微波辅助提取-氢化物发生原子荧光光谱法测定土壤中无机砷_马名扬.pdf

第 26 卷第 5 期 2007 年 10 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 26，No． 5 October， 2007 文章编号 0254- 5357 2007 05- 0372- 05 微波辅助提取 － 氢化物发生原子荧光光谱法 测定土壤中无机砷 马名扬1，张丽佳2，张朝阳1，毕鸿亮1，李幼菊1，卢普相1 1． 广东省生态环境与土壤研究所分析测试中心，广东省农业环境综合治理重点实验室， 广东 广州510650; 2． 华南农业大学资源与环境学院，广东 广州510642 摘要 建立了微波辅助提取 － 氢化物发生原子荧光光谱法测定土壤中无机砷的分析方法。 用正交试验设计结合单因素试验优化了样品粒度、 提取温度、 提取时间、 固液比等微波提取条件， 研究了共存离子对无机砷测定的干扰情况。方法的线性范围为0． 25 ～40． 0 μg/g， 无机砷的检出 限为 0． 05 μg/g， 样品加标回收率为 92． 9 ～ 105． 0。方法的精密度 RSD， n 11 为0． 3。 与水浴提取法相比， 微波辅助提取法具有快速、 高效的优势。方法已用于分析 3 个不同产地有代 表性土壤中无机砷含量。 关键词 无机砷; 微波辅助提取; 氢化物发生 － 原子荧光光谱法; 土壤 中图分类号 O657． 31; O613． 63文献标识码 A 收稿日期 2006- 11- 29; 修订日期 2007- 02- 08 基金项目 广东省科学院优秀青年人才扶持基金项目资助 050405 作者简介 马名扬 1976- ， 男， 广东梅州市人， 工程师， 主要从事光谱分析及相关研究。E- mail myma soil． gd． cn。 Hydride Generation- Atomic Fluorescence Spectrometric Determination of Inorganic Arsenicin in Soil Samples with Microwave- assisted Extraction MA Ming- yang1，ZHANG Li- jia2，ZHANG Chao- yang1， BI Hong- liang1，LI You- ju1，LU Pu- xiang1 1． Testing Center，Guangdong Institute of Eco- Environmental and Soil Sciences，Guangdong Key Laboratory of Agricultural Environment Pollution Integrated Control，Guangzhou510650，China; 2．College of Resource and Environment， South China Agricultural University， Guangzhou510642， China Abstract A has been established for the determination of inorganic arsenic in soils by hydride generation- atomic fluorescence spectrometry combined with microwave- assisted extraction． The microwave- assisted extraction operating conditions were optimized by the orthogonal test design combined with the mono- factor test． The interference from coexisting ions on inorganic arsenic determination was eliminated using ascorbic acid- thiourea- citric acid． The linear range of the calibration curve for inorganic arsenic is 0．25 ～40 μg/g． The detection limit is 0．05 μg/g for inor- ganic arsenic． The recovery of inorganic arsenic in soil samples was 92．9 ～105．0 with precision of 0．