重金属元素在土壤中的总量不能直接用来评估环境效应^{[1, 2]}，土壤中重金属离子的毒性和迁移性不仅取决于总量，而且取决于特殊的化学形态^[3]。重金属在土壤中只有少部分以水溶态和离子交换态存在，这部分在土壤中具有较大的活性，容易被植物吸收^{[3, 4]}，通常被称为有效态。有效态金属对人体的危害严重，因此准确测定土壤中的有效态金属具有很重要的意义^[5]。

对土壤中有效态重金属的提取方法已有很多研究^[6]，使用的浸提剂主要有三类：弱(稀)酸类、络合剂类和中性盐类。我国环境保护行业标准规定DTPA、0.1 mol/L盐酸和水作为土壤中有效态金属的提取剂^[7]。文献[8]报道0.1 mol/L盐酸提取效果比DTPA好，原因可能是各类提取剂本身的pH有较大差异，DTPA放置一段时间后pH值有变小的趋势，而0.1 mol/L盐酸的pH值没有变化，比较稳定；另外，其浸提机制也不同，DTPA对土壤中重金属的浸提机制可能主要是缓冲条件下的络合作用和阳离子交换作用，但是阳离子的浓度较低，交换作用较弱，而盐酸主要是H⁺的交换作用^[9]。不论应用哪一类提取剂获得的土壤中有效态金属的含量通常很低，而且浸出液中浸出的共存干扰组分多，直接进行仪器分析测定很困难。因此，分离和富集技术用于测定土壤中痕量有效态金属是非常必要的。已有文献报道的分离富集方法主要有：共沉淀法、液-液萃取法、离子交换色谱法、吸附法、液膜萃取法及固相萃取法等^{[10, 11, 12]}。浊点萃取法(cloud point extraction，简称CPE)是近年来出现的一种新兴的环保型液-液萃取技术。它是以表面活性剂胶束水溶液的溶解性和浊点现象为基础，通过改变实验参数而引发相分离，将亲水性物质与疏水性物质分离^[13]。与传统的液-液萃取技术相比，它最主要的优点在于不使用有毒有害的有机溶剂，适应绿色分析技术的发展需要^[14]。

钴是人体和动植物所必需的微量元素之一，但人体中钴含量过高或过低都会对健康造成危害，对土壤中有效态钴的研究十分必要。本文采用0.1 mol/L盐酸对土壤中有效态钴进行浸提，以甲基红为络合剂，Triton X-114为非离子表面活性剂，应用浊点萃取技术与火焰原子吸收光谱联用的方法测定有效态钴含量，通过研究影响浊点萃取的主要因素，建立了测量土壤中有效态钴的新方法。

1.   实验部分

1.1   仪器与主要试剂

日立Z-8000偏振塞曼原子吸收分光光谱仪、钴空心阴极灯(日本日立公司)，工作条件为：采用塞曼偏振效应扣背景，测定波长240.7 nm，灯电流7.5 mA，狭缝宽度0.2 nm，空气流量1.5 kg/cm²，乙炔气流量0.2 kg/cm²。

RM-220超纯水仪(台湾艾柯公司)；79-1磁力加热搅拌器(金坛市华峰仪器有限公司)；PHS-3C型精密酸度计(上海大普仪器有限公司)，E-331型pH复合电极；电热板(浙江省嘉兴市新腾电器厂)。

钴标准储备液GBW 08613(1.0 mg/mL)：中国计量科学研究院国家标准物质研究中心提供。

钴标准溶液：由钴标准储备液逐级稀释而得。

Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲溶液(pH=10.1)：分别移取30 mL 0.1 mol/L Na₂CO₃溶液和20 mL 0.1 mol/L NaHCO₃溶液混合在一起，混匀，即得到Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲溶液。

1.0 g/L甲基红-乙醇溶液：准确称取0.1000 g甲基红(固体)，用60%乙醇溶解并定容至100 mL容量瓶中。

0.1 mol/L硝酸-乙醇溶液：8 mL浓硝酸用乙醇定容至1000 mL。

52.9 g/L Triton X-114溶液，2%氨水，0.1 mol/L盐酸。

实验用水均为二次去离子水，其他试剂均为分析纯及以上。

1.2   样品采集与前处理

土壤采自郑东新区、郑州高新区规划绿地和四川烟草地。将采集的土壤样品用四分法缩分，缩分后的土壤样品在自然状态下风干，以陶瓷或玛瑙研钵轻轻研压，拣出大颗粒岩块、根茎等杂物，全部过100目分样筛，以备分析用。处理前研钵、分样筛等工具要用酒精清洗干净，以免样品污染，影响测定结果。

