微波消解-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法同時測定畜禽糞便中7種重金屬元素

王 倩

(北京市畜牧總站，北京 102200)

畜禽養殖業的快速發展，產生了大量的養殖廢棄物，給自然環境承載力帶來巨大的挑戰，大多數畜禽養殖場，畜禽糞污處理設施落后，處理技術參差不齊，畜禽養殖中產生的畜禽糞便和污水對周圍的水源、土壤、空氣可造成嚴重的環境污染，對畜禽養殖業的可持續發展和畜禽產品的質量安全構成威脅[1]。

近年來，國家越發重視畜禽糞污的還田利用和養殖污染監管，2020年，農業農村部、生態環境部出臺相關政策，鼓勵畜禽糞污還田利用，明確了畜禽糞污還田利用有關標準和要求[2]。畜禽糞便含有豐富的有機質和氮、磷、鉀等營養物質，因此，在農業生產中，農民一直將處理后的畜禽糞便作為有機肥來使用。一直以來，人們多關注糞便中氮、磷等污染問題，對糞便中重金屬元素關注較少[3]。由于飼料中添加過量的微量元素，畜禽糞便中的重金屬含量明顯增加[4-5]，銅、鋅常被添加于動物飼料中以促進動物生長、改善動物皮毛顏色等[6]。有機鉻和有機砷制劑能刺激動物生長，改善肉質，并且具有廣譜高效抗菌的作用，常作為飼料添加劑[7-8]。鎘、鉛、汞等元素會由伴生礦物、機械工具磨削或大氣沉降物而進入飼料中[9]。飼料中的重金屬只能被動物吸收一小部分，剩下的大部分會隨糞尿排出[10]。重金屬超標的畜禽糞便一旦還田會造成土壤重金屬累積，并促進重金屬向土壤深層遷移，過量重金屬會抑制植物生長，或者通過食物鏈危害人類健康[11]。畜禽糞便如果未經檢測就還田可能會對環境造成污染。因此，需要建立一種檢測畜禽糞便中重金屬元素的方法，對糞便科學規范還田起輔助支撐作用。

電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法具有可同時測定多種金屬元素、精密度和靈敏度比較高、線性范圍寬、分析速度快的優點[12-13]。樣品前處理方法中微波消解應用廣泛，具有多種優點，包括簡單、快速、節省化學試劑、減輕環境污染等[14-15]。本文建立了可同時檢測畜禽糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素的微波消解-電感耦合等離子體質譜法，適用于畜禽糞便還田前的多種重金屬檢測，對種養結合、農牧循環的可持續發展起促進作用。

1 實驗部分

1.1 儀器與主要工作參數

NexlON 2000-C電感耦合等離子體質譜儀(美國PerkinElmer公司)，每次檢測前需采用1.0 μg/L的Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U調諧液對儀器進行手動調諧，調諧優化后主要工作參數見表1；CPA224S電子分析天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司)，MARS 240/50微波消解儀(美國CEM公司)，恒溫干燥箱，樣品研磨儀，0.25 mm樣品篩。

表1 ICP-MS儀器的主要工作參數

1.2 主要試劑

硝酸(優級純)、氫氟酸(優級純)、鹽酸(優級純)均購自國藥集團化學試劑有限公司，99.99%高純液氬，氦氣，Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg單元素標準溶液購自中國計量科學研究院，金(Au)標準溶液(1 000 mg/L)、Re、Rh內標溶液(10 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心，混合內標溶液(10 μg/mL)購自美國PerkinElmer公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品制備

取糞便樣品500 g充分混勻，經65 ℃烘干至恒重后，研磨，過0.25 mm樣品篩，置于潔凈、干燥的容器中備用。

1.3.2 樣品消解

精確稱取樣品0.25 g(精確至0.001 g)于消解管中，加入8 mL硝酸，混勻。將消解管放入微波消解儀中，800 W下20 min內升溫至160 ℃，保持20 min。冷卻后，在趕酸器上100 ℃趕酸10 min，用純水轉移并定容至50 mL。此溶液作為7種重金屬元素的測定溶液，若Cu、Zn測定結果過高，再將此溶液進行5倍或10倍稀釋作為Cu、Zn的測定溶液。同時進行全試劑空白消解。

1.3.3 標準工作溶液和內標溶液

以5%硝酸溶液為介質，加入金溶液(1 000 μg/L) 作為汞標準溶液的穩定劑，按照表2所示，對各濃度梯度進行逐級稀釋，作為標準工作溶液。Ge作為Cu、Zn、Cr的內標，Bi作為Hg和Pb的內標，Rh作為As和Cd的內標，內標混合溶液濃度為500 μg/L。

