引言
隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，土壤環(huán)境問題越來越受到重視，土壤重金屬污染，特別是工業(yè)區(qū)土壤金屬污染，已逐漸成為環(huán)境學(xué)界研究的熱點(diǎn)。土壤污染中重金屬主要指汞、鎘、鉛、鉻以及各類金屬砷等有生物毒性顯著的重金屬，也指具有一定毒性的一般重金屬如鋅、銅、鈷、鎳、錫等，目前引起人們關(guān)注的重金屬是汞、鎘、鉛等。重金屬對土壤的污染是短期不可逆過程，在土壤-植物系統(tǒng)中，重金屬污染通過食物鏈進(jìn)入農(nóng)產(chǎn)品，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，危害人類健康，因此對土壤重金屬污染監(jiān)測是非常必要的。
根據(jù)國土資源部新的調(diào)查數(shù)據(jù)，全國耕種土地面積的10%以上已受重金屬污染，約有1.5億畝，污水灌溉污染耕地3250萬畝，固體廢棄物堆存占地和毀田200萬畝，其中多數(shù)集中在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)。中國環(huán)境與發(fā)展合作委員會公布，環(huán)保部在對我國30萬公頃基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)土壤有害重金屬抽樣監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，有3.6萬公頃土壤重金屬超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)12.1%。
近年來，重金屬污染事故頻發(fā)，如陜西鳳翔兒童血鉛超標(biāo)、山東臨沂砷污染事件、湖南瀏陽鎘污染事件、紫金礦業(yè)污染事件、廣西龍江鎘污染事件等。這些重金屬污染事件不但給社會帶來了重大的經(jīng)濟(jì)損失也威脅著人們的健康生活，也引起國家相關(guān)環(huán)保部門的高度重視，同時把重金屬污染，深化重金屬監(jiān)測工作擺在了更加緊迫、更加重要的位置上。目前，由環(huán)保部牽頭制定的《全國土壤環(huán)境保護(hù)“十二五”規(guī)劃》已進(jìn)入國務(wù)院審批程序，該規(guī)劃預(yù)計將帶動產(chǎn)業(yè)總投資達(dá)數(shù)千億元。
與此同時，2015年12月14日環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了土壤和沉積物環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 780 -2015——《土壤和沉積物
無機(jī)元素的測量波長色散X射線熒光光譜法》。此標(biāo)準(zhǔn)2016年2月1日執(zhí)行。此標(biāo)準(zhǔn)對25種無機(jī)元素和7中氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍提出了要求。針對這一標(biāo)準(zhǔn)，本公司推出一款EDX
3200S
PLUS熒光光譜儀，能夠快速、準(zhǔn)確地分析土壤中金屬元素，K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Y、Ba、Sr、Br、Th、Pb、As和Zr元素的檢出限和定量限完全滿足HJ
780-2015環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求。
X射線熒光光譜法測試原理：
X射線熒光光譜法是一種現(xiàn)代儀器分析方法，通過X射線管產(chǎn)生入射X射線（一次X射線），激發(fā)被測樣品；受激發(fā)的樣品中的每一種元素會發(fā)出特征X射線（二次X射線）——這種特征X射線具有特定的能量和波長特性（莫塞萊定律），這些放射出來的二次X射線的能量及數(shù)量被探測系統(tǒng)測量，通過配套軟件將這些射線信號轉(zhuǎn)化為樣品中各種組分元素的具體含量。
1 儀器測試方法
圖1 X射線熒光分析流程圖
1.1 設(shè)備及試劑
設(shè)備：X射線熒光光譜儀一臺 EDX3200S
PLUS；電子天平一臺（精度0.01g）；自動壓片機(jī)一臺（壓力不小于40T）；鼓風(fēng)干燥箱一臺；振動磨一臺；非金屬樣品篩（200目）
試劑：
硼酸粉末（分析純）；土壤國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；土壤樣品
1.2 樣品的采集、保存和前處理
土壤樣品的采集和保持按照HJ/T166執(zhí)行，樣品的風(fēng)干或烘干按照HJ/T166相關(guān)規(guī)定進(jìn)行操作，樣品研磨后過200目篩，于105℃烘干備用。
用電子天平稱量5.00g過篩（200目）的土壤標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或樣品和12.00g硼酸粉末（鑲邊材質(zhì)），稱量誤差±0.05g。然后放入壓片機(jī)中壓片成型，壓力30T（壓力范圍20～30T）,保壓時間30s。