参照LY/T 1260—1999^[15]，称取2.5 g上述土壤样品，以土液比1∶10加入0.1 mol/L盐酸，混匀，恒温振荡1.5 h，静置，干过滤，滤液转入100 mL容量瓶中保存，即得到酸浸提土壤溶液。

1.3   土壤样品中钴总量的测定

参考国家标准GB/T 17138—1997^[16]消解土壤样品，然后将溶液转移至10 mL比色管中，定容，用原子吸收光谱法测定钴的总量。

1.4   浊点萃取方法

分别移取不同量的Co标准溶液和样品溶液于10 mL刻度离心管中，加入0.9 mL甲基红溶液，摇匀，用2%氨水调至恰好由红色变为黄色，然后依次加入1.5 mL Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲溶液(pH=10.1)、1.2 mL Triton X-114，最后用去离子水定容至刻度，摇匀后置于80℃恒温水浴中加热100 min后取出，迅速放入冰水浴中冷却，使表面活性剂相成为黏滞的浓缩相，与水相有明显的分层，倾倒出水相，在表面活性剂相中加入0.1 mol/L硝酸-乙醇溶液并定容至1.0 mL，放入热水中5 min，取出混匀，用火焰原子吸收分光光谱仪测定。同时做空白实验。

2.   结果与讨论

2.1   缓冲溶液用量及pH的选择

浊点萃取金属离子的关键步骤是形成金属螯合物，而pH值是影响金属螯合物形成的重要因素。本文试验了不同pH值时钴的萃取效果，如图 1所示。随着pH值的增大，吸光度逐渐增大，这是因为在酸性条件下，形成的螯合物很少。对两相中钴浓度进行测定并计算分配系数D_M，结果表明当pH<8时，D_M<7；增大pH值，D_M逐渐增大，形成的螯合物也趋于稳定；当pH=10.1时，吸光度最大，D_M达到32；继续增大pH值，吸光度和D_M又下降。实验选用pH=10.1的Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲溶液。

图  1  pH对吸光度的影响

Figure  1.  Effect of pH on absorbance

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试验了pH=10.1的Na₂CO₃-NaHCO₃缓冲溶液不同用量对Co吸光度的影响。随着缓冲溶液体积的增大，吸光度逐渐增大；在缓冲溶液体积达到1.5 mL时，吸光度达到最大值；进一步增大缓冲溶液体积，吸光度变化较小。实验选用缓冲溶液用量为1.5 mL。

2.2   络合剂浓度的选择

甲基红和Co²⁺络合形成螯合物，将Co²⁺萃取到有机相中，达到富集的目的。由图 2所示，在甲基红浓度为0.05～0.08 g/L时，Co吸光度很低；当甲基红浓度增加至0.09 g/L时，吸光度达到最大；继续增大甲基红浓度，吸光度明显下降。说明在甲基红浓度为0.09 g/L时，形成稳定的络合物。实验选用结合剂甲基红浓度为0.09 g/L。

图  2  甲基红浓度对吸光度的影响

Figure  2.  Effects of methyl red concentration on absorbance

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2.3   表面活性剂Triton X-114浓度的选择

表面活性剂的浓度对浊点萃取效率和仪器的分析测定都有一定的影响。表面活性剂浓度过大，会导致相分离时间延长，并影响萃取后样品的处理；表面活性剂浓度过小，会使相分离不完全，萃取效率降低。为了保证待测金属离子萃取完全，提高萃取效率和富集能力，应选用适当浓度的表面活性剂。

图 3是Triton X-114浓度在1.06～9.52 g/L范围内对Co吸光度的影响。吸光度随着Triton X-114浓度的增加，呈增大趋势；Triton X-114浓度为6.35 g/L时，吸光度最大；Triton X-114浓度大于6.35 g/L时，吸光度下降，这是由于有机相体积增大，导致体系黏度增大，吸光度下降。为了保证最大萃取效率，且提高测定的灵敏度，实验选择Triton X-114浓度为6.35 g/L。

图  3  Triton X-114浓度对吸光度的影响

Figure  3.  Effects of Triton X-114 concentration on absorbance

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2.4   平衡温度和平衡时间的选择

试验了不同温度对钴萃取效率的影响，结果见图 4。当温度低于80℃时，吸光度随着温度的升高而增大；当温度达到80℃时吸光度最大；进一步提高温度，吸光度稍有下降，可能是温度过高使金属螯合物分解，萃取效率变低。所以平衡温度选择80℃。

图  4  平衡温度对吸光度的影响

Figure  4.  Effects of equilibrium temperature on absorbance

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分别选取20、40、60、80、100、120、140、160、180 min进行平衡时间试验，当平衡时间超过80 min时，钴的吸光度基本达到一个平台。实验选择平衡时间为100 min。

