基于EDXRF的土壤中痕量镉的快速检测方法研究
陈吉文1,2, 倪子月1, 程大伟2, 刘明博2, 廖学亮2, 杨博赞2, 岳元博2, 韩冰2, 李小佳1,2
1. 钢铁研究总院, 北京 100081
2. 钢研纳克检测技术股份有限公司, 北京 100094

作者简介: 陈吉文, 1971年生, 钢铁研究总院教授级高工 e-mail: chenjiwen@ncschina.com

摘要

对于土壤中重金属元素的检测, 传统的化学分析方法测试周期长, 前处理复杂, 使用的强酸还会对环境造成二次污染, 能量色散X射线荧光光谱法具有无损、 快速、 前处理简单、 仪器轻便等优点, 特别适合现场快速检测, 但用该方法对镉元素进行检测时, 通常用到的K系特征线能量较大, 普通能谱的检出限较高。 基于能量色散X射线荧光光谱技术, 研究了土壤中痕量重金属镉的快速检测方法, 通过选择合适的仪器部件, 搭建仪器测试系统, 综合考虑待测元素的谱峰强度和相对强度, 对仪器结构和测试条件进行优化。 研究表明, 峰强度随着管电流的升高基本上是线性增加的, 而相对强度则没有明显的变化, 对于镉的测试, 在光管条件允许的情况下选择尽可能大的管电流进行测试, 之后, 综合考虑镉的峰强度和相对强度随滤光片厚度以及管电压的变化情况, 使用理论标准偏差确定测试最优条件为: 管电压为55 kV, 管电流为48 μA, 滤光片为1.25 mm钼片; 测试时间会影响测试结果的相对标准偏差, 在测试时间小于500 s时, 峰强度的相对标准偏差随着测试时间的增加是降低的, 在测试时间大于500 s时, 峰强度的相对标准偏不再有明显的变化趋势, 由于测试结果的相对标准偏差越小, 测试结果的短期精密度越好, 仪器的重现性就越好, 因此测试时间最终选择为500 s; 样品测试条件也会对测试结果产生影响: 随着测试薄膜厚度的增加, 镉的峰强度和相对强度均是降低的, 根据实验结果, 最终选择厚度为12.5 μm的聚酯膜进行测试; 镉的峰强度和相对强度随着样品质量的增加而增加, 在样品质量大于3 g时, 镉的峰强度随样品质量的增加变化比较缓慢, 相对强度则没有明显的变化, 选择样品的质量大于3 g进行测试; 随着含水量的增加, 镉的峰强度和相对强度均会略有降低, 因此水分会对测试结果产生影响, 对土壤样品的测试应该风干或烘干。 使用以上经过优化的测试条件, 用国家标准样品和电感耦合等离子体质谱法定值的样品绘制工作曲线, 线性相关系数可达0.993; 使用镉含量为1.12 mg·kg-1的国家标准样品GSD-10测试11次, 测试的结果的标准偏差为0.09, 相对标准偏差为8.22%; 用高纯二氧化硅测试方法检出限, 可达0.16 mg·kg-1, 小于国标一级土壤的限值; 测试实际样品, 并与电感耦合等离子体质谱法测试的结果进行对比, 测试结果的一致性较好。 通过对仪器结构和样品测试条件进行优化, 基于能量色散X射线荧光光谱法对土壤中痕量重金属镉的检出限有了很大的降低, 对污染地区土壤镉的快速筛查及大面积测定意义重大。

关键词: 能量色散X射线荧光光谱法; 土壤; ; 检测
中图分类号:S151.9 文献标识码:A
The Rapid Detection of Cadmium in Soil Based on Energy Dispersive X-Ray Flourescence
CHEN Ji-wen1,2, NI Zi-yue1, CHENG Da-wei2, LIU Ming-bo2, LIAO Xue-liang2, YANG Bo-zan2, YUE Yuan-bo2, HAN Bing2, LI Xiao-jia1,2
1. Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China
2. NCS Testing Technology Co. Ltd., Beijing 100094, China
Abstract