3RSD n 11 ． Compared with the results obtained from the water bath extraction ，the microwave- assisted extrac- tion was time- saving and more efficient． The has been successfully applied to the extraction and deter- mination of inorganic arsenic in soil samples from different regions． Key words inorganic arsenic; microwave- assisted extraction; hydride generation- atomic fluorescence spectro- metry; soil 273 ChaoXing 砷污染是全球十分严重的环境与健康问题 之一 ［ 1 ］。矿山开发、 污水灌溉、 农药使用等均可造成 土壤砷污染 ［ 2 ］， 带入土壤中的砷包括无机态砷［ As Ⅲ 和 As Ⅴ ］ 和有机态砷 主要是一甲基砷酸和 二甲基砷酸 ， 其中无机态砷的毒性远大于有机态 砷 ［ 3 ］。土壤中砷的形态是土壤砷污染的诊断依据， 因此， 对土壤中砷的形态进行分析是非常必要的。 常用的砷形态分析方法有 树脂快速静态分离 － 石墨炉原子吸收光谱法 ［4 ］、 高效液相色谱 － 电 感耦合等离子体质谱联用技术 ［5 ］、 高效液相色谱 － 原子荧光光谱法联用技术 ［6 ］、 流动注射 － 氢化 物发生原子吸收光谱法 ［7 ］等。利用氢化物发生 － 原子荧光光谱法 HG － AFS ［8 ］测定不同形态的 砷， 与其他分析方法相比， 具有较高的灵敏度、 较好 的选择性、 较小的干扰和较快的分析速度等优点， 而且操作费用较低。 本文利用先进的 MARS －5 微波制样系统， 选用 9 mol/L HCl， 在比较温和的状态下， 有效地将无机砷 从土壤中提取出来并保持其最初的形态， 同时联合 HG － AFS 分 析 技 术， 建 立 了 微 波 辅 助 提 取 Mircowave- assisted Extraction， MAE － HG － AFS 测 定土壤中无机砷的分析方法， 用正交试验设计结合单 因素试验优化了微波辅助提取条件。实验证明， 这一 方法对环境土壤样品具有一定的实际应用价值。 1实验部分 1． 1仪器及工作条件 AFS －820 型双道原子荧光光度计 北京吉大小 天鹅仪器公司， 微机化系统 ， 砷编码特种空心阴极 灯; MARS －5 微波制样系统 美国 CEM 公司 。 经优化后的砷仪器工作条件为 负高压 260 V， 灯电流50 mA， 原子化器温度200℃， 原子化器高度8 mm， 载气流量400 mL/min， 屏蔽气流量800 mL/min。 测定方式为标准工作曲线法， 积分方式为峰面积。 KBH4溶液浓度为20 g/L， 酸度为0．6 mol/L HCl。 1． 2主要试剂 砷标准储备液 1000 mg/L 国家标准物质研究 中心提供 ; 一甲基砷酸 美国 ChemService 公司提 供， 质量分数98 。 预还原抗干扰剂 称取 20． 0 g 柠檬酸溶于 100 mL 50 g/L 硫脲和50 g/L 抗坏血酸混合液 体积比 为1 ∶ 1 中。 20 g/L KBH4溶液 将 KBH4溶于 5 g/L KOH 水 溶液中， 用时现配; HCl、 HNO3、 H2O2。 上述试剂均为优级纯或分析纯; 全部溶液均用 Millipore 纯水机制备的超纯水配制。 1． 3样品的制备 将土壤自然风干， 粉碎、 过筛后得到 0． 833 mm 20 目 、 0． 246 mm 60 目 、 0． 147 mm 100 目 不 同粒度的样品， 备用。 1． 4实验方法 1． 4． 1土壤总砷含量的测定 准确称取粒度为 0． 147 mm 100 目 的样品 0． 2000 g 精确至 0． 0001 g ， 置于微波消解罐中， 加入 5 mL HNO3和 1 mL H2O2， 轻轻摇动后， 放入 MARS －5 微波制样系统。 微波消解程序 ① 微波功率 1 200 W， 5 min 升温至120℃， 控温 120℃消解 3 min; ② 微波功率 1200 W， 5 min 升温至185℃， 控温185℃消解5 min; ③ 消解完冷却至室温后取出， 转移至三角瓶中， 置于约160℃的电热板上加热驱酸， 剩下约 2 mL 消 解液时， 取出; ④ 冷却至室温后， 转移过滤， 加入 10 mL 预还原抗干扰剂， 用超纯水定容至 50 mL， 放置 30 min 后测定总砷， 同时做试剂空白试验。 1． 4． 2土壤无机砷含量的测定 1 微波辅助提取 准确称取粒度为 0． 147 mm 100 目 的样品 0． 2000 g 精确至 0． 0001 g ， 置于微波提取罐中， 加入 9 mol/L HCl 8 mL 进行微波提取。 微波提取程序 微波功率 1200 W， 5 min 升温 至90℃， 控温90℃提取15 min。提取液经过滤后， 加入 10 mL 预还原抗干扰剂， 用超纯水定容至 50 mL， 摇匀， 放置 30 min 后进行无机砷分析， 同时 做试剂空白试验。 