表2 7種元素在標準系列溶液中的濃度

2 結果與討論

2.1 消解體系和消解溫度的選擇

消解體系中所用的酸一般有硝酸、鹽酸、氫氟酸、過氧化氫等[16]，由于之前的研究已經驗證過，H2O2在消解中所起作用不大[17]，所以在消解體系用酸選擇中，先不考慮H2O2。HNO3由于其強氧化性和強酸性，可以把大部分的物質消解掉，因此是消解體系中最常用的酸。HF主要作用是消解硅酸鹽[18]，大部分糞便中不含硅酸鹽，因此，把HF作為備選，可以對比下有無HF對消解效果的影響。加入HCl的主要目的是和硝酸組成王水增強氧化性，尤其是檢測Hg時加入HCl，氯離子和汞離子形成氯化物，有助于增強汞的穩定性，避免汞的逃逸，確保檢測的準確[19-20]。因此，為了同時檢測糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素，設置了三種消解體系進行選擇，即HNO3(8 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)、HNO3(2 mL)+HCl(6 mL)+HF(1 mL)。至于消解溫度，檢測Hg元素時，由于Hg元素較其他元素易逃逸，因此一般選擇較低溫度進行消解，檢測其他重金屬元素時，一般選擇較高溫度，如180 ℃，因此，設置了160 ℃和180 ℃兩個消解溫度進行選擇。具體分組情況如表3所示。6組均20 min升溫到所設溫度，并保持20 min。

表3 消解體系和消解溫度分組

6組消解條件下按照樣品消解要求處理后進行上機測定，結果如表4所示，6組樣品各元素回收率在80.3%～120%。各組回收率均符合要求，表明各組消解條件均可達到徹底消解糞便的目的。在此前提下，由于酸種類越少，引入雜離子越少，干擾就越少，也會減少污染的風險，因此，選擇8 mL HNO3消解體系。由于160 ℃和180 ℃條件下，所測結果相差不大，最終選擇160 ℃消解溫度。為了防止消解液放置時間過久Hg可能會逃逸，因此建議樣品消解后，3 d內完成上機測試。

表4 各組消解條件下7種元素的回收率

2.2 干擾消除及內標元素的選擇

采用KED模式(He碰撞模式)來消除質譜干擾，通過內標元素校正來減弱或消除非質譜干擾，主要是基體效應。內標元素通過篩選出與目標金屬元素抑制/增強強度一致的金屬元素來確定[17]。具體方法如下：準備純水(A)、50 μg/L的多金屬元素混合標準溶液(B)、糞便樣品消解液(C)、加標(50 μg/L)的同一糞便樣品消解液(D)，將四種溶液分別上機，測定各種金屬元素的信號強度，用I代表強度值(cps)，R代表各金屬元素被基體效應抑制/增強的程度，那么R=(ID-IC)/(IB-IA)[17]。與目標金屬元素抑制/增強程度一致的金屬元素可作為其內標。其中多金屬元素混合標準溶液為目標金屬元素Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg和內標元素Re、Rh、Ge、Bi、In、Sc、Tb、Y、Li、Ru、Os的混合溶液，D溶液中加標指的是所有這些目標元素和內標元素的加標。通過此方法最終篩選出各金屬元素的內標，Ge作為Cu、Zn、Cr的內標，Bi作為Hg和Pb的內標，Rh作為As和Cd的內標。

2.3 Hg的吸附效應

Hg在檢測過程中具有很強的吸附效應，尤其是檢測較高濃度的樣品。在這種情況下，Hg與其他金屬元素混合在一起，不僅自身吸附效應影響檢測的準確性，還有可能影響其他元素。針對此種情況，對標準溶液介質進行了相應的探索和改進。分別采用純水、HNO3(2%)、HNO3(5%)以及含金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為介質，配制標準溶液系列并上機測定。發現以水為介質配制7種元素混合標準溶液系列時，吸附效應是最強的，Hg的線性相關系數才達到0.996，其他元素線性相關系數在0.998及以上；當用HNO3(2%)為介質配制標準溶液系列時，吸附效應明顯減輕，各元素的線性相關系數均能達到0.999；HNO3濃度增加到5%時，線性更好，加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為介質時，不僅線性更好，所有元素線性相關系數均在0.999 6及以上，且Hg的測定更加穩定，因此實驗選擇加入金(1 000 μg/L)的HNO3(5%)為標準溶液系列的介質，可配制7種元素混合標準溶液，而不需要單獨配制Hg的標準溶液，做到了僅檢測一次標準溶液系列，即可同時檢測7種元素，大大節省了檢測時間。