For the detection of heavy metals in soil, conventional methods of chemical analysis are of many deficiencies, such as long time consuming, complex pretreatment process, and the strong acid used will cause secondary pollution to environment. However,energy dispersive X-Ray fluorescence spectrometry have many advantages, such as non-destruction, fast test, simple pretreatment, easy to carry etc., which make it especially suitable on rapid on-site monitoring. When using this method to detect cadmium, the energy of K series characteristic line is larger, making the limit of the detection relatively high for general EDXRF. Based on the energy dispersive X-Ray fluorescence spectroscopy, the rapid detection of trace cadmium in soil was studied. Appropriate devices were chosen to constructing the instrument platform, and the instrument structures and test conditions were optimized considering peak intensity and relative intensity of determined element.Research showed that the peak intensity increased linearly with the increase of tube current, while relative intensity had no obvious change. Hence, for the detection of cadmium, tube current chosen were as large as possible with the permission of X-Ray tube. Afterwards, considering peak intensity and relative intensity of cadmium with different thickness of filter and tube voltage, the optimized conditions could be ascertained by using theoretical relative deviation. And the optimal conditions were as follows: the tube voltage was 55 kV, tube current was 48 μA, the filter was molybdenum with the thickness of 1.25 mm. The measurement time had an influence on relative standard deviation of results. When measuring times were less than 500 seconds, the relative standard deviation of peak intensity decreased with time increasing, while having no more obvious change after measuring times longer than 500 seconds. And the relative standard deviation was smaller, the short-term precision of results better, which made repetition appropriate for the detection. So 500 seconds was chosen as measuring time. At the same time, test conditions of samples also had an influence on the results. Since both the peak intensity and relative intensity decreased with increasing thickness of film, the thickness of 12.5 μm of polyester film was chosen to be used. And both peak intensity and relative intensity of cadmium increased with increasing weight of samples at first, but when the weight was more than 3g, as the weight increased, the peak intensity of cadmium changed slowly and relative intensity had no obvious change. So the weight of samples should be more than 3 g. The peak intensity and relative intensity decreased as water content increased in soil, which meant that soil moisture would affect test results, and soil samples should be air drying or oven drying. Adopting the optimized conditions above, the linear correlation coefficient was 0.993 of samples when using national standard samples or samples determined by inductively coupled plasma mass spectrometry. A national standard sample was tested 11 times in which the concentration was 1.12 mg·kg-1, and the standard deviation of the results was 0.09, and the relative standard deviation was 8.22%. The limit of detection of this method was 0.16 mg·kg-1 detected by high purity silicon dioxide for 11 times, which was below the limit of the first grade soil. Compared with inductively coupled plasma mass spectrometry, the test results had significant consistency. After optimizing instrument structure and test conditions of samples, the limit of detection was lower for trace cadmium in soil based on energy dispersive fluorescence spectrometry, which will play an important part in the rapidly screening of pollution area and the measurement in large area of cadmium.

Key words: Energy dispersive X-ray fluorescence spectrometry; Soil; Cadmium; Detection
引言

随着工业三废的排放, 土壤中重金属镉的污染也越来越严重, 而土壤中的镉最终会通过作物进入人体, 对人的身体健康造成危害[1, 2, 3, 4]。 土壤中重金属的检测方法主要有电感耦合等离子体质谱法、 电感耦合等离子体发射光谱法、 电化学方法、 原子吸收光谱法等, 这些方法均需要对样品进行复杂的前处理, 在实验过程中使用的强氧化性酸还会对环境造成二次污染[5, 6, 7, 8, 9, 10]; 激光诱导击穿光谱法和能量色散X射线荧光光谱法可直接对土壤中的重金属离子进行检测。 孟德硕等使用半球形空间约束激光诱导击穿光谱对土壤中的重金属元素进行检测, 镉的最小检出限低于10 mg· kg-1[11, 12]。 黄秋鑫等建立并验证一种土壤中7种典型重金属元素和1种类金属元素(砷)的粉末标准曲线XRF检测方法, 其对镉的检出限为4.5 mg· kg-1[13]。 对实际土壤进行测试时, 国家标准对重金属镉的限值较低[14], 文献报道的基于能量色散X射线荧光光谱法对镉的检出限较高, 难以满足实际测试需求。 本文通过对仪器和样品测试条件进行优化, 测得方法的检出限为0.16 mg· kg-1, 小于一级土壤的限值, 对土壤中痕量重金属镉的筛查及大面积测定意义重大。

