摘要
土壤的全磷和全钾常使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）检测，而其他常规的金属元素则多采用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测。在使用 ICP-MS 分析土壤金属元素的基础上，同时进行全磷和全钾的分析，能大大节省样品分析时间，提高检测效率。基于土壤金属元素的硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系，采用微波消解法，建立 ICP-MS 测定土壤中全磷和全钾的方法，并对 ICP-MS 法和传统的 ICP-OES 法开展方法比对。结果表明，磷和钾的测定存在质谱干扰，使用氦气碰撞池模式能有效降低质谱干扰；以 103 铑作为内标元素，标准曲线线性相关系数均大于 0.999；磷的方法检出限为 0.014 g/kg，钾为 0.015 g/kg；对数偏差在 0.014 ～ 0.067，相对标准偏差（RSD，n=6）在 1.1% ～ 6.8%，准确度及精密度满足《地球化学普查规范 （1∶50000）》（DZ/T 0011—2015）的要求。方法比对采用不确定度评定、单因素方差分析及事后多重比较两种方法进行评价，结果均表明，ICP-MS 与 ICP-OES 法对土壤全磷、全钾的检测不存在显著差异。相比于 ICP-OES 法， ICP-MS 法可以同时兼顾全磷、全钾及多种痕量金属元素的检测，大大提高检测效率，在面对检测项目多、样品量大的土壤普查项目时，ICP-MS 法的优势能得到更好体现。
关键词
Abstract
Total phosphorus and total potassium in soil are typically detected using inductively coupled plasma-optical emission spectrometry（ICP-OES），while other metal elements are detected using inductively coupled-plasma mass spectrometry（ICP-MS）. The simultaneous analysis of total phosphorus and total potassium based on the analysis of metal elements in soil using ICP-MS can greatly reduce the sample analysis time and improve overall efficiency. Based on the nitric acid-hydrochloric acid-hydrofluoric acid-hydrogen peroxide digestion system for soil metal elements，a microwave digestion method was established for the determination of total phosphorus and total potassium in soil by ICP-MS，and a method comparison between the ICP-MS method and the traditional ICP-OES method was carried out. The findings revealed that mass spectral interferences affected the determination of phosphorus and potassium，and these interferences could be effectively reduced by using the He collision cell mode. The standard curve linear correlation coefficients for both elements exceeded 0.999 using 103Rhodium as the internal standard element，with limits of detection for phosphorus and potassium of 0.014 and 0.015 g/kg，respectively. The logarithm deviation ranged from 0.014 to 0.067，and the relative standard deviations （RSD，n=6）ranged from 1.1% to 6.8%，which satisfied the requirements of accuracy and precision in the Specification of Geochemical Reconnaissance Survey（1∶50000）（DZ/T 0011—2015）. The method comparison was evaluated by uncertainty assessment and multiple comparison tests following one-way ANOVA，and the results both showed that there was no significant difference between the ICP-MS method and the ICP-OES method for the detection of total phosphorus and total potassium in soil. Compared with ICP-OES method，ICP-MS method greatly improved detection efficiency by simultaneously detecting total phosphorus，total potassium and a variety of trace metal elements in soil. The advantages of the ICP-MS method can be better demonstrated when facing the soil survey project with a large number of samples and test items.
