柱后衍生-離子色譜法測定土壤和沉積物中的六價鉻

吳小龍 陳琴放* 符式錦 周女琬 陳京成

(1.海南省生態環境監測中心，海口 570206；2.廣州譜臨晟科技有限公司，廣州 510000)

六價鉻是指以Cr6+形態存在的金屬鉻，通常以CrO42-、Cr2O72-兩種陰離子形式被吸附于土壤和沉積物中。在各種價態的鉻化合物中，六價鉻的毒性最大且土壤對其吸附能力較弱，遷移性強，導致其易對環境造成污染[1]。六價鉻主要來源于工業生產過程，例如毛皮鞣制及制品加工、含鉻礦石的加工、金屬塑料電鍍、印染、印刷等行業排放的污水中均含有六價鉻化合物[2]。這些污水中的六價鉻流入地表水會污染水源，滲入地下則會污染土壤以及地下水，從而對環境和生物造成嚴重威脅[3-4]。此外，在我國，六價鉻已被規定為總量控制指標之一，在國家發布的《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行))》(GB 36600—2018)[5]中明確規定了土壤中六價鉻的限值。因此，使用簡便的方法對土壤和沉積物中六價鉻進行準確測定具有重大意義。

目前，測定土壤和沉積物中的六價鉻需要先使用堿性提取液進行預處理，通過打開土壤基體中的鈣硅結構，提取出六價鉻，從而得到待測溶液，然后再用分光光度法(如二苯碳酰二肼分光光度法)[6]、離子色譜法[7]、原子吸收光譜法[8-10]、電感耦合等離子體發射光譜法[11]、電感耦合等離子體質譜法[12]。此外，六價鉻的測定還可以使用相關的聯用技術如離子色譜-電感耦合等離子體質譜法[13]、液相色譜-電感耦合等離子體質譜法[14]等方法進行測定。這些方法中，分光光度法的準確度受試樣色度影響大，導致應用范圍??；電感耦合等離子體質譜法和聯用技術儀器價格昂貴，運行成本高。本文采用的柱后衍生離子色譜法相較于其他測定方法來說，成本較低，儀器測定六價鉻不受試樣色度、鹽分、pH值及三價鉻影響。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

配有雙離子色譜泵和TLD檢測器的超痕量六價鉻分析儀(IC-UV/VIS)，保護柱((4.1 mm×50 mm)及Prin-Cen Cr(VI) Spec Fast Column(4.1 mm×50 mm)色譜柱(廣州譜臨晟科技有限公司)；超純水儀(臺灣艾科普有限公司)，pH 計(梅特勒-托利多儀器有限公司)，分析天平(上海天平儀器廠)，攪拌加熱裝置(常州普天儀器制造有限公司)，真空抽濾裝置(天津津騰實驗設備有限公司)，高速離心機(賽默飛科技有限公司)，超聲清洗儀(昆山市超聲儀器有限公司)。

MgCl、NH3·H2O、Na2CO3、NaOH、濃硫酸、二苯碳酰二肼、K2HPO4、KH2PO4均為分析純試劑，HNO3(優級純)，CH3OH(色譜純，美國霍尼韋爾貿易有限公司)，K2Cr2O7基準試劑(純度99.8%，使用前在105 ℃干燥箱中烘2 h后保存于干燥器內，備用)。

聚碳酸酯濾膜(0.45 μm)，尼龍篩(0.15 mm，100目)，聚乙烯薄膜。

1.2 試劑配制

K2HPO4-KH2PO4緩沖溶液(pH=7)：稱取87.1 g K2HPO4和68.0 g KH2PO4溶于超純水中，稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻。

堿性提取溶液：稱取30 g Na2CO3與20 g NaOH溶于超純水中，稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻儲存于聚乙烯瓶中并密封待用。