1 实验部分
1.1 仪器

NX-100S土壤重金属检测仪(钢研纳克检测技术股份有限公司), 配置Au靶X光管、 硅漂移探测器、 多滤光片切换系统和工控触屏计算机; PlasmaMS 300电感耦合等离子体质谱仪(钢研纳克技术股份有限公司); 全功能型微波化学工作平台。

1.2 土壤样品

将采集的土壤样品混匀后用四分法缩分至约100 g、 风干、 除杂(去除土壤中的石子和动物残体等异物, 用木棒或玛瑙棒研压, 并通过2 mm尼龙筛除去2 mm以上的沙砾, 混匀)、 过100目筛、 混匀、 称取3 g装入样品杯[15]。 采用电感耦合等离子体质谱法对采集的土壤样品中的镉进行测试, 测试结果如表1所示, 并以此作为参考含量。

表1 ICP-MS的测试结果 Table 1 The test results of ICP-MS
1.3 方法

由高压电源控制的X射线管产生初级X射线, 它由连续谱和特征谱组成。 由于X射线能量较大, 照射样品时可击出原子中的内层电子, 此时原子的内壳层会产生空穴, 这时的原子处于不稳定状态, 外层电子会从高能轨道跃迁到低能轨道来填充空穴, 多余的能量就会以X射线的形式放出。 如果空穴在K, L和M壳层产生, 就会相应产生K, L和M系X射线。 由莫塞莱定律可知, 特征X射线的频率的平方根与原子序数成正比, 即

ν=Q(Z-σ)

其中, Q为常数, Z为原子序数, ν 为特征X射线的频率, σ 为屏蔽系数。 据此可以对待测样品中的元素进行定性分析。 待测样品发射的一次X射线荧光强度与元素的含量成正比, 据此可以对待测样品中的元素进行定量分析[16]

1.4 仪器条件及样品测试状态的优化

在用X射线荧光光谱法检测土壤中重金属镉时, 为了提高灵敏度、 降低检出限, 需要尽可能高的镉特征线强度以及尽量低的谱峰背景。 而所用X射线管的管电压、 管电流大小, 初级滤光片的厚度, 待测样品的质量、 含水量, 样品支撑膜的厚度等都会对这两个因素产生影响。

1.4.1 滤光片、 管电压和管电流条件的优化

在对滤光片、 管电压和管电流进行优化之前, 首先对镉峰强度和相对强度随管电流的变化规律进行测试, 使用国家标准样品GSD-7a, 分别设置不同的管电流, 镉的峰强度和相对强度随管电流的变化情况如图1所示。 峰强度随着管电流的升高基本上是线性增加的, 而相对强度则没有明显的变化。 因此在滤光片和管电压固定不变的条件下, 选择最优管电流的依据如下: (1)满足X射线管功率和管压管流限制条件; (2)随着管电流的增加, 净峰强度会随之线性增加, 而峰背比则没有明显变化, 因此管电流要在满足(1)的条件下尽可能大。

图1 镉的峰强度和相对强度随管电流的变化Fig.1 Intensity and relative intensity of cadmium with different tube current

