氫化物發生-原子熒光法同時測定土壤樣品中As和Se

常 青，張培新，高孝禮

(江蘇省地質調查研究院，江蘇南京 210018)

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氫化物發生-原子熒光法同時測定土壤樣品中As和Se

常 青，張培新，高孝禮

(江蘇省地質調查研究院，江蘇南京 210018)

摘要[目的]研究采用氫化物發生-原子熒光法同時測定土壤樣品中As和Se含量的可行性。[方法]研究爐高、負高壓、燈電流、載氣流速、屏蔽氣流速、還原劑種類、酸度濃度、硼氫化鉀濃度對原子熒光法同時測定As和Se含量的影響，采用氫化物原子熒光光譜法同時測定土壤樣品As和Se含量。[結果]氫化物發生-原子熒光法測定As的檢出限為0.370 ng/mL，Se的檢出限為0.430 ng/mL，As和Se的相對標準偏差分別為1.28%和2.73%。[結論]氫化物發生-原子熒光法用于同時測定土壤樣品中As和Se含量可行，能完全滿足土壤樣中As、Se的測定要求。

關鍵詞As；Se；原子熒光法

砷(As)是地殼中普遍存在的一種非金屬元素，主要以硫化物的形式存在，如雄黃(As4S4)、雌黃(As2S3)、黃鐵礦(FeAsS)等[1]。因其特殊的類金屬性和韌性[2]，As主要用于與Cu、Pb及其他金屬形成合金。隨著社會經濟和工業的發展，許多國家面臨嚴重的As污染威脅，As污染已成為人們普遍關注的環境問題之一。硒(Se)是生命活動中必需的微量元素，在人體中以硒蛋白的形式存在，具有提高免疫、抗氧化、抗腫瘤、延緩衰老、解毒和抗輻射等生物與生理功能。人體Se缺乏會降低硒蛋白的表達及生物學功能的正常發揮，會引起貧血、冠心病、高血壓、癌癥等40余種疾病，適量補Se有利于人體健康[3-5]。但Se對人體的有益生理功能必需控制在安全濃度范圍之內，過量補Se又會引起生物體中毒[6]。

As的主要檢測技術包括原子光譜(原子吸收和原子熒光)、電感耦合等離子體質譜、有機質譜[7-9]。這幾種檢測技術各有優勢，如原子熒光光譜具有運行成本低、儀器價格低廉、便于維護的特點；電感耦合等離子體質譜具有檢測限低、線性范圍寬、穩定的優點；有機質譜(電噴霧)則能提供化合物的結構信息，便于化合物的定性。近年來，原子熒光光譜技術逐步被完善，可以實現As與其他多種元素的同時測定[10-11]。目前,測定Se的方法主要有光學分析法(分光光度法、熒光法、原子熒光光譜法、原子吸收法等)[12-14]、電化學分析法(陰極溶出伏安法、極譜法等)[15-16]、色譜學分析法(離子色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜法等)[17]、聯用技術(電感耦合等離子體質譜法)等[18-19]，每種方法都有其優缺點，可針對不同情況選擇適當的檢測方法。以上方法都是單獨測定As和Se，分析操作繁瑣，易造成大量試劑浪費。筆者采用王水一次消解土樣，用原子熒光光度法同時測定土壤中的As、Se含量，旨在為提高As和Se含量測定的精密度和準確度提供科學依據。

1材料與方法

1.1供試儀器氫化物發生雙道原子熒光分光光度計(北京吉天，AFS820)。

1.2供試試劑1+1王水(鹽酸與硝酸按體積比1∶3混合后，加入等體積蒸餾水稀釋)，2%硼氫化鉀溶液(取1.00 g氫氧化鉀加入200 mL蒸餾水溶解，加入4.00 g硼氫化鉀)，10%硫脲溶液，10%抗壞血酸溶液，10%草酸溶液，100 μg/L As標準儲備液，100 μg/L Se標準儲備液，1.00 μg/mL As標準使用液(吸取1.00 mL As標準溶液于100 mL容量瓶中，蒸餾水定容)，1.00 μg/mL Se標準溶液(吸取1.00 mL Se標準溶液于100 mL容量瓶中，蒸餾水定容)。

1.3試驗步驟50 mL比色管中加入1.00 μg/mL As、Se標準使用液各0.5 mL，1+1王水15 mL，還原劑0.5 g，Fe3+50 mg，搖勻放置30 min，在原子熒光光度計上與2%KBH4反應，測定熒光強度值。

