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便携式X射线荧光光谱分析(FPXRF)技术因具有分析速度快、无损分析、多元素同时测定、应用成本低等特点,被广泛应用于土壤质量监测、污染场地修复、环境风险评价、突发污染事件的应急处理等领域。但这种方法检出限高、准确度低,在测定土壤样品时,易受样品基体组成和状态的影响,特别是我国土壤类型多,基体组成差异大,产生的基体效应影响差异大。 前人对基体效应的研究多针对简单的材料或只是少数的土壤标准样品,而鲜有系统地以全国土壤类型和多种我国常见的土壤污染重金属元素为研究对象,来研究FPXRF测定土壤重金属的基体效应。因此本文以基体效应为研究主体,针对我国主要的土壤污染重金属元素As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn,分析基体效应在不同重金属元素和不同土壤类型上测定偏差的差异,进一步分析产生基体效应的原因,筛选出主要干扰元素,并探究基体效应与土壤基体组成特征的变化规律。在此基础上,根据基体效应的影响规律,以基体效应相似的原则,按照土壤基体组成特征差异分别建立校正模型并评价其效果,最后对基体校正方法的应用进行综合评定,确定其与FPXRF结合使用在实际应用中的适用性,以期将基体校正方法应用于实际,为土壤重金属快速监测提供更精确、更可靠的数据。 本文得到的主要结论如下: (1)分别从重金属元素和土壤类型展示基体效应的影响,基体效应在不同重金属测定上表现的规律为:随着重金属原子序数的增加,测定偏差RPD(relative percentage deviaion)降低,测定原子序数最小的Cr(Z=24)的RPD中位数最高,为42.48%。不同土壤类型的基体效应表现存在差异,其中影响较大的有,高山土Cr、Cu和Pb的测定偏差|RPD|分别为48.34%、37.02%、37.01%;初育土Ni和Zn的测定|RPD|分别为72.10%、22.01%。 (2)为进一步分析基体效应的内在原因,分别从X荧光定量分析和逐步回归分析的角度筛选出了对As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn基体效应影响的主要干扰元素,包括Fe、Ca、Si、Al、O、Ti、S、Na、Mg等土壤大量元素,这些干扰元素对As、Cr、Cu、Ni、Pb、Zn的基体效应累积贡献率分别达到了96.04%、87.12%、94.29%、94.26%、96.04%、94.36%。其中Fe是贡献最大的干扰元素。 (3)在筛选出基体效应的主要干扰元素的基础上,按照自组织特征映射网络(SOFM)以干扰元素为变量将土壤分为基体组成存在显著(p<0.05)差异的5个小组。进一步探讨了基体组成特征与基体效应的关系,结果发现,Al、Fe、Ti含量高、Si含量低的基体组成的土壤会导致As较大的测定偏差;与之相反,这类土壤测定Cu、Ni、Zn时会相对准一些,而有着Ca含量高,Al、Fe、Ti含量低的基体组成特点的土壤,会导致Cu、Ni、Zn较大的测定偏差;较高含量的Si、K会导致FPXRF测定Cr的结果偏差更大,而Fe含量较大的土壤会降低Cr的测定偏差;K含量高、Ti含量低的基体组成特点的土壤会导致Pb较大的测定偏差。 (4)从重金属种类的角度评价基体校正效果,结果表明,总体上校正效果较好,校正后|RPD|基本降至10%以内。相较而言As、Cu、Pb的校正效果最好,校正后的数据水平能达到美国环境保护署EPA规定的QA1决定水平(R2>0.85)和极好(|RPD|<10%)等级;其次为Cr、Zn元素,校正后的数据水平达到QA2定量水平(0.70<R2<0.85),和“极好”(|RPD|<10%)的等级;校正效果最差的是Ni元素,校正后的数据水平也只有QA3定性和“一般”(25%<|RPD|<50%)等级。 (5)从土壤类型的角度对基体校正效果进行对比评价,结果显示,基体校正能显著(p<0.05)降低不同土壤中各重金属的测定偏差RPD,校正后RPD大部分在±20%以内。对于As、Ni、Pb、Zn元素,校正效果较好的土壤类型是雏形土,测定偏差RPD分别由校正前的11.49%降至2.46%,112.0%降至14.12%,23.33%降至2.48%,19.18%降至2.65%;对Cr元素,人为土的校正效果较好,RPD由校正前的46.24%降至5.08%;对Cu元素,淋溶土的校正效果较好,RPD由校正前的50.14%降至4.36%。 (6)对于在不能由FPXRF直接测定但又在基体校正过程中有着重要作用的变量Si、Al元素,分别通过资料搜集和建立推导公式确定其估计值,并评价使用Si、Al实测值和估计值对测定不同土壤类型中的各重金属元素的校正效果,结果显示两者并无明显差异,说明在不知道样品Si、Al实测值的情况下,可使用Si、Al估计值对基体效应进行校正。 (7)确定基体校正效果较好的基础上,进一步从应用层面对基体校正方法进行适用性综合评价,结果表明,基体校正方法能明显降低Ni测定的方法检出限,由原来的12.17mg kg-1降低至6.71mg kg-1,提高了测定Ni的灵敏度。仪器适用性评价结果认为,基体校正在5种FPXRF仪器上都发挥了很大作用,校正后的浓度与化学参考值拟合效果好,全部的决定系数R2>0.85,达到QA1的决定水平;|RPD|绝大部分可降至20%以内,达到“好”或“极好”的数据质量等级,基体校正方法具有一定的普适性。