磷酸二氢钾浸提-原子荧光光...法测定土壤中有效硒样品处理_何沙白.pdf

第 32 卷，第3 期2023 年3 月化学分析计量CHEMICAL ANALYSIS AND METERAGEVol.32,No.3Mar.2023磷酸二氢钾浸提-原子荧光光谱法测定土壤中有效硒样品处理何沙白，赵娜娜，杨秋慧，施娅颖，杜天军（河南省地质研究院，郑州450000）摘要对标准方法NY/T 34202019测定土壤中有效硒含量的样品处理方法进行优化。用电热板消解取代微波消解，以三氯化铁取代铁氰化钾，提高盐酸质量分数至20%，对KH2PO4浸提-原子荧光光谱法测定土壤中有效硒的样品处理方法进行优化。用硝酸-高氯酸混合酸将浸提液中的硒溶出后，在硫酸存在条件下加热挥发完全，可避免样品溶液中高氯酸钾结晶生成。硫酸因工艺原因含有硒，加入溴化钠加热至无色，重复处理多次可将绝大部分硒去除。经过试验确定硫酸最终质量分数为4%，此条件下硒的加标回收率为96.6%105.9%。该方法和标准方法NY/T 34202019的测定结果经F检验和t检验验证，不具有显著性差异。该方法简化前处理流程，测定结果满足标准质控要求，适合大批量土壤样品测定。关键词土壤；有效硒；原子荧光光谱法；磷酸二氢钾浸提；硫酸去硒处理中图分类号：O657.3 文献标识码：A 文章编号：1008-6145(2023)03-0061-05Sample preparation for the determination of available selenium in soil by potassium dihydrogen phosphate extraction and atomic fluorescence spectrometryHE Shabai,ZHAO Nana,YANG Qiuhui,SHI Yaying,DU Tianjun(Henan Academy of Geology,Zhengzhou450000,China)Abstract The sample processing method for determining the content of available selenium in soil by the standard method NY/T 34202019 was optimized.A new method applying KH2PO4 extraction and atomic fluorescence spectrometry was designed and tested to improve and optimize the pretreatment method to detect the available selenium in soil,by:1)replacing microwave digestion with electric heating plate digestion;2)replacing potassium ferricyanide with ferric chloride;3)increasing the mass fraction of hydrochloric acid concentration to 20%.After the selenium in the extract was dissolved with mixed acid of nitric acid and perchloric acid,it was heated to evaporate completely in the presence of sulfuric acid,which could avoid the formation of potassium perchlorate crystallization in the sample solution.Due to process reasons sulfuric acid contained selenium,sodium bromide was added in the sulfuric acid,and the solution was heat