.967 g溶于少量水中，加入TEA溶液13.3 mL、無水氯化鈣1.11 g，一并倒入1 000 mL容量瓶中，加水至總體積約950 mL，用6 mol/L鹽酸溶液調節(jié)pH值至7.30，最后用水定容至刻度線。

1.3 ? ?前處理方法

1.3.1 ? ?樣品前處理。稱取5.00 g（準確值0.01 g）通過2 mm孔徑篩的風干試樣于50 mL塑料離心管中，加入25 mL提取液并旋緊蓋子，于180 r/min的頻率振蕩，震蕩完成后，迅速用4 000 r/min的速度離心，取上清液，待測。觀察樣品濃度，如超出標準曲線范圍，則取一定體積的上清液，使用提取液稀釋后，待測。同時做空白對照。

1.3.2 ? ?標準物質前處理。根據標準物質認定證書中的ASA-7（GBW07458）和ASA-9（GBW07460）2種有效態(tài)成分認定值的含量，準確稱取ASA-7 1.50 g、ASA-9 3.00 g，樣品前處理方法同1.3.1。

1.4 ? ?儀器工作條件

鎘元素燈波長選擇228.8 nm，狹縫0.5 nm，電流為5.0 mA，扣背景方式為塞曼扣背景，氬氣作保護氣，進樣體積10 μL，測量模式為峰高，石墨爐升溫程序如表1所示。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?提取后上清液的影響

土壤樣品成分復雜，即使經過過篩和一系列的前處理，依然會存在大量的基體。試驗中，經提取過后的樣品，使用4 000 r/min的速度離心5 min，上清液仍存在一定量肉眼可見的懸浮物顆粒，這些懸浮物因為密度低而無法與土壤一同沉淀。懸浮物顆粒的存在會在一定程度上影響石墨爐分析結果的重現(xiàn)性，甚至會對進樣針造成堵塞，損壞儀器。通過提高離心機轉速的方法雖然能使懸浮物顆粒沉淀下來，但過高的轉速會對儀器造成損耗。使用一次性吸管吸取下層清液的方法，仍然會吸取到少量的懸浮物。選用水性濾膜過濾后，懸浮物顆粒能夠被徹底濾除。因此，試驗可選用濾膜過濾上清液的方法去除固體可見顆粒對試驗測定的影響。

2.2 ? ?提取時間的影響

一般來說，隨著振蕩時間的延長，樣品和提取劑的接觸時間就會得到延長，從而提高分析元素的提取量。為了探究提取時間對不同種類的土壤中有效態(tài)鎘元素提取量的影響，試驗選用GBW07458和GBW07460等2種不同種類的有效態(tài)成分分析標準物質進行測定，提取時間分別設置了5、10、20、30、60、90、120、150、180、210 min共10個時間段，試驗結果如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著提取時間的延長，2種標準物質的測定值有所增加，二者成正相關。在20 min后測定值的增加量逐漸趨于平緩，而在120 min以后，隨著提取時間的延長，2種標準物質的測定數值不再增加，趨于穩(wěn)定。試驗結果表明，使用振蕩提取的方式提取土壤有效態(tài)鎘，提取120 min即可以得到較為穩(wěn)定的試驗結果。因此，本次試驗的提取時間選用120 min。

2.3 ? ?基體改進劑的影響

國家標準GB/T 23739—2009[10]中石墨爐原子吸收光譜法測有效態(tài)鎘不添加基體改進劑。在實際中，土壤樣品成分復雜，基體含量較高，在測定過程中會出現(xiàn)較多干擾。因此，在測定過程中往往需要添加一定濃度的基體改進劑，以提高灰化溫度和時間，從而降低基體干擾，同時避免待測元素在原子化階段前損失，以得到較準確的測定結果。

為探究基體改進劑對測定結果的影響，試驗使用磷酸二氫銨作為基體改進劑，在相同儀器條件下分別采用質量分數為0%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、5.0%的磷酸二氫銨溶液，5 μL共進，測定了GBW07458和GBW07460等2種標準物質的有效態(tài)鎘信號響應值，測定結果如表2所示。

