便攜式XRF測定儀在土壤檢測中的應用及其影響因素

張建民(青海省地質礦產測試應用中心，青海 西寧 810000)

0 引言

由于近年來我國相關政府部門加強了對土壤檢測的重視，在檢測技術方面也取得了不少成果，但當下在土壤檢測中應用最為便捷且成本較低的當屬便攜式XRF測定儀，它可以一鍵測定土壤中的多種元素。

1 土壤檢測的意義

土壤是植物生長的基礎，更是人類賴以生存的自然資源，土壤的形成是一個極其緩慢的過程，每形成一厘米厚的土壤就需要上千年或更長的時間。從全國首次土壤污染狀況調查結果顯示我國耕地土壤環境質量堪憂，部分地區的土壤污染較為嚴重，土壤總的點位超標率為16.1%：一是農用地土壤環境質量不容樂觀；二是工礦企業及其周邊的土壤環境問題突出；三是土壤環境壓力持續加大。經調查顯示長三角、珠三角、東北老工業基地等部分區域土壤污染問題較為突出，不少大中城市正面臨著重污染行業大批企業的關閉和搬遷問題，導致城市出現大量遺留、遺棄場地。這些場地被成為“棕地”主要原因來自于長期以來的經濟發展方式粗放、污染物排放遠遠超出環境的容量，同時存在污染底數不清、法律標準缺失、防治體系不健全、科技支撐不夠、資金投入不足、各方認識不統一等問題，大大影響了土壤污染防治工作的開展。調查結果還顯示，西南、中南等地區土壤重金屬超標。基于此我國逐漸加強對土壤檢測的重視并出臺了《土壤污染防治行動計劃》以改善土壤環境質量為核心、以保障農產品質量和人居環境安全為出發點共提出了有231項具體措施。

2 便攜式XRF測定儀在土壤檢測中的作用

2.1 XRF原理

所謂XRF總稱為“X射線熒光光譜分析”，目前是一項應用較為廣泛的分析技術，它能夠有效分析土壤中的多種元素。除此之外在石油、礦物等方面的應用同樣普及。X射線是電磁波普的一個組成部分，能量介于紫外線與γ射線之間，能量單位是千電子伏特、波長單位是納米。例如化學元素表中鈉到鈾之間的元素或10-6到100%的元素濃度范圍都可通過XRF進行分析[1]。通常XRF儀器由X射線光源與X射線管兩部分組成，其次是探測器。光源射出的一次X射線能夠直接照在土壤表層，有時也會經過一個過濾器改變射線。射線照到土壤內的原子開始分析元素，同時會發射出X射線熒光也就是二次X射線，此時熒光會被探測器吸收后進行處理，在光譜上記錄的熒光能量則是土壤中元素的特征。XRF能夠提供關于土壤的定性信息，同時也是一項定量分析的技術，由土壤原子發射出的熒光被探測器收集，在儀器中開始進行處理并繪制出光學頻譜，這些光學頻譜能夠表達出X射線強度與能量的關系，根據特征譜線就能夠分辨出土壤中所含的元素。當前在土壤檢測中XRF的優勢較其他分析技術相比更加明顯，具有分析速度快、能夠分析土壤中的多種元素類型的優點，而且不會對土壤造成任何破壞。相對來說XRF分析技術的成本較低，因此目前在世界各地都被推廣使用。

2.2 便攜式XRF測定儀

目前隨著科學技術的不斷進步和相關科研人員的不斷研究，便攜式XRF測定儀證明了它的能力，徹底改變了土壤檢測。XRF是無損檢測手段，成為了一項能夠快速篩選土壤中有毒金屬含量的最理想工具，在操作上也極為便捷，只需要將儀器的檢測窗對準土壤、扣動扳機、讀取結果。檢測在幾秒中內即可完成，有助于考慮下一步采取的警戒或修復。想要使檢測結果具備代表性可以挖一些土樣并放入塑料袋中進行混合，這樣能夠使樣品更加均勻，提高準確度和精度。

2.3 實驗分析

2.3.1 實驗儀器

采用Olympus DELTA Element便攜式XRF分析儀，具有極佳的測試性能，能夠快速檢測并具有較高的精度，基于XRF技術Delta Element能夠提供準確、快速的無損檢測，適用于篩選、分選和對分析對象的元素進行快速識別。擁有堅固的設計和特征鮮明的橡膠模具，具有保護膜，確保即使在惡劣的環境中也能正常使用。該便攜式XRF分析儀重量較輕、易于攜帶。

