DTPA浸提-石墨炉原子吸收光谱法测定农田土壤中的有效态镉
周嘉诚 黎小鹏 陈楠 冯东仪 马世柱 林俊杰
摘要 ? ?本文提出了一种石墨炉原子吸收光谱法测定农田土壤有效态镉的检测方法。使用DTPA提取剂浸提样品，经离心、过滤后，待测样与基体改进剂共进原子吸收光谱仪测定。结果表明，本方法中，有效态镉在0.1～4.0 ng/mL浓度范围内有良好的线性关系，标准曲线相关系数r=0.999 3，检出限为0.005 9 ng/mL;使用2种有證土壤有效态成分分析标准物质进行质控，测定结果均在标准物质标称值范围内，且相对标准偏差小于5.0%。本方法前处理流程简单、质控良好、精密度高、检测效果显著。
关键词 ? ?有效态镉;DTPA浸提-石墨炉原子吸收光谱法;基体改进剂;农田土壤
中图分类号 ? ?S151.9;X53 ? ? ? ?文献标识码 ? ?A
文章编号 ? 1007-5739（2020）19-0175-03
Determination ?of ?Available ?Cadmium ?in ?Farmland ?Soil ?by ?DTPA ?Extraction-Graphite ?Furnace ?Atomic ?Absorption ?Spectrometry
ZHOU Jiacheng ? ?LI Xiaopeng ? ?CHEN Nan ? ?FENG Dongyi ? ?MA Shizhu ? ?LIN Junjie
（Sanxiang Inspection & Testing Station of Agricultural Products in Guangdong Province， Zhongshan Guangdong 528463）
Abstract ? ?In this paper， a method for the determinantion of available cadmium in farmland soil by graphite furnace atomic absorption spectrometry was presented. Samples were extracted with DTPA extractant， then centrifuged and filtered， finally tested by GFAAS along with matrix modifier. The results showed that using the above method， the effective cadmium had a good linear relationship in the concentration range of 0.1-4.0 ng/mL， the standard curve correlation coefficient r was 0.999 3， the detection limit reach 0.005 9 ng/mL. Two reference materials for analysis of soil effective components were tested and results could reach the range of nominal value， and the relative standard deviation was less than 5.0%. The method has a simply pre-processing flow， good quality control， high precision， and the detection effect is remarkable.
Keywords ? ?available cadmium; DTPA extraction-GFAAS; matrix modifier; farmland soil
镉元素是我国《重金属污染防治“十二五”规划》中重点防治的重金属污染物，而作为农业种植的重要载体——土壤，其镉污染问题在当前社会更是不容忽视，镉元素严重影响土壤的可持续利用和粮食的种植安全[1]。土壤的镉元素来源有多种途径，首先是土壤本身含有镉元素;其次是工业、农业和人类活动。例如，采矿、冶炼和电镀业的应用过程中，废水、废气和废渣在未经过任何处理的情况下直接排放在环境中，通过循环造成农田土壤镉污染;农业种植过程中农户使用生活污水、工业废水灌溉，使用了含镉农药以及施肥不合理;日常生活中人们乱投放含镉的固体废物[2]。由罗小玲等[3]调查的珠三角地区典型农村耕地和余姝洁等[4]调查的中山市工业园区的土壤重金属污染现状可知，2种地形土壤重金属污染主要以镉污染为主。
