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嘉峪檢測網 2024-12-03 08:52
摘 要： 建立了沸水提取-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤中有效硼。稱取樣品10.0 g，過250 μm篩風干，置于石英三角瓶中，加入20.00 mL的提取劑（符合GB/T 6682規定的一級水，水中鐵的質量濃度不大于10 mg/L），沸水浴浸10 min，回流冷凝5 min，濾液采用離心過濾，選擇硼249.773 nm為分析譜線，用ICP-AES法測定土壤有效硼。經3種土壤標準物質和3種土壤樣品驗證，土壤有效硼質量濃度在0～2.0 mg/L范圍內與光譜強度的線性關系良好，相關系數為0.999 9，方法檢出限為0.003 mg/kg，定量限為0.012 mg/kg，測定值的相對標準偏差為2.16%～6.46%（n=8），相對誤差為1.01%～2.45%。當有效硼質量分數小于0.50 mg/kg時，測定值的最大偏差為0.05 mg/kg；當有效硼質量分數大于0.50 mg/kg時，測定值的最大偏差為0.06 mg/kg，標準物質測定值均在不確定度范圍內。該方法檢出限低，精密度和準確度較高，可操作性強，適用于批量土壤樣品有效硼的測定，質量控制結果滿足第三次全國農業土壤普查內業測試和全程質量控制規程的要求。
關鍵詞： 土壤； 有效硼； 電感耦合等離子體發射光譜法； 沸水提取
土壤中硼元素是植物正常生長發育不可缺少的營養元素，硼在土壤中的含量隨土壤類型的不同有很大差異，全硼含量大約在2～100 mg/kg。土壤中的硼絕大部分被包裹在礦物晶格中或吸附在土壤顆粒的表面，很難被植物直接吸收，對植物來說是無效硼；只有極少量的硼以硼酸形式或硼酸根離子形式存在于土壤溶液中硼(水溶態硼)，才能被植物直接吸收利用，這種形式的硼對植物來說屬于有效硼。土壤缺乏有效硼就會造成作物減產，因此準確測試有效硼含量至關重要[1?4]。目前國家正在開展第三次全國土壤普查(以下簡稱“土壤三普”)工作，土壤中有效硼參數也是土壤三普要求測試的重要指標，現有規范中有效硼含量的檢測流程均比較復雜，準確性也受許多因素的影響[5]。
現有土壤有效硼檢測國標有2種方法，第一種方法為沸水提取-甲亞胺-H-比色法，試劑酸性高錳酸鉀溶液必須現用現配；甲亞胺的用量、顯色緩沖溶液的酸度、顯色時的環境溫度必須嚴格控制，實驗過程較繁瑣。第二種方法為沸水提取-姜黃素-比色法，濾液的放置時間較短(低于3 h)，批量實驗時，間隔時間不宜控制；蒸發過程的溫度、速度等必須保持一致，顯色條件需嚴格控制，重復性測試的穩定性和準確度不易控制較大，實驗過程更加繁瑣[6?8]。
筆者采用沸水提取-電感耦合等離子體發射光譜(ICP-AES)法(簡稱“沸水提取-ICP-AES法”)，沸水提取后直接上機測試有效硼，避免比色法的實驗條件限制，操作簡單，而且靈敏度和準確度較高，穩定性較好，提高了測試效率，適用于批量土壤樣品有效硼的檢測[9?16]。
1、 實驗部分
1.1 主要儀器與試劑
ICP-AES儀：iCAP-PRO-X型，美國賽默飛世爾科技公司；
臺式低速多管架離心機：TD-5Z型，四川蜀科儀器有限公司。
電子天平：FA2004N型，上海精密儀器科技有限公司。
土壤有效態成分分析標準樣品：(1)標準物質編號為ASA-6b-CZ，廣東花都灰潮土、酸性土壤，硼質量分數為（0.13±0.04） mg/kg；(2)標準物質編號為ASA-5b-CZ，江西鷹潭紅壤、酸性土壤，硼質量分數為（0.26±0.05） mg/kg；(3)標準物質編號為ASA-7a-CZ，黑龍江慶安黑土、堿性土壤，硼質量分數為（0.68±0.08） mg/kg；(4)標準物質編號為ASA-9a-CZ，陜西洛川黃綿土、堿性土壤，硼質量分數為（0.43±0.05） mg/kg；(4)標準物質編號為ASA-1b-CZ，吉林通化棕壤、酸性土壤；(5)標準物質編號為ASA-2b-CZ，河南安陽潮土、堿性土壤；(6)標準物質編號為ASA-3b-CZ，四川簡陽紫色土、堿性土壤，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所。
