技術交流丨土壤污染詳查中重金屬元素分析方案

由環境檢測中心發起建立的環境檢測同行群，從2017年8月開始舉辦了技術交流分享活動，第六期活動由中國冶金地質總局山東局測試中心無機分析室李艷香主任作為特邀嘉賓進行主題交流，“土壤污染詳查中重金屬元素分析方案”，現與大家分享。

Chapter 2

—   土壤分析 工作流程    —

       在明確項目及檢測指標后，首先制定項目負責人，制定工作方案（包括初步的分析配套方案、參與人員、所用儀器設備、工作周期等），成立項目組；其次，對涉及的分析方法進行提前確認，包括分析參數、設備狀態及所用試劑和材料等；來樣后，按規定進行樣品驗收、編制密碼質控表，制定分析編號后進行樣品加工；制備成合格的分析樣品后流轉至樣品管理組，下達任務派定單至分析人員，按規定的方法進行樣品分析測試；對分析數據進行內部、外部質量控制，數據審核和判定，并進行異常分析；形成檢測報告和包含質量監控和相關測試儀器參數及實驗流程等內容的工作質量自評價報告；項目報告提交與評審驗收。

Chapter 2

—   土壤分析前處理方法    —

      1. 土壤主要由無機物（已經風化成沙、淤泥、黏土的小顆粒巖石）、有機物（分解的植物、動物遺體和肥料統稱為腐殖質）、水和空氣組成。用于檢測的土壤樣品一般只含有無機和有機成分。國標采用的消解方法就是用各種酸在高溫環境下破壞復雜的土壤結構，最后制成澄清、透明、適于儀器檢測的水溶液。土壤作為農業生產的主要載體和生態環境的重要組成部分其質量好壞與人們生活息息相關。目前，土壤重金屬污染問題已成為日益嚴重的生態問題，也被列為本次土壤污染物詳查的必測部分。

       2. 消解方法

       由于土壤結構的復雜性，要檢測土壤的成分，特別是其中重金屬元素的含量，必須進行消解。其重金屬元素的分析難點在于如何獲得消解完全的清澈溶液。目前其前處理方法主要有：敞口消解、高溫密閉和微波消解三種。標準（GB/T17138~17141-1997及HJ 491-2009等）使用的方法是濕法消解，新主要用于測定土壤中Cu 、Pb 、Zn 、Cd 、Ni 等重金屬元素的含量。區別在于：

（1）敞口消解

       稱取0.25-0.5g樣品，加入10mL鹽酸，低溫消解至剩余3-5mL，之后依次加入5mL硝酸、10mL氫氟酸和1mL高氯酸，加蓋加熱數小時后，開蓋，電熱板趕酸至高

氯酸冒煙后，以硝酸或是鹽酸加熱提取鹽類，消解液以儀器測試。

注意事項：

       ①注意加酸順序、加酸量、消解時間和消解溫度的控制：

       一般情況，加入酸的量為：0.1-0.25g樣品，加入酸量為5mL 鹽酸+（3至5）mL硝酸+（5至10）mL氫氟酸+1mL高氯酸；0.25-0.5g樣品，加入酸量為10mL 鹽酸+5mL硝酸+（10至20）mL氫氟酸+（1至3）mL高氯酸。如果土樣中有機質含量較高，則高氯酸的量相應要多加些，對于難消解土樣甚至要重復加一次四酸。

       并不是加酸越多，消解效果就越好。酸加多了，會增加帶入雜質的風險。因為各種酸中不可避免會含有重金屬，酸加入越多，試劑誤差就會越大（尤其是Cr和Cu、Zn等元素），而且，加入酸的量越大，消解所需時間越長，增大了工作量。

       ②注意所用電熱板的材質，若是合金材質，在消解過程中，酸蒸汽會腐蝕電熱板，形成的腐蝕物粘在消解坩堝的表面，增加了引入污染的風險尤其是Cu、Ni、Pb等元素；

       可通過：a 及時以吸塵器清理電熱板表面；b 轉移之前擦拭坩堝外表面的附著物；c 使用非金屬面的電熱板。d 嚴格控制試劑空白，對分析質量很關鍵，尤其是大批量的分析，可有效降低不同批次的批次差。

       ③消解時間，標準中是采用加入四酸后加蓋消解1-2h，之后直接開蓋趕酸，本方式溫度控制不合適很容易消解過快，導致元素含量偏低；以本中心的經驗，采用加酸消解1-2h后，放置過夜，次日開蓋趕酸，消解的更徹底，可有效改善此類問題；