2.3.2 土壤樣品

老舊建筑周圍的土壤中通常含有鉛元素，來自于含鉛涂料的磨損，建筑門窗下的土壤含有更高含量的鉛基本來自于工業區的粉塵沉積。即使近代所建的房屋在周圍的土壤中也可能含有有毒金屬，這些有毒金屬大多來自于工廠或煙囪的顆粒物沉積，經過長時間的雨雪沖刷逐漸進入到土壤中，而工業污染物中的金屬元素也會經地表水或廢液流入到土壤中。以一個位于工業區中的老舊建筑物周圍的土壤作為試驗樣品，周圍有皮革廠和發電廠，但建筑物位于山上，因此地表水或排放的污水并不會影響到土壤中的重金屬，但考慮其年代久遠以及附近的工業園區，土壤中的Pb含量不容忽視，為了較好測試地下土壤，需要將土壤表面的石頭塊去掉，與此同時為了防止樣品間的污染，在土壤表面放置一個塑料袋，將分析儀檢測窗對準塑料袋直接進行檢測。

2.3.3 樣品分析

通過便攜式XRF儀器對土壤進行基礎測試后要采集一些土樣并送往實驗室進行研究，在實驗室中通常要將土壤進行干燥、粉碎和過篩，來制作均勻的樣品，參照國家標準規定的分析方法對土壤中的重金屬含量進行研究。

2.3.4 便攜式XRF儀器與實驗室研究對比

為了證明便攜式XRF儀器分析與實驗室分析之間是否存在較大差異，分別對土壤樣品的As、Cu、Ni、Pb、Zn等元素進行了檢測，檢測結果如表1所示。

表1 便攜式XRF儀器與實驗室研究對比 單位：mg/kg

從上述圖表可見便攜式XRF儀器檢測與實驗室檢測的偏差值范圍在0.5之內，由此可見便攜式XRF儀器檢測的精度堪比實驗室。雖然便攜式XRF儀器檢測的精度較高，但實際上與實驗室檢測還存在一些差異，并不完全匹配。針對其中存在的偏差值繼續進行思考。

3 便攜式XRF測定儀在土壤檢測中的影響因素分析

3.1 土壤水分的影響

由于土壤樣品的組成較為復雜，尤其在土壤所在位置上通過便攜式XRF測定儀檢測其中的重金屬時，在不同的天氣環境下土壤的濕度也具有一定差異，而且土壤中的重金屬種類也并不是單一的，與此同時土壤水分的變化規律也存在不同[2]。據相關資料表明土壤的含水量會直接影響到X射線吸收特征，為進一步推斷土壤水分對便攜式XRF測定儀檢測的影響，準備一份土壤原樣品和一份經過風干選篩過后的土壤樣品，利用便攜式XRF測定儀分別對兩種土壤樣品進行檢測，反復檢測3到4次后對比兩種土壤樣品檢測的精密度，具體檢測結果如表2所示。

表2 兩種土壤樣品檢測的精密度對比

從以上圖表可知通過便攜式XRF測定儀分別對土壤原樣品和風干土壤樣品進行檢測，得出的結果存在一定偏差，可證明土壤中的水分能夠直接影響到X射線的吸收特征，影響測定結果。五種元素受到的影響程度均不同[3]。此外還有相關研究表明如果土壤水分不斷增加則相對標準差就會變高，所以根據相關研究和試驗表明土壤在保持干燥的環境下通過便攜式XRF測定儀進行檢測的真實值會更高。因此如果在室外進行土壤檢測時應選擇天氣較好且地表干燥的時間進行。

3.2 土壤粒徑的影響

經相關資料分析表明土壤的質地能夠直接影響光普的反射率，如果土壤的粒徑較大就會吸收更多的水分和空氣、如果粒徑較小，結合就越緊密，對光普的反射率具有一定影響。為了進一步判斷土壤粒徑對便攜式XRF測定儀檢測的影響，分別選取了粒徑為1 mm和2 mm的土壤樣品進行檢測，對比不同粒徑的精密度，具體檢測結果如表3所示。

表3 不同粒徑的精密度對比 單位：%

從圖表可知土壤粒徑為1 mm的測試精密度要優于土壤粒徑為2 mm的測試精密度。由此可見土壤粒徑確實能夠影響便攜式XRF測定儀的檢測。

4 便攜式XRF測定儀在土壤檢測中的未來展望

雖然在土壤檢測中可能會受到土壤含水量或土壤粒徑的影響對檢測結果出現一定影響，但這些影響因素都是可以避免的，現如今便攜式XRF測定儀在土壤的檢測中應用越來越廣泛，不僅能夠進行土壤污染調查，還能夠為土壤的污染提供決策，節省了大量的試驗時間和調查費用[4]。方便了土壤環境管理，對土壤污染的管控具有重要意義。

5 結語

土壤環境與人們的生活息息相關，作為人們賴以生存的自然資源，防止土壤污染是當下尤為重要的研究課題。現如今我國在土壤的檢測技術上已經取得了很大進步，而便攜式XRF測定儀對于土壤的檢測具有重要意義，本文對土壤檢測的意義進行了淺顯的說明，主要針對便攜式XRF測定儀在土壤檢測中的應用和影響因素作了詳細分析，證明了便攜式XRF測定儀對土壤檢測的能力，進一步提高了我國土壤檢測水平。