1.3 工作曲線的建立和樣品分析
設(shè)定適當(dāng)?shù)臏y量條件，使用EDX3200S
PLUS掃描國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（簡稱標(biāo)樣）GSS-1～GSS-15，建立土壤標(biāo)樣中關(guān)注元素含量與強(qiáng)度的線性工作曲線。然后，對未知樣品進(jìn)行測量。
2. 測量及數(shù)據(jù)分析
2.1 土壤中關(guān)注的金屬元素及氧化物檢出限測量
EDX 3200S PLUS
配有三組濾光片，根據(jù)土壤中關(guān)注元素的特性，設(shè)置佳測試條件。用國家土壤標(biāo)樣GSS-1-GSS-15標(biāo)定儀器，建立環(huán)境土壤工作曲線。在環(huán)境土壤工作曲線下，使用高純SiO2
做空白基體，連續(xù)測試11次，根據(jù)檢出限公式： 3倍的空白基體的標(biāo)準(zhǔn)偏差除以儀器的靈敏度
獲得EDX 3200S
PLUS測量土壤樣品的方法檢出限，如下表所示
表1 土壤樣品中金屬元素及氧化物的檢出限
|
序號
|
元素/化合物
|
國標(biāo)要求 檢出限
|
儀器檢出限
|
判定
|
|
1
|
K2O
|
1500.0
|
72.2
|
滿足
|
|
2
|
CaO
|
2700.0
|
39.3
|
滿足
|
|
3
|
Ti
|
150.0
|
6.7
|
滿足
|
|
4
|
V
|
12.0
|
1.1
|
滿足
|
|
5
|
Cr
|
9.0
|
3.6
|
滿足
|
|
6
|
Mn
|
30.0
|
2.2
|
滿足
|
|
7
|
Fe2O3
|
1500
|
6.6
|
滿足
|
|
8
|
Co
|
4.8
|
0.13
|
滿足
|
|
9
|
Ni
|
4.5
|
1.2
|
滿足
|
|
10
|
Cu
|
3.6
|
2.4
|
滿足
|
|
11
|
Zn
|
6.0
|
3.26
|
滿足
|
|
12
|
Ga
|
6.0
|
1.76
|
滿足
|
|
13
|
As
|
6.0
|
6.0
|
滿足
|
|
14
|
Br
|
3.0
|
1.3
|
滿足
|
|
15
|
Rb
|
6.0
|
1.0
|
滿足
|
|
16
|
Sr
|
6.0
|
1.3
|
滿足
|
|
17
|
Y
|
3.0
|
1.2
|
滿足
|
|
18
|
Zr
|
6.0
|
1.8
|
滿足
|
|
19
|
Pb
|
6.0
|
6.0
|
滿足
|
|
20
|
Th
|
6.3
|
2.4
|
滿足
|
|
21
|
Ba
|
35.1
|
13.5
|
滿足
|
注：
1、Co受Fe元素Kb嚴(yán)重干擾，通過公式得出極低檢出限是有一定的偏差。
2、由于這個型號儀器沒有抽真空（或充氦氣），所以沒有做輕元素如Na2O、MgO、Al2O3和SiO2等。而La、Ce、Hf受散射本底影響無法得到有效譜，P、S、Cl在國家土壤標(biāo)樣中都是高含量，沒有合適的低含量標(biāo)樣，主要的原因是受本底影響很大，譜圖不規(guī)則，均沒有考慮。
3. 滿足國標(biāo)的元素有K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Y、Ba、Sr、Br、As、Pb、Th和Zr。
EDX 3200S PLUS系列儀器介紹
圖2 EDX 3200S PLUS 熒光光譜儀
EDX 3200S PLUS
屬于江蘇天瑞儀器股份有限公司自主研發(fā)的產(chǎn)品，設(shè)備采用了能量色散X射線熒光光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)土壤中微量金屬有害元素的快速檢測，設(shè)備采用了先進(jìn)的探測器和激發(fā)源等硬件配置。
本產(chǎn)品除了測量土壤和水系沉積物外，還可以用于稻米、小麥、谷物、煙草等作物中的重元素鎘（Cd）、鉛（Pb）、砷（As）和硒（Se）的快速無損檢測。
性能參數(shù)
產(chǎn)品型號：EDX 3200S
PLUS
產(chǎn)品名稱：X熒光光譜儀
測量元素范圍：從鈉（S）到鈾（U）
元素含量分析范圍：
ppm—99.99%（不同元素，分析范圍不同）
同時分析元素：一次性可測幾十種元素
測量時間：60秒-300秒
探測器能量分辨率為：低可達(dá)125eV
管壓：5KV-70KV
管流：50μA-1000μA
測量對象狀態(tài)：粉末、固體、液體
輸入電壓：AC
110V/220V
環(huán)境溫度：15℃-30℃
環(huán)境濕度：35%-70%
外形尺寸：380mm×360mm×418mm
性能特點(diǎn)
超薄窗X光管，指標(biāo)達(dá)到先進(jìn)水平
新的數(shù)字多道技術(shù)，讓測試更快，計數(shù)率達(dá)到100000cps，精度更高。
FastSDD硅漂移探測器，良好的能量線性、能量分辨率和能譜特性，較高的峰背
自動穩(wěn)譜裝置保證了儀器工作的一致性
高信噪比的電子線路單元
針對不同元素自動切換濾光片，免去手工操作帶來的繁瑣