to colorless,most of the containing selenium could be removed after repeating this procedure.The final mass fraction of sulfuric acid was confirmed to be 4%,in that condition the recovery of selenium was 96.6%-105.9%.The test results of this method and standard method NY/T 34202019 were verified by F test and t test,and there was no significant difference.The new method can shorten the pretreatment process,the determination results meet the requirements of standard quality control,therefore is suitable for operation in large soil quantities.Keywords soil;available selenium;atomic fluorescence spectrometry;potassium dihydrogen phosphate extraction;remove selenium in sulfuric acid硒是生命活动所需的重要元素，参与合成多种含硒酶和含硒蛋白，对人体健康起到重要作用1。膳食是人体补充硒的重要途径，其中主食、蔬菜等植物中的含硒量直接受到土壤中含硒量的影响。作物doi:10.3969/j.issn.1008-6145.2023.03.013通信作者杜天军，硕士，高级工程师，主要从事岩石矿物光谱和质谱分析工作收稿日期20230208引用格式何沙白，赵娜娜，杨秋慧，等.磷酸二氢钾浸提-原子荧光光谱法测定土壤中有效硒样品处理 J.化学分析计量，2023，32（3）：61.HE Shabai,ZHAO Nana,YANG Qiuhui,et al.Sample preparation for the determination of available selenium in soil by potassium dihydrogen phosphate extraction and atomic fluorescence spectrometryJ.Chemical Analysis and Meterage,2023,32(3):61.61化学分析计量2023 年，第 32卷，第 3 期对硒的吸收能力与土壤中硒的形态有关，能被作物直接吸收利用的硒称为有效态硒23，包括水溶态和可交换态硒酸根离子、亚硒酸根离子及有机硒小分子物质，比总硒更适合用来衡量土壤的供硒能力4。磷酸二氢钾溶液作为钾盐浸提液，能提取硒酸根、亚硒酸根5，且属于酸性溶液，还可以提取部分无定型硒和有机硒6，是一种高效的浸提液。原子荧光光度计经我国科研工作者数十年研究，已经成为一种技术成熟的分析仪器，具有价格低、灵敏度高、稳定性强的特点，且对样品介质的酸度、盐分等要求并不严格，被广泛应用于各类样品中砷、锑、铋、汞、硒、锗等的测定，是目前测定硒的主要仪器之一712。目前测定有效硒唯一的现行标准是NY/T 34202019 土壤有效硒的测定氢化物发生原子荧光光谱法，流程为土壤样品中加入与其pH值相应的磷酸二氢钾浸提液，经振荡、离心，取上清液微波消解、电热板消解后上机测定。笔者在操作过程中发现此法略有不便：一是微波消解系统价格较高，单次消解的样品数量有限，样品消解后需搭配赶酸仪加热，若转移至烧杯中则需增大体积，延长加热时间；二是电热板消解过程中需要人员频繁照看，以防蒸干造成硒挥发损失；三是样品溶液中的铁氰化钾易染色器皿和仪器管路，难以清洗；四是微波消解罐体极易受到污染，若无条件专用，易对测定结果造成巨大影响等。