沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中的有效硼

張鵬鵬， 胡夢(mèng)穎， 徐進(jìn)力*， 陳衛(wèi)明， 顧 雪， 張靈火， 白金峰， 張 勤

1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所， 河北 廊坊 065000 2. 自然資源部地球化學(xué)探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 廊坊 065000

引 言

隨著化肥高頻率的使用， 現(xiàn)代農(nóng)田土壤中N， P和K等元素含量越來(lái)越高， 然而微量元素缺乏情況也越來(lái)越普遍。 微量元素是農(nóng)作物必需但需求量很少的元素， 這些微量元素在土壤中缺乏時(shí)， 植物生長(zhǎng)不良， 是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要限制因素之一[1]。 研究表明， 當(dāng)土壤有效硼(目前國(guó)內(nèi)外都廣泛用水溶態(tài)硼來(lái)代表土壤中有效硼)為0.5～1.0 μg·g-1時(shí)[2], 對(duì)植物的生長(zhǎng)是有益的， 當(dāng)含量超過(guò)50 μg·g-1時(shí), 植物會(huì)出現(xiàn)中毒現(xiàn)象。 土壤中微量元素過(guò)多或過(guò)少， 都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程， 要解決這些問(wèn)題， 首先要確定土壤中微量元素的供給情況(即有效態(tài)含量)， 因此要研究、 改良土壤地球化學(xué)部分特征以及評(píng)價(jià)土壤潛力時(shí)， 對(duì)土壤中部分微量元素有效態(tài)進(jìn)行分析是必需的。

國(guó)標(biāo)GB12298—1990中介紹土壤有效硼測(cè)定方法是將土壤用熱水浸提， 浸提液中的硼在草酸介質(zhì)存在下與姜黃素化合， 經(jīng)脫水后形成絡(luò)合物， 用乙醇溶解后用分光光度計(jì)測(cè)定其吸光度。 該方法操作繁瑣， 時(shí)間長(zhǎng)短及試劑用量等條件要求嚴(yán)格， 而這些都可能對(duì)分析結(jié)果的可靠性產(chǎn)生較大影響[3-5]。 部分學(xué)者用沸水浸提-亞甲胺比色法測(cè)定土壤中的有效硼， 雖然此法顯色較為穩(wěn)定， 但前處理部分費(fèi)時(shí)， 使用試劑較多且不易操作， 檢測(cè)結(jié)果的誤差較大。 還有水浴震蕩[6]、 稀鹽酸浸提[5]等結(jié)合電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[7](ICP-MS)應(yīng)用于測(cè)定土壤中的有效硼。

隨著土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查、 生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查和農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目工作的開(kāi)展， 不論是從樣品的數(shù)量還是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性都對(duì)土壤中有效硼的測(cè)定提出了更高的要求。 本工作通過(guò)采用沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的比色法和吸光度法對(duì)土壤中有效硼進(jìn)行測(cè)定， 建立沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中有效硼的分析， 并采用國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行分析驗(yàn)證， 取得了較好的結(jié)果。 與傳統(tǒng)的比色法相比， 該分析方法在浸提過(guò)程中大大提高了操作效率， 同時(shí)也保證了測(cè)定的準(zhǔn)確度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑、 材料

分析天平， 0.01 g； Intrepid Ⅱ型ICP-OES儀(美國(guó)Thermo Fisher公司)；

電熱恒溫水浴鍋； 聚乙烯比色管(帶蓋)； 離心機(jī)， himac CR22G(日本日立公司)； CaCl2溶液(自制)； 氬氣， 純度大于99.99%。 硼標(biāo)準(zhǔn)溶液(鋼鐵研究總院)； 鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液(鋼鐵研究總院)。

1.2 儀器工作參數(shù)

Intrepid Ⅱ型ICP-OES儀器工作參數(shù)范圍見(jiàn)表1。

表1 儀器工作參數(shù)

1.3 方法

首先向50 mL聚乙烯比色管定量加入10 mL去離子水， 稱取10.00 g標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)土壤樣品于50 mL聚乙烯比色管中， 再次加入10ml去離子水， 放入已經(jīng)沸騰的水浴鍋中煮沸10 min中(精確至±30 s)， 取出冷卻至室溫， 同時(shí)加入1～2滴0.5 mol·L-1CaCl2溶液， 在5 000 r·min-1的離心機(jī)中離心5 min， 將上清溶液轉(zhuǎn)移至25 mL聚乙烯比色管中， 同時(shí)制備全流程空白溶液(備測(cè))。

