石墨電熱消解-火焰原子吸收法測定土壤中總鉻的研究

鄧 杰

（廣東省中山生態環境監測站，廣東 中山 528400）

0 引言

土壤中存在許多活性組分，是一個極為復雜的體系，所以土壤中鉻元素的前處理部分存在一定的困難。主要困難為由于土壤樣品基體較為復雜，難以將鉻元素完全從土壤中消解出來，并且也會在消解過程中容易受溫度（溫度過低土壤消解不完全；溫度過高鉻元素有損失）、酸的用量（酸用量過低土壤消解不完全；酸量過多導致消解時間過長，造成時間和試劑上的浪費）、酸的殘留（如氫氟酸有殘留，導致定容后試樣出現白色絮狀物，使測出來的鉻含量偏低）的影響，導致鉻元素損失[1]。本文采用標準土壤和沉積物 銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定火焰原子吸收法HJ 491—2019中的石墨電熱消解法進行土壤總鉻的前處理，優化對酸的用量、消解溫度、消解時間等實驗條件，提高土壤總鉻實驗的準確性。

1 實驗部分

1.1 方法原理

土壤中的鉻在石墨電熱消解儀中經鹽酸、硝酸、氫氟酸和高氯酸全分解的方法，將土壤中的礦物晶格完全破壞后，使土壤樣品中的鉻元素全部進入到消解液中，然后將消解液通過霧化器霧化后噴入到空氣-乙炔還原性火焰中原子化，鉻在鉻的空心陰極燈發射出的特征波長357.9 nm 具有選擇性吸收，其吸收強度在一定范圍內與鉻的濃度成正比[2]。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 儀器

PinAAcle900T原子吸收光譜儀；石墨電熱消解儀。

1.2.2 試劑

鹽酸，密度為1.19 g/mL，優級純，廣東廣試試劑科技有限公司；硝酸，密度為1.42 g/mL，優級純，廣東廣試試劑科技有限公司；氫氟酸，密度為1.13 g/mL，優級純，廣東廣試試劑科技有限公司；高氯酸，密度為1.19 g/mL，優級純，廣東廣試試劑科技有限公司；硝酸，1+99；鉻標準溶液，ρ（Cr）=500 mg/L；實驗室用水，一級水。

1.3 儀器條件

儀器條件主要在于調節好燃燒頭的高度和乙炔-空氣的比例。由于鉻易形成耐高溫的氧化物，其原子化效率受火焰狀態和燃燒器高度的影響較大，需使用還原性火焰。在實際工作中，實驗室分析監測人員一般優先選擇儀器推薦的默認條件進行上機測試，但由于土壤樣品不同于水樣，其基體更復雜，干擾成分更多，消解液中仍存在或多或少的固體顆粒物，儀器推薦的條件并不完全適合分析土壤樣品的鉻，必須對推薦的參數進行優化[4]。具體操作如下：乙炔-空氣比例的調節，在儀器推薦的空氣流量條件下，緩慢調節乙炔氣的流量，確保火焰為還原性火焰，并且觀察火焰燃燒的穩定性，若出現火焰燃燒不穩定，則繼續調節乙炔氣的流量；燃燒頭高度的調節，使空心陰極燈光斑通過火焰亮藍色部分，測試曲線中間點溶液的吸光度，但是由于標準溶液的基體和土壤標準樣品的基體不同，所以曲線濃度點的吸光度越高并不代表土壤樣品的準確度就越高，在測試完曲線中間點溶液吸光度后，再測試曲線中間點濃度相近且消解好的土壤標準樣品溶液的吸光度，記錄兩者吸光度相差不大且兩者的吸光度都達到較大值時的燃燒頭的高度和乙炔-空氣的比例。

儀器出現任何微小波動都會對重金屬元素的吸光度產生較大的影響，從而導致重金屬元素的分析結果產生偏離，并且儀器的最佳測試條件會隨著試劑的不同和實驗室的環境發生改變，因此建議每次測試前進行儀器狀態調試。此外，土壤樣品含鹽量較高，容易在燃燒頭和霧化器的縫隙中產生結晶物。若發現火焰出現斷點，應及時檢查燃燒頭上是否有積灰或鹽分并檢查霧化器是否出現堵塞，并及時進行清理。