硼溶液標準物質：1 000 mg/L，標準物質編號為GSB 04-1716-2004，國家有色金屬及電子材料分析測試中心和國標（北京）檢驗認證有限公司。
鐵溶液標準物質：1 000 mg/L，標準物質編號為GBW(E) 083185，壇墨質檢科技股份有限公司。
硫酸鎂、無水碳酸鈉、硫酸、硝酸：均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司。
1.2 儀器工作條件
硼測定譜線：249.773 nm；輔助氣流量：0.50 L/min；RF功率：1 150 W；冷卻器流量：12.5 L/min；泵速：45 r/min；附加氣體流量：0 L/min；載氣：氬氣，體積分數不小于99.999%；載氣流量：0.5 L/min；載氣壓力：0.22 MPa。
1.3 實驗步驟
1.3.1 溶液配制
硼標準使用溶液：100 mg/L，吸取25.00 mL硼標準貯備溶液于250 mL塑料容量瓶中，用符合GB/T 6682規定的一級水(無硼水)定容至標線，貯于塑料瓶中。
鐵標準使用溶液：100 mg/L，吸取25.00 mL鐵溶液標準物質于250 mL塑料容量瓶中，用符合GB/T 6682規定的一級水（無硼水）定容至標線，貯于塑料瓶中。
樣品溶液：稱取通過2 mm孔徑篩的風干土壤樣品10.00 g于250 mL石英三角瓶中，加入20.0 mL蒸餾水，輕微晃動三角瓶使土壤分散開，裝好回流提取裝置，水浴煮沸并保持微沸(從沸騰時準確計時)，移開熱源，繼續回流冷凝，取下三角瓶，冷卻。在煮沸過的樣品溶液中加入2滴硫酸鎂溶液加速澄清，離心分離5 min[17?18]，濾液承接于石英杯或者塑料杯中，取上清液作為樣品溶液。
同時做空白樣品。
1.3.2 校準曲線繪制
分別吸取一定體積的硼標準使用溶液于100 mL容量瓶中，配置制系列硼標準工作溶液，質量濃度分別為0.00、0.05、0.10、0.20、0.40、0.50、1.00、2.00 mg/L，將不同質量濃度硼標準工作溶液按照濃度由低向高順序注入ICP-AES儀中，有效硼的質量濃度為橫坐標，測定信號值為縱坐標，繪制標準曲線。
1.3.3 定量方法
采用ICP-AES法，以標準曲線法對土壤中有效硼進行定量檢測。分析前，用硝酸溶液沖洗系統，待儀器的空白強度信號值穩定并降至最低時，建立校準曲線，并在相同條件下分析樣品。樣品測定過程中，若樣品溶液中硼元素濃度超過校準曲線線性范圍的最大值，可用一級水(符合GB/T 6682規定)稀釋，并根據稀釋倍數確定補加等量的硫酸鎂溶液后，重新測定。
2、 結果與討論
2.1 實驗條件優化
2.1.1 水浴提取時間影響
為確定提取時間對土壤有效硼含量的影響，選取標準物質ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步驟進行提取和測定，考察提取時間對結果影響，提取時間分別為5、10、15、20、30、50 min的土壤有效硼質量分數測定值和回收率見表1。由表1可以看出，提取時間不同，測定結果差異較大，當沸水提取時間為5 min時，結果偏低，樣品中有效硼(水溶態硼)沒有被完全提取出來；當提取時間為10～15 min時，有效硼(水溶態硼)能充分提取出來，測定結果在標值誤差范圍之內。若提高提取時間，有效硼(水溶態硼)含量會有增加，但是提取時間太長，會耗費過多時間，降低測試效率，同時硼的非有效態成分(螯合態硼、酸溶性硼等)也可能被提取出來，導致測定值偏高。綜上因素考慮，沸水浴提取時間選擇10～15 min。
表1 不同水浴提取時間對應的土壤中硼的質量分數測定值
Tab. 1 Determination of mass fraction of boron in soil corresponding to different water bath extraction times
2.1.2 分離方式影響