2 水浴提取 准确称取粒度为 0． 147 mm 100 目 的样品 0． 2000 g 精确至0． 0001 g ， 置于50 mL 具塞比色 管中， 加入 9 mol/L HCl 8 mL， 将比色管放入水浴 箱内摆放好， 在 90 ℃ 下进行水浴提取土壤无机砷 15 min。提取液经过滤后， 加入 10 mL 预还原抗干 扰剂， 用超纯水定容至 50 mL， 摇匀， 放置30 min后 进行无机砷分析， 同时做试剂空白试验。 2结果与讨论 2． 1提取剂的选择 土壤无机砷的溶剂提取属于固 － 液提取过程。 373 第 5 期马名扬等 微波辅助提取 － 氢化物发生原子荧光光谱法测定土壤中无机砷第 26 卷 ChaoXing 为了有效地将无机砷从土壤试样中提取出来， 而又 保持其在提取液中的存在状态完全同于原始试样， 提取剂的正确选择至关重要。对溶剂的选择应考虑 几个方面 ［ 7 －8 ］ ① 溶剂应有一定的极性; ② 该溶剂 对分离成分有较强的溶解能力; ③ 溶剂对提取成分 的后续测定干扰较少。本文拟采用 HCl、 H3PO4、 草酸铵和水作为提取剂提取土壤中无机砷， 比较这 4 种提取剂不同浓度条件下的提取效率。 实验结果表明， 水提取剂可能由于提取液胶体 等的影响， 提取量精度很差; 草酸铵对土壤无机砷的 提取率相对较小; HCl 和 H3PO4的提取效率相当， 但 H3PO4在较高浓度时其氧化性随之增强， 导致空白 值也随之增大。综合考虑， 本文选择 9 mol/L HCl 作为提取剂。 2． 2微波辅助提取条件的优化 2． 2． 1微波提取条件的正交试验优化 采用正交试验设计四因素三水平 L9 34 方法， 对土壤粒度、 提取温度、 提取时间和固液比等 微波辅助提取条件进行了优化， 试验设计见表 1。 表 1微波辅助提取 L9 34 正交实验设计 Table 1The L9 34 orthogonal test design for MAE 因素 水平 固液比 A 提取时间 B t/min 提取温度 C θ/℃ 土壤粒度 D/mm 11 ∶ 80301000．147 100 目 21 ∶ 4020800． 246 60 目 31 ∶ 2010600． 833 20 目 根据土壤中无机砷的提取率进行直观分析和极 差分析， 其正交优化提取条件分别是 A3B2C1D1、 A2B3C2D1和 A3B1C2D1， 其中提取温度是最显著的影 响因素。由于是多目标的正交试验， 影响因素较多， 在实验次数较少情况下正交试验往往不能得到最优 条件， 因此在此基础上进行了单因素试验， 进一步考 察无机砷在上述因素不同水平下的微波提取行为。 2． 2． 2提取温度和提取时间的影响 根据正交试验结果， 提取温度是影响较大的因 素， 但提取温度与提取时间密切相关。本文进一步 研究了在 80 ℃、 90 ℃和 100 ℃下不同提取时间对 无机砷提取率的影响， 结果见图 1。 由图1 可知， 当提取时间一定时， 无机砷的提取 率随着温度升高而提高， 且温度越高， 所需的提取时 间越短。当温度一定时， 随着提取时间增加， 提取率 迅速达到最大; 但当超过一定提取时间后， 提取率 达到最大值， 在 15 min 后形成了一个最大值平台。 本文选择提取温度90℃， 提取时间15 min。 图 1提取温度和提取时间的影响 Fig． 1Effects of extraction temperature and time on the extraction efficiency 2． 2． 3土壤粒度和固液比的影响 试验了样品的粒度、 固液比对土壤中无机砷提 取率的影响。结果表明， 无机砷的提取率随着粒度 的减小而增大， 当土壤粒度为 0． 147 mm 100 目 时， 提取浓度逐渐达到恒定。实验选择样品粒度 0． 147 mm。 固液比在1 ∶ 20 ～1 ∶ 80， 提取率高。增加溶剂 用量有利于传质和提高溶解度; 但用量太多微波能 与质量比会减小， 也会影响提取效果。实验选择 固液比为 1 ∶ 40。 2． 3方法的线性范围、 检出限和精密度 使用砷标准储备液， 用 2 mol/L HCl 逐级稀释 至0．5 mg/L 的标准工作液， 配制一系列砷的标准溶 液， 测定其荧光强度 If ， 校准曲线的线性范围为 0．25 ～40 μg/g， 相关系数为 0． 9998。在最佳条件 下， 方法的检出限为 0． 05 μg/g。对 80 μg/L标准溶 液测定11 次， 相对标准偏差 RSD 为0．3。 2． 4干扰试验 据文献［ 11 －12］ 报道， 碱金属、 碱土金属和稀 有元素不干扰砷的测定; 而过渡金属、 贵金属及能 形成氢化物的元素对砷都有不同程度的干扰。故 选择了 Cu、 Pb、 Zn、 Hg、 Se 等元素， 对无机砷的测定 进行干扰试验。在砷浓度为 80 μg/L 时， 测定值的 相对偏差在 10以内的最大共存离子的相对倍数 结果见表 2。