解譜技術(shù)使譜峰分解，使被測元素的測試結(jié)果具有相等的分析精度
多參數(shù)線性回歸方法，使元素間的吸收、應(yīng)得到明顯
儀器具備輻射安全許可證，且對設(shè)備進(jìn)行三重X射線屏蔽設(shè)計，保證了環(huán)境下無輻射泄漏，讓測試人員安全放心的使用
硬件聯(lián)動裝置，權(quán)限安全鎖，保證軟件失效的情況下還能對設(shè)備進(jìn)行控制，保證設(shè)備在使用中的安全無放射
標(biāo)準(zhǔn)配置
超薄窗X光管
Fast
SDD硅漂移探測器
數(shù)字多道技術(shù)
光路增強(qiáng)系統(tǒng)
高信噪比電子線路單元
自動切換濾光片
自動穩(wěn)譜裝置
三重安全保護(hù)模式
相互獨(dú)立的基體效應(yīng)校正模型
多變量非線性回歸程序
應(yīng)用案例
圖3 土壤樣品的熒光譜圖
土壤樣品的測試結(jié)果：
|
樣品名稱
|
K2O
|
CaO
|
Ti
|
V
|
Cr
|
Mn
|
Fe2O3
|
Co
|
Ni
|
Cu
|
|
土壤樣品
|
3.34
|
1.33
|
3976
|
35.8
|
32.1
|
276
|
2.16
|
12.4
|
8.6
|
6.4
|
|
樣品名稱
|
Zn
|
Ga
|
As
|
Rb
|
Sr
|
Y
|
Zr
|
Pb
|
Th
|
Ba
|
|
土壤樣品
|
41.3
|
24.3
|
12.5
|
101
|
286
|
17.6
|
296
|
12.2
|
12.1
|
685
|
注：氧化物的單位為 %，元素的單位為mg/kg。
附件：儀器的安裝和運(yùn)營環(huán)境
一、實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計：
按照樣品測試、樣品前處理的特點(diǎn)設(shè)立各個分室，應(yīng)建立樣品測試室與樣品前處理室?？茖W(xué)地布置和安放儀器設(shè)備，布置電力線路，合理的采光、自然通風(fēng)和照明。
布置示意圖：樣品測試室如下，具體要求見下方儀器安裝儀器條件。
二、工作環(huán)境要求
2.1 環(huán)境溫度：10℃-35℃
2.2 相對濕度：小于70%
2.3 電源：AC 220V（如電網(wǎng)波動 ≥
10%，則需配專用交流穩(wěn)壓器(1kw以上）。
2.4 房間：無腐蝕性氣體，無機(jī)械振動，無電磁場干擾。
附件:
國家土壤、水系沉積物環(huán)境新標(biāo)準(zhǔn)要求（HJ780-2015）
表2 測定元素分析方法檢出限和測定下限
|
序號
|
元素/化合物
|
檢出限
|
測定下限
|
序號
|
元素/化合物
|
檢出限
|
測定下限
|
|
1
|
砷（As）
|
2.0
|
6.0
|
17
|
硫（S）
|
30.0
|
90.0
|
|
2
|
鋇（Ba）
|
11.7
|
35.1
|
18
|
鈧（Sc）
|
2.4
|
6.6
|
|
3
|
溴（Br）
|
1.0
|
3.0
|
19
|
鍶（Sr）
|
2.0
|
6.0
|
|
4
|
鈰（Ce）
|
24.1
|
72.3
|
20
|
釷（Th）
|
2.1
|
6.3
|
|
5
|
氯（Cl）
|
20.0
|
60.0
|
21
|
鈦（Ti）
|
50.0
|
150.0
|
|
6
|
鈷（Co）
|
1.6
|
4.8
|
22
|
釩（V）
|
4.0
|
12.0
|
|
7
|
鉻（Cr）
|
3.0
|
9.0
|
23
|
釔（Y）
|
1.0
|
3.0
|
|
8
|
銅（Cu）
|
1.2
|
3.6
|
24
|
鋅（Zn）
|
2.0
|
6.0
|
|
9
|
鎵（Ga）
|
2.0
|
6.0
|
25
|
鋯（Zr）
|
2.0
|
6.0
|
|
10
|
鉿（Hf）
|
1.7
|
5.1
|
26
|
二氧化硅（SiO2）
|
0.27
|
0.81
|
|
11
|
鑭（La）
|
10.6
|
31.8
|
27
|
三氧化鋁（Al2O3）
|
0.07
|
0.18
|
|
12
|
錳（Mn）
|
10.0
|
30.0
|
28
|
三氧化二鐵（Fe2O3）
|
0.05
|
0.15
|
|
13
|
鎳（Ni）
|
1.5
|
4.5
|
29
|
氧化鉀（K2O）
|
0.05
|
0.15
|
|
14
|
磷（P）
|
10.0
|
30.0
|
30
|
氧化鈉（Na2O）
|
0.05
|
0.15
|
|
15
|
鉛（Pb）
|
2.0
|
6.0
|
31
|
氧化鈣（CaO）
|
0.09
|
0.27
|
|
16
|
銣（Rb）
|
2.0
|
6.0
|
32
|
氧化鎂（MgO）
|
0.05
|
0.15
|
注:
元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)單位為mg/kg；氧化物單位為%。標(biāo)記紅色的21種元素和氧化物，其EDX儀器方法檢出限和定量限完全滿足HJ780-2015環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)檢測要求。
