全自动石墨消解-ICP法测定土壤中8种重金属元素
2025-12-26 来源:本站 点击次数:62
摘要：建立全自动石墨消解-ICP法检测土壤中8种金属含量的分析方法。8 种金属元素在 0.00～15.0mg·L-1浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.999，样品加标回收率为 91.0%～104.0%，6次测试结果的RSD均小于4%。该方法操作简单，灵敏度高，测试结果准确可靠，适用于土壤中多种金属含量的检测。
土壤中重金属污染是由铜、镍、锡、钴、铅、铬等金属元素过量沉积在土壤中而引起的污染，主要来源于农业污水灌溉、矿山开采冶炼、交通尾气排放、工业生产和城镇污水排放等。重金属污染物不易被土壤中的微生物降解，生物累积性强，可通过食物链进入人体，对人体消化系统、神经系统、肝、肾等多器官造成伤害。因此，准确测定土壤中重金属残留量对保障人体健康和判别土壤安全具有重要的现实意义。
土壤样品中的重金属元素分析常采用的方法有火焰原子吸收法或石墨炉原子吸收法，但这些方法不能同时进行多种元素的分析，对于大批量样品分析耗时较长，分析效率较低。电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES）可同时进行多种金属元素的分析，具有线性范围宽、分析速度快、准确度好等优点，广泛应用于环境、食品等样品中的重金属分析。本文采用全自动石墨消解仪消解土壤样品，建立了电感耦合等离子发射光谱法（ICP法） 测定土壤中铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶8种金属的分析方法，该方法操作简单，自动化程度高，分析结果令人满意。
1.实验部分
1.1仪器与试剂
电感耦合等离子体发射光谱仪；全自动石墨消解仪；电子天平；纯化水系统。
500mg·L-1铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准储备液，北京坛墨质检科技有限公司；HNO3、HF、HCl、HClO4，优级纯，国药化学试剂公司；GSS-24、GSS-28土壤标准物质，地球物理地球化学勘查研究所。
1.2仪器工作参数
测试工作参数见表 1。
1.3样品消解前处理
称取0.2g经粉碎并过0.50mm孔径筛网的土壤样品置于石墨消解罐中，按表2程序进行石墨消解，消解后定容再进行ICP分析。
1.4标准溶液的配制
用1% HNO3溶液将铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准储备液进行稀释，配制8种金属浓度均为50mg·L-1的混合标准使用液。用1% HNO3将8种金属混合标准使用液稀释成浓度为0.00、0.30、0.80、1.50、3.00、10.0、15.0mg·L-1的7个标准溶液。
2.结果与讨论
2.1土壤消解方法的比较
土壤前处理是土壤分析最耗时、也是确保土壤分析结果准确可靠的重要步骤之一。本文分别采用电热板消解法、微波消解法和石墨自动消解法对土壤标准样品GSS-28进行消解，使用ICP法对消解液进行测试，考察消解方法对土壤测试结果的影响，结果见表3。
由表3可见，采用石墨自动消解法对土壤样品进行消解，消解时间最短，样品测试结果的回收率最佳，且石墨自动消解法自动化程度高，1次可同时消解60个土壤样品，适合大批量土壤样品前处理。因此，本方法选用石墨自动消解法对土壤样品进行前处理。
2.2分析谱线的选择
本实验采用ICP法对浓度均为10.0mg·L-1 的铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶混合溶液进行分析，选出各金属元素的最佳分析线，从而降低测试干扰，提高方法的灵敏度和准确度，各元素分析谱线见表4。
2.3射频功率的优化
在ICP法分析样品过程中，射频功率可增加等离子体的温度和密度，减少化学干扰，使等离子体处于最佳的工作状态，提高分析的准确性和重复性，但过高的射频功率又会影响等离子体的使用寿命。改变射频功率，在1.2节其他仪器工作条件不变的情况下，对浓度为 10.0mg·L-1的铜标准溶液进行ICP分析，考察射频功率对铜元素谱线强度的影响，见图1。
由图1可见，铜谱线强度随着射频功率的增加而增强，当射频功率达到1200W后谱线强度变化不明显。因此，本文选择1200W作为实验射频功率。
2.4标准曲线
在1.2节仪器工作参数下，对铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬、锶浓度分别为0.00、0.30、0.80、1.50、3.00、10.0、15.0 mg·L-1 系列标准溶液进行ICP分析，并建立各待测元素浓度-信号强度标准曲线方程，见表5。