經過多次實驗調試，將原子吸收光譜儀調節至最佳的工作條件，測定試液的吸光度。本實驗原子吸收光譜儀采用的測定條件見表1。

表1 原子吸收光譜儀工作參數

1.4 實驗步驟

稱取土壤樣品0.2～0.3 g（精確至0.1 mg）置于55 mL的聚四氟乙烯消解管中，用數滴水（盡量將管里的所有土壤顆粒包裹起來，但加入的水不能過多，過多會影響消解時間。加水時要緩慢靠壁加入，需注意防止水將土壤顆粒濺出，造成重金屬元素損失）潤濕后，加入3 mL 鹽酸、6 mL 硝酸、3 mL 氫氟酸，加螺紋蓋于通風櫥內石墨電熱消解儀上于140 ℃加熱60 min。冷卻至管里橙色煙霧沉降后開蓋，加入1 mL 高氯酸，加帶小孔的蓋子在150 ℃條件下加熱1.5 h；打開蓋子，在150 ℃條件下加熱至消解管冒白煙，加熱時需要搖動消解管，使消解液能夠均勻加熱且能將吸附在管壁的少量土壤顆粒搖入消解液中消解，同時可以達到更好的除硅效果，使土壤樣品消解得更加完全。若在消解管內壁出現有黑色的碳化物，則需要往消解管內加入適量的高氯酸加帶小孔的蓋子繼續加熱至黑色的碳化物消失，打開蓋子，在160 ℃條件下加熱趕酸至管內消解液呈不流動的液珠狀并趁熱觀察。趕酸過程中注意傾斜緩慢轉動消解管，將消解液聚集在一起，防止消解液分散蒸干，導致鉻元素損失。加入1 mL 硝酸溶液（1+99），溫熱溶解可溶性殘渣，全量轉移至25 mL容量瓶中，用硝酸溶液定容至標線，搖勻，保存在聚乙烯瓶中，靜置片刻，取上清液待測。

1.5 標準曲線的建立

取50 mL 容量瓶，用硝酸溶液（1+99）稀釋鉻元素標準使用液（500 mg/L），配制成0.00、0.10、0.50、0.80、1.00、3.00 mg/L 曲線濃度點。根據表1 中已設置好的儀器測量條件，用標準曲線的零濃度點來進行調節儀器零點，然后由低濃度到高濃度依次測定曲線濃度點的吸光度，以鉻元素曲線濃度點的質量濃度為橫坐標，相應的吸光度為縱坐標，建立標準曲線，如圖1所示。

1.6 實驗室空白值及檢出限

用一級水代替土壤樣品，采用與土壤樣品相同的步驟與試劑，制備實驗室空白試樣，每批樣品至少做2 個實驗室空白。

本文參照標準《環境監測分析方法標準制訂技術導則》HJ 168—2020 中的方法檢出限的計算方式計算，按照該標準的樣品分析的全部步驟，進行重復n（n≥7）次的空白實驗，計算土壤樣品中鉻元素的標準偏差S[3]，結果見表2。計算方法檢出限公式：MDL=t（n-1，0.99）×S；其中n 為樣品的平行測定次數，t 為自由度為n-1，置信度為99%時的t 值[4]。

表2 鉻質量濃度空白值

1.7 精密度的測定

按照本文的方法進行的消解程序，將對土壤標準樣品GSS-57 和ERM-510205 進行土壤消解后對消解液進行測定，將每個土壤標準樣品分別進行6 次重復測定，對土壤標準樣品的測定結果分別其相對誤差、標準偏差、相對標準偏差、計算平均值。其結果如表3。

表3 方法的精密度實驗結果

由表3 可以看出，土壤標樣GSS-57 和ERM-510205測定值均在標準樣品推薦值范圍之內，相對偏差分別為3.3%和2.9%。

1.8 準確度的測定

按照本文的方法進行的消解程序，將對土壤標準樣品GSS-62、ERM-S-510202、GSS-1a、GSS-3a、GSS-8a和GSS-35 進行土壤消解后對消解液進行測定，將每個土壤標準樣品分別進行6 次重復測定，對土壤標準樣品的測定結果分別其相對誤差、標準偏差、相對標準偏差、計算平均值。其結果如表4。

表4 方法的準確度實驗結果

由表4 可以看出，土壤標樣GSS-62、ERM-S-510202、GSS-1a、GSS-3a、GSS-8a 和GSS-35 測定值均在標準樣品推薦值范圍之內，相對偏差分別為1.2%、2.2%、2.9%、2.0%、1.6%、3.5%。

2 結論

采用本文方法測定土壤總鉻具有較好的靈敏度，該方法的準確度和精密度均能滿足標準土壤和沉積物銅、鋅、鉛、鎳、鉻的測定火焰原子吸收法HJ 491—2019 中的分析要求，該方法簡化了消解前處理的方法步驟，節省了消解時間和人力，且消解過程中減少使用高氯酸和氫氟酸等，降低了對人體的危害，減少對環境的污染，并且保證測定結果更加準確可靠。