2.4 線性關系與檢出限

將Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種元素混合標準溶液系列由低濃度到高濃度依次上機測定，采用KED模式(He碰撞模式)，以各金屬元素響應值和內標元素響應值的比值為縱坐標，各金屬元素的濃度(μg/L)為橫坐標，得到線性回歸方程，線性過原點，線性相關系數均大于0.999 5，如表5所示。將全試劑空白溶液平行測定11次，計算各元素的標準偏差，其3倍標準偏差即為各元素的檢出限，如表5所示，7種金屬元素的檢出限在0.005～0.305 μg/L，表明此方法具有較高的檢出能力。

表5 7種元素的線性相關系數和檢出限

2.5 方法的精密度和準確度

選取2份糞便樣品，每份糞便樣品稱量6個平行樣進行前處理后上機測定，計算各個元素的平均含量及其相對標準偏差(RSD)，見表6，所有金屬元素的RSD為0.70%～5.6%，精密度較高。在已知糞便中7種金屬元素含量本底值的前提下，按照各種元素1倍本底值左右的量進行加標，加標后按照正常前處理程序進行微波消解、趕酸、定容并測定，計算各元素加標后含量以及加標回收率，見表7。7種金屬元素的加標回收率為83.6%～112%，表明此方法準確性良好。

2.6 部分畜禽養殖場糞便重金屬檢測分析

用建立的方法對部分畜禽養殖場的糞便進行檢測，包括雞糞6份、鴨糞3份、牛糞12份、豬糞9份共30份樣本。糞便中7種重金屬元素的含量均值見表8，從均值來看，糞便中Zn含量最高，其次為Cu，Cr、Pb含量次之，As、Cd和Hg是含量最低的。從畜禽種類來看，豬糞的各種重金屬元素含量相對來說是最高的，尤其是Cu和Zn；四種畜禽糞便中，Cu和Zn含量最低的是牛糞。

重金屬對植物具有低濃度促進生長，而高濃度抑制其生長的作用[9]。如Cu過量后會引起中毒反應，引起失綠癥，抑制植物生長；Zn過量后會影響光合作用和營養物質流失，導致生長緩慢、葉片枯黃；Cd過量后會降低植物體內酶的活性，影響植物對營養物質的吸收等[18]。各種重金屬過量后均最終導致抑制植物生長的作用。國家標準《畜禽糞便還田技術規范》(GB/T 25246—2010)規定了制作肥料的畜禽糞便中重金屬Cu、Zn、As的含量限值(按照不同的土壤pH值和作物種類進行規定)，中華人民共和國農業行業標準《有機肥料》(NY/T 525—2012)規定了有機肥料中重金屬Cr、As、Cd、Pb、Hg的限量指標(分別為≤150、15、3、50、2 mg/kg)。畜禽糞便樣本中7種重金屬元素的含量范圍值如表9所示，所測的6份雞糞樣本、3份鴨糞樣本和12份牛糞樣本中，7種重金屬元素均未超過標準限值。9份豬糞樣本中，重金屬Cr、As、Cd、Pb、Hg均未超過標準限值，Cu和Zn均為部分樣本超標。根據Cu含量測定結果，22.2%的豬糞樣本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的種植(限值85 mg/kg)，但對于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果樹的種植，并未超出標準限值(限值分別為150、300和400 mg/kg)，對于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果樹的種植，豬糞樣本中Cu含量均未超過標準限值(限值分別為170、300、600和800 mg/kg)。根據Zn含量測定結果，11.11%的豬糞樣本不能用于pH<6.5土壤上蔬菜的種植(限值500 mg/kg)，但對于pH<6.5土壤上水稻、旱田作物和果樹的種植，并未超出標準限值(限值分別為900、2 000和1 200 mg/kg)，對于pH值在6.5～7.5以及>7.5的土壤上蔬菜、水稻、旱田作物和果樹的種植，豬糞樣本中Zn含量均未超過標準限值(限值分別為pH值在6.5～7.5：700、1 200、2 700和1 700 mg/kg，pH>7.5：900、1 500、3 400和2 000 mg/kg)。

表6 方法的精密度

表7 方法的準確度

表8 部分畜禽養殖場糞便中7種元素含量均值

表9 部分畜禽養殖場糞便中7種元素含量范圍

3 結論

畜禽養殖場產生的大量糞便會給環境造成污染，但糞便是有機肥的重要原料，并且，糞便還可以經過科學處理后直接還田用于農作物種植。糞便中的重金屬含量對植物的生長至關重要，本文建立了一種微波消解-電感耦合等離子體質譜法，可同時檢測畜禽糞便中Cu、Zn、Cr、As、Cd、Pb、Hg 7種重金屬元素的方法。方法用時短、操作簡便、準確度高、檢出限低、實用性強，用建立的方法檢測了30份畜禽糞便樣本，檢測結果對糞便科學還田具有指導意義。本方法的建立對于形成糞污農田良性循環，促進生態環境不斷優化具有積極的輔助作用。