分别选择1.00, 1.25, 1.50和1.75 mm的钼滤光片进行测试, 在每个滤光片及相对应的电压下选择满足限制条件的最优电流进行测试。 每个条件下分别测量三次并取平均值, 镉的峰强度和相对强度随滤光片厚度和管电压、 管电流的变化如图2所示。 在相同厚度的滤光片条件下, 镉的峰强度随着电压的增加先升高后下降, 峰强度在55 kV左右出现最大值; 镉的相对强度随着电压的增加是先升高后下降, 在45和50 kV处出现最大值。

在低电压区域(< 55 kV), 受到高压电源电流的限制, 管电流固定不变, 导致了峰强度随电压升高而升高; 而在高电压区域, 为了发挥探测器最佳性能, 光管电流设置会随着电压的升高而降低, 因此峰强度也随之降低。 峰强度随着电压的增加在达到最大值之前, 待测元素吸收限处原级谱的强度会增加, 会增强对待测元素的激发, 待测元素净峰强度的增加比较快, 因此相对强度会增加; 随着电压的不断增加, 对待测元素的激发比较充分, 但此时背景却是一直在增加, 相对强度会下降。

不考虑样品中其他元素的吸收增强效应, 则元素含量与其峰强度i成正比

C=ki=k(I-B)

其中I为总的峰强度, B为背景强度, k为灵敏度系数。

根据误差传递公式, 及荧光理论, 令p'为峰背比的倒数, 则含量的理论相对偏差为

RC1TI1+p'(1-p')2

综合考虑峰强度和相对强度, 代入理论相对偏差公式进行计算, 如图3所示, 可以得出镉的最优测试条件为: 管电压为55 kV, 管电流为48 μ A, 滤光片为1.25 mm钼片。

图2 镉的测试信号随滤光片厚度和管电压的变化
(a): 峰强度; (b): 相对强度
Fig.2 The signal of cadmium with the different thickness of filter and the tube voltage
(a): Intensity; (b): Relative intensity

图3 镉的理论相对偏差随滤光片厚度和电压的变化Fig.3 The theoretical relative deviation of cadmium with the different thickness of filter and the tube voltage

1.4.2 测试时间对镉的测试结果的影响

为了减少测试时间对测试结果标准偏差的影响, 分别设置不同的测试时间, 对国家标准样品进行六次测试, 测试结果的相对标准偏差随时间的变化如图4所示。 在测试时间小于500 s时, 峰强度的相对标准偏差随着测试时间的增加是降低的, 在测试时间大于500 s时, 峰强度的相对标准偏差不再有明显的变化趋势, 由于测试结果的相对标准偏差越小, 测试结果的短期精密度越好, 仪器的重现性就越好, 因此测试时间最终选择为500 s。

图4 镉峰强度的相对标准偏差随测试时间的变化Fig.4 The relative standard deviation of cadmium intensity with different test time

1.4.3 测试薄膜厚度的影响

测试时, 透过滤光片的原级X射线需要首先穿过用作样品支撑的测试薄膜, 样品出射的荧光X射线也要穿过该薄膜才能被探测器接收, 薄膜的厚度会对谱峰强度产生影响。 分别选用厚度为12.5, 25.0, 38.0, 50.0, 75.0和100.0 μ m的聚酯薄膜, 对样品进行测量, 峰强度和背景随测试膜厚度的变化如图5所示。 随着测试薄膜厚度的增加, 镉的峰强度和相对强度均会略有下降。 因此, 在测试时使用厚度为12.5 μ m的薄膜进行测试。

图5 镉的峰强度和相对强度随测试薄膜厚度的变化Fig.5 Intensity and relative intensity of cadmium with different thickness of film

1.4.4 样品质量的影响

使用国家标准样品GSD-12, 对土壤样品中镉的峰强度和背景进行测试, 三次测量结果的平均值随样品质量的变化如图6所示。 在样品量小于3 g时, 镉的峰强度和相对强度随着样品质量的增加而增加; 在样品质量大于3 g时, 镉的峰强度随样品质量的增加变化比较缓慢, 相对强度则没有明显的变化, 为了减少因样品质量造成的测试的误差, 选择样品的质量应该大于3 g, 且使用相对强度进行测试。