磷和钾是植物生长中不可或缺的营养元素，在中等产量、一般施肥水平条件下，植物吸收的养分有 50%～70% 的磷和 40%～60% 的钾来自土壤[1]。我国土壤中的全磷含量多在 0.2～1.1 g/kg 范围内，全钾多在 0.3%～3.6% 范围内，呈南低北高的趋势，华南地区的全磷、全钾含量较低，东北地区含量较高[2]。磷是调节植物生理周期的重要生态因子，钾是植物生长发育所必需的营养元素；植物缺磷会表现出生长缓慢、植株矮小和根系活力变弱、成熟延缓及空果等症状，而缺钾则会导致根系生长停滞，细根和根毛生长差，并出现根腐病[3-4]。磷和钾作为土壤的主要养分指标，是土壤检测中的常规项目，同时也被纳入第三次全国土壤普查（以下简称“土壤三普”）的监测指标体系[5]。在现行的行业检测标准（表1）中，土壤全磷和全钾的检测方法主要有分光光度法[6-8]、火焰光度法[9-10]、原子吸收法[9-10]、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法[7，10-11]和 X 射线荧光光谱法[12]等，唯独缺少电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）法。目前，ICP-OES 和 ICP-MS 以更好的抗干扰能力和更快的多元素分析速度，逐渐成为土壤元素分析的主力，但两者用于测试的土壤元素却有所不同，ICP-MS 多用于土壤痕量元素的检测，而 ICP-OES 由于检出限较高主要用于土壤常量元素的检测。在土壤三普中，土壤全磷和全钾使用 ICP-OES 进行检测； 而土壤铅、镉、镍等金属元素则使用 ICP-MS 进行检测[5]。从提高检测效率的角度出发，使用 ICP-MS 分析土壤痕量金属元素的同时若能进行土壤全磷和全钾的检测，能大大节省样品分析时间，提高检测效率，对于土壤三普这种检测项目多、样品量大的普查工作尤其重要。
表1土壤全磷和全钾行业标准分析方法
目前，有关 ICP-MS 法测定土壤磷和钾的文献较少，杨丽华[13] 采用硝酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系，在碰撞池（CCTked）模式下，以氦气氢气混合气为碰撞气，使用 ICP-MS 测定了 GBW07454、GBW07456 和 GBW07424 3种标准土壤，全磷的回收率在 94.0%～103%；孙孟华等[14] 采用过氧化钠碱熔，使用 ICP-MS 测定了 GBW07451 标准土壤和 GBW07364 水系沉积物，全磷的相对误差在-1.4%～-0.7%；张晓敏等[15]采用碱熔-离子交换树脂分离，使用 ICP-MS 测定了 GBW07401、 GBW07402 和 GBW07405 3 种标准土壤，全磷的对数偏差在 0.010～0.024。对于使用 ICP-MS 同时测量土壤全磷和全钾的研究鲜有文献报道。
本研究基于 ICP-MS 测定土壤痕量金属元素的方法，采用硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系进行微波消解，后加入高氯酸赶酸，建立 ICP-MS 测定土壤全磷和全钾的方法，同时针对土壤三普使用的酸溶-ICP-OES 法，通过测量不确定度评定、单因素方差分析及事后多重比较开展方法比对评价，以准确评估使用 ICP-MS 法和 ICP-OES 法测定多种不同磷、钾含量土壤样品的检测结果是否存在显著差异，ICP-MS 法能否替代 ICP-OES 法。
1 材料与方法
1.1 仪器与试剂
Agilent 7800 电感耦合等离子体质谱仪[安捷伦科技（中国）有限公司]；iCAP PRO 电感耦合等离子体发射光谱仪（赛默飞世尔仪器公司）；MS205DU 分析天平（瑞士梅特勒-托利多公司）；Mars 6 微波消解仪（美国 CEM 公司）；EHD-24 型电热消解仪 （北京东航科仪仪器有限公司）；EG35A plus 微控数显电热板（北京莱伯泰科仪器股份有限公司）。
磷元素标准储备溶液（1000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）；钾元素标准储备溶液 （1000 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）；铋、锗、铟、镥、铑、钪和铽多元素内标溶液 （10.00 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）；铈、钴、锂、镁、铊和钇多元素调谐液（10.00 mg/L，国家有色金属及电子材料分析测试中心）。