分別選取標準物質ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步驟進行提取，探究過濾分離和離心分離兩種分離方式對結果的影響，測定結果見表2。由表2可以看出，選擇離心分離的方式，測定值與證書值基本一致，在誤差范圍之內；選擇濾紙過濾的方式，測定結果偏小或偏大，結果穩定性比較差。選擇過濾分離的方式，對含有大量土壤細小顆粒的渾濁液進行過濾分離時，這些顆粒會堵塞濾紙，進而顯著延長過濾時間，若因堵塞而中途更換濾紙，更有可能導致待測組分中的有效硼產生損失，從而使最終的測定結果偏低。使用離心機分離待測樣品，可減少實驗所需的時間，效率較高。綜上因素考慮，選取離心分離的方式為佳。
表2 不同分離方式對應的土壤中硼的質量分數測定值
Tab. 2 Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different separation methods
2.1.3 回流冷凝時間影響
為確定回流冷凝時間是對土壤有效硼含量的影響，分別選取標準物質ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，按照1.3步驟進行提取，設定回流冷凝時間分別為0、2、5、10、15 min，測定結果見表3。由表3可以看出,當回流冷凝時間為0、2 min時，測定結果偏小，試樣中的有效硼成分尚未完全被提取；當回流冷凝時間為10或15 min時，測定結果偏大，硼的非有效態成分(螯合態硼、酸溶性硼等)也可能被提取出來；當回流冷凝時間為2或5 min時，測定值最接近證書值。綜上因素考慮，選取回流冷凝時間為5 min。
表3 不同回流冷凝時間對應的土壤中硼的質量分數測定值
Tab. 3 Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different reflux condensation times
2.1.4 譜線干擾影響
光譜干擾主要包括連續背景和譜線重疊干擾。鐵249.783 nm譜線和硼249.773 nm譜線接近，考察鐵濃度對測定結果的影響，按照1.3步驟進行提取，按照上述各單因素的最優實驗條件實驗，分別選取標準物質ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-9a-CZ、ASA-7a-CZ，在準備好的待提取溶液中，加入不同濃度的鐵標準使用溶液，控制鐵的質量濃度分別為5、8、10、15、20 mg/L，測試有效硼含量，考察譜線干擾影響。不同基體介質鐵含量對應的土壤中硼的質量分數測定值見表4。由表4可以看出，當提取液中鐵的質量濃度為5～10 mg/L時，測定值接近證書值，在標準物質的誤差范圍之內，鐵的干擾影響較小；當提取液中鐵的濃度大于10 mg/L時，測定結果偏小，隨著鐵濃度的增加，干擾影響加大，測試結果降低，因此當提取液中鐵的質量濃度大于10 mg/L時，對有效硼測試結果影響較大，測試時需要降低或消除鐵的干擾影響，可以考慮更換硼的次靈敏線重新測定或者采用化學分離方法降低鐵濃度，達到實驗準確目的。
表4 不同基體介質鐵含量對應的土壤中硼的質量分數測定值
Tab. 4 Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different matrix media iron contents
2.1.5 樣品粒度對結果影響
為確保測試結果的準確性，實驗室在樣品制備環節，將土壤樣品制備成250、150、74 μm的細磨樣品，考察樣品粒度對測定結果的影響。選用ASA-6b-CZ、ASA-5b-CZ、ASA-7a-CZ、ASA-9a-CZ的標準物質，原樣粒度是250 μm，經過手工研磨，分別過150 μm篩和74 μm尼龍篩，按照上述各單因素的最優實驗條件實驗，測定結果見表5。由表5可以看出，同一樣品隨著粒度變小，測試結果提高；當樣品粒度為250 μm時，標樣測量誤差基本在標樣允許誤差范圍之內，在均滿足土壤有效態分析的質量要求；當樣品粒度為150 μm時，結果偏差較大；當樣品粒度為74 μm時，測試結果基本超過標樣值的誤差范圍，是因為提取時，粒度越小，溶液接觸面積越大，提取有效硼越充分，提取液中除了有效硼外，硼的非有效態成分(螯合態硼、酸溶性硼等)也被提取出來，導致結果偏高。綜上因素考慮，選取粒度為250 μm。
表5 不同樣品粒度對應的土壤中硼的質量分數測定值