       ④在鹽類提取時，大多是以硝酸或是單獨的鹽酸提取，以本中心的經驗，部分難消解樣品采用稀的逆王水提取效果更佳。

（2）高溫密閉消解

       近年來，隨著硅酸鹽全微量分析方法的應用，高溫密閉法在土壤分析中開始應用。

       準確稱取 0.1 g~0.2 g（100 目） 的土壤樣品于內套聚四氟乙烯坩堝中，用幾滴水潤濕后再加入硝酸 3 mL ，氫氟酸 1.0 mL，搖勻后將坩堝放入不銹鋼套筒中，擰緊在180 ℃的烘箱中消解 8 h，取出。冷卻至室 ，取出內坩堝，用水沖洗蓋的內壁置于電熱板上在 100~120 ℃加熱除硅， 待坩堝內剩余約 2~3 mL溶液時， 加入 1 mL 高氯酸， 調高溫度至 170℃，蒸至冒濃白煙 后再緩蒸至近干，用 2% 稀硝酸沖洗內壁，定容至 50mL。

   其中高溫密閉法，每批次可實現50-100件的處理能力，方便快捷。

消解過程中要注意：

       ①器皿的清洗，避免殘留污染；

       ②消解溫度的控制，且要打開鼓風，保證整個烘箱內溫度均勻；

       ③本方法避免鹽酸的使用，因密閉用內罐是Teflon材質，外罐是不銹鋼套，鹽酸在高溫環境下會發生外滲Teflon罐，腐蝕不銹鋼套，易引入污染。

       ④經常檢查消解罐的蓋子與罐的匹配性，發現蓋子松動的不要使用，容易導致消解中酸的蒸干，消解失敗。

（3）微波消解

       準確稱取 0.1 -0.2 g（100 目） 的土壤樣品，置于消解罐中，加入 1 mL 濃鹽酸和 4 mL濃硝酸，1 mL氫氟酸和 1 ml 雙氧水，將消解罐放入微波裝置，設定程序，使樣品在10 min內升高到 175 ℃，并在175 ℃保持 20 min 。冷卻至室溫，消解后小心打開消解罐的蓋子，然后將放在趕酸儀中于 150 ℃敞口趕酸，至內容物近干，冷卻至 室溫后用去離子水溶解內容物然將液轉移于50 ml 容量瓶中，用去離子水定容至 50 ml 。

注意事項：

       ①微波消解法對溶樣器皿要求高，為避免過壓爆炸需保證器皿的絕對清潔，對實驗器皿的處理無形中增加了分析人員的工作量；

       ②微波消解法中所使用的消化管在實驗的趕盡HF步驟中，由于容器的特殊性,受熱面積小從而導致這一步驟的溫度及時間不易控制。

（4）全自動消解儀消解

操作步驟

 [此方法為V-84 消解系統推薦消解方法（由山東省環科院檢測中心提供），如果不能得到您所需的預期效果，您可適當調整或改變方法內容。]

       ★秤取0.2000~0.5000g土壤樣于樣品盤上的每一消解罐中。

       ★將裝有樣品的消解罐置于V-84腔內加熱塊上。

       ★開啟主機系統、通訊開關、風機及所需壓力的氣體后，點擊進入軟件主界面

編輯如下recipe（方法）：

消解步驟：

注意事項：

       ①用原子吸收檢測Pb、Cd等時，需加入1%的硝酸鈀或者2%的磷酸氫二銨；

       ②本儀器不需要放置于通風櫥中，但是與儀器底部連接的排廢氣管應放置在通風櫥等合適的地方排放廢氣，當儀器運行期間，需蓋好前蓋板以保證廢氣被徹底清除；

       ③試劑注射系統的注射器需要及時清洗，一段時間內如不使用，就應清除留存管路和注射器中的酸，否則會影響注射器的使用壽命；

       ④消解管使用注意事項

       不同規格的消解管使用時必須遵從各自要求進行，不當的使用方法會縮短消解管的使用壽命，甚至損壞消解管；

       聚丙烯消解罐為一次性品，使用后可直接丟棄，使用時的最高溫度不能超過120℃，否則造成損壞；

       Teflon消解管內壁涂有保護層，在清洗過程時不要使用鐵絲或硬毛刷，否則會破壞內部保護層，影響消解效果；

       使用后的消解管經過自來水沖洗后，加入約30ml的10%的硝酸，在加熱塊上于100℃加熱半小時，然后用超純水沖洗干凈即可再次使用。

小  結

       敞口消解的批處理能力強，對操作人員及環境要求較高；高溫密閉和微波消解法的加酸量小，密閉環境形成的酸蒸汽壓加速樣品的消解。溶解效果良好。且密閉的環境獲得低的流程空白，避免了溶樣過程中的元素污染。