硝酸（电子纯，上海安谱 CNW）；高氯酸、盐酸、氢氟酸和过氧化氢（优级纯，广州化学试剂厂）；去离子水（电阻率 18.2 MΩ·cm）。
1.2 仪器工作条件
Agilent 7800 电感耦合等离子体质谱仪主要工作参数见表2，iCAP PRO 电感耦合等离子体发射光谱仪主要工作参数见表3。
表2电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测量条件
表3电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测量条件
1.3 试验样品
1.3.1 标准土壤样品
选取国家一级标准物质 GBW07401a（GSS-1a）～GBW07408a（GSS-8a）进行方法验证，GSS-1a～GSS-8a 是全国主要代表性土壤带及不同地质背景或矿化区采集的土壤样品，如表4所示，其全磷含量在 0.24～2.30 g/kg，全钾含量在 2.9～25.1 g/kg。
表4标准土壤来源
1.3.2 实际土壤样品
实际土壤样品采集于广东省，选择不同全磷和全钾含量的土壤样品共 8 个，全磷含量范围在 0.07～1.4g/kg，全钾含量在 1～27g/kg，分别编号 S01～S08。
1.4 标准溶液的配置
适量吸取磷和钾标准储备溶液，使用 2% 硝酸逐级稀释，配置标准溶液系列，其中 ICP-MS 测试，磷的质量浓度分别为 0、5、10、20、50、 80、100、200、400 和 600 μg/L，钾分别为 0、50、 100、200、400、600、800 和 1000 μg/L；ICP-OES 测试，磷分别为 0、0.02、0.05、0.08、0.1、0.2、 0.5、0.8 和 1 mg/L；钾分别为 0、0.2、0.5、0.8、1、 2、5、8 和 10 mg/L。
1.5 实验方法
1.5.1 微波消解及 ICP-MS 测定
称取 0.1 g 通过 0.149 mm 孔径筛的土壤样品于微波消解管中，用少量水润湿后加入 9 mL 浓硝酸、 2 mL 浓盐酸、3 mL 氢氟酸及 1 mL 过氧化氢，按照表5的升温程序进行消解。微波消解后的样品冷却后取出，加入 2 mL 高氯酸，将微波消解管置于电热消解仪中加热至 200℃赶酸，驱赶至白烟冒尽且内容物呈黏稠状。取下微波消解管，用 2% 硝酸转移样品至 50 mL 容量瓶中，定容至标线，混匀后经 ICP-MS 测定。
表5土壤微波消解程序
1.5.2 湿法消解及 ICP-OES 测定
称取 0.1 g 通过 0.149 mm 孔径筛的土壤样品于聚四氟乙烯坩埚中，加 3 mL 硝酸，1 mL 高氯酸和 5 mL 氢氟酸，盖上坩埚盖，置于电热板上，于通风橱中由低温 130℃逐渐升至 200℃加热消化。适当摇动坩埚以达到除硅效果，冒出大量白色烟雾后继续加热至不再冒白烟为止，样品消化成近干后视坩埚内残渣情况，可继续加 5 mL 氢氟酸，0.5 mL 高氯酸，重复以上消解过程。如果坩埚内仅余白色残渣，可加入 0.5 mL 氢氟酸，将残渣硅除去，再滴几滴高氯酸，加热至近干。取下坩埚冷却，加入 2% 硝酸溶解，转入 50 mL 容量瓶中，定容，混匀后经 ICP-OES 测定。
1.6 ICP-MS 与 ICP-OES 的检测结果比对
1.6.1 基于测量不确定度的方法比对
依据《化学实验室内部质量控制比对实验》 （RB/T208—2016）[16]，方法比对按式（1）进行评价，当满足式（1）时，即比对结果≤ 0 时，比对结果满意，否则比对结果不满意。不确定度的评定参考《化学分析中不确定度的评估指南》（CNAS-GL006：2019）[17]和实验室有关土壤金属元素的不确定度评定研究[18]。
(1)
式中，y1——ICP-MS 法的测定值；y2——ICP-OES 法的测定值；U1——ICP-MS 法测定值 y1 的测量不确定度，k=2；U2——ICP-MS 法测定值 y2 的测量不确定度，k=2。
1.6.2 方差分析及事后多重比较