2結果與分析

2.1儀器條件試驗

2.1.1燈電流。加大空心陰極燈燈電流主要為了增加元素燈發射的譜線強度，元素蒸氣被照射后被激發強度加大，從而增加熒光強度，提高靈敏度。從圖1可見，As的燈電流大于100 mA、Se大于120 mA時，熒光強度反而隨著燈電流的增加而減小，這是由于燈電流過大，激發元素濃度過大造成自吸，從而激發強度變小。根據測定濃度大小確定測定靈敏度，在小于自吸的電流內選擇合適燈電流。

圖1　燈電流對As和Se熒光強度的影響Fig.1　Effects of lamp current on the fluorescence intensities of As and Se

圖2　負高壓對As和Se熒光強度的影響Fig.2　Effects of negative high voltage on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.2負高壓。負高壓作用主要增加光電倍增管電壓，放大熒光強度轉化成的電信號，負高壓過低，沒有足夠的靈敏度；負高壓過高，一方面減少光電倍增管壽命，另一方面超出光電倍增管線性范圍，導致信號變得不穩定。從圖2可見，根據濃度大小測定靈敏度，在光電倍增管線性工作區間選擇合適的負高壓。隨著負高壓的增長，As和Se的熒光強度隨之升高，負高壓為450 V時，二者熒光強度達最大，之后反而下降。2.1.3爐高。生成的氫化物在爐口不同高度的濃度不同，接近爐口未分解的氫化物濃度較高，遠離爐口氫化物分解的元素蒸氣濃度由于擴散作用變小，只有在合適的高度才有最大靈敏度。不同元素在爐口最大蒸氣濃度所處高度不同，如雙道測定需要綜合考慮2個元素的合適高度。從圖3可見，當爐高低于6 cm時，As和Se的熒光強度急劇上升，其實這是假信號，主要由于爐口接近日盲管口，造成部分遮擋。爐高為6～15 cm，As的熒光強度相差不大，說明As相對穩定。而Se則隨爐高的增加，熒光強度緩慢下降，說明Se穩定性稍差。當爐高為7～9 cm時靈敏度較高，且隨著爐高的增加，Se的靈敏度明顯下降，因此選擇爐高8 cm較為合適。

圖3　爐高對As和Se熒光強度的影響Fig.3　Effects of furnace height on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.4載氣。載氣的作用一是將測定溶液與硼氫化鉀混合后送至氣液分離器，二是將生成的氫化物載至原子化器，氫化物在爐口點火后生成元素蒸氣。沒有載氣易造成因生成氫氣使局部氣壓過高發生爆裂等安全事故，因此，從安全角度，儀器默認設置如果沒有載氣將不能測定。氣流量過小，造成氫化物輸送不暢，火焰無力，記憶嚴重，但靈敏度較高，儀器默認最低流量(300 mL/min)。氣流量過大，會造成生成的氫化物在爐口停留時間過短，難以生成火焰，分解成原子蒸氣過程不完全，靈敏度急劇下降，儀器默認最高流量(800 mL/min)。

設定載氣流速為300～1 000 mL/min時，載氣流速越大，熒光強度越低，選擇載氣流速為300 mL/min(圖4)。

圖4　載氣對As和Se熒光強度的影響Fig.4　Effects of carrier gas on the fluorescence intensities of As and Se

2.1.5屏蔽氣。屏蔽氣主要作用是在火焰周圍形成穩定的屏蔽層，通常要比載氣流量大。一方面，防止火焰受周圍氣流影響，使火焰不穩定，另一方面，防止火焰周圍空氣中氧氣參與火焰的化學反應，確保火焰的化學穩定性。氣流量過小，起不到屏蔽作用，儀器默認最低(500 mL/min)。氣流量過大，將造成生成的氫化物在爐口停留時間過短，難以生成火焰，分解成原子蒸氣過程不完全，靈敏度急劇下降，儀器默認最高流量(1 200 mL/min)。

圖5　屏蔽氣對As和Se熒光強度的影響Fig.5　Effects of shield gas on the fluorescence intensities of As and Se

圖6　王水濃度對As和Se的熒光強度的影響Fig.6　Effects of nitrohydrochloric acid concentration on the fluorescence intensities of As and Se