笔者通过试验总结出一种较为简便的样品处理方法，用三氯化铁代替铁氰化钾，以加入硝酸、高氯酸、经溴化钠处理的硫酸混合酸放置电热板消解代替微波消解和电热板消解两步，并通过加标回收、样品复测等方法进行可行性检验，从而提供一种更为简便快捷的样品处理方法。1实验部分1.1主要仪器与试剂原子荧光光度计：AFS-9800型，北京海光仪器有限公司。低速离心机：DL-5-B 型，北京安停科学仪器厂。水浴恒温振荡器：SHA-CA型，上海左乐仪器有限公司。电子分析天平：AL-104型，梅特勒托利多仪器(上海)有限公司。硒标准溶液：1 000 g/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心。水系滤膜：孔径为0.45 m。无菌注射器：10 mL。磷酸二氢钾、盐酸、硝酸、高氯酸、三氯化铁、硫酸、溴化钠、氢氧化钠、硼氢化钾：优级纯，天津市科密欧化学试剂有限公司。硼氢化钾溶液：20 g/L，称取5.0 g氢氧化钾，溶于900 mL水中，再加入20.0 g硼氢化钾，溶解后定容至1 000 mL。1.2原子荧光光度计工作条件负高压：300 V；灯电流(总电流)：80 mA；炉高：8 mm；载气流量：300 mL/min；屏蔽气流量：300 mL/min；读数方式：峰面积；延迟时间：2 s；读数时间：11 s；载流：5%(体积分数，下同)的盐酸溶液。1.3实验步骤1.3.1浸取液配制准确称取13.60 g磷酸二氢钾，溶于950 mL水中，用盐酸溶液(1+1)和30 g/L氢氧化钾溶液调节酸度，离子计测量其 pH 值，待调节完成用水定容至1 000 mL。配制6份浸取液，将pH值分别调至4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0。1.3.2硫酸去硒处理取800 mL硫酸置于1 L玻璃烧杯中，加入约2 g溴化钠，用玻璃棒搅动融化完全，置于电炉上约300 加热至冒烟，中间搅动数次，待硫酸变为无色，小心取下，冷却。重复上述过程9次，将处理后硫酸移入玻璃瓶中备用。1.3.3样品处理取pH已知土壤样品，粉碎至粒度为0.25 mm，精密称取1 g(精确至0.1 mg)置于25 mL离心管中，加入与其pH值相对应的0.10 mol/L磷酸二氢钾溶液10.0 mL，盖上塞子，放入提前预热好的恒温水浴振荡器，于30 振荡80 min，立即取出，放入离心机中，以4 000 r/min转速离心10 min，用注射器吸取上清液，过0.45 m水系滤膜，移取5.0 mL滤液至80 mL玻璃小烧杯中，加入硝酸-高氯酸混合酸(体积比为8 2)10 mL及质量分数为40%的去硒硫酸溶液5 mL，放置电热板上，于 160 加热 2 h，再升温至210 至高氯酸烟冒尽，取下冷却，加入盐酸溶液(1+1)20 mL，放置电热板上继续加热10 min，取下冷却，转移至50 mL容量瓶中，加入50 mg/mL三氯化铁溶液1 mL，用水定容，待测。62何沙白，等：磷酸二氢钾浸提-原子荧光光谱法测定土壤中有效硒样品处理1.3.4硒标准工作溶液配制将1 000 g/mL硒标准溶液经两次稀释，配制成100 ng/mL的硒标准中间液，分别移取一定量硒标准中间液配制为0、0.2、0.4、1、2、3、5 ng/mL的硒系列标准工作溶液，介质为体积分数20%的盐酸溶液及1 mg/mL三氯化铁溶液。1.4实验方法用原子荧光光度计进行测定，以5%盐酸为载流，硼氢化钾溶液为还原剂，将硒的标准工作溶液按照从低到高的顺序测定，拟合标准曲线，然后分别测试空白溶液和试样溶液中的有效硒的荧光强度，根据标准系列的荧光强度计算出土壤溶液中有效硒的含量。2结果与讨论2.1测试方法的选择针对土壤、水系沉积物、地表水、地下水、生活污水和工业废水等不同形态样品中总硒的测定，不同行业标准1315给出了相似的样品处理方案，即硝酸和高氯酸加热消解处理。硝酸-高氯酸混合酸体系具有强氧化性，能够分解各类试样，溶出各种形态的硒。浸提液中不含难溶晶体结构，同样能被充分消解，但高浓度钾离子在水溶液中会与高氯酸根迅速结晶，形成难容的高氯酸钾，可能包裹待测元素，从而影响测定结果。质量分数70%72%的高氯酸沸点为203，浓硫酸沸点为337，在硫酸存在条件下高温充分加热，即可去除高氯酸，避免结晶现象发生。