表 2 结果表明， 一般土壤样品中所含 共存元素的量对无机砷的测定基本无干扰; 反应中 所加入的预还原抗干扰剂既可作为预还原剂， 又可 作为掩蔽剂掩蔽一些离子的干扰。 选用一甲基砷酸作有机砷代表， 在国家一级标 准物质 GBW 07427 碱性土 和 GBW 07430 酸性 473 第 5 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 ChaoXing 土 样品中加入一定量 98 μg/L 的有机砷溶液， 进行无机砷微波辅助提取试验。表 3 结果表明， 样 品中无机砷浓度基本没有增加， 说明在无机砷提取 过程中无有机砷进入。 表 2共存离子的干扰试验 Table 2Interference test of the coexistent ions 干扰 离子 相对 倍数 相对偏差 RE/ 干扰 离子 相对 倍数 相对偏差 RE/ Cu2 1001．5Fe3 1004．8 Pb2 101．3Hg2 103．1 Zn2 100－1．4Se4 10－5．0 Cd2 100－2．0Sb3 101．5 Ni2 1005．6Sn2 104．1 表 3加入有机砷土样的无机砷萃取试验① Table 3Effect of adding organic arsenic on extraction efficiency of inorganic arsenic in soil samples 样品编号有机砷珋ρ 无机砷 / μgL －1 GBW 07427 碱性土 未加40． 9 加40． 5 GBW 07430 酸性土 未加69． 2 加69． 1 ① 珋ρ 为测定平均值， 测定次数 n 7。 2． 5加标回收试验 按样品分析方法， 对 GBW 07427 碱性土 和 GBW 07430 酸性土 样品分别加入不同浓度的砷 标准溶液， 进行无机砷的加标回收试验。表 4 结果 表明， 回收率为 92． 9 ～ 105． 0， 说明本法可以 满足土壤中无机砷的测定。 表 4无机砷的回收率试验① Table 4Recovery test of the 样品 编号 ρ 无机砷 / μgL －1 分次测定值珋x加入量 测定值 回收率 R/ GBW 07427 40．841．141．040．740．920．061．5103．0 碱性土40．941．040．840．079．596．5 80．0119．398．0 GBW 07430 69．168．869．369．169．220．090．2105．0 酸性土69．469．269．540．0107．595．8 80．0143．592．9 ① 回收率 R 测定值 － 珋 x 加入量 100， 其中 珋x 为样品含量分次测定的平均值。 2． 6微波辅助提取法与水浴提取法的比较 在相同的提取条件下， 采用水浴提取法与微波 辅助提取法考察了样品 GBW 07427 碱性土 和 GBW 07430 酸性土 中无机砷的提取率。图 2 结 果表明， 土壤无机砷的提取率水浴提取法约为微波 辅助提取法的 1/5， 水浴提取法要达到相当的提取 率则要 180 min 以上。与水浴提取法相比， 在密闭 微波系统中进行提取， 溶剂和土壤中的目标物在微 波作用下迅速“体加热” ， 因而溶剂传热效率以及 提取的重复性更高。可见， 采用微波辅助提取法提 取土壤中无机砷， 快速、 高效。 图 2微波辅助提取法与水浴提取法的比较 Fig． 2Comparison of the extraction efficiency for inorganic arsenic in soils with MAE and water bath extraction s 3实际样品分析 按实验方法， 在最佳实验条件下对广州花都、 惠州惠阳、 佛山南海等 3 个城市有代表性的菜地土 壤、 水稻土壤进行无机砷分析。由表 5 结果可知， 菜地土壤中无机砷占总砷含量的比率为 84． 6 ～ 95． 1; 水稻土壤中无机砷占总砷含量的比率为 87． 2 ～93． 5。 表 5实际样品分析结果 Table 5Analytical results of practical samples 测定项目 南海 菜地土耕地土 惠阳 菜地土耕地土 花都 菜地土耕地土 pH4．985．957．626．177．086．61 总砷含量 w/ μgg －1 19．09．5028．032．07．2017．0 无机砷含量 w/ μgg －1 16．88．6323．727．96．8515．9 无机砷的 比例/ 88．490．884．687．295．193．