土壤環境監測中光譜法的應用分析

內蒙古自治區環境監測總站呼和浩特分站 王霞

一、原子吸收光譜法發展與基本原理

原子吸收光譜法也被人們叫做原子分光光度法，是鑒于待測元素基態原子蒸汽對其特點譜線的吸收，由特征譜線特征性與譜線被削弱性對待測元素加以定性分析的儀器分析方式。這種方法起源于10世紀初，在10世紀60年代證實了弗蘭霍夫線給某一部分元素發射的特征譜線的位置。于1936年烏德遜發現了空氣里面存在著汞；1955年，沃爾什提出了峰值吸收基本原理，可以有效解決寬帶與光強度方面的問題，實現原子吸收法。原子吸收光譜法關鍵是借助氣態原子吸收一定波長光輻射，讓原子內外層的電子由基態躍至激發態的現象所構建起來的。因為原子能級為量子化的，所以，在一切情況下，原子對輻射吸收均有選擇。因為各種元素的原子結構與外層電子排布有差別，所以各個元素共振吸收線有不一樣的特點。如此可以當作元素定性的依據，吸收輻射強度可以當成定量的依據。所以，原子吸收光譜法可以合理監測土壤里面的一些重金屬元素，繼而幫助人們掌握土壤質量和環境污染源。掌握原子吸收光譜法原理，如此才可以充分運用于土壤環境監測之中。

二、原子吸收光譜法類型分析

（一）石墨爐原子吸收光譜法

這一方式是一種經過合理使用電流加熱原子化的分析方式。在具體實踐過程中，水平方面對石墨爐加熱可以解決溫度分布不均的問題，石墨爐原子化產生尤為重要，對火焰原子化有一定的技術優勢，與火焰原子化技術對比分析，靈敏度提高了3到4個數量級，總體零名都是10-12到10-14量級。需要注意的就是，盡管技術優勢顯著，不過石墨爐原子吸收光譜法依舊有技術方面的阻礙，比如這一技術的重視性比不上火焰法，于待測土壤樣本里面的重金屬成分更為復雜，有很大的誤差。

（二）氫化物發生法

土壤里面易于產生重金屬元素，譬如硒、汞、銻、鉛、鍺、鉍等多種元素，用氰化物發生法通常能夠得到很好的效果。在具體實踐環節中，以上元素一般不適合使用火焰原子化法進行檢測，先采用了硼氫化鈉預處理，由于這一物質有一定的還原性，可以將以上元素還原成陰離子，與硼氫化鈉里面的陰離子構成氫離子結合氣態氫化物。比如，在土壤環境監測中，用流動注射氫化物吸收監測河流里面的沉積物和砷，實驗結果表示，環境監測之中的砷限是每升2ng，精密度是1.35到5.07%，精準度是93.5到106%，監測汞含量是每升2ng，精密度是0.96%到5.52%，精度是93%到109%。總的來說，氫化物發生法不僅迅速、便捷，而且精度和精密度十分優秀，能夠測量與分析土壤中的重金屬元素含量。

（三）火焰原子吸收光譜法

土壤環境監測環節，火焰原子吸收光譜法是現下比較常見的技術方式，其工作原理。這種方式的優點就是對多數重金屬元素均適用，與此同時檢測快速，成本低、操作便捷、結果準確等。在實驗室環境中，很多采用了空氣-乙炔火焰，溫度在2300℃，無法充分融化全部的金屬元素，所以后期實驗過程中將空氣改良成預先混合氧氣，提高氧氣濃度，促使火焰溫度提升，隨后改良，把火焰變成氧化亞氮-乙炔，這一類火焰最高的溫度能夠達到3000℃以上，可以快速處理很多不容易融化的金屬元素檢測方面的問題。（見圖1）

圖1 火焰原子吸收光譜法工作原理

三、待測土壤樣本預處理

（一）微波消解

微波消解就是利用化學技術對待測土壤樣本展開預處理。與過去的外部加熱方式有所區別，這種技術是從土壤樣本中進行加熱處理的。經過合理運用微波消解技術，可以在短期內讓待測土壤樣本內部提高到一定的問題，縮短土壤樣本預處理時間，提高實驗活動效率。除此以外，由于微波消解技術下，土壤溶解樣本是于封閉情況下進行的，所以，土壤樣本于被加熱時，樣本本身損失會降低，如此就會提高實驗精度。比如，對某一土壤樣本檢測時，首先用微波消解技術，然后用電熱板加熱驅酸，做好對樣本的預處理工作，最后用原子吸收光譜法檢測土壤環境中的鉛離子等，在通過大量實驗以后認識到，其和標準差小于4.7%，加標加收率為94%到98%、96%到102%，微波消解技術與以往的技術方式比較，有很高的精密度與回收率。