待高氯酸烟冒尽，烧杯中仅剩余硫酸溶液，硒全部溶于该溶液中。按照化工行业标准HG/T 52302017 硫酸中硒的测定方法 测定硫酸中总硒含量，即为土壤中有效硒含量。2.2硫酸的去硒处理工业上制取硫酸的原料有硫磺、硫铁矿、有色金属冶炼烟气等16，原料中常伴生少量硒，焙烧时以二氧化硒的形式存在。未除尽的二氧化硒极易溶于水和硫酸生成亚硒酸，另外成品硫酸在运输过程中硒会在酸库、大罐沉淀富集17，因此硫酸中的硒含量虽不高，但在微量分析中难以忽略，必须将其去除。在硫酸中加入溴化钠，搅动至溶解，再置于电炉上加热冒烟至无色，可部分去除其中的硒。其反应原理：常温条件下溴化钠溶解于硫酸中部分生成溴化氢，亚硒酸与溴化氢反应生成溴化硒；高温条件下溴化硒部分挥发，部分分解出硒单质再次生成亚硒酸。由于每一步的有效反应浓度有限，需要多次处理才能使硫酸中杂质硒的浓度达到小于检出限或未检出级别。2.3处理后硫酸中硒的测定硒作为影响硫酸品控的杂质元素之一，化工行业对其测定已有不少研究1819。按照标准方法，移取1 mL硫酸，沿烧杯壁摇动加入5 mL浓盐酸，电热板上加热至约2 mL，取下冷却，补加5 mL浓盐酸，移入50 mL容量瓶中用水定容，测定其中总硒含量。处理后硫酸中硒的测定结果见表1(n=5)。处理9次后，硫酸中的硒含量为0.60 ng/mL，仅为未处理硫酸的 1.1%，使样品空白增加 0.002 4 mg/kg，远小于标准规定定量限的0.006 mg/kg，对测量结果的影响已大大降低。2.4样品中干扰元素的屏蔽铁氰化钾是一种良好的掩蔽剂，在原子荧光光谱法测定复杂样品中的硒、锑等元素时，高氧化电位的Fe3+能够与硼氢化钾优先结合，减缓其与多种金属元素形成氢化物，主要屏蔽铜、镍、钴等干扰2021。但铁氰化钾优级纯成本高，且放置些许时间后会在器皿和原子荧光光度计管路中留下难以清洗的蓝色，因此需要寻找替代掩蔽剂。原子荧光测定硒的干扰大多来自于样品中铜的正干扰和铅的负干扰，通过增加基体酸度和Cl-浓度，即可抑制干扰元素生成氢化物，有效降低其干扰性22。因此采用提高盐酸酸度、以三氯化铁替代铁氰化钾的方法，既保留了三价铁离子，又能增加酸度和Cl-浓度，有效屏蔽铜、铅干扰。参考铜、铅矿石中硒的测定标准中的条件23，笔者将样品介质中盐酸的体积浓度设定为20%，三氯化铁质量浓度设定为1 mg/mL。2.5样品介质中硫酸浓度的确定经电热板处理后，样品中的硒以六价状态存在于浓硫酸中。为确保高氯酸烟充分冒尽，样品需高表1硫酸处理后的总硒质量浓度ng/mL处理次数01234硒质量浓度53.444.534.823.213.6处理次数56789硒质量浓度7.504.722.561.860.6063化学分析计量2023 年，第 32卷，第 3 期温持续放置一段时间，同时要保证杯底一直有硫酸覆盖，避免局部蒸干造成硒挥发损失，所以硫酸初始加入量不能过少；但高浓度硫酸因其强氧化性会影响盐酸的还原效果，过量则会造成测定结果偏低。行业标准方法中规定定容体积为50 mL、盐酸体积分数为10%条件下，硫酸取样质量上限为2 g，最终体积分数约2.2%。笔者采用体积分数为20%盐酸，溶液的还原性增强，硫酸浓度上限理论上会有所提高，但提高的幅度还需试验证实。移取一定量体积的处理后硫酸(其中硒的质量浓度为0.60 ng/mL)，加标处理成不同浓度的溶液进行标准回收试验，计算回收率，结果列于表2。结果表明，在体积分数为20%的盐酸条件下，体积分数高达10%的硫酸依然不会对测量结果产生显著影响，但硫酸加入量为1.0 mL，即硫酸体积分数为2%时，如果未能及时取下，则烧杯底部不能保证完全被硫酸覆盖，硒有挥发损失风险；而加入量过多，则会引入较多硫酸中的硒，影响低含量试样的测定。综合考虑，采用体积分数为4%的硫酸溶液，硒加标回收率为96.6%105.9%。2.6比对试验结果有效硒尚无标准物质，无法用标准物质法验证本法准确性；标准溶液为酸性，会改变浸提液的pH值，影响浸提效果，也不宜用加标回收方法验证；因此利用标准方法和本方法进行方法比对。取已知pH值的9份土壤样品，分别采用标准方法和本方法独立检测7次，并用F检验和t检验进行验证，结果见表3、表4。