衍生化試劑：先稱取0.80 g二苯碳酰二肼，溶解于100 mL甲醇中，再將28 mL濃硫酸緩緩加入500 mL超純水中，混勻后冷卻至室溫。然后將二苯碳酰二肼甲醇溶液轉至硫酸水溶液中，加超純水稀釋定容至1 000 mL容量瓶中，搖勻后轉移至衍生試劑瓶，用氬氣(純度≥99.99%)或超聲脫氣5～10 min，再將該溶液于1～4 ℃下避光保存，5 d內使用。

淋洗液：準確移取4 mL HNO3和4 mL NH3·H2O，加入到900 mL超純水中，混勻并分析其pH值(若溶液的pH值不在7.5±0.5范圍內，則使用氨水溶液或硝酸溶液調節)，最后將其轉移至1 000 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度，充分混合(使用前超聲10 min)。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品采集

按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)和《建設用地土壤污染風險管控和修復監測技術導則》(HJ 25.2—2019)的相關要求進行土壤樣品的采集和保存，按照《地表水和污水監測技術規范》(HJ/T 91—2002)、《水質采樣技術指導》(HJ 494—2009)及《水質采樣方案設計技術規定》(HJ 495—2009)的相關要求進行水質樣品的采集和保存，按照“海洋監測規范第三部分：樣品采集、貯存與運輸”(GB 17378.3—2007)的相關要求進行沉積物樣品的采集和保存。樣品的采集與保存均未使用金屬制品儲存器；按照《土壤環境監測技術規范》(HJ/T 166—2004)，將采集的樣品在實驗室中風干、破碎、過尼龍篩，保存。

1.3.2 樣品預處理

準確稱取5.0 g(精確至0.000 1 g)經制備的樣品置于250 mL燒杯中，加入50.0 mL堿性提取溶液，再加入400 mg氯化鎂和0.5 mL磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液，放入攪拌子，用聚乙烯薄膜封口，置于攪拌加熱裝置上，常溫下攪拌樣品5 min后，開啟加熱裝置，加熱攪拌，保持60 min。取下燒杯，冷卻至室溫。用濾膜抽濾，將濾液轉移至100 mL容量瓶中，用超純水定容至刻度線，搖勻，稀釋10倍待超痕量六價鉻分析儀檢測(空白試樣的制備除了不加樣品其余步驟與預處理步驟相同)。

1.3.3 水分的測定

按照“土壤干物質和水分的測定重量法”(HJ 613—2011)測定經制備的土壤樣品的干物質含量，按照“海洋監測規范第五部分：沉積物分析”(GB 17378.5—2007)測定經制備的沉積物樣品的干物質含量。

1.3.4 超痕量六價鉻測定

超痕量六價鉻分析儀按照表1中的儀器參數設置測定條件，并以此作為繪制工作曲線以及實際樣品預處理后消解液的測定條件。

表1 超痕量六價鉻分析儀工作條件Table 1 Working conditions of the ultra-trace hexavalent chromium analyzer

1.3.5 工作曲線的繪制

準確稱取一定量的K2Cr2O7基準試劑，用少量超純水溶解后，轉移至容量瓶中，經稀釋定容搖勻后，得到質量濃度為10 mg/L六價鉻標準溶液。分別吸取0、0.05、0.20、0.50、1.00、2.00、5.00、10.0 mL六價鉻標準溶液，置于250 mL燒杯中，按照樣品預處理的步驟制備溶液濃度為0、5.0、20.0、50.0、100、200、500、1 000 μg/L的標準系列溶液。然后以空白試樣調儀器零點，按照儀器參數，由低濃度到高濃度依次進樣測定，并以目標化合物的質量濃度(μg/L)為橫坐標，以其對應的峰面積或峰高為縱坐標建立工作曲線。所繪制的工作曲線線性方程為：y=18398.1467x+7581.6100(r=1.0000)。

2 結果與討論

2.1 堿性提取液pH值的優化

《土壤和沉積物 六價鉻的測定 堿溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到堿性提取液的pH值對六價鉻的提取效率有較大影響，進而會影響到六價鉻測定的準確度。在其他實驗條件不變的情況下，通過使用土壤六價鉻質控樣GBW(E)070255來考察提取液pH值的變化對測定六價鉻的實際影響，結果如圖1所示。當提取液的pH值小于11.5時，六價鉻測定值隨著pH值的增大而接近土壤六價鉻質控樣的標準值(68±7) mg/kg；當提取液的pH值等于11.5時，六價鉻的測定值已經在標準值的可接受范圍內；當提取液的pH值大于11.5時，六價鉻的測定值受pH值變化的影響不大，趨于平穩。因此，選定的提取液pH值為11.5。

圖1 提取液pH值優化Figure 1 pH value of the extraction solution optimization.

