在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，微量元素（特別是重金屬元素）因其難以降解和在環(huán)境中的持久性，對生態(tài)質(zhì)量具有顯著的影響而被視為環(huán)境中主要的污染源之一。重金屬可以通過自然過程（如巖石風(fēng)化、侵蝕和沉積）在環(huán)境中遷移和轉(zhuǎn)化，也可以通過人類活動如采礦、冶煉和工業(yè)排放等被引入環(huán)境。沉積物、污泥和土壤中的高濃度重金屬，以及通過轉(zhuǎn)移過程進(jìn)入地下水和植物中的重金屬，都可能通過食物鏈進(jìn)行富集和傳遞，對動物和人類健康產(chǎn)生有害影響。因此，開發(fā)準(zhǔn)確、可靠且高效的方法來測定這些環(huán)境樣品中的重金屬含量，對于環(huán)境監(jiān)測、污染控制和生態(tài)風(fēng)險評估至關(guān)重要。

為了準(zhǔn)確測定環(huán)境樣品中的重金屬含量，學(xué)者們采用了多種高靈敏度的光譜技術(shù)，如火焰原子吸收光譜法（FAAS）、石墨爐原子吸收光譜法（GFAAS）以及電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-OES和ICP-MS）。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）作為一種先進(jìn)的光譜分析技術(shù)，因其高靈敏度、寬線性范圍和多元素同時測定的能力，在環(huán)境樣品中重金屬的測定中得到了廣泛應(yīng)用。然而，該方法的應(yīng)用前提是將固體樣品轉(zhuǎn)化為可溶性的形式，以便進(jìn)行光譜分析。這一前處理過程，即樣品的消解或提取，是分析中最關(guān)鍵的步驟之一。傳統(tǒng)的消解方法，如濕法消解和干灰化，雖然有效，但通常耗時較長，過程繁瑣，且可能引入污染，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了克服這些局限性，發(fā)展了多種新的前處理方法，其中微波消解處理技術(shù)因其消解速度快、消解能力強(qiáng)、試劑用量少以及環(huán)境污染小等諸多優(yōu)勢，在巖礦、環(huán)境、食品等分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，微波消解技術(shù)應(yīng)用于ICP-MS分析在環(huán)境檢測領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，成為環(huán)境樣品前處理的重要方法。王樹加等運用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法對土壤中的鈹、釩、鎳、銅、鋅、鎘、鉛7種金屬元素進(jìn)行了深入研究，優(yōu)化了消解酸體系和測試模式，有效降低了多原子離子的干擾，提高了檢測靈敏度，與ICP-OES法的比對驗證了方法的準(zhǔn)確性和可靠性。張曉旭等利用微波消解前處理結(jié)合ICP-MS法測定了石化園區(qū)土壤及植株中的12種金屬元素，優(yōu)化了酸體系和儀器條件，實現(xiàn)了對實際樣品中金屬元素的高效、準(zhǔn)確測定，探討了土壤中金屬元素污染對植株的影響。這些研究成果展示了微波消解法運用于ICP-MS分析中，在提高分析效率、降低元素干擾，增強(qiáng)測量穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性方面的顯著優(yōu)勢。特別是對于易揮發(fā)性元素（如砷（As）、硒（Se）、汞（Hg）、鉻（Cr））的測定，使用微波消解能顯著降低其揮發(fā)損失。為ICP-MS分析提供了更為可靠和高效的樣品前處理途徑。

本研究旨在對比和評價不同前處理方法在電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定土壤和沉積物中6種重金屬Cu、Pb、Zn、Cr、Co、Ni時的應(yīng)用效果。具體而言，對比兩種消解前處理方法：一種是使用氫氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和鹽酸（HCl）的混合酸進(jìn)行微波消解；另一種是使用氫氟酸（HF）、硝酸（HNO₃）和高氯酸（HClO4）的混合酸進(jìn)行敞開式消解。這兩種方法各有優(yōu)勢，微波消解以其快速、高效和污染風(fēng)險低而著稱，而敞開式消解則允許更大的樣品處理量，并便于酸蒸發(fā)至干，減少與高酸濃度相關(guān)的分析問題。在本研究中，使用土壤和沉積物的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對這兩種方法進(jìn)行驗證，通過對比分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密度，評估它們在實際樣品分析中的適用性。隨后，將選定的最佳方法應(yīng)用于從實際環(huán)境中收集的土壤和沉積物樣品，以測定其中的重金屬含量。通過本研究，我們期望能為環(huán)境樣品中重金屬的準(zhǔn)確測定提供一種更為高效和可靠的前處理方法，為環(huán)境監(jiān)測、污染控制和生態(tài)風(fēng)險評估提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1實驗部分
1.1主要儀器與試劑
微波消解儀；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，上海美析儀器有限公司）；行星式瑪瑙球磨機(jī)。
優(yōu)級純的鹽酸（HCl）、硝酸（HNO₃）、氫氟酸（HF）、高氯酸（HClO₄）（優(yōu)級純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；Cu、Pb、Zn、Cr、Co、Ni單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1000μg/mL）；土壤成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、沉積物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；水凈化系統(tǒng)。
1.2儀器及工作條件
樣品前處理采用微波消解儀，配備了16個低容量全氟烷氧基（PFA）襯里的微波消解罐，并帶有安全破裂構(gòu)件（最大工作壓力為1380kPa）。磁控管在滿功率運行時，可輸出約1200W的2450MHz微波。工作參數(shù)如下表所示。