從圖5可見，屏蔽氣影響比載氣小得多，屏蔽氣為500～900 mL/min時，隨著氣流量增加，As的熒光強度下降，Se的熒光強度幾乎不變。這主要是由于As原子蒸氣在火焰各高度分布均勻，受火焰周邊氣流影響較大，Se原子蒸氣最高濃度主要在爐口附近，外圍火焰中Se濃度較低，受火焰周邊氣流影響較小。屏蔽氣為900～1 200 mL/min時，隨著氣流量的增加，As的熒光強度變化不大，Se的熒光強度下降。這主要由于As原子蒸氣分布相對均勻，達到一定氣流量后，As原子蒸氣濃度變化不大，而此時Se原子蒸氣被吹至火焰外圍，受周圍氣流的影響較大。由于As靈敏度較高，Se相對較低。綜合兩元素屏蔽氣影響結果，選擇屏蔽氣為800 mL/min。2.2測定條件試驗2.2.1酸度濃度。從圖6可見，王水濃度為5%～30%時對As熒光強度的影響小，5%～15%時，Se的熒光強度呈上升趨勢，15%～30%時，Se的熒光強度相對穩定。大于30%時As和Se的熒光強度反而下降。因此，王水的最佳濃度為15%。2.2.2硼氫化鉀濃度。硼氫化鉀主要用來生成氫化物，不同元素生成氫化物的最佳硼氫化鉀濃度不同。從圖7可見，硼氫化鉀濃度小于1.00%時，靈敏度較低，1.50%～3.00%時，As和Se的熒光強度高且穩定。因此，硼氫化鉀的最佳濃度為2.00%。

圖7　硼氫化鉀濃度對As和Se熒光強度的影響Fig.7　Effects of potassium borohydride concentration on the fluorescence intensities of As and Se

2.2.3預還原劑種類及濃度。由表1可知，硫脲、抗壞血酸對As和Se的熒光強度的測定不利，而草酸的測定效果穩定。因此，選擇1.0%草酸作為還原劑。

表1還原劑種類及濃度對As和Se熒光強度的影響

Table 1Effects of reducing agent type and concentration on the fluorescence intensities of As and Se

還原劑種類Typeofreducingagent還原劑濃度Concentrationofreducingagent∥%熒光強度FluorescenceintensityAsSe硫脲Thiourea0.2414.394.730.4371.344.550.6397.129.320.8427.3610.611.0372.633.90抗壞血酸0.2111.74204.41Ascorbicacid0.497.37193.510.6109.583.810.8117.873.401.0120.504.64草酸0.2694.93486.80Oxalicacid0.4677.94480.180.6635.35474.920.8681.10492.511.0642.54470.69

2.3方法評價試驗

2.3.1線性關系。根據土壤樣品通常含量，按操作后溶液中的濃度確定曲線濃度范圍，在1份溶液中加入As和Se的標準溶液，同時測定As和Se的熒光強度繪制As和Se的校準曲線(圖8、9)。

圖8　As的校準曲線Fig.8　Calibration curve of As

圖9　Se的校準曲線Fig.9　Calibration curve of Se

2.3.2檢出限。原子熒光法同時連續測定11個空白溶液中的As和Se，檢出限=空白絕對值的平均值+3×空白標準偏差。經計算，As的檢測限為0.370 ng/mL，Se的檢測限為0.430 ng/mL(表2)。

表2　As和Se的檢出限

2.3.3精密度。10 ng/mL濃度檢測11次，As的RSD為1.28%，Se的RSD為2.73%(表3)。

表3　As和Se的精密度

2.4樣品分析稱取0.5 g土壤樣品于50 mL比色管中，加入15 mL 1+1王水，水浴溶解1 h，取下，加入5 mL 10%草酸，搖勻，采用原子熒光法測定As、Se的分析值。由表4可知，樣品測定結果誤差均小于0.100，符合DZ/T 0130—2005多目標地球化學樣品測定誤差要求。

表4　土壤標準樣品測定結果

3結論

氫化物發生-原子熒光光度法是測定能生成氫化物痕量元素的高靈敏度方法。該研究結果表明，As的檢出限為0.370 ng/mL，Se為0.430 ng/mL，11次測定的相對標準偏差為1.28%和2.73%，說明該方法簡便、快速、靈敏，因此，可用于土壤樣品中As和Se的同時測定。

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作者簡介常青(1982-)，女，山東泰安人，工程師，碩士，從事地球化學樣品分析以及質量管理工作。

收稿日期2016-03-30

中圖分類號S 158.4

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)14-162-04

Simultaneous Determination of As and Se in Soil Samples by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry

CHANG Qing, ZHANG Pei-xin, GAO Xiao-li

(Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing, Jiangsu 210018)

Abstract[Objective] To research the feasibility of simultaneous determination of As and Se in soil samples by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry. [Method] we researched the effects of furnace height, negative high voltage, lamp current, flow rate of carrier gas, flow rate of shield gas, type of reducing agent, acidity concentration and potassium borohydride concentration on the As and Se contents by Atomic Fluorescence Spectrometry. Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry were used to simultaneously detect the As and Se contents in soil samples. [Result] Detection limits of As and Se by Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry were 0.370 and 0.430 ng/mL, respectively. The relative standard deviations of As and Se were 1.28% and 2.73%, respectively. [Conclusion] It is feasible to use Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry to detect the As and Se contents in soil samples, which fully meets the detection requirements of As and Se in soil samples.

Key wordsAs; Se; Atomic Fluorescence Spectrometry