沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中的有效硼

張鵬鵬， 胡夢穎， 徐進力*， 陳衛明， 顧 雪， 張靈火， 白金峰， 張 勤

1. 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所， 河北 廊坊 065000 2. 自然資源部地球化學探測重點實驗室， 河北 廊坊 065000

引 言

隨著化肥高頻率的使用， 現代農田土壤中N， P和K等元素含量越來越高， 然而微量元素缺乏情況也越來越普遍。 微量元素是農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， 植物生長不良， 是提高農作物產量的重要限制因素之一[1]。 研究表明， 當土壤有效硼(目前國內外都廣泛用水溶態硼來代表土壤中有效硼)為0.5～1.0 μg·g-1時[2], 對植物的生長是有益的， 當含量超過50 μg·g-1時, 植物會出現中毒現象。 土壤中微量元素過多或過少， 都會影響植物的生長代謝過程， 要解決這些問題， 首先要確定土壤中微量元素的供給情況(即有效態含量)， 因此要研究、 改良土壤地球化學部分特征以及評價土壤潛力時， 對土壤中部分微量元素有效態進行分析是必需的。

國標GB12298—1990中介紹土壤有效硼測定方法是將土壤用熱水浸提， 浸提液中的硼在草酸介質存在下與姜黃素化合， 經脫水后形成絡合物， 用乙醇溶解后用分光光度計測定其吸光度。 該方法操作繁瑣， 時間長短及試劑用量等條件要求嚴格， 而這些都可能對分析結果的可靠性產生較大影響[3-5]。 部分學者用沸水浸提-亞甲胺比色法測定土壤中的有效硼， 雖然此法顯色較為穩定， 但前處理部分費時， 使用試劑較多且不易操作， 檢測結果的誤差較大。 還有水浴震蕩[6]、 稀鹽酸浸提[5]等結合電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)和電感耦合等離子體質譜法[7](ICP-MS)應用于測定土壤中的有效硼。

隨著土地質量地球化學調查、 生態地球化學調查和農業地質調查項目工作的開展， 不論是從樣品的數量還是數據的準確性都對土壤中有效硼的測定提出了更高的要求。 本工作通過采用沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法代替傳統的比色法和吸光度法對土壤中有效硼進行測定， 建立沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中有效硼的分析， 并采用國家一級土壤有效態成分分析標準物質進行分析驗證， 取得了較好的結果。 與傳統的比色法相比， 該分析方法在浸提過程中大大提高了操作效率， 同時也保證了測定的準確度。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑、 材料

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

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

1.2 儀器工作參數

Intrepid Ⅱ型ICP-OES儀器工作參數范圍見表1。

表1 儀器工作參數

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標準物質土壤樣品于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， 同時加入1～2滴0.5 mol·L-1CaCl2溶液， 在5 000 r·min-1的離心機中離心5 min， 將上清溶液轉移至25 mL聚乙烯比色管中， 同時制備全流程空白溶液(備測)。

2 結果與討論

2.1 密閉浸提與敞開浸提的選擇

采用沸水浸提土壤有效硼實驗時， 采取加蓋密閉浸提， 根據這一實驗條件， 對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間土壤有效硼的測定結果見表2。 在密閉條件下浸提10 min時， 測定標準物質的值就已經超過了推薦值， 原因可能是水浴浸提過程中， 由于比色管在密閉條件下， 溫度的升高導致比色管內形成了偏高的壓力環境， 使反應速率提升。 雖然在短時間土壤中的有效硼成分已經浸提出來， 提高了浸提速率， 但是浸提時間相對較短， 不易控制操作， 與2.2中浸提條件結果對比， 本次實驗選用的敞開浸提的方式。

表2 密閉條件下不同浸提時間土壤有效硼的測定結果

2.2 浸提時間的控制

土壤中的有效硼浸提并非一個平衡體系， 實驗采用沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中的有效硼， 沸水浸提時間是實驗成功最關鍵的步驟， 若煮沸-浸提時間較長， 可能有非有效硼的成分浸提出來， 若沸水-浸提時間過短， 會造成土壤中有效硼浸提不完全， 使最終測定結果偏高或者偏低。 因此， 沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中的有效硼時， 前處理沸水浸提最佳時間至關重要， 對這一實驗關鍵性問題作了研究。 以國家一級土壤有效態成分分析標準物質NSA-3， NSA-4， NSA-6和GBW07459為研究對象， 按照上述實驗方法進行操作(敞開浸提)， 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射光譜儀(ICP-OES)進行測試， 測試結果見表3， 同時以實測值比推薦值的值為縱坐標， 浸提時間為橫坐標作圖， 結果見圖1。實驗結果表明， 隨著沸水-浸提時間的增加， 有效硼的含量是逐漸增加的趨勢， 其中沸水-浸提時間在10 min時， 所測定結果與國家一級土壤有效態成分分析標準物質推薦值最接近， 因此， 沸水-浸提土壤中的有效硼分析過程中應該嚴格控制浸提時間， 實驗選擇最佳浸提時間控制在10 min(精確至±30 s)。