因样品粒度较大，1 g样品量较一般化学分析多，但并不足以抵消其不均匀性，有效态结果数据的波动较一般定量常规分析大，质控要求也较为宽松。表2不同浓度硫酸加标回收试验结果样品编号12345678910硫酸体积分数/%1.001.002.002.004.004.007.007.0010.010.0硒质量浓度/（ngmL-1）加标量2.004.002.004.002.004.001.604.001.604.00测定值1.9844.0751.9493.9771.9334.0251.5473.8681.6954.101回收率/%98.6101.997.499.496.6100.696.896.7105.9102.5表3比对试验土壤中有效硒质量分数测定结果mg/kg分析方法NY/T 34202019方法本法样品编号123456789123456789有效硒质量分数测定值0.023，0.022，0.022，0.019，0.021，0.020，0.0200.020，0.015，0.018，0.018，0.016，0.017，0.0180.030，0.028，0.029，0.031，0.032，0.028，0.0340.033，0.032，0.030，0.027，0.029，0.029，0.0310.060，0.066，0.065，0.065，0.069，0.061，0.0680.013，0.013，0.014，0.015，0.015，0.014，0.0130.024，0.023，0.020，0.021，0.022，0.024，0.0230.049，0.053，0.055，0.057，0.055，0.053，0.0540.022，0.023，0.021，0.019，0.021，0.020，0.0190.018，0.022，0.021，0.021，0.019，0.022，0.0200.016，0.018，0.020，0.022，0.020，0.017，0.0180.033，0.033，0.029，0.032，0.035，0.034，0.0310.031，0.031，0.028，0.029，0.033，0.032，0.0300.064，0.062，0.058，0.063，0.062，0.060，0.0590.013，0.012，0.013，0.012，0.013，0.014，0.0140.025，0.024，0.022，0.022，0.021，0.025，0.0230.058，0.059，0.061，0.056，0.052，0.056，0.0570.020，0.023，0.023，0.021，0.024，0.023，0.019平均值0.0210.0170.0300.0300.0650.0140.0220.0540.0210.0200.0190.0320.0310.0610.0130.0230.0570.022标准偏差0.0010.0020.0020.0020.0030.0010.0020.0020.0010.0020.0020.0020.0020.0020.0010.0020.0030.002表4比对试验统计结果样品编号123456789F1.1431.6181.2411.4032.3171.2141.0831.2821.553t0.7301.2991.9050.4262.4601.8670.8662.3041.26564何沙白，等：磷酸二氢钾浸提-原子荧光光谱法测定土壤中有效硒样品处理根据标准要求，当硒质量分数低于 0.1 mg/kg时，在重复性条件下获得的2次独立测定结果的绝对差值不得超算术平均值的20%，比对试验结果表明标准方法与试验方法数据均符合要求。采用双侧检验，两组测量数据服从正态分布，在样品数量较少的情况下，可用F检验先检测其分散性，后用t检验检测其差异性。查表得限值F0.05，(6，6)=4.284，t0.05，(6)=2.447，试验数据所得F值均小于限值，t值绝大部分小于限值，可认为两种方法结果不具有显著性差异，方法的准确度与精密度均在可接受范围。3结论世界范围大多数土壤中的硒含量为 0.12.0 mg/kg，平均为0.2 mg/kg24，有效态硒一般在10%左右，即0.02 mg/kg，含量水平低，样品处理过程中应注意避免引入干扰和损失。