由表5可见，铜、锌、镍、锡等8种金属元素在0.00～15.0mg·L-1 浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.999，满足分析测试要求。
2.5方法检出限
取9份空白土壤样品，按1.3节样品消解前处理步骤石墨自动消解后采用ICP法进行分析，并计算9次测试结果的标准偏差。根据公式MDL=S×t(n-1，0.99)（当n=9时，t值为 2.896） 计算8种重金属的检出限，再根据样品称取量0.20g和消解后定容体积50mL换算成土壤中待测元素最低检出浓度，以质量分数表示。8种重金属的检出限结果（mg· kg-1）分别为铜0.3、锌0.5、镍0.1、锡0.3、钴0.4、铅0.7、铬0.4和锶0.2，满足土壤样品中金属测试要求。
2.6加标回收实验
取本地区郊区某农田土壤样品两份，1份按1.3节方法步骤进行消解前处理后直接进行 ICP分析；另一份加入一定量的铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准溶液，配制加标浓度为10mg·kg-1的土壤样品，按1.3节方法步骤进行消解前处理后进行ICP分析 ，考察方法的加标回收率，结果见表6。
由表6可见，该土壤样品中铜、锌、镍、铅和铬的含量均低于GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》规定的农用地土壤污染风险筛选值，实际土壤中8种金属的加标回收率为91.0%～104.0%，说明该方法具有良好的加标回收率。
2.7准确度和精密度实验
采用本方法对GSS-24土壤标准样品平行测定6次，取其平均值并计算6次测试结果的相对标准偏差（RSD），结果见表7。
由表7可见，该方法测定铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶的平均值在标准样品定值范围内，6次测试结果的RSD为1.63%～3.35%间，说明方法的准确度和精密度良好，可满足样品检测要求。
3.结论
本文采用全自动石墨消解仪消解土壤样品，建立了ICP法测定土壤中铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶的分析方法，并对方法的线性、检测限、精密度和加标回收率等指标进行了考察。实验结果表明，本方法自动化程度高，消解时间短，测试结果准确可靠，满足大批量土壤样品消解前处理的需求，提高了分析人员的工作效率，适用于土壤中多种金属元素的同时检测。
文章来源：[1]白居蓉,谢爱萍.全自动石墨消解-ICP法测定土壤中8种重金属元素[J].化学工程师,2025,39(11):38-40+60.DOI:10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20251138.
土壤中重金属污染是由铜、镍、锡、钴、铅、铬等金属元素过量沉积在土壤中而引起的污染，主要来源于农业污水灌溉、矿山开采冶炼、交通尾气排放、工业生产和城镇污水排放等。重金属污染物不易被土壤中的微生物降解，生物累积性强，可通过食物链进入人体，对人体消化系统、神经系统、肝、肾等多器官造成伤害。因此，准确测定土壤中重金属残留量对保障人体健康和判别土壤安全具有重要的现实意义。
土壤样品中的重金属元素分析常采用的方法有火焰原子吸收法或石墨炉原子吸收法，但这些方法不能同时进行多种元素的分析，对于大批量样品分析耗时较长，分析效率较低。电感耦合等离子发射光谱法（ICP-OES）可同时进行多种金属元素的分析，具有线性范围宽、分析速度快、准确度好等优点，广泛应用于环境、食品等样品中的重金属分析。本文采用全自动石墨消解仪消解土壤样品，建立了电感耦合等离子发射光谱法（ICP法） 测定土壤中铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶8种金属的分析方法，该方法操作简单，自动化程度高，分析结果令人满意。
1.实验部分
1.1仪器与试剂
电感耦合等离子体发射光谱仪；全自动石墨消解仪；电子天平；纯化水系统。
500mg·L-1铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准储备液，北京坛墨质检科技有限公司；HNO3、HF、HCl、HClO4，优级纯，国药化学试剂公司；GSS-24、GSS-28土壤标准物质，地球物理地球化学勘查研究所。
1.2仪器工作参数
测试工作参数见表 1。
1.3样品消解前处理
称取0.2g经粉碎并过0.50mm孔径筛网的土壤样品置于石墨消解罐中，按表2程序进行石墨消解，消解后定容再进行ICP分析。
1.4标准溶液的配制
用1% HNO3溶液将铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准储备液进行稀释，配制8种金属浓度均为50mg·L-1的混合标准使用液。用1% HNO3将8种金属混合标准使用液稀释成浓度为0.00、0.30、0.80、1.50、3.00、10.0、15.0mg·L-1的7个标准溶液。