5 4参考文献 ［ 1］Chakraborti D，Rahman M M，Paul K，et al． Arsenic Calamity in the Indian SubeontinentWhat Lessons Have been Learned ［ J］ ． Talanta， 2002， 58 3 －22． ［ 2］Chatterjee A，Das D，Mandal B K，et al． Arsenic in 573 第 5 期马名扬等 微波辅助提取 － 氢化物发生原子荧光光谱法测定土壤中无机砷第 26 卷 ChaoXing Ground Water in Six Districts of West Bengal，India The Biggest Arsenic Calamity in the World． Part Ⅰ． Arsenic Species in Drinking Water and Urine of the Affected People［ J］ ． Analyst， 1995， 120 643 －650． ［ 3］Masscheleyn P H，Delaune R D，Patrick W H． Effect of Redox Potential and pH on Arsenic Speciation and Solubility in a Contaminated Soil［J］ ． Environmental Science ＆ Technology， 1991， 25 1414 －1419． ［ 4］刘志红， 杨秀环， 张展霞． 树脂快速静态分离 － 石墨 炉原子吸收光谱法测定砷的形态化合物［J］ ． 分析 化学， 1994， 22 5 468 －471． ［ 5］Bai Jing，Lu Xiufen，Le X Chris，et al． Speciation Analysisof Arsenic in Food Samples with High Per- anceLiquidChromatography- InductivelyCoupled Plasma- Mass Spetrometry ［J］ ． ChineseJournalof Chromatography， 2003， 21 545 －548． ［ 6］张雨， 苑春刚， 高尔乐， 等． 高效液相色谱 － 氢化物 发生 － 原子荧光光谱在线联用系统分析中成药中砷 化合物形态［ J］ ． 分析试验室， 2006， 25 2 22 －25． ［ 7］Pablo Carrero，Auristela Malav，Jos Luis Burguera， et al． Determination of Various Arsenic Species by Flow Injection Hydride Generation Atomic Absorption Spec- trometry Investigation of the Effects of the Acid Con- centration of Different Reaction Media on the Generation of Arsines［ J］ ． Anal Chim Acta， 2001， 438195 －204． ［ 8］李刚， 刘玉华． 新化学蒸气发生体系原子荧光光谱法 测定粮食样品中痕量镉［J］ ． 岩矿测试， 2006， 25 1 27 －30， 34． ［ 9］Vazquea M J， Carro A M． Optimization of Methlmecury Microwave Assisted Extraction from Aquatic Sediments ［ J］ ． Anal Chem， 1997， 69 221 －225． ［ 10］ Hoogerbrugge R，Molins C，Baumamn R C． Effects of Parameters on Microwave Assisted Extraction of Tria- zines from Soil uation of and Optimization Trajec- tory［ J］ ． Anal Chim Acta， 1997， 348 247 －253． ［ 11］ 张佩瑜． 氢化物 － 原子吸收光谱法测定地球化学样 品中的砷， 锑， 铋［J］ ． 光谱学与光谱分析， 1989， 9 1 61 －64， 76． ［ 12］孙汉文． 原子吸收光谱分析技术［M］ ． 北京 中国 科学技术出版社， 1992  119 －121． 欢迎订阅欢迎投稿 质谱学报2008 年征订启事 国内统一刊号 CN 11 －2979/TH国际标准刊号 ISSN 1004 －2997 邮发代号 82 －349 国外发行代号 Q1717 质谱学报 双月刊 ， 是经国家科委批准， 中国质谱学会、 中科院北京科学仪器研制中心主办， 中国原子能科学研究院承 办的学术期刊， 中国科学院 核心期刊 之一。本刊的宗旨是刊登物理、 化学、 生物化学、 材料化学、 核科学、 地球科学、 生命科 学等基础学科中质谱法的新理论、 新方法、 新技术及其在各领域的应用研究成果; 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