檢測儀器采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），配備有高效交叉流霧化器、Scott噴霧室和先進(jìn)的四極桿質(zhì)譜檢測系統(tǒng)、高靈敏度的離子檢測器。ICP-MS的操作條件如下表所示。


1.3實驗步驟
1.3.1樣品采集和前處理
土壤樣品取樣采樣多點隨機(jī)采樣法，使用圓狀取土鉆取0~30cm淺層樣品；沉積物樣品采樣使用柱狀沉積物采樣器進(jìn)行，樣品采集量控制在1kg左右。樣品采集完成后，需要在樣品架上風(fēng)干，風(fēng)干后的樣品在行星式瑪瑙球磨機(jī)上研磨至通過0.015mm（100目）篩。
1.3.2微波消解
稱取0.1000g樣品（精確到0.0001g）置于微波消解內(nèi)罐中。加入8mL酸混合酸（由4mLHF、3mLHNO₃和1mLHCl組成）作為消解液。蓋上消解罐，安裝在指定的外罐中，并使用表1中給出的操作參數(shù)進(jìn)行消解。消解完成后，將消解罐冷卻至室溫，并在通風(fēng)櫥中小心排氣。將每個消解罐中的內(nèi)容物定量轉(zhuǎn)移到30mL的聚四氟乙烯（PTFE）坩堝中，加入1mLHClO₄。將溶液蒸至近干。殘留物溶解在5mL（V（HNO₃）：V（H₂O）=1:1）的HNO₃溶液中，用去離子水定容至250mL，儲存在聚乙烯容量瓶中。同時制備一份程序空白溶液。
1.3.3敞開酸溶消解
將稱取的0.2000g樣品置于30mL的聚四氟乙烯坩堝，用幾滴水潤濕。然后向坩堝中加入1mLHCl、7mLHF、3mLHNO₃和1mLHClO₄的混合酸，蓋上坩堝蓋，放置過夜。將燒杯放在200℃的電熱板上加熱約1h。移去蓋子，將內(nèi)容物蒸發(fā)至近干，隨后加入3mLHF和1mLHClO₄的混合酸溶解內(nèi)容物，再次蒸發(fā)至近干，如此重復(fù)蒸發(fā)過程3次后。用5mL（V（HNO₃）：V（H₂O）=1:1）的HNO₃溶解殘留物，然用去離子水定容至250mL，儲存在聚乙烯容量瓶中。并按程序制備一份程序空白溶液。
1.3.4繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線
用2%的HNO₃將1000μg/mL的Cu、Pb、Zn、Co、Ni標(biāo)準(zhǔn)儲備液逐級稀釋成濃度為0、1、2、5、1.0、10、20、50、100ng/mL的混合多元素標(biāo)準(zhǔn)曲線。用2%的HCl將1000μg/mL的Cr標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋成濃度為0、1、2、5、10、20、50、100ng/mL的單元素標(biāo)準(zhǔn)曲線。在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀上按儀器工作條件測定，以發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，元素濃度為橫坐標(biāo)，按照濃度由低至高的順序依次測定，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.3.5樣品分析
在完成樣品的消解程序后，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）按照上文所示工作參數(shù)，進(jìn)行樣品分析。

2.結(jié)論
對比了兩種前處理方法-敞開酸消解法和微波消解法在電感耦合等離子體質(zhì)譜測定土壤和沉積物中Cu、Pb、Zn、Cr、Co、Ni6種重金屬的應(yīng)用效果。采用微波消解法進(jìn)行土壤和沉積物的前處理，顯著降低了測定重金屬的檢出限和定量限，提高了測定結(jié)果的回收率，并降低了相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，尤其在Cr等易揮發(fā)元素的測定中表現(xiàn)尤為突出。在實際樣品分析中，微波消解法同樣展現(xiàn)出更優(yōu)的重復(fù)性和檢測精度。微波消解法作為一種高效、可靠的樣品前處理方法，在環(huán)境樣品中重金屬的準(zhǔn)確測定中具有廣泛應(yīng)用前景。

文章來源：[1]張義春.ICP-MS測定土壤和沉積物中重金屬的不同前處理方法對比研究[J/OL].化學(xué)試劑,1-7[2024-12-02].https://doi.org/10.13822/j.cnki.hxsj.2024.0388.