Chapter 3

—   土壤測試方法選擇    —

1.土壤重金屬分析的標準方法：

       以我中心能力為例，土壤中必測和選測共計15項重金屬元素分析的標準方法件下表1，主要分析方法分析電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）、火焰原子吸收法（FAAS）、石墨爐原子吸收法（GAAS）、原子熒光法（AFS）、電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）等。

       標準方法中有八項必測元素（Cd、Pb、Cr、Ni、Cu、Zn、As和Hg）均是消解后單獨測定；分析方法的效率低。

注釋

①原子吸收分光光度計；②電感耦合等離子體質譜儀；③原子熒光光度計；④紫外可見分光光度計；⑤氟離子計；⑥氣相色譜儀；⑦液相色譜儀；⑧氣相色譜-質譜儀；⑨電感耦合等離子體光譜儀；⑩pH計；?電子天平；?烘箱；?滴定管；?離心機。

       測試《全國土壤污染狀況詳查 土壤樣品分析測試技術規定》中給出了以ICP-MS可測試除As和Hg之外的其他所有元素；就我中心的實際應用經驗分享給大家!!

       （1）原子吸收法測試Cr、C、Mu、Nin，

測試方法的檢出限較高，及Fe、Mg等主量元素對Cr干擾比較嚴重，需研究其干擾模式。本實驗室應用較少。

       （2）電感耦合等離子體發射光譜法測試Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cr、Mn、Be、V和Cd

        注意事項：

       ① ICP-OES測試這些多元素檢出限較高；

       ②光譜干擾多，要選擇合適的光譜分析線，必要時干擾校正；

       ③ICP-OES測試漂移比較嚴重，尤其是環境溫度的影響，以測試標準曲線點嚴格監控，超出允許的偏差范圍即需要重新做校準曲線；

       （3）石墨爐原子吸收法測試Cd、Pb

       注意事項：

       ①基體改進劑本中心試驗結果表明，本實驗室以磷酸二氫銨為最佳，濃度為Pb 2%體積，Cd 1%為最佳；（硝酸銨、磷酸二氫銨和磷酸氫二銨） 的空白要明顯低于硝酸鎂。

       ②基體酸度，酸度太高5%以上基體空明增高明顯，酸度太小2%以下，則a稀釋倍數過大，元素含量低，b提取鹽類用酸量少，提取不完全；分析的準確度均受到影響。另外，測試溶液的酸度會嚴重影響石墨管的使用頻率，5%以上的酸進口石墨管測試100次即會出現穿孔的現象，嚴重影響數據的準確性和穩定性。

       ③灰化溫度，對于Pb和Cd，測試時灰化溫度過高會引起其揮發損失，Pb的灰化溫度超過500度時即會揮發損失，Cd則是高于350度即會揮發損失，測試時可通過條件優化及加入合適的基體改進劑得以消除。

       ④石墨爐測試，高含量的殘留比較嚴重，測試后要及時對此類數據進行重測。對于測試的異常結果，及時補充，排除因進樣不完全引起的誤差。

       （4）電感耦合等離子體質譜法測試Cu、Pb、Zn、Ni、Co、Cr、Mn、Be、V、Mo、Cd和Tl

       注意事項：

       ①儀器模式：新型號的質譜建議采用碰撞池模式，對于靈敏度比較低的質譜儀，可采用標準模式，測試溶液則要以硝酸介質。對于Cr、V、Cd的ICP-MS測試的質譜干擾比較嚴重，在方法確認時即做好校正系數，建立本實驗室的校正方程。

       其中《全國土壤污染狀況詳查 土壤樣品分析測試技術規定》中給出了一些常用的校正方程，但因設備型號，測試狀態等不同，建議各實驗室自行建立此方程，且有效的使用儀器軟件中，將校正方程編入方法中，不要測試完成后校正，太繁瑣。校正方程的建立方法以標準加入法完成。