对 ICP-MS 法和 ICP-OES 法测定标准土壤和实际土壤的检测结果进行单因素方差分析，采用图基法（Tukey）进行多重比较，在土壤全磷、全钾覆盖高、中、低含量的基础上，比较两种仪器分析方法的检测结果是否存在显著差异。
2 结果与分析
2.1 标准（no gas）模式和氦气（He）碰撞池模式的选择
磷（P）只有一种同位素 31P，其不存在同质异位素的干扰，主要存在氢（H）、碳（C）、氮 （N）、氧（O）、氟（F）和硅（Si）等多原子离子干扰以及镍（Ni）的双电荷干扰；钾（K）有两种稳定同位素 39K 和 41K，天然丰度分别为 93.26% 和 6.73%，分析同位素的选择要求是丰度较高且干扰较少，因此选择 39K 作为分析同位素，其主要受到 H、C、N、O、氖（Ne）、钠（Na）、镁 （Mg）、铝（Al）和氩（Ar）等多原子离子干扰，详见表6。
为考察磷和钾的质谱干扰对土壤样品检测的影响，分别采用 no gas 模式和 He 碰撞池模式进行实验对比，结果见表7。对于土壤全磷，no gas 模式的回收率为 115%±12%，He 碰撞池模式的回收率为 91%±3%，由于两种模式的回收率方差不齐（F 检验，P=6.3×10-4<0.05），故采用双样本异方差 t 检验，结果表明，两种检测模式的回收率存在极显著差异（P=4.6×10-4<0.01）。对于土壤全钾，no gas 模式的回收率为 114%±7%，He 碰撞池模式的回收率为 93%±3%，同样存在极显著差异 （P=1.4×10-5<0.01）。对比 He 碰撞池模式，no gas 模式下标准土壤的测试结果偏高，部分标准土壤的回收率超过 120%，最高达到 128%；而 He 碰撞池模式下，磷和钾的回收率为 86%～97%，结果优于 no gas 模式，可见，He 碰撞池模式能有效降低质谱干扰，提高磷和钾测量的准确性。
表7标准土壤在两种模式下的测定结果比较（n=6）
2.2 线性方程及方法检出限
质谱测试过程存在信号波动、基体效应等问题，需要选择合适的内标加以校准。由于土壤样品基质较为复杂，因此，选择内标应该首要选择土壤基体中不含或者含量较低的元素。根据张更宇等[22]的研究，7 锂（7 Li）、45 钪（45Sc）、73 锗（73Ge）、 209 铋（209Bi） 不适用土壤 ICP-MS 分析，而 103 铑 （103Rh）、115 铟（115In）、185 铼（185Re） 和 193 铱（193Ir） 因其在土壤中的含量为超痕量级，符合内标元素的基本要求，可作为环境土壤分析测定内标元素。因此，本方法使用 103Rh 作为内标元素。线性方程和相关系数如表8所示。
表8线性方程、相关系数及检出限
方法检出限按所建立的方法，连续测定 7 次全程序空白样品，根据空白检测结果的标准偏差 S，按单边 t 分布，取 α=0.01，得到 t 临界值 t（6，0.99）=3.143，则空白样品的拒绝域（3.143S，+ ∞） 为有检出，3.143S 即为方法检出限。测定下限以 4 倍检出限[23]计算，如表8所示。磷和钾的检出限均优于 ICP-OES 法，满足土壤样品全磷和全钾的检测要求。
2.3 精密度和准确度实验
分别平行称取 6 份土壤国家一级标准物质 GSS-1a～GSS-8a 进行精密度和准确度实验，计算 6次测试结果的相对标准偏差和对数偏差，结果如表9所示。全磷的相对标准偏差在 2.5%～6.8%，对数偏差在 0.022～0.055；全钾的相对标准偏差在 1.1%～3.0%，对数偏差在 0.014～0.067。精密度及准确度均满足《地球化学普查规范（1∶50000）》（DZ/T 0011— 2015）[24]的要求。
2.4 其他金属元素的检测结果
基于硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系的微波消解前处理方法，同样适用于土壤铜、锌、镍、镉、铅等土壤常规金属元素的检测， GSS-1a～GSS-8a 的检测结果如表10所示，对数偏差在 0.001～0.110，满足在分析土壤全磷、全钾的同时兼顾其他常规金属指标的分析，提高了检测效率。
表9方法精密度测试数据（n=6）
表10土壤金属元素检测数据
2.5 ICP-MS 与 ICP-OES 的检测结果比对
2.5.1 基于测量不确定度的方法比对