2.5   共存离子的影响

试验了常见的阳离子和阴离子对钴萃取效率的影响，结果见表 1。大多数离子都不干扰钴的测定。在pH=10.1条件下，Fe³⁺、Al³⁺、Pb²⁺等阳离子在浓度很高时会形成絮状沉淀，冰水浴中冷却后，悬浮在表面活性剂相上层，倾倒出水相时，与水相一起和表面活性剂相分开。即使与甲基红发生络合反应的低浓度金属离子进入到表面活性剂相，由于火焰原子吸收光谱法的高选择性，并不影响钴的测定。

表  1  共存离子对钴测定的影响

Table  1.  Effects of foreign ions on the preconcentration and determination of Co

共存离子	共存离子与Co的浓度比	回收率/%
K+	1000	106.0
Na+	500	95.0
Mg2+	50	90.0
Pb2+	1000	108.0
Ca2+	500	106.0
Cu2+	300	108.0
Zn2+	300	104.0
Ba2+	500	101.0
Al3+	100	110.0
Cr6+	100	100.0
Ni2+	10	92.0
Fe3+	50	96.0
SO42-	5000	109.0
I-	5000	100.0
Br-	5000	102.0
NO3-	5000	96.0
Cl-	3000	100.0
Cd2+	50	94.0

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2.6   标准曲线、方法精密度和检出限

在上述选定的最佳实验条件下，按照实验方法配制浓度为0.10、0.20、0.50、1.00、1.50、2.00 μg/mL的钴标准溶液，浊点萃取测定其吸光度，测得Co的线性范围为0.10～2.00 μg/mL，线性回归方程A=-9.045×10^-4+0.1454ρ，线性相关系数R=0.9993。对0.50 μg/mL钴标准溶液用本法富集后进行9次测定，得到相对标准偏差(RSD)为3.3%。

用本法对空白溶液富集后进行9次测定，空白溶液的标准偏差为0.01 μg/mL，用空白溶液标准偏差的3倍计算，得到方法检出限为0.03 μg/mL。

2.7   实际土壤样品的有效态钴含量及回收率测定

采集郑州郑东新区、高新区规划绿地、四川烟草地的土壤，按照实验方法进行测定(n=3)并做加标回收试验。表 2结果表明，样品的加标回收率在94.0%～104.0%范围内，该方法的准确度较高，结果可靠。

表  2  土壤样品中有效态钴的测定及回收率试验

Table  2.  Determination of available cobalt in soil samples and recovery tests

实际土壤样品	w(Co)/(μg·mL-1)		回收率/%
	加标量	平均测定值
郑东新区规划绿地	0	0.13	100.0
	0.50	0.63
郑州高新区规划绿地	0	未检出	104.0
	0.50	0.52
四川烟草地1	0	0.12	102.0
	0.50	0.63
四川烟草地2	0	0.14	94.0
	0.50	0.61

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3.   实际土壤样品中钴总量及有效态钴占钴总量的比例

土壤中有效态钴占钴总量的比例结果见表 3(n=3)。各地土壤中有效态钴占钴总量的比例相差较大。例如，郑东新区规划绿地的钴总量并不高(7.36 μg/g)，但有效态钴占钴总量的比例最高是58.8%，而郑州高新区规划绿地的钴总量是13.71 μg/g，有效态钴却未检出。有效态钴含量相近的郑东新区规划绿地(有效态钴4.33 μg/g)和四川烟草地1(有效态钴4.00 μg/g)，由于钴总量相差较大导致有效态钴的比例相差较大，分别是58.8%和22.6%。可见，即使土壤中钴总量很高，如果有效态钴含量很低，那么其活性及对人体的危害也就很低。重金属污染土壤，有效态含量更能反映污染的危害程度，更能直观地传递出重金属在土壤中的迁移能力、存在状态以及植物吸收的有效性等信息。

表  3  土壤样品中钴总量及有效态钴占钴总量的比例

Table  3.  Total quantity of Co and available cobalt ratio in soil samples

实际土壤样品	w(Co)/(μg·g-1)		有效态钴占钴总量的比例/%
	钴总量	有效态钴含量
郑东新区规划绿地	7.36	4.33	58.8
郑州高新区规划绿地	13.71	未检出	-
四川烟草地1	17.71	4.00	22.6
四川烟草地2	16.69	4.67	30.0

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4.   结语

浊点萃取是一种绿色、环保、简便的分离富集技术，与火焰原子吸收光谱法联用，克服了直接仪器分析灵敏度较低的不足，在金属离子的分离富集方面应用广泛。本文利用甲基红络合-浊点萃取火焰原子吸收光谱法测定土壤中有效态钴，该方法准确度较高，精密度好，结果可靠，但是在更快速的分析测定方面仍需进一步研究。通过测定发现不同地区土壤中有效态钴占钴总量的比例差别很大，钴对人体的危害程度以有效态钴的含量进行评估更为合理。