2 結(jié)果與討論

2.1 密閉浸提與敞開(kāi)浸提的選擇

采用沸水浸提土壤有效硼實(shí)驗(yàn)時(shí)， 采取加蓋密閉浸提， 根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)條件， 對(duì)50 mL聚乙烯比色管采取加蓋方式， 得出在密閉條件下不同浸提時(shí)間土壤有效硼的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。 在密閉條件下浸提10 min時(shí)， 測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的值就已經(jīng)超過(guò)了推薦值， 原因可能是水浴浸提過(guò)程中， 由于比色管在密閉條件下， 溫度的升高導(dǎo)致比色管內(nèi)形成了偏高的壓力環(huán)境， 使反應(yīng)速率提升。 雖然在短時(shí)間土壤中的有效硼成分已經(jīng)浸提出來(lái)， 提高了浸提速率， 但是浸提時(shí)間相對(duì)較短， 不易控制操作， 與2.2中浸提條件結(jié)果對(duì)比， 本次實(shí)驗(yàn)選用的敞開(kāi)浸提的方式。

表2 密閉條件下不同浸提時(shí)間土壤有效硼的測(cè)定結(jié)果

2.2 浸提時(shí)間的控制

土壤中的有效硼浸提并非一個(gè)平衡體系， 實(shí)驗(yàn)采用沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中的有效硼， 沸水浸提時(shí)間是實(shí)驗(yàn)成功最關(guān)鍵的步驟， 若煮沸-浸提時(shí)間較長(zhǎng)， 可能有非有效硼的成分浸提出來(lái)， 若沸水-浸提時(shí)間過(guò)短， 會(huì)造成土壤中有效硼浸提不完全， 使最終測(cè)定結(jié)果偏高或者偏低。 因此， 沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中的有效硼時(shí)， 前處理沸水浸提最佳時(shí)間至關(guān)重要， 對(duì)這一實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵性問(wèn)題作了研究。 以國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)NSA-3， NSA-4， NSA-6和GBW07459為研究對(duì)象， 按照上述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行操作(敞開(kāi)浸提)， 分別用沸水浸提0(常溫浸提)， 10， 20， 30， 40和50 min， 然后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3， 同時(shí)以實(shí)測(cè)值比推薦值的值為縱坐標(biāo)， 浸提時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖， 結(jié)果見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 隨著沸水-浸提時(shí)間的增加， 有效硼的含量是逐漸增加的趨勢(shì)， 其中沸水-浸提時(shí)間在10 min時(shí)， 所測(cè)定結(jié)果與國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)推薦值最接近， 因此， 沸水-浸提土壤中的有效硼分析過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格控制浸提時(shí)間， 實(shí)驗(yàn)選擇最佳浸提時(shí)間控制在10 min(精確至±30 s)。

2.3 譜線干擾問(wèn)題

利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定有效硼選取的譜線是249.773 nm， 其中鐵在249.783 nm有一條譜線， 其譜線輪廓可能會(huì)對(duì)測(cè)定硼元素分析譜線產(chǎn)生一定光譜干擾。 本次實(shí)驗(yàn)研究選取鐵的標(biāo)準(zhǔn)溶液0， 1， 10和100 μg·mL-1， 考察鐵在249.783 nm分析譜線對(duì)有效硼測(cè)定的影響， 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。 在測(cè)定國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的有效硼時(shí)， 同時(shí)測(cè)定國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中沸水-浸提出鐵的含量， 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。 從表4中可以得知， 當(dāng)鐵的含量在10 μg·g-1以上時(shí)， 尤其是大于100 μg·g-1時(shí)， 對(duì)有效硼的測(cè)定才會(huì)有影響， 而土壤中有效硼是以沸水浸提， 浸提液中基體元素含量都相對(duì)較低， 從表5中可以得知， 其鐵的含量基本都0.16～3.46 μg·g-1以內(nèi)， 所以鐵的光譜對(duì)測(cè)定硼元素干擾較小， 無(wú)需進(jìn)行干擾的校正， 若干擾元素鐵含量較高， 達(dá)到100 μg·g-1左右， 就需要校正鐵對(duì)測(cè)定硼元素的質(zhì)譜干擾影響。