2.3 譜線干擾問題

利用電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測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， 其譜線輪廓可能會對測定硼元素分析譜線產生一定光譜干擾。 本次實驗研究選取鐵的標準溶液0， 1， 10和100 μg·mL-1， 考察鐵在249.783 nm分析譜線對有效硼測定的影響， 測試結果見表4。 在測定國家一級土壤有效態成分分析標準物質中的有效硼時， 同時測定國家一級土壤有效態成分分析標準物質中沸水-浸提出鐵的含量， 測試結果見表5。 從表4中可以得知， 當鐵的含量在10 μg·g-1以上時， 尤其是大于100 μg·g-1時， 對有效硼的測定才會有影響， 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， 所以鐵的光譜對測定硼元素干擾較小， 無需進行干擾的校正， 若干擾元素鐵含量較高， 達到100 μg·g-1左右， 就需要校正鐵對測定硼元素的質譜干擾影響。

表4 不同濃度鐵對硼元素的測定產生的光譜干擾

表5 沸水浸提有效態成分標準物質中的鐵含量

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過低或過高， 土壤的理化性質就會發生變化， 可能會導致植物營養失調， 從而影響植物對礦質元素的吸收以及體內的代謝過程， 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。 本次實驗分別選取酸、 堿兩種不同類型的國家一級土壤有效態成分分析標準物質GBW07413a(ASA-2a)(pH 8.15)和GBW07415a(ASA-4a)(pH 6.08)為研究對象， 考察沸水浸提-電感耦合等離子體發射光譜法是否適合不同類型的土壤。 從測試的結果來看， 兩種不同類型標準物質測定的精密度較好， RSD小于6%(見表6)。 此法對不同pH的土壤類型是適用的， 不需要區分土壤的酸堿性。

表6 不同pH土壤樣品測試結果

3 方法質量評估

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行測定， 計算硼元素測定結果的標準偏差(s)， 以3倍標準偏差計算硼元素的檢出限， 12次測定結果列于表7。 DD2005-03《生態地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》對土壤有效硼樣品分析方法要求檢出限為0.005 mg·kg-1， 對比發現本法的檢出限(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個國家一級土壤有效態成分分析標準物質進行方法的精密度實驗， 按照上述制定的樣品分析方法對每個標準物質平行分析12次， 計算每一個標準物質12次平行測定的相對標準偏差(RSD)， 結果見表8， 結果顯示， 標準物質相對標準偏差(RSD)不超過8.5%， 精密度較高。

表8 方法精密度

3.3 方法準確度

為了驗證方法的準確性， 選取12個國家一級土壤有效態成分分析標準物質， 按照實驗擬定的浸提前處理條件下有效硼的實驗， 每個標準物質平行制備3份樣品， 在選定的最佳儀器工作參數下進行測定， 計算出土壤有效硼3次測定結果的平均值， 并計算相對誤差(RE)， 測定結果見表9。 實驗結果表明， 本方法測定標準物質中有效硼相對誤差(RE)為0.02%～6.25%， 其中NSA-5(AR-5)相對誤差為10.3%， 相對較大， 總體來說測定值與推薦值基本吻合， 能滿足土壤樣品的分析要求。

表9 方法準確度

4 結 論

與中華人民共和國國家標準土壤有效硼測定方法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射光譜法操作簡單， 流程短， 檢測快速， 分析結果準確可靠， 同時， 沸水浸提法可以避免樣品處理過程中的硼污染， 具有現實使用性， 尤其是在分析大批量土壤樣品時， 一次可浸提幾十個土壤樣品, 大大提高了分析效率, 為土地質量地球化學調查， 生態地球化學調查和農業地質調查項目工作高質高效的運行提供分析技術支撐。 用國家一級土壤有效態成分分析標準物質對該方法進行驗證， 測定結果與推薦值基本吻合， 準確度能夠滿足土壤樣品中有效硼的分析要求。