微波消解-高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜測定生物樣品中55種元素

于兆水 ， 陳海杰 ， 張雪梅 ， 張 勤

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量的有毒有害物質(zhì)進(jìn)入土壤和生物體內(nèi)，致使我國部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境趨于惡化，解決環(huán)境問題成為當(dāng)今社會的重要議題。檢測生物樣品中微量元素含量不僅可以監(jiān)測環(huán)境污染程度，而且能夠預(yù)警食品衛(wèi)生安全，并且可以為合理施肥，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)具有檢出限低、線性范圍寬、譜線簡單及多元素同時(shí)測定等特點(diǎn)，已在地質(zhì)、冶金、石油、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體及核材料等科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-7]?？墒瞧胀↖CP-MS主要應(yīng)用在微量及痕量元素的測定，對于含量較高的主量元素的測定比較困難，需要稀釋到較低濃度才能測定，這樣就限制了主量元素與微量元素特別是痕量元素的同時(shí)測定；并且普通ICP-MS的質(zhì)譜干擾和基體效應(yīng)也不容忽視。近年發(fā)展起來的帶有法拉第杯檢測器的雙聚集扇形磁場高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(HR-ICP-MS)不僅可以解決大多數(shù)的同質(zhì)異位素重疊干擾、多原子分子離子重疊干擾以及雙電荷離子干擾等質(zhì)譜干擾問題[8-15]，而且有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中的主、次及痕量元素的同時(shí)測定。

作者建立了準(zhǔn)確、快速同時(shí)測定生物樣品中55種元素的分析方法，探索了微波消解生物樣品的實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化了高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的工作參數(shù)，為各待測元素選擇恰當(dāng)?shù)姆直媛?，并以國家一級生物?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證了方法的可行性，結(jié)果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與主要試劑

Element XR型高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；MARS微波消解儀(美國CEM公司)。內(nèi)標(biāo)溶液：10 (g/L銠溶液，與樣品溶液同時(shí)用蠕動泵分別引入，在樣品混合線圈內(nèi)混合后進(jìn)入霧化器霧化；標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)液：分別含1 μg/L Li、1 μg/L B、1 μg/L Na、1 μg/LSc、1 μg/L Co、1 μg/L Ga、1 μg/L Y、10 μg/L Rh、1 μg/L In、1 μg/L Ba、1 μg/L Lu、1 μg/L Tl、1 μg/L U。實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為BVⅢ電子純。

1.2 儀器工作參數(shù)

儀器工作參數(shù)：入射功率 1 450 W，霧化氣流量1.05 L/min，冷卻氣流量16 L/min，輔助氣流量0.8 L/min，真空度1～3×10-6Pa, 掃描方式電掃描，分辨率高、中、低，采樣深度-2 mm，蠕動泵轉(zhuǎn)速 10 rpm，采樣錐孔徑1.1 mm，截取錐孔徑0.75 mm。

1.3 樣品分析步驟

稱取0.2500 g樣品于微波消解內(nèi)罐中，用少量去離子水潤濕后，加入新配置的逆王水2.5 mL，放置過夜，再加入0.10 mL氫氟酸，置于聚四氟乙烯微波消解罐中，旋緊蓋子，放入微波消解儀進(jìn)行消化。消解完畢自然冷卻至室溫，打開蓋子，將消解溶液轉(zhuǎn)移至25 mL塑料比色管，用去離子水稀釋至刻度，搖勻。移取上述清液2 mL于10 mL塑料比色管中，用去離子水定容至6 mL，搖勻后上機(jī)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 各元素分辨率的選擇

電感耦合等離子體質(zhì)譜法的干擾主要是由質(zhì)譜峰疊加、同質(zhì)異位素、多原子離子及雙電荷離子等原因引起的質(zhì)譜干擾。通過調(diào)諧儀器工作參數(shù)、選擇無干擾同位素和恰當(dāng)?shù)姆直媛士梢杂行Ы档湍酥料祟惛蓴_。

本實(shí)驗(yàn)所用儀器(HR-ICP-MS)具有高(R=10 000)、中(R=4 000)、低(R=300)三種分辨率，三種分辨率模式下各元素靈敏度理論比值大致為1∶10∶100，在低分辨率模式下靈敏度最高。對于微量和痕量元素測定同位素按照豐度高、干擾小，尤其是沒有同質(zhì)異位素干擾的原則進(jìn)行選擇；對于主量元素(包括Na、Mg、Al、Ca、K、S、P)，由于含量高，信號強(qiáng)度太大容易造成檢測器的損壞，減少檢測器的使用壽命，因此選擇豐度低、干擾少的同位素測定。通過考察各元素的理論質(zhì)譜干擾并用標(biāo)準(zhǔn)溶液實(shí)驗(yàn)，Li7、Be9、 Rb85、Sr88、Nb93、Mo95、Cd111、Sb121、Cs133、Pr141、Nd146、Sm147、Tb159、Dy163、Ho165、Er166、Tm169、Yb172、Lu175、Hf178、Hg202、Tl205、Pb208、Bi209、Th232、U238等的干擾可以忽略，不影響準(zhǔn)確測定，選擇在低分辨率模式測定；B11、Na23、Mg24、Al27、P31、S32、Ca44、Sc45、Ti47、V51、Cr52、Mn55、Fe56、Co59、Ni60、Cu63、Zn66、Ge72、Y89、Ba137、La139、Ce140、Eu153、Gd157等受多原子離子影響較大，需要將其與干擾分開才能準(zhǔn)確測量，實(shí)驗(yàn)表明在中分辨率(R=4 000)模式可與多原子離子分開，選擇在中分辨率(R=4 000)模式測定；而K39，As75，Se77，Br79，I127只有在高分辨率(R=10 000)模式時(shí)才能與干擾分開，因此選擇在高分辨率(R=10 000)模式測定。

2.2 共存基體的影響

在ICP-MS測定中，當(dāng)待測溶液中可溶性固體含量較高時(shí)，可能會導(dǎo)致儀器漂移引起測定誤差，并且對待測元素具有增強(qiáng)或抑制效應(yīng)，為減小這種基體效應(yīng)，一般采用樣品稀釋、內(nèi)標(biāo)校正或減小稱樣量的方法，但是減小稱樣量可能會導(dǎo)致降低取樣代表性，同時(shí)也會增大稱量的不確定度。作者以Rh做內(nèi)標(biāo)，試驗(yàn)不同稀釋因數(shù)(稀釋因數(shù)=稀釋體積/稱樣量)對生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10015(菠菜)中各元素測定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)稀釋因數(shù)較小時(shí)，由于溶液中可溶性固體總量較高，基體對Li、B、Al、S、K、Ca、Rb、Sr等元素呈現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)，對Cr、Zn、Ge、Se、I、Hg等元素則呈現(xiàn)抑制效應(yīng)，對其他元素影響較??；當(dāng)稀釋因數(shù)為300時(shí)，各元素回收率趨近于100%，這表明通過稀釋可以有效地降低溶液中可溶性固體總量，減小乃至消除基體效應(yīng)，但是稀釋因數(shù)過大又會使測定誤差加大，使測定的不確定