從表2可以看出，儀器在不使用磷酸二氫銨溶液的情況下，2種標準物質的吸光度值嚴重偏低、重現(xiàn)性差且對應的標準曲線線性差，考慮到樣品在升溫過程中去除基體干擾的同時也在一定程度上導致了分析元素的損失;使用了0.5%的磷酸二氫銨溶液，2種標準物質的響應值雖然得到一定程度的改善，但對應的標準曲線線性差。觀察原子化圖譜發(fā)現(xiàn)，標準曲線溶液和樣品原子化的峰型扁平、不規(guī)則，考慮到土壤樣品和提取液本身存在的基體干擾，低濃度的磷酸二氫銨溶液不足以使樣品在灰化過程中有效去除基體干擾和降低背景吸收并有效避免分析物質在升溫過程中的損失，從而導致響應偏低，甚至標準曲線線性差;隨著磷酸二氫銨濃度的提高，2種標準物質的原子化峰型越趨平滑尖銳，平均吸光度值、對應RSD不斷得到改善。其中，當使用4.0%磷酸二氫銨溶液時，2種標準物質的平均吸光度值和RSD均達到較好的水平，且對應的標準曲線相關系數達到0.999 0以上。因此，試驗使用4.0%磷酸二氫銨溶液作為基體改進劑。

2.4 ? ?標準曲線和檢出限

在標準曲線溶液配制過程中，考慮到樣品的溶劑成分會對測定結果造成一定程度的影響，為保證標準曲線校正的準確性，標準曲線配制所使用的溶劑應當與樣品的溶劑基體匹配，以達到較為理想的校正數值。因此，在試驗過程中標準曲線的配制應使用提取劑作為溶劑。

取鎘元素標準儲備液，使用1.0%硝酸溶液逐級稀釋至50 ng/mL的標準工作液，分別吸取一定體積的標準工作液于25.00 mL容量瓶中，提取液定容至刻度線，此標準曲線的濃度分別為0、0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 ng/mL。

按照1.4的儀器工作條件，以4.0%的磷酸二氫銨溶液作基體改進劑繪制出標準曲線，得出線性回歸方程Abs=0.135 96×C+0.017 15，相關系數r=0.999 3。按照儀器工作條件，對11個空白溶液進行測定，以3倍的吸光度值標準偏差除以標準曲線斜率，按照公式（1）計算方法檢出限：

MDL=3S/b（1）

式中，MDL為方法檢出限;S為n次平行測定的標準偏差;b為標準曲線斜率。

按照公式，計算出方法檢出限為0.005 9 ng/mL。

2.5 ? ?樣品的分析

取已經制備好的土壤樣品，使用1.3.1的前處理方法，提取時間為120 min，以GBW07458和GBW07460作為質控樣品、4.0%的磷酸二氫銨溶液作為基體改進劑，對樣品進行分析，結果如表3所示。

3 ? ?結論

使用石墨爐原子吸收光譜法，選擇DTPA浸提，常溫下180 r/min的頻率下振蕩提取120 min，離心、過濾后，使用4.0%的磷酸二氫銨溶液作為基體改進劑。當使用土壤有效態(tài)成分分析標準物質——黑龍江黑土GBW07458（ASA-7）和陜西黃綿土GBW07460（ASA-9）進行前處理和分析后，土壤有效態(tài)鎘的測定結果均能達到2種標準物質的標稱值范圍內，且RSD均小于5%;繪制出鎘元素線性范圍為0.1～4.0 ng/mL的標準曲線，相關系數r達到了0.999 3，對11個樣品空白進行測定，方法檢出限可達到0.005 9 ng/mL。本方法前處理流程簡單，且使用石墨爐原子吸收光譜法可以達到良好的質控效果，樣品檢測結果精密高，適用于農田土壤中有效態(tài)鎘的檢測。

4 ? ?參考文獻

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基金項目 ? 復合改良劑對中山市三鄉(xiāng)鎮(zhèn)稻田土壤修復效果和稻米鎘污染控制效果研究（2018B1119）。

作者簡介 ? 周嘉誠（1988—），男，廣東中山人，化學分析工程師，從事農產品檢驗檢測工作。

收稿日期 ? 2020-06-06