图6 样品质量对镉的峰强度和相对强度的影响Fig.6 The effect of the weight on intensity and relative intensity of cadmium

1.4.5 样品含水量的影响

土壤样品中含有水分的话, 会吸收一部分X射线, 对测试结果产生影响, 或者会对待测样品进行稀释, 使得测试结果偏低。 为了研究含水量对测试结果的影响, 在标准土壤样品GSD-12中样品加入高纯水, 通过样品的质量和水的质量计算含水量。

图7 含水量对镉的峰强度和相对强度的影响Fig.7 Intensity and relative intensity of cadmium with different water content

在不同的含水量的条件下, 对土壤样品中镉的峰强度和相对强度进行测量, 每次测量三次并取平均值, 测试结果如图7所示。 随着含水量的增加, 镉的峰强度和相对强度均会略有降低, 因此水分会对测试结果产生影响, 对土壤样品中镉的测量应该风干或烘干至恒重。

2 结果与讨论
2.1 工作曲线的绘制

分别使用国家标准样品GSD-12, GSD-7a, GSD-5a和已用电感耦合等离子体质谱法定值的样品9、 样品10, 以镉的相对强度为纵坐标, 样品含量为横坐标绘制工作曲线, 如图8所示, 线性相关系数为0.993。

图8 镉的工作曲线Fig.8 The calibration curve of cadmium

2.2 短期精密度实验

使用国家标准样品GSD-10测试11次, 对该方法的短期精密度进行考察。 测试结果如表2所示, 11次测试结果的标准偏差为0.09, 相对标准偏差为8.22%。

2.3 检出限实验

使用高纯二氧化硅进行11次测试, 测定该方法的检出限, 测试结果如表3所示, 可知, 土壤中镉的检出限为0.16 mg· kg-1, 达到一级土壤的限值以下。

表2 短期精密度实验 Table 2 Experiments for short term precision
表3 检出限实验 Table 3 Experiments for limit of detection
2.4 准确性实验

对简单前处理的土壤样品进行测试2次, 测试结果的平均值与ICP-MS测试结果进行对比; 以该方法测量结果作为Y轴, ICP-MS测试结果作为X轴, 如图9所示。 使用该方法的测试结果与参考值进行对比, 线性相关系数为0.988, 一致性较好。

图9 EDXRF与ICP-MS测试数据对比Fig.9 Compared results between EDXRF and ICP-MS

3 结 论

使用能量色散X射线荧光光谱法对土壤中的镉进行测试, 为提高测试的灵敏度, 对仪器的测试条件进行优化: 测试最优条件为管电压为55 kV, 管电流为48 μ A, 滤光片为1.25 mm厚的钼片, 测试时间选择为500 s。 样品测试状态对测试结果也会产生影响: 为了减少测试薄膜对特征X射线的衰减, 选择厚度为12.5 μ m的薄膜进行测试; 样品量小于3 g会对测试结果产生影响, 测试时应使用大于3 g的样品量进行测试; 随着含水量的增加, 镉的峰强度和相对强度均会略有降低, 因此水分会对测试结果产生影响, 土壤样品应该进行风干或烘干的简单前处理。

使用国家标准样品和使用ICP-MS测试的样品绘制工作曲线, 线性相关系数为0.993; 对国家标准样品GSD-10进行11次测试, 标准偏差为0.09, 相对标准偏差为8.22%, 表明该方法测试稳定性较好; 使用分析纯二氧化硅进行测试, 测得检出限为0.16 mg· kg-1, 达到一级土壤的限值以下; 使用该工作曲线对实际样品进行测试, XRF测试结果与ICP-MS测试结果线性相关系数为0.988, 表明该法可实现土壤中重金属镉的快速检测。

The authors have declared that no competing interests exist.

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