作为主要污染元素的镉，对生物体生长发育有直接危害，其具有易积累、难排除、生物迁移性强等特点，对植物毒性低而对动物和人类毒性高，通过污染进入植物体是其危害人体健康的重要途径[5]。然而，在植物吸收土壤镉的过程中，所吸附的并非土壤镉的全量，而是能够被植物实际吸收和利用的、具有活性的一种形态，称为土壤有效态。
当前，土壤重金属镉的检测主要以全量检测为主，而土壤含量背景值以外的镉元素又以多种形式存在，全量检测的方式不能有代表性地概括当前农用种植土壤的实际镉污染情况。因此，通过测定其有效态镉的含量对当地土壤镉元素污染情况进行评价更具有实际意义。
目前，对土壤有效态的检测方法已有不少报道，尤其是随着电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）的普及，使用ICP-MS法测定土壤有效态的报道屡见不鲜。杨 ?喆等[6]使用超声提取-电感耦合等离子体质谱法的方式测定了土壤中的有效态铁、有效态锰、有效态铜和有效态锌;张 ?宁等[7]通过DTPA振荡浸提、过滤后，使用ICP-MS氦碰撞/反应池模式測定了石灰性土壤中的有效态元素铅、镉、镍;农云军等[8]使用超声提取-ICP-MS的方法测定了土壤中的有效态铅和镉;熊 ?婕等[9]使用电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES），研究了南方稻田土壤有效态镉9种提取方法的提取能力及提取态镉和稻米镉含量的相关关系。
电感耦合等离子体质谱仪给许多检测机构带来了便捷，但其仪器及分析成本高昂，不适用于基层检测机构的分析检测工作。当前，原子吸收光谱仪仍为大多数基层检测机构的首选，而对于原子吸收光谱法测定土壤有效态的方法，尤其是对南方农田土壤中有效态镉研究分析的相关论著，近年来少有报道。本文通过使用DTPA浸提作前处理，对工作曲线和测试液进行基体匹配，分析过程中使用基体改进剂以减少分析过程中的基体干扰、原子吸收光谱法进行检测的方法，其间通过使用2种不同地区不同类型的土壤有效态成分分析标准物质作质控样品，探究DTPA提取时间、基体改进剂质量浓度对农田土壤有效态镉检测的影响，以优化出一种能够有效检测土壤有效态镉的前处理方法和仪器条件，使试验结果准确、精密度高且整个试验流程简单便捷。
1 ? ?材料与方法
1.1 ? ?试验材料
农田土壤，采集自广东省中山市三乡镇某水稻种植区。
Agilent AA-240Z原子吸收光谱仪，配有GTA120自动进样器，塞曼扣背景（Agilent公司），Cd单元素灯（Agilent公司），ML104万分之一天平（梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司），KS501圆周式震荡摇床（IKA集团），TD5K-Ⅲ离心机（长沙东旺实验仪器有限公司），Spring-S20（i.RM）多功能超纯水系统（厦门锐思捷水纯化技术有限公司），STATER 3100 pH计（奥豪斯公司）。
二亚乙基三胺五乙酸（DTPA）（D106364-25 g），为阿拉丁试剂有限公司生产;三乙醇胺（TEA），分析纯，由山东西亚化学股份有限公司生产;无水氯化钙，分析纯，由广州化学试剂厂生产;盐酸，优级纯，由广州化学试剂厂生产;磷酸二氢铵，色谱纯，由阿拉丁试剂有限公司生产。
试验所使用的土壤有效态成分分析标准物质——黑龙江黑土GBW07458（ASA-7）和陕西黄绵土GBW 07460（ASA-9）均为地球物理地球化学勘察研究所IGGE生产;镉单元素标准溶液，标准值为1 000 μg/mL，由国家有色金属及电子分析材料测试中心生产，分析前使用10%硝酸溶液稀释至10 μg/mL，此溶液作为标准储备液，在4 ℃条件下可储存1个月。
1.2 ? ?提取液配制
称取DTPA固体1.967 g溶于少量水中，加入TEA溶液13.3 mL、无水氯化钙1.11 g，一并倒入1 000 mL容量瓶中，加水至总体积约950 mL，用6 mol/L盐酸溶液调节pH值至7.30，最后用水定容至刻度线。