Tab. 5 Determination of the mass fraction of boron in soil corresponding to different sample particle sizes
2.2 方法學驗證
通過上述對有效硼測定方法影響因素分析，得出以下最優方案：稱取10.00 g風干土壤試樣(250 μm)，加入20.0 mL一級水(符合GB/T 6682規定)，同時控制提取介質中鐵的質量濃度不大于10 mg/L。振搖三角瓶使土壤分散開，沸水浴浸10 min，回流冷凝5 min，離心過濾，保持濾液澄清，待測。選擇硼測定波長249.773 nm為譜線，用ICP-AES法測定樣品溶液中有效硼的含量。該方法所得標準曲線線性方程為y=322.02x+0.677 8，線性相關系數為0.999 9。
2.2.1 方法檢出限、定量限
根據《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ 168—2020)中要求的檢出限計算要求，不稱量樣品，按上述最優分析方法規定的條件進行連續8次測定，計算8次測定的標準偏差(s)、檢出限、定量限(檢出限×4)，結果見表6。經實驗測試后得出方法測量檢出限為0.003 mg/kg，定量限為0.012 mg/kg，優于土壤三普《樣品檢測與質控指南》里的要求：當稱樣量為10.00 g、提取劑為20 mL水時，方法檢出限為0.01 mg/kg，定量限為0.04 mg/kg。
表6 方法檢出限、定量限
Tab. 6 Method detection limit，Quantification limit ( mg/kg )
2.2.2 方法精密度、正確度
選擇低、中、高不同含量的土壤標準物質(ASA-1b-CZ、ASA-2b-CZ、ASA-3b-CZ)，同時選擇實際送檢土壤樣品TR1、TR2、TR3，平行測定8次。參考HJ 168—2020《環境監測分析方法標準制訂技術導則》的規定，分別計算檢測結果的平均值、標準偏差、相對標準偏差、相對誤差和最大絕對偏差，結果見表7。由表7可以看出，標準物質測定結果的最大標準偏差為0.029 mg/kg，最大相對標準偏差為6.46 %，最大相對誤差RE為2.45 %；當有效硼含量小于0.50 mg/kg時，測試結果的最大絕對偏差為0.05 mg/kg；當有效硼含量大于0.50 mg/kg，測試結果最大絕對偏差為0.06 mg/kg。以上結果均滿足土壤三普《樣品檢測與質控指南》質控要求：當有效硼含量(質量分數)為0.20～0.50 mg/kg時，允許絕對偏差不大于0.05 mg/kg；當有效硼含量大于0.50 mg/kg，允許絕對偏差不大于0.06 mg/kg。綜合上述分析結果可知，優化后的分析過程可用于土壤有效硼含量的檢測，且結果的精密度和穩定性較好。
表7 方法精密度試驗結果
Tab. 7 Method precision test results
3、 結語
根據實驗條件優化結果，建立了沸水提取-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤有效硼的最優實驗方法。該方法檢出限低、準確度高、穩定性好、線性范圍廣，適用于批量土壤樣品有效硼的測定，并且質量控制結果滿足第三次全國農業土壤普查內業測試和全程質量控制規程的要求。
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引用本文： 萬亞麗，徐輝，張立，等 . 沸水提取-電感耦合等離子體發射光譜法測定土壤有效硼［J］. 化學分析計量，2024，33（10）：28. (WAN Yali, XU Hui, ZHANG Li, et al. Determination of effective boron in soil by boiling water extraction with inductively coupled plasma emission spectrometry method[J]. Chemical Analysis and Meterage, 2024, 33(10): 28.)
來源：化學分析計量