（二）超聲波輔助

這一技術基本原理，即經過超聲波攜帶的能量，促使土壤樣本里面的內部空氣逸出，于空氣逸出中釋放適量的熱電荷，除此以外，土壤塌縮會產生熱點，造成土壤內部問題提高。超聲波輔助采用環境限制性不大，與此同時這一技術帶來的污染小、成本低、處理時間短。比如，檢測樣本的過程中，分別用懸浮液進行樣本檢測與超聲波處理土樣懸浮液進樣速率為每分鐘7mL,在測試時不會有毛細管堵塞方面的情況。除此以外，還有一種處理方式就是進樣速率為每分鐘3mL,在測試中有毛細管堵塞方面的問題，與此同時對別的四組樣品進行平行檢測，測試結果是1.9%大于RSD，加標回收率是94%到107%。雖然超聲波輔助于土壤環境監測中有各種優勢，不過大部分依舊有缺陷，所以在處理樣本時，需要避免單純用一種技術，要搭配各種技術，方可促使效果達到最大化。

（三）懸浮液

這一技術本質在于將待測土壤樣本搗碎，并且進行研磨處理以后，把其制作成懸浮液，同時送入原子化設備之中。在土壤環境監測工作過程中，懸浮液技術十分常見，該優勢在于操作簡單。例如，在用懸浮液技術測量土壤里面的銅元素含量時，先用土壤過篩烘干處理，隨后將0.1g的樣品放在10mL的容量瓶內，同時添加合適的濃硝酸與瓊脂溶液，然后使用震蕩機震蕩180s，隨后開展檢測工作。需要關注到的問題就是，對懸浮液質量有影響的因素牽涉有懸浮液酸性與總體濃度等，所以，經過調查中國擬定的有關技術標準可以了解到，懸浮液里面，用硝酸濃度每升0.2ml，瓊脂溶液濃度是每升1.5g，待測土壤顆粒直徑是76到80μm,可以充分滿足上述指標要求以后得到的數據通常是很準確的，所以用懸浮液技術的過程中，需要明晰上述幾種指標可否滿足精度要求，如此方可確保實驗結果精度。

四、原子吸收光譜法運用于土壤環境監測的路徑

（一）重金屬含量檢測

現如今，土壤里面重金屬污染嚴重，就是由于部分工廠廢棄物與污水尚未進行有效處理直接被排放到了土壤之中，土壤里面有各種農作物、植物，通過土壤里面的農作物根吸收作用于植物體內富集，接著種植后的農作物里面檢測出作物超標，危害人體健康。或重金屬進入到植物葉片或植物氣孔、氣體或灰塵形式散發至大氣內，人類從呼吸道吸收進入同樣會危害到人體健康。故而，需要增加對重金屬的檢測，把土壤里面的重金屬含量控制在某種范圍以內，確保環境與人體健康，推動社會和諧穩定發展。在土壤重金屬檢測中運用原子吸收光譜法，有很高的靈敏度、檢測高效、需要的樣本含量不多等，可以對土壤環境監測起到一定的貢獻。原子吸收光譜法檢測土壤里面重金屬的原理就是，根據空心陰極燈或光源中發射一束特定波長光線，各種元素可以吸收波長的光，接著經過原子化器內特定待測元素原子蒸汽時，一些蒸汽被吸收，按照吸收程度的差異性，用原子分光光度計測定吸光度，連接計算機制作吸收光譜，分析元素吸收情況，檢測出土壤內的重金屬含量。不過這樣的方式僅能定量分析無法定性分析，如此必須要在檢測以前調查統計土壤內包含的重金屬。重金屬突然土壤是造成土壤肥沃程度下降的主要原因之一，同時還是造成農作物重金屬超標、作物發育慢、生長速度慢的直接因素。經過原子吸收光譜法測定土壤內某一種金屬含量以后，使用各種有效的方式可以大大減少重金屬含量，提高土壤肥沃力，促使作物快速生長，益于凈化土壤環境。

（二）重金屬元素形態分析

元素形態關鍵是說土壤里面重金屬元素是通過何種方式存在著的，比如，部分穩定的存在方式：有機結合態、殘渣態；穩定性不佳的形態，如：交換態和碳酸鹽結合態等。土壤里面的重金屬污染物均是通過穩定性不佳的方式存在著的，元素形態分析可以對重金屬起到一定的作用。不過對重金屬形態分析相比較于重金屬含量分析難度大得多，如此對土壤檢測有很多的挑戰。不過，原子吸收光譜法可以實現對土壤內重金屬形態的檢測，同時具備檢出率高和靈敏度好等優點事分析化學中的進步。可以充分檢測出土壤里面的游離態重金屬，還可以檢測出類似于鐵、鋅結合態。經過該種檢測可以促使環境監測局準確判斷土壤重金屬穩定性，繼而使用合適的舉措降解土壤里面穩定性佳的重金屬，保護土壤環境，確保土壤環境安全。