表4 不同濃度鐵對(duì)硼元素的測(cè)定產(chǎn)生的光譜干擾

表5 沸水浸提有效態(tài)成分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的鐵含量

2.4 不同pH土壤樣品類型

植物利用土壤中微量元素是隨著土壤不同的pH而改變的， pH過(guò)低或過(guò)高， 土壤的理化性質(zhì)就會(huì)發(fā)生變化， 可能會(huì)導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)失調(diào)， 從而影響植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收以及體內(nèi)的代謝過(guò)程， 因此不同pH的土壤類型需要不同的浸提方法， 如有效磷、 有效銅、 有效鋅等。 本次實(shí)驗(yàn)分別選取酸、 堿兩種不同類型的國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07413a(ASA-2a)(pH 8.15)和GBW07415a(ASA-4a)(pH 6.08)為研究對(duì)象， 考察沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法是否適合不同類型的土壤。 從測(cè)試的結(jié)果來(lái)看， 兩種不同類型標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定的精密度較好， RSD小于6%(見(jiàn)表6)。 此法對(duì)不同pH的土壤類型是適用的， 不需要區(qū)分土壤的酸堿性。

表6 不同pH土壤樣品測(cè)試結(jié)果

3 方法質(zhì)量評(píng)估

3.1 檢出限

按照樣品分析步驟制備樣品空白12份， 在最佳儀器條件下進(jìn)行測(cè)定， 計(jì)算硼元素測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)， 以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算硼元素的檢出限， 12次測(cè)定結(jié)果列于表7。 DD2005-03《生態(tài)地球化學(xué)評(píng)價(jià)樣品分析技術(shù)要求(試行)》對(duì)土壤有效硼樣品分析方法要求檢出限為0.005 mg·kg-1， 對(duì)比發(fā)現(xiàn)本法的檢出限(0.004 9 mg·kg-1)滿足要求的方法檢出限。

表7 方法檢出限

3.2 方法精密度

選取NSA-4(AR-4)， NSA-6(AR-6)和GBW07459(ASA-8)3個(gè)國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行方法的精密度實(shí)驗(yàn)， 按照上述制定的樣品分析方法對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)平行分析12次， 計(jì)算每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)12次平行測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)， 結(jié)果見(jiàn)表8， 結(jié)果顯示， 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)不超過(guò)8.5%， 精密度較高。

表8 方法精密度

3.3 方法準(zhǔn)確度

為了驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性， 選取12個(gè)國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)， 按照實(shí)驗(yàn)擬定的浸提前處理?xiàng)l件下有效硼的實(shí)驗(yàn)， 每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)平行制備3份樣品， 在選定的最佳儀器工作參數(shù)下進(jìn)行測(cè)定， 計(jì)算出土壤有效硼3次測(cè)定結(jié)果的平均值， 并計(jì)算相對(duì)誤差(RE)， 測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表9。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 本方法測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中有效硼相對(duì)誤差(RE)為0.02%～6.25%， 其中NSA-5(AR-5)相對(duì)誤差為10.3%， 相對(duì)較大， 總體來(lái)說(shuō)測(cè)定值與推薦值基本吻合， 能滿足土壤樣品的分析要求。

表9 方法準(zhǔn)確度

4 結(jié) 論

與中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤有效硼測(cè)定方法GB12298—1990(沸水浸提-姜黃素比色法)相比， 沸水浸提-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法操作簡(jiǎn)單， 流程短， 檢測(cè)快速， 分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠， 同時(shí)， 沸水浸提法可以避免樣品處理過(guò)程中的硼污染， 具有現(xiàn)實(shí)使用性， 尤其是在分析大批量土壤樣品時(shí)， 一次可浸提幾十個(gè)土壤樣品, 大大提高了分析效率, 為土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查， 生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查和農(nóng)業(yè)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目工作高質(zhì)高效的運(yùn)行提供分析技術(shù)支撐。 用國(guó)家一級(jí)土壤有效態(tài)成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證， 測(cè)定結(jié)果與推薦值基本吻合， 準(zhǔn)確度能夠滿足土壤樣品中有效硼的分析要求。