       ②內標，建議選用混合內標模式來校正不同質量數測試過程中信號漂移問題。最簡單的可選用Sc-Rh -Re或是Sc-In-Re模式即可；內標的濃度，以5-10ng/mL的濃度最佳，濃度太低，測試穩定性不一定好；濃度太高則不能與不同元素含量匹配。

       ③基體效應，不同的稀釋倍數溶液中鹽分含量有區別，鹽分高會引入基體干擾嚴重，影響測試的準確度。一般以1000倍的稀釋倍數為最佳。

       ④ 校準曲線，以重量法配置，多元素含量差異較大，建議使用不同濃度梯度的曲線；可提前配置成混合標準，梯度稀釋后使用。⑤測試時，注意超曲線樣品的復測，尤其是對測試信號超出200萬cps的樣品，一定要增加稀釋倍數后復測。

砷和汞分析

       稱取0.2g~1.0g（精確至0.2mg）經風干、研磨至粒徑小于0.149 mm（100目）的土壤樣品，于25ml具塞比色管中，加少許水潤濕樣品，加入10ml（1+1）王水，加塞后搖勻，于沸水浴中消解2h，取出冷卻，用去離子水稀釋至刻度，搖勻后放置，取上清液測Hg，之后分取5mL 上清液，以硫脲和抗壞血酸還原30min后，原子熒光測試，同時做空白試驗。

       本中心方法與標準方法的卻別在于：本方法是一次溶樣，不加入重鉻酸鉀保護劑，測完汞之后，可直接分取還原測試砷。

       注意事項：

       ①在發現空白有污染，全批次均需返工；         ②所有器皿均需稀酸浸泡過夜，現洗現用，可有效避免Hg的污染。汞樣品分析房間應與其他使用高汞試劑房間區分開來并間隔較遠。

       ③樣品前處理及測試人員量避免涂抹增白類化妝品，以防對分析溶液的污染。其他與標注你方法無明顯的差別。

Chapter 4

—   分析方法的確認    —

       此次土壤污染普查要求所有測試的方法必須做方法確認，并保存確認材料。下面就方法確認的具體要求和方法和大家分享一下：

總  結

整理培訓的材料，全國土壤污染分析的無機元素分析方法確認流程：       

       （一）空白確認

        全流程空白，低于方法檢出限。

       （二）儀器性能

       標準曲線（除空白外）5個濃度梯度相關系數R2>0.99，最低點接近方法檢測下限；

       分析精度：標準曲線中間濃度點連續測定12次，計算標準偏差，應<5%；20件樣品測試完成后測定中間濃度點，相對偏差應<10%，多環芳烴的相對偏差應在20%以內。

       當用混合標準溶液做校曲線核時，單次分析不得有 5%以上的項目超過規定的相對偏差。

測定范圍：線性范圍

       （三）檢出限及檢測下限

       儀器檢出限，以標準空白連續測定信號12次，其3倍標準偏差/曲線斜率，換算為此信號下對應的濃度為儀器的檢出限；

       方法的檢出限，以檢出限預估2-5倍樣品，全流程分析7次及以上，計算平行測定的標準偏差；

以公式：計算測定下限，可實現穩定分析的樣品的最低含量。結合分析流程空白和分析的精密度等考量。一般為分析檢出限的4倍。

       （四）準確度、精密度

       （1）以標準物質 3個不同含量平行分析6份，分別計算均值、標準偏差、相對誤差；分析結果在樣品參考值的不確定范圍內；計算各濃度下的均值、標準偏差、相對標準偏差展示精密度。

      （2）以樣品加標，以3個不同含量的樣品加標，平行分析6份，計算加標回收率代表準確度；計算各濃度下的均值、標準偏差、相對標準偏差展示精密度。

        五、分析質量控制

對于無機元素分析質量控制：《全國土壤污染狀況詳查 質量保證與質量控制技術規定》中有詳細的說明，這里只做簡單介紹：

       1. 流程空白，要求每批次流程空白必須低于或是相當于分析方法的檢出限。

       2. 校準曲線，以標準曲線法進行，標準點不少于5個濃度梯度，各元素的線性相關系數R2>0.99。

       3. 測試穩定性，每測試20件樣品測試一個標準曲線的中間濃度點，測試的相對偏差應控制在10%以內。

       4. 準確度，分析的同類有證標準物質，分析值在給定的參考值的不確定度范圍內。

       5. 精密度，平行雙樣的相對偏差RD在表2 的范圍。