2.结果与讨论
2.1土壤消解方法的比较
土壤前处理是土壤分析最耗时、也是确保土壤分析结果准确可靠的重要步骤之一。本文分别采用电热板消解法、微波消解法和石墨自动消解法对土壤标准样品GSS-28进行消解，使用ICP法对消解液进行测试，考察消解方法对土壤测试结果的影响，结果见表3。
由表3可见，采用石墨自动消解法对土壤样品进行消解，消解时间最短，样品测试结果的回收率最佳，且石墨自动消解法自动化程度高，1次可同时消解60个土壤样品，适合大批量土壤样品前处理。因此，本方法选用石墨自动消解法对土壤样品进行前处理。
2.2分析谱线的选择
本实验采用ICP法对浓度均为10.0mg·L-1 的铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶混合溶液进行分析，选出各金属元素的最佳分析线，从而降低测试干扰，提高方法的灵敏度和准确度，各元素分析谱线见表4。
2.3射频功率的优化
在ICP法分析样品过程中，射频功率可增加等离子体的温度和密度，减少化学干扰，使等离子体处于最佳的工作状态，提高分析的准确性和重复性，但过高的射频功率又会影响等离子体的使用寿命。改变射频功率，在1.2节其他仪器工作条件不变的情况下，对浓度为 10.0mg·L-1的铜标准溶液进行ICP分析，考察射频功率对铜元素谱线强度的影响，见图1。
由图1可见，铜谱线强度随着射频功率的增加而增强，当射频功率达到1200W后谱线强度变化不明显。因此，本文选择1200W作为实验射频功率。
2.4标准曲线
在1.2节仪器工作参数下，对铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬、锶浓度分别为0.00、0.30、0.80、1.50、3.00、10.0、15.0 mg·L-1 系列标准溶液进行ICP分析，并建立各待测元素浓度-信号强度标准曲线方程，见表5。
由表5可见，铜、锌、镍、锡等8种金属元素在0.00～15.0mg·L-1 浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.999，满足分析测试要求。
2.5方法检出限
取9份空白土壤样品，按1.3节样品消解前处理步骤石墨自动消解后采用ICP法进行分析，并计算9次测试结果的标准偏差。根据公式MDL=S×t(n-1，0.99)（当n=9时，t值为 2.896） 计算8种重金属的检出限，再根据样品称取量0.20g和消解后定容体积50mL换算成土壤中待测元素最低检出浓度，以质量分数表示。8种重金属的检出限结果（mg· kg-1）分别为铜0.3、锌0.5、镍0.1、锡0.3、钴0.4、铅0.7、铬0.4和锶0.2，满足土壤样品中金属测试要求。
2.6加标回收实验
取本地区郊区某农田土壤样品两份，1份按1.3节方法步骤进行消解前处理后直接进行 ICP分析；另一份加入一定量的铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶标准溶液，配制加标浓度为10mg·kg-1的土壤样品，按1.3节方法步骤进行消解前处理后进行ICP分析 ，考察方法的加标回收率，结果见表6。
由表6可见，该土壤样品中铜、锌、镍、铅和铬的含量均低于GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》规定的农用地土壤污染风险筛选值，实际土壤中8种金属的加标回收率为91.0%～104.0%，说明该方法具有良好的加标回收率。
2.7准确度和精密度实验
采用本方法对GSS-24土壤标准样品平行测定6次，取其平均值并计算6次测试结果的相对标准偏差（RSD），结果见表7。
由表7可见，该方法测定铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶的平均值在标准样品定值范围内，6次测试结果的RSD为1.63%～3.35%间，说明方法的准确度和精密度良好，可满足样品检测要求。
3.结论
本文采用全自动石墨消解仪消解土壤样品，建立了ICP法测定土壤中铜、锌、镍、锡、钴、铅、铬和锶的分析方法，并对方法的线性、检测限、精密度和加标回收率等指标进行了考察。实验结果表明，本方法自动化程度高，消解时间短，测试结果准确可靠，满足大批量土壤样品消解前处理的需求，提高了分析人员的工作效率，适用于土壤中多种金属元素的同时检测。
文章来源：[1]白居蓉,谢爱萍.全自动石墨消解-ICP法测定土壤中8种重金属元素[J].化学工程师,2025,39(11):38-40+60.DOI:10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20251138.
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