微波消解罐易受污染，且先消解再加热至小体积的流程费时费力，用玻璃小烧杯放置电热板加热消解可避免污染，简化流程。硫酸经溴化钠加热处理，其中硒含量可降低至远低于定量限，将处理后的硫酸用于有效硒的前处理，既可赶尽高氯酸避免生成高氯酸钾沉淀，又可避免溶液蒸干后硒受热挥发损失；高氯酸烟与硫酸烟区别明显，消解完后可及时取下，省去了操作人员频繁挨个检查的过程。该方法采用更简便快速的方法溶解土壤中有效硒，经检验数据准确有效，适合用于大批量土壤样品中有效硒的测定。参 考 文 献1 李浩男，谢晓宇，王立平.硒营养与人体健康 J.食品工业，2022，43（3）：325.2 胡婷.张家界市富硒植物中硒形态分布及种植规划研究 D.吉首：吉首大学，2015.3 吴长龙，周晨霓，王彤.土壤硒有效性影响因素研究进展 J.山东林业科技，2022（1）：96.4 BUJDOS M，MULOVA A，KUBOVA J，et al.Selenium fractionation and speciation in rocks，soils，waters and plants in polluted surface mine environmentJ.Environmental Geology，2005，47：353.5 宋晓珂，王金贵，李宗仁，等.富硒土壤中有效硒浸提剂和浸提条件研究 J.中国农学通报，2018，34（3）：152.6 王力君，陈秀娜，王燕.KH2PO4浸提-原子荧光法测定青海富硒土壤中的有效硒 J.化学工程师，2021（7）：22.7 袁姗姗，苏红丽，朱涵静，等.原子荧光光谱技术的发展历程及研究进展 J.河南化工，2021，38（9）：7.8 冯先进，章连香.原子荧光光谱技术在我国发展及标准化应用现状 J.中国无机分析化学，2022，12（2）：16.9 李杰，刘久臣，汤奇峰，等.川西高原地区水体中硒含量及分布特征研究 J.岩矿测试，2018，37（2）：183.10 钱薇，唐昊冶，王如海，等.一次消解土壤样品测定汞、砷和硒J.分析化学，2017，45（8）：1 215.11 王丹君.原子荧光光谱法测定土壤中的硒 J.理化检验（化学分册），2014，50（7）：914.12 莫永涛，王琦，谢意南，等.水浴消解-原子荧光法同时测定沉积物中锑与硒 J.广东化工，2015，42（7）：167.13 中华人民共和国国土资源部.区域地球化学样品分析方法第14 部分：硒量测定氢化物发生-原子荧光光谱法：DZ/T0279.142016 S.北京：地质出版社，2016.14 中华人民共和国农业部.土壤中全硒的测定：NY/T 11042006S.北京：中国农业出版社，2006.15 环境保护部.水质汞、砷、硒、铋和锑的测定原子荧光法：HJ 6942014 S.北京：中国环境科学出版社，2014.16 黄碧怀.硫酸生产工艺分析 J.生物化工，2018，4（4）：152.17 裴明杰.影响工业硫酸色度的原因分析及处理 J.化工生产与技术，2008，15（1）：53.18 夏攀登，王萌，连露，等.氢化物发生-原子荧光光度法测定硫酸中的微量硒 J.精细石油化工，2021，38（2）：73.19 奚红杰，王洪刚，赵红艳.氢化物发生-原子荧光光谱法测定硫酸中的硒量 J.有色矿冶，2012，28（6）：59.20 刘桂芳.铁氰化钾在原子荧光光谱法测定硒时的作用分析 J.医学动物防制，2016，32（9）：1 062.21 肖胜蓝，谭湘武，黄昒昕.8种掩蔽剂在原子荧光光谱法测定锑中消除干扰的比较 J.河南预防医学杂志，2020，31（2）：93.22 赵宗生，赵小学，姜晓旭，等.原子荧光光谱测定土壤和水系沉积物中硒的干扰来源及消除方法 J.岩矿测试，2019，38（3）：333.23 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.铜矿石、铅矿石和锌矿石化学分析方法第15部分硒量测定：GB/T 14353.152014 S.北京：中国标准出版社，2014.24 陈娥，陈永波，李卫东，等.土壤有效硒测定方法的研究 J.湖北农业科学，2018，57（21）：22.65