石墨电热消解-ICP-OES 法测定土壤中全磷

杨 娜

(上海市园林科学规划研究院,上海200230)

磷是植物生长发育所必需的大量元素之一,具有提高作物产量和降低病虫害发生的重要作用。 磷元素缺乏将导致植物发生形态和生理上的变化。 磷肥是土壤磷的主要来源,但土壤矿物质对磷素具有强烈的固定和吸附作用,使土壤中95%以上的磷成为无效态[1],导致磷肥的当季利用率仅为5%—25%[2]。

土壤全磷是指土壤中含磷矿物及有机磷化合物中磷的总量,检测磷在土壤中的全量,可以了解土壤的供磷容量,对合理施用磷肥具有重要的指导意义[3]。 目前土壤中的全磷一般参照国家林业标准采用碱熔或者电热板酸溶-钼锑抗分光光度法进行测定[4],但标准方法中样品的碱熔或酸溶过程较为繁杂,且化学试剂用量大,对操作人员要求相对较高,且调色使用的二硝基酚为剧毒物质,危害性大且采购困难。 此外,磷元素的显色又受酸度、时间、温度等诸多因素的制约,影响检测结果的准确性。 目前,土壤全磷元素测定的前处理方式较为先进的是微波消解技术,其具有试剂用量小,消解效率高且不污染环境的优点[5],但所需仪器较为昂贵,不便于广泛推广,而电热石墨消解因其良好的控温功能及较高的准确度和精密度,逐渐用于土壤、肥料等样品的快速消解[6]。 本研究采用石墨电热消解的方法处理样品,通过优化试验条件,以期建立一种快速、准确测定土壤全磷的方法。

1 材料与方法

1.1 主要试剂

硫酸(优级纯);硝酸(优级纯);盐酸(优级纯);氢氟酸(优级纯);氢氧化钠(分析纯);磷标准溶液(中国计量院1 000 mg∕L);实验室一级水。

1.2 土壤质控样品

土壤成分分析标准物质(GBW07404、GBW07408、GBW07447 和GBW07452),购自中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所。

1.3 主要仪器

程控马弗炉:上海贝科生物技术有限公司,KL09∕11 型;紫外∕可见光分光光度计:北京普析通用仪器有限责任公司,T9CS 型;石墨高温电热消解仪:莱伯泰科有限公司,EHD36 型;ICP-OES:珀金埃尔默企业(上海)有限公司,Optima 8000 型。

1.4 试验材料

3 份土壤样品均为上海聚隆绿化发展有限公司绿化土壤,样品编号为1、2、3;pH 分别为8.28、8.29、8.30;Ec 值分别为0.440 mS∕cm、0.672 mS∕cm、0.795 mS∕cm;有机质含量分别为20.9 g∕kg、27.9 g∕kg、37.0 g∕kg,均为壤土,土样经风干、粉碎后过100 目筛(0.149 mm 孔径)备用。

1.5 分析方法

1.5.1 常规消解(碱熔融法)

按照LY∕T 1232—2015《土壤磷的测定》[4]中的碱熔法进行。 称取过0.149 mm 孔径的风干土样0.2 g(精确至0.000 1)于坩埚底部,用马弗炉进行消解,取出冷却后,熔块加入10.0 mL 水,放置于电炉上溶解后转入50 mL 容量瓶中,用热水及2.0 mL 4.5 mol∕L 硫酸多次洗涤坩埚并倒入容量瓶内,使总体积至约40 mL,最后往容量瓶中加5 滴1∶1盐酸溶液及5.0 mL 4.5 mol∕L 硫酸溶液,摇动后冷却至室温,用水定容至50 mL,无磷滤纸过滤或离心澄清后备用。 配置浓度为0.0 mg∕L、0.1 mg∕L、0.2 mg∕L、0.3 mg∕L、0.4 mg∕L、0.5 mg∕L、0.6 mg∕L 标准曲线系列,使用紫外∕可见光分光光度计在波长为700 nm 的条件下进行测试。 每个试样测定6 个平行样品,计算该方法测定土壤样品全磷含量的相对标准偏差(RSD),以评价方法的精密度。 测定20 次空白样品,按D.L=KSb∕S(D.L:检出限;Sb:空白多次测定的标准偏差;S:校准曲线的斜率;取K=3 时对应的置信水平,约90%)计算方法的检出限,并折算成50 mL、0.2 g 样品中全磷的含量。

1.5.2 石墨电热消解

称取过0.149 mm 孔径的风干样品0.2 g(精确至0.000 1 g),放入50 mL 塑料离心管中,用少量去离子水湿润,加入1 mL 浓HNO3、1 mL 浓HCl 和2 mL HF[珀金埃尔默企业(上海)有限公司]),摇匀后放入石墨高温电热消解仪进行消解。 消解结束冷却至室温,用去离子水定容至40 mL,摇匀后离心备用。 以不加土壤样品消解的处理为空白对照,配制浓度为0.0 mg∕L、0.1 mg∕L、0.5 mg∕L、1.0 mg∕L、5.0 mg∕L、10.0 mg∕L、20.0 mg∕L标准曲线系列(1%硝酸定容),用ICP-OES 仪进行测定。 高频发生器功率:1 350 W,等离子体气体流量:12 L∕min,辅助气体流量:0.3 L∕min,雾化器流量:0.6 L∕min,蠕动泵流量:0.6 L∕min,积分时间:4 s,测量次数:3 次,磷的测定波长为213.617 nm。 与1.5.1 相似,以相对标准偏差(RSD)评价方法的精密度,同时计算方法检出限,并折算成40 mL、0.2 g 样品中全磷的含量。