2.2 提取溫度的優化

使用土壤六價鉻質控樣GBW(E)070255進行不同提取溫度下的對比實驗，從而確定合適的提取溫度。由圖2結果可知，提取溫度在90～95 ℃時，六價鉻的測定結果與樣品的標準值非常接近；當提取溫度低于90 ℃時，因樣品消解不完全，六價鉻的提取效率低導致測定結果偏低；當提取溫度高于95 ℃時，提取液會沸騰濺出造成損失，導致測定結果偏低，影響結果準確性。故所選定的提取溫度為90～95 ℃。

圖2 提取溫度優化Figure 2 Extraction temperature optimization.

2.3 提取時間的優化

在其他條件不變的情況下研究提取時間對六價鉻測定結果的影響，選擇不同的提取時間對土壤六價鉻質控樣GBW(E)070255進行實驗。由圖3可知，當提取時間小于60 min時，由于提取時間短，樣品中的六價鉻不足以完全溶出，故測定結果偏低；當提取時間延長至60 min時，六價鉻測定值與在標準值的可接受范圍內；當提取時間大于60 min時，提取時間的延長對六價鉻測定值幾乎沒有影響?？紤]到時間效率和能源成本，選擇60 min作為提取時間。

圖3 提取時間優化Figure 3 Extraction time optimization.

2.4 氯化鎂加入量的優化

美國環境保護署發布的《EPA Method 3060A Alkaline Digestion for Hexavalent Chromium》中提到想要消除樣品中三價鉻對六價鉻測定時的干擾，可以利用氯化鎂和磷酸氫二鉀-磷酸二氫鉀緩沖溶液抑制鉻提取過程中三價鉻氧化反應的特性來達到目的。為了找到六價鉻提取過程中合適的氯化鎂加入量，使用六價鉻質控樣GBW(E)070254(標準值為7.1 mg/kg±0.7 mg/kg)為基體并加入100 μg三價鉻進行了一系列的實驗。在其他實驗條件不變的情況下，改變氯化鎂的用量，依次為100、200、300、400、500和600 mg，結果如圖4所示。結果表明：當氯化鎂加入量小于400 mg時，由于氯化鎂的使用量過少不足以抑制鉻提取過程中三價鉻的氧化對六價鉻測定的影響，所以樣品測定值及回收率均偏高，但隨著氯化鎂的用量增加，氯化鎂對三價鉻的氧化反應抑制能力逐漸增強，導致樣品測定值及回收率逐漸降低；當氯化鎂加入量為400 mg時，六價鉻測定值與標樣的標準值相當且回收率為98.6%；當氯化鎂加入量大于400 mg時，即使氯化鎂的用量增加，測定結果也基本保持穩定。因此，確定氯化鎂的加入量為400 mg。

圖4 氯化鎂加入量的優化Figure 4 Magnesium chloride optimization dosage.

2.5 三價鉻干擾實驗

將兩種土壤樣品和沉積物樣品按照優化好的預處理步驟處理后，進行三價鉻的干擾實驗，考察三價鉻的添加對試樣中六價鉻測定值的影響，結果見表2。由實驗數據可知，樣品中添加的三價鉻對六價鉻的測定沒有影響，說明三價鉻在本方法確定的堿溶液提取條件下不會溶出，從而不會干擾六價鉻的測定。

