微波消解 ICP-OES檢測(cè)土壤中的微量元素

土壤中所蘊(yùn)含的微量元素是人類食用、加 工的農(nóng)作物以及牲畜飼料的基礎(chǔ)要素。這 些微量元素是植物正常生長(zhǎng)與發(fā)育的核心， 被植物吸收后進(jìn)入食物鏈，最后進(jìn)入我們 的身體。因此，土壤微量元素的平衡性對(duì)于全球的種植者、生產(chǎn)者以及消費(fèi)者都至關(guān)重要。 每一份土壤的基礎(chǔ)元素組成都各不相同，這取決于區(qū)域性的地質(zhì)條件以及在土壤使用過(guò) 程中肥料或其他添加劑是否改變了土壤的組分。如果無(wú)法直接分析土壤元素，我們就無(wú) 法確切地了解土壤的狀況，無(wú)法對(duì)土壤進(jìn)行調(diào)節(jié)，或有效地為其選擇種植的農(nóng)作物。 土壤前處理過(guò)程對(duì)于整個(gè)元素分析是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。進(jìn)行無(wú)機(jī)元素分析的土壤樣品通 常是在加熱至接近沸點(diǎn)的酸中消解，然后提取元素進(jìn)行分析。如果在加熱器中使用敞口 容器，完成這項(xiàng)提取工序一般需要 4 小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。隨后必須在分析之前用離心機(jī)分 離樣品或過(guò)濾樣品，去除固體顆粒。微波消解系統(tǒng)能在不到 50 分鐘的時(shí)間里完成酸消解 過(guò)程，從而大幅加速分析進(jìn)程。另外如有必要，微波消解系統(tǒng)可以應(yīng)用相應(yīng)的酸進(jìn)行土 壤的全消解，從而提供元素總含量分析，而不僅僅是溶出態(tài)元素分析。

一般在多元素分析環(huán)境下電感耦合等離子體發(fā)射光譜法 （ICP-OES）備受青睞，其檢測(cè)能力正好適用于微量元素的定量 分析。火焰原子吸收（AA）系統(tǒng)雖然具有成本低廉、操作簡(jiǎn) 便和單個(gè)元素分析速度快等優(yōu)勢(shì) 1 ，但是利用火焰原子吸收測(cè) 量多個(gè)元素則需要單獨(dú)分析每個(gè)樣品的每個(gè)元素，效率低下。 本文利用珀金埃爾默公司的 Titan™ MPS 微波消解儀配合 Avio™ 200 ICP-OES 分析所選土壤樣品的微量元素。

實(shí)驗(yàn)部分 樣品及前處理 不同區(qū)域的土壤差異十分明顯，即便是同一片大面積地塊的土 壤也存在很大的區(qū)別。為了說(shuō)明這個(gè)差異性，我們從住宅后院、 園地和商業(yè)農(nóng)場(chǎng)與牧場(chǎng)中提取土壤樣品。園地樣品十分引人關(guān) 注，因?yàn)樗淼氖潜痪恼樟系母叨雀牧纪寥?，含有很?比例的袋裝工業(yè)堆肥土壤，即在家庭和園藝商店里常?？梢砸?到的土壤。為了確定該方法的準(zhǔn)確性，我們采用了兩種參考物 質(zhì)：土 壤 溶 液 A 和土壤溶液 B（High Purity Standards™,  Charleston, South Carolina, USA）。溶液無(wú)需稀釋，直接進(jìn)樣 分析。 土壤樣品利用珀金埃爾默公司的 Titan MPS 微波消解系統(tǒng)，通 過(guò)封閉容器微波消解法消解，以供分析。所用的參數(shù)和試劑列 于表 1 和表 2。稱量一定量的樣品，放入 Titan MPS 75 mL 標(biāo) 準(zhǔn)壓力消解容器，然后加入試劑和樣品加標(biāo)（如需）。敞開靜 置 10 分鐘，待反應(yīng)全。10 分鐘以后，封閉容器，放入 Titan MPS 系統(tǒng)進(jìn)行加熱和消解。消解完成后，用去離子（DI） 水沖洗三次將樣品從消解容器中轉(zhuǎn)移入容量瓶，然后稀釋至刻 度。稀釋后，將樣品靜置，使得懸浮顆粒從溶液中沉淀出來(lái)。 用離心機(jī)分離樣品約 10 分鐘還可以加快這一步驟。