（三）土壤樣品測量

根據原子吸收光譜法運用維度而言，在處理過程中通常分成消化、熔融方式，不過不管是消化或是熔融，均會破壞土壤里面的礦物晶格，接入將土壤被測元素轉移。進行土壤環境監測過程中，相關監測工作者關鍵是經過堿溶系統與酸溶系統處理土壤的。綜合現在的堿溶液處理系統而言，比較常用的就是碳酸鉀和碳酸鈉等方法，經過這些處理方法，能夠有效處理土壤。例如，土壤消化處理過程中，經過合理運用HF-HNO3-HCI04，可以突破土壤里面的礦物元素品格，與此同時土壤樣品會轉變成SiF4,接著檢測工作者需要在溶解以后的土壤里面加入適量的HNO元素，同時挑選科學的材料展開原子吸收光譜法應用，以此獲得理想中的元素監測效果。在進行土壤中樣品監測和分析過程中，還可以對各種微量元素加以直接監測，與此同時能夠大大削弱監測難度，金國乙炔火焰可以提升各種類型的微量元素監測精度。又如，對土壤里面的金屬元素，比如鐵元素、鋅元素等檢測的時候，經過一次性浸提劑的運用分析酸堿值，能夠有效提高重金屬控制成效，提升環保力度。

（四）土壤污染評價

在新時代發展背景下，要求堅持綠色環保城市化發展新理念，增加生態環保與污染治理是重要任務，不過伴隨工業化發展規模不斷拓展，大多數工業污染物和農田化學藥劑排放，造成土壤環境中布滿了各種污染元素，在這里面，很多都是重金屬污染物，為人類生態環境造成了很大的威脅，同時對人們正常工作與生活造成了不良影響。根據不完全統計，某一地區多個省市縣級區域進行土壤環境監測，運用原子吸收光譜法監測土壤里面的Cr元素含量，使用石墨爐原子吸收法對土壤里面的pb、Cd等進行檢測，發現土壤內Cr、pb、Cd元素檢測結果分別是79.38mg/kg、24.73mg/kg、0.17mg/kg，通過比較可以發現已然超過標準范疇，由此看來，這一地區土壤環境屬于重度污染區域。根本原因就是工業發展與人們生活對土壤環保方面的意識較弱。造成這一地區發生重度污染的元素就是鉛元素。據此，在開展土壤環境監測時，使用火焰原子吸收光譜法檢測土壤環境內所含的鉛元素。在正式檢測工作中，先要做好待測樣本選擇和處理，并且用NHO對樣品展開化學消解工作，在進行火焰原子吸收譜線法檢測的過程中運用乙炔火焰瀉落法，對完全趕酸和不完全趕酸的樣品加以對比，接著經過實際土壤環境監測條件，挑選10份0.5g每份的標準樣品，分為2組（每組5份），一組加入適量的氫氟酸溶液與硝鏹水，進行空白試驗。一組在消解后土壤內加入高氯酸，加以趕酸定容處理。不完全趕酸和完全趕酸結果見表1和表2所示。

表1 不完全趕酸鉛含量監測

表2 完全趕酸鉛含量監測

（五）土壤環境監測干擾消除

于土壤環境檢測中使用分子間吸收光譜線技術通常可以引發多種影響，比如來自光譜、電離等各層次的影響因素。對光譜干擾來說，開展土壤環境試樣檢測時，因為多種元素的收線高度重疊，本身會構成光譜干擾影響，與此同時因為元素呈現出的特點有差別，各個元素之間會主動吸收光輻射，如此會導致元素間的波長差變小，從而影響到生態環境監測結果。故而，在生態環境監測中，運用原子吸收光譜法的過程中，也應采用別的波長類型加以分析，積極改進生態環境監測結果。再者，對電離干擾而言，體現在堿土金屬與堿金屬直接的電離影響方面，土壤里面的離子可以吸收波長帶來的輻射，因此會造成監測結果精度下滑。結合該種情況，需要挑選低溫火焰，原因在于低溫火焰可以降低電力。為提高土壤環境監測效果，在監測工作中需要增加適量的緩沖劑，借此防止受到電力所干擾。在消除物力干擾時，因為物力干擾是經過標準溶液與試液溶液直接物理性質差距導致的，比如二者試液濃度與表面張力有差別，故此在進行監測工作時，需要挑選差異化的監測方式獲得良好的監測效果，防止因為物理反應導致結果偏差。比如，火焰原子吸收光譜法運用過程中，溶液有差別，則黏度就有所不同，會有霧化效率的差異，影響霧化速度和大小。故而，在土壤環境檢測中運用原子吸收光譜法，需要盡量混合標準溶液和試液，繼而降低對土壤環境監測效果帶來的影響。

五、結束語

總的來說，在土壤環境監測過程中，對重金屬檢測是非常重要的工作，原子吸收光譜法就是針對重金屬檢測的最有效的方式，與此同時還是非常常見的技術方法，其不但可以快速檢測土壤里面的重金屬物質，還可以幫助工作者制定科學的土壤環境治理方案，所以，增加對原子吸收光譜法的運用力度，對改善生態環境，發揮著重要作用與意義。