使用 ICP-MS 和 ICP-OES 法分别测定国家一级标准物质 GSS-1a～GSS-8a 和实际土壤的全磷、全钾含量，并计算检测结果的不确定度，依据 RB/T208—2016，评价比对结果，详见表11。对比 ICP-MS 和 ICP-OES 法，标准土壤样品和实际土壤样品的比对结果均 <0，表明对于土壤全磷和全钾的检测，ICP-MS 法和 ICP-OES 法的比对结果满意。
表11电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）法与电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）方法比对结果
2.5.2 方差分析及事后多重比较
因不同样品的全磷、全钾含量存在差异，以样品为自变量进行单因素方差分析及事后多重比较，可在同一尺度下，直观地对比样品与样品间、方法与方法间的差异。
由于不同样品的全磷、全钾含量存在差异，导致不同样品的标准偏差存在差异，方差齐性检验结果为方差不齐（P<0.05）。根据方差分析的要求，数据在进行方差分析时需满足方差齐性，当方差不齐时，会导致方差分析更容易拒绝 H0，接受 H1，即放大 I 类错误[25-26]。本研究使用方差分析的目的在于比较 ICP-MS 和 ICP-OES 法的检测结果是否存在显著差异，放大 I 类错误会导致显著差异为假阳性的概率被放大，而不影响阴性结果（无显著差异）的判断。
GSS-1a～GSS-8a 全磷、全钾检测结果和实际土壤样品全磷、全钾检测结果的多重比较如图1所示，具有相同英文字母标注的结果表明两两间不存在显著差异，否则表明两两间存在显著差异 （P<0.05）。对比 ICP-MS 和 ICP-OES 法的检测结果发现，无论是标准土壤还是实际土壤样品，同一样品的全磷和全钾均不存在显著差异，结论与不确定度的评价一致。
图1标准土壤（n=6）与实际土壤（n=3）全磷、全钾检测结果的多重比较
注：不同小写字母表示检测结果间差异显著（P<0.05），相同字母表示检测结果间无显著差异（P>0.05）。
3 讨论
基于土壤金属元素的硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系，采用微波消解法，建立了 ICP-MS 测定土壤全磷和全钾的方法。通过使用 He 碰撞池模式降低质谱干扰，选用 103Rh 作为内标元素，提高了土壤全磷和全钾检测的准确度和稳定性。ICP-MS 法测定土壤全磷和全钾的检出限、精密度和准确度均满足土壤样品的分析质量要求。对比 ICP-OES 法，ICP-MS 法的检出限更低，以土壤全磷为例，ICP-OES 法的检出限为 0.03 g/kg，ICP-MS 法的检出限为 0.014 g/kg。国内土壤的全磷含量最低可达 0.04 g/kg[2]，针对低全磷含量土壤样品， ICP-MS 法低检出限的优势更大，能得到比 ICP-OES 法更准确可靠的结果。此外，ICP-MS 法能同时兼顾土壤其他痕量金属元素的分析，如铜、锌、镍、镉、铅等，极大地提高了检测效率。
ICP-MS 和 ICP-OES 法比对，不确定度评价和单因素方差分析及多重比较的评价结果均表明， ICP-MS 与 ICP-OES 法对土壤全磷、全钾的检测不存在显著差异。RB/T208—2016 基于测量不确定度，考虑了测量误差对检测结果的影响，当两种方法的检测结果差值小于两种方法的测量误差时，两种方法的检测结果不存在差异。不确定度的方法比对评价，以测量结果的不确定度范围作为评价依据，关键在于准确计算测量不确定度，当评价人员无法准确计算不确定度时，可能导致错误的结论； 此外，不确定度的大小也与实验室的技术水平有关，当不确定度过大时，会掩盖不同方法之间的差异，从而导致错误的方法比对结论。方差分析及事后多重比较则解决了不确定度评价方法的不足，通过应用统计学方法，更准确地对方法比对结果做出评价。
4 结论
采用硝酸-盐酸-氢氟酸-过氧化氢消解体系，经微波消解，ICP-MS 法测定土壤全磷和全钾，检出限、精密度和准确度均满足土壤样品的分析质量要求。方法比对结果表明，ICP-MS 与 ICP-OES 法的检测结果不存在显著差异。相比于 ICP-OES 法，ICP-MS 法的使用能更好地检测低全磷、全钾含量的土壤样品，同时兼顾土壤痕量金属元素的检测，提高检测效率。