2 结果与分析

2.1 前处理条件优化

在消解时间(不包括升温时间)保持在120 min 的情况下,设置消解温度分别为115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃。 由表1 可知,115 ℃和145 ℃下土壤样品全磷的测定值偏低,只有3 次测定结果在参考值的允差范围内,其余均低于参考值;125 ℃和135 ℃下测定的结果均在参考值的允差范围内,但135 ℃的测定值更加接近参考值的中位值,表明该温度下消解较为完全,且精密度符合检测标准相关要求,因此,选择135 ℃作为最优消解温度。

在消解温度保持在135 ℃的情况下,将消解时间(不包括升温时间)分别设定为60 min、80 min、100 min和120 min,进行土壤样品消解。 由表2 可知,消解时间为60 min 和80 min 的测定结果偏低,原因可能是消解时间不足导致样品消解不完全;120 min 消解时间下测定值都在参考值范围内,但精密度较差,且离心过程中出现样品管损坏的情况。 因此,在消解温度为135 ℃的前提下,确定100 min 为消解最优时间。

表1 不同消解温度下土壤全磷的测定值与精密度Table 1 The results and relative standard deviation(RSD)of total phosphorus in soil of different temperature by digestion

表2 不同消解时间下土壤全磷的的测定值与精密度Table 2 The results and relative standard deviation(RSD)of total phosphorus in soil of different time by digestion

2.2 方法评价

2.2.1 方法的线性与检出限

由表3 可知,石墨电热消解-ICP-OES 法测定全磷的线性范围为0—20 mg∕L,而NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法的线性范围仅为0—0.6 mg∕L;且NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定高浓度样品时需要重新稀释,操作过程必须严格控制酸度、显色时间及温度;而石墨电热消解-ICP-OES 法则不受上述条件限制。 同时,石墨电热消解-ICP-OES 法的检出限为3.67 mg∕kg,优于NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法的7.87 mg∕kg。 因此,石墨电热消解-ICP-OES 法灵敏度可满足土壤全磷的检测要求。

表3 两种消解方法测定全磷的线性方程、相关系数、定量下限Table 3 Linear ranges,Linear equations,correlation coefficents(R2),limits of quantitation(LOQ)

2.2.2 精密度

由表4 可知,NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法的全磷测定结果的相对标准偏差(RSD)为0.761%、0.641%和1.866%;石墨电热消解-ICP-OES 法为0.978%、0.928% 和0.835%,平均值为0.914%,较NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法低,表明石墨电热消解-ICP-OES 法具有较高的精密度,能够满足实验室检测的相关要求。

NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法和石墨电热消解-ICP-OES 法全磷测定值相对相差为1.22%、1.19%和0.193%,平均值为0.868%,绝对相差为0.012 g∕kg、0.009 g∕kg 和0.002 g∕kg,满足LY∕T 1232—2015 中NaOH 熔融法全磷测定中绝对偏差≤0.006 g∕kg 的要求。

表4 两种方法对3 个土壤样品全磷测定结果和相对标准偏差(n=6)Table 4 The results of 3 samples and relative standard deviation(RSD)by the two methods

2.2.3 准确度

由表5 可知,石墨电热消解-ICP-OES 法测定的各标准物质磷元素的测定值都在其证书值允许的误差范围内,且与NaOH 熔融-钼锑抗分光光度法测定值绝对差值在0—0.02 g∕kg,符合LY∕T 1232—2015 中当全磷含量＜1 g∕kg 时,绝对偏差＜0.03 g∕kg 的要求,因此,石墨电热消解-ICP-OES 法准确度符合LY∕T 1232—2015 的相关要求。

表5 土壤中全磷不同检测方法的结果比较(n=6)Table 5 Comparison of results of differernt detection methods of total phosphorus in soil(n=6)

2.2.4 土壤样品加标回收分析

采用3 个浓度对样品进行加标,加标回收率分别为99.6%、97.7%、92.7%(表6),符合《土壤环境监测技术规范》(HJ∕T 166—2004)[7]中总磷回收率80%—120%的要求。

表6 加标回收率Table 6 Test for adding standard solutions to samples

3 讨论与结论

磷是自然界中植物生长不可或缺的化学元素,直接影响作物产量和品质[8],土壤中全磷的含量直接关系着土壤的营养特性。 杨丽华[9]用微波消解处理样品,采用ICP-MS 碰撞池(CCTked)技术快速检测土壤全磷。 曹凯红等[10]发现ICP-AES 法可推广运用到全磷的测试中。 张丽萍等[11]发现ICP-OES 分析仪在样品熔融后,可以10 倍稀释后直接上机检测,减去了显色反应这一步骤,且自动进样器减少了工作量,并可以同时检测其他元素。 本研究采用石墨高温电热消解仪进行土壤样品的消解,相对于微波消解更便于广泛推广,同时,该方法使用了ICP-OES 分析仪,避免了碱熔土壤样品对钼锑抗磷显色的各种干扰导致的测定结果偏大[12],也避免了用肉眼判断溶液颜色[3]而造成的误差。

通过本研究建立了一种石墨电热消解-ICP-OES 法快速测定土壤中全磷的方法,其线性范围为0—20.0 mg∕L,相关系数R2=0.999 92,固体样品的检出限为3.76 mg∕kg,加标回收率为92.7%—99.6%。 该方法前处理快速简便,线性范围较传统方法宽,同时具有较好的精密度和准确度,可以满足快速测定土壤全磷的需要。 此外,石墨电热消解处理后的消解液还可以继续用于该样品中其他非金属及金属元素的检测。