1.3 ? ?前处理方法
1.3.1 ? ?样品前处理。称取5.00 g（准确值0.01 g）通过2 mm孔径筛的风干试样于50 mL塑料离心管中，加入25 mL提取液并旋紧盖子，于180 r/min的频率振荡，震荡完成后，迅速用4 000 r/min的速度离心，取上清液，待测。观察样品浓度，如超出标准曲线范围，则取一定体积的上清液，使用提取液稀释后，待测。同时做空白对照。
1.3.2 ? ?标准物质前处理。根据标准物质认定证书中的ASA-7（GBW07458）和ASA-9（GBW07460）2种有效态成分认定值的含量，准确称取ASA-7 1.50 g、ASA-9 3.00 g，样品前处理方法同1.3.1。
1.4 ? ?仪器工作条件
镉元素灯波长选择228.8 nm，狭缝0.5 nm，电流为5.0 mA，扣背景方式为塞曼扣背景，氩气作保护气，进样体积10 μL，测量模式为峰高，石墨炉升温程序如表1所示。
2 ? ?结果与分析
2.1 ? ?提取后上清液的影响
土壤样品成分复杂，即使经过过筛和一系列的前处理，依然会存在大量的基体。试验中，经提取过后的样品，使用4 000 r/min的速度离心5 min，上清液仍存在一定量肉眼可见的悬浮物颗粒，这些悬浮物因为密度低而无法与土壤一同沉淀。悬浮物颗粒的存在会在一定程度上影响石墨炉分析结果的重现性，甚至会对进样针造成堵塞，损坏仪器。通过提高离心机转速的方法虽然能使悬浮物颗粒沉淀下来，但过高的转速会对仪器造成损耗。使用一次性吸管吸取下层清液的方法，仍然会吸取到少量的悬浮物。选用水性滤膜过滤后，悬浮物颗粒能够被彻底滤除。因此，试验可选用滤膜过滤上清液的方法去除固体可见颗粒对试验测定的影响。
2.2 ? ?提取时间的影响
一般来说，随着振荡时间的延长，样品和提取剂的接触时间就会得到延长，从而提高分析元素的提取量。为了探究提取时间对不同种类的土壤中有效态镉元素提取量的影响，试验选用GBW07458和GBW07460等2种不同种类的有效态成分分析标准物质进行测定，提取时间分别设置了5、10、20、30、60、90、120、150、180、210 min共10个时间段，试验结果如图1所示。
从图1可以看出，随着提取时间的延长，2种标准物质的测定值有所增加，二者成正相关。在20 min后测定值的增加量逐渐趋于平缓，而在120 min以后，随着提取时间的延长，2种标准物质的测定数值不再增加，趋于稳定。试验结果表明，使用振荡提取的方式提取土壤有效态镉，提取120 min即可以得到较为稳定的试验结果。因此，本次试验的提取时间选用120 min。
2.3 ? ?基体改进剂的影响
国家标准GB/T 23739—2009[10]中石墨炉原子吸收光谱法测有效态镉不添加基体改进剂。在实际中，土壤样品成分复杂，基体含量较高，在测定过程中会出现较多干扰。因此，在测定过程中往往需要添加一定浓度的基体改进剂，以提高灰化温度和时间，从而降低基体干扰，同时避免待测元素在原子化阶段前损失，以得到较准确的测定结果。
为探究基体改进剂对测定结果的影响，试验使用磷酸二氢铵作为基体改进剂，在相同仪器条件下分别采用质量分数为0%、0.5%、1.0%、2.0%、4.0%、5.0%的磷酸二氢铵溶液，5 μL共进，测定了GBW07458和GBW07460等2种标准物质的有效态镉信号响应值，测定结果如表2所示。
從表2可以看出，仪器在不使用磷酸二氢铵溶液的情况下，2种标准物质的吸光度值严重偏低、重现性差且对应的标准曲线线性差，考虑到样品在升温过程中去除基体干扰的同时也在一定程度上导致了分析元素的损失;使用了0.5%的磷酸二氢铵溶液，2种标准物质的响应值虽然得到一定程度的改善，但对应的标准曲线线性差。观察原子化图谱发现，标准曲线溶液和样品原子化的峰型扁平、不规则，考虑到土壤样品和提取液本身存在的基体干扰，低浓度的磷酸二氢铵溶液不足以使样品在灰化过程中有效去除基体干扰和降低背景吸收并有效避免分析物质在升温过程中的损失，从而导致响应偏低，甚至标准曲线线性差;随着磷酸二氢铵浓度的提高，2种标准物质的原子化峰型越趋平滑尖锐，平均吸光度值、对应RSD不断得到改善。其中，当使用4.0%磷酸二氢铵溶液时，2种标准物质的平均吸光度值和RSD均达到较好的水平，且对应的标准曲线相关系数达到0.999 0以上。因此，试验使用4.0%磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂。