表2 三價鉻的干擾實驗Table 2 The interference experiment of trivalent chromium

2.6 pH值調節后進樣與直接進樣比對

《土壤和沉積物 六價鉻的測定 堿溶液提取-火焰原子吸收分光光度法》(HJ 1082—2019)中提到由于強堿性溶液會對儀器造成損害，所以試樣在進樣分析前需要調節pH值至7.5±0.5。由于本研究使用的超痕量六價鉻分析儀對試樣的pH值要求不高，所以堿性待測試樣可以不需pH值調節，直接進入儀器測定六價鉻。對沉積物和土壤的實際樣品進行實驗，經pH值調節后進樣和直接進樣的測定結果對比來探究兩種進樣方式對六價鉻測定的影響，結果如表3所示。經過5次平行測定以及t檢驗，得知兩組結果的t值分別為0.938和1.450,均小于t0.05(8)=2.31。說明兩種進樣方式對六價鉻測定值無顯著差異，試樣可以不經pH值調節，直接進入超痕量六價鉻分析儀測定六價鉻，避免了火焰原子吸收光譜法中所必需的調節pH值過程，從而避免導致沉淀現象的產生以及后續相應的過濾等繁瑣步驟，也避免了試樣中因六價鉻含量的損失而對測定準確度的影響。

表3 進樣前處理方式對比實驗Table 3 The comparison experiment of treatment methods before injection /(mg·kg-1)

2.7 方法檢出限

根據“環境監測分析方法標準修訂技術導則”(HJ 168—2020)中對測定檢出限的要求以及儀器的靈敏度進行檢出限的測定。選擇的檢出限的測定質量濃度為0.70 μg/L，先按照樣品的預處理步驟處理樣品，然后配制7份濃度均為0.70 μg/L的待測樣品并上機測定。經儀器分析可知，方法的檢出限為0.02 mg/kg，測定下限則為0.08 mg/kg。

2.8 精密度實驗

精密度實驗是通過采用兩種沉積物，兩種土壤樣品及測定下限附近濃度的空白加標樣品進行的，經6次平行測定后所得數據見表4。由表4可知，六價鉻測定值得相對標準偏差在2.3%～11.0%，表明本方法具有較好的精密度。

表4 精密度統計數據Table 4 The test results of relative standard deviation(n=6)

2.9 方法的準確度實驗

首先對六價鉻標準土壤樣品GBW(E)070254及GBW(E)070255進行6次平行測定，由表5可知測定的相對誤差為0和-3.5%，測定平均值與標準值接近且均在可接受范圍內；其次，分別對兩種土壤樣品和兩種沉積物樣品，通過加入一定量的重鉻酸鉀基準物質來進行加標回收實驗。表6中的實驗數據顯示，樣品的加標回收率在84.0%～94.0%，表明本方法準確度良好。

表5 土壤標準樣品測定結果Table 5 Determination results of soil reference materials

表6 加標回收實驗結果Table 6 Test results of recovery

2.10 方法比較

使用沉積物2和土壤2兩種實際樣品，分別按照本方法和國家環境保護標準HJ 1082—2019進行比對實驗，表7中列出了5次平行測定的結果，并進行t檢驗，經計算得知兩組t值分別為0.877及1.507,均小于t0.05(8)=2.31，表明兩種方法測定六價鉻結果無顯著差異。

表7 本方法與HJ 1082—2019方法檢測結果的對比Table 7 Comparison for the determination of the method with HJ 1082—2019(n=5) /(mg·kg-1)

3 結論

建立了一種能準確、高效地檢測土壤和沉積物中六價鉻的柱后衍生-離子色譜法，該方法檢出限為0.028 2 mg/kg。通過實驗結果可知，實際土壤和沉積物樣品中的加標回收率為84.0%～94.0%，相對標準偏差為2.3%～11.0%。此外，本方法與火焰原子吸收分光光度法相比，樣品中的鹽分、酸堿度以及三價鉻的存在不會影響儀器對六價鉻定量分析，并且該方法操作簡便，靈敏度高、精密度好、準確度高和穩定性強，能滿足《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中的六價鉻的限值測試要求，對測定土壤和沉積物中的六價鉻有很好的應用前景。