儀器條件  所有分析均是在配備了珀金埃爾默公司 S10 自動(dòng)進(jìn)樣器的 Avio  200 ICP-OES 上進(jìn)行的。土壤樣品分析的相關(guān)元素和儀器條件 列于表 3 和表 4。我們用到了 Meinhard® 玻璃霧化器、有擋板 的標(biāo)準(zhǔn)玻璃旋流霧室，進(jìn)樣速率為0.80 mL/min。加上在線內(nèi)標(biāo)， 霧化器的液體總流速為 1 mL/min。用儲(chǔ)備溶液制成外部校準(zhǔn)標(biāo) 準(zhǔn)，用去離子水、微量金屬級(jí)鹽酸和硝酸稀釋至表 5 所示的最 終元素濃度。最終的酸度約為 10%，匹配消解和稀釋樣品中 相對(duì)較高的酸度。

分析采用標(biāo)準(zhǔn)的左右 2 點(diǎn)背景校正，無(wú)其他光譜校正公式。釔 作為所有待測(cè)元素的內(nèi)標(biāo)，在適當(dāng)?shù)那闆r下使用軸向或徑向觀 測(cè)方式。 珀金埃爾默 Avio 200 ICP-OES擁有久經(jīng)考驗(yàn)的優(yōu)異品質(zhì)，以及 一系列全新的獨(dú)特功能。獲得平板等離子體（Flat Plate™ plasma）技術(shù)可以提供穩(wěn)健的等離子體，無(wú)需維護(hù)，無(wú)需冷卻， 并且只需螺旋感應(yīng)線圈系統(tǒng)所需的一半氬氣。整個(gè)進(jìn)樣系統(tǒng)和 等離子體炬總成內(nèi)置于一個(gè)封閉環(huán)境中，易于使用和維護(hù)。Avio 的雙向觀測(cè)功能可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)軸向或徑向觀測(cè)功能，與光學(xué)分辨率結(jié)合能夠提供大線性動(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)異的穩(wěn)定性 和檢測(cè)限。所有的儀器控制、樣品分析和數(shù)據(jù)處理都是利用珀 金埃爾默公司的 Syngistix™軟件完成的。

結(jié)果和討論 校準(zhǔn)曲線如表 6 所示。線性相關(guān)性證明 Avio 200  ICP-OES 具有良好的準(zhǔn)確性和精密度。獨(dú)立校準(zhǔn)驗(yàn)證（ICV）回 收率確保校準(zhǔn)的有效性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為了確定該方法的準(zhǔn)確性，測(cè)量了兩種有證標(biāo)準(zhǔn)土壤溶液，結(jié) 果如表7 所示。所有結(jié)果均介于兩個(gè)樣品認(rèn)證值的±15% 以內(nèi)， 證明了該方法的準(zhǔn)確性。 實(shí)際土壤樣品分析的結(jié)果見圖 1，可見該方法可以準(zhǔn)確定量實(shí) 際樣品。部分土壤的特定元素濃度相差甚至達(dá)到了 10 倍，而 其他的則表現(xiàn)出了驚人的一致性。由于所有的樣品均取自相對(duì) 較小的地理區(qū)域，這個(gè)結(jié)果符合實(shí)際情況。

……

結(jié)論 本文證明：可以利用 Avio 200 ICP-OES 在很廣的濃度范圍內(nèi) 可靠有效地分析大量土壤樣品的多種元素。由于 Avio 200  ICP-OES 具有多項(xiàng)擴(kuò)展功能，與火焰原子吸收相比，它能提供 更高的多元素樣品處理量，同時(shí)還能分析火焰原子吸收所不 能處理的元素（例如，磷和硫）。 與電熱板消解相比，Titan MPS 微波消解系統(tǒng)能夠簡(jiǎn)化樣品前 處理工序，同時(shí)大幅提升實(shí)驗(yàn)室的通量和效率。即使是全消解， 效率也是敞口容器消解的。 用于樣品消解的 Titan MPS 系統(tǒng)和用于分析的 Avio 200  ICP-OES 是快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地分析土壤微量元素的理想組合。