2.4 ? ?标准曲线和检出限
在标准曲线溶液配制过程中，考虑到样品的溶剂成分会对测定结果造成一定程度的影响，为保证标准曲线校正的准确性，标准曲线配制所使用的溶剂应当与样品的溶剂基体匹配，以达到较为理想的校正数值。因此，在试验过程中标准曲线的配制应使用提取剂作为溶剂。
取镉元素标准储备液，使用1.0%硝酸溶液逐级稀释至50 ng/mL的标准工作液，分别吸取一定体积的标准工作液于25.00 mL容量瓶中，提取液定容至刻度线，此标准曲线的浓度分别为0、0.1、0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 ng/mL。
按照1.4的仪器工作条件，以4.0%的磷酸二氢铵溶液作基体改进剂绘制出标准曲线，得出线性回归方程Abs=0.135 96×C+0.017 15，相关系数r=0.999 3。按照仪器工作条件，对11个空白溶液进行测定，以3倍的吸光度值标准偏差除以标准曲线斜率，按照公式（1）计算方法检出限：
MDL=3S/b（1）
式中，MDL为方法检出限;S为n次平行测定的标准偏差;b为标准曲线斜率。
按照公式，计算出方法检出限为0.005 9 ng/mL。
2.5 ? ?样品的分析
取已经制备好的土壤样品，使用1.3.1的前处理方法，提取时间为120 min，以GBW07458和GBW07460作为质控样品、4.0%的磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂，对样品进行分析，结果如表3所示。
3 ? ?结论
使用石墨炉原子吸收光谱法，选择DTPA浸提，常温下180 r/min的频率下振荡提取120 min，离心、过滤后，使用4.0%的磷酸二氢铵溶液作为基体改进剂。当使用土壤有效态成分分析标准物质——黑龙江黑土GBW07458（ASA-7）和陕西黄绵土GBW07460（ASA-9）进行前处理和分析后，土壤有效态镉的测定结果均能达到2种标准物质的标称值范围内，且RSD均小于5%;绘制出镉元素线性范围为0.1～4.0 ng/mL的标准曲线，相关系数r达到了0.999 3，对11个样品空白进行测定，方法检出限可达到0.005 9 ng/mL。本方法前处理流程简单，且使用石墨炉原子吸收光谱法可以达到良好的质控效果，样品检测结果精密高，适用于农田土壤中有效态镉的检测。
4 ? ?参考文献
[1] 彭炜东.农田土壤镉污染现状与修复技术[J].云南化工，2019，46（3）：88-92.
[2] 郑海芳，李仕钦，陈光亮，等.土壤镉污染探讨[J].现代农业科技，2015（6）：206-207.
[3] 罗小玲，郭庆荣，谢志宜，等.珠江三角洲地区典型农村土壤重金属污染现状分析[J].生态环境学报，2014，23（3）：485-489.
[4] 余姝洁，李名，张保见，等.中山市工业园周边土壤重金属污染及风险评估[J].武汉理工大学学报，2016，38（4）：70-75.
[5] 曾曾，简华丹.土壤-植物体系中镉存在形态的研究[J].轻工科技，2013（9）：111-112.
[6] 杨喆，陈秋生，张强，等.超声提取-ICP-MS法测定土壤中有效态矿质元素[J].湖北农业科学，2019，58（9）：94-97.
[7] 张宁，郭秀平，刘庆学，等.DTPA浸提—电感耦合等离子质谱法测定石灰性土壤中的有效态元素铅镉镍[J].河北地质，2018（4）：6-9.
[8] 农云军，谢继丹，黄名湖，等.超声提取-ICP-MS法测定土壤中有效态铅和镉[J].质谱学报，2016，37（1）：68-74.
[9] 熊婕，朱奇宏，黄道友，等.南方稻田土壤有效态镉提取方法研究[J].农业现代化研究，2018，39（1）：170-177.
[10] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.土壤质量 有效态铅和镉的测定 原子吸收法：GB/T 23739—2009[S].北京：中国标准出版社，2009.
基金项目 ? 复合改良剂对中山市三乡镇稻田土壤修复效果和稻米镉污染控制效果研究（2018B1119）。
作者简介 ? 周嘉诚（1988—），男，广东中山人，化学分析工程师，从事农产品检验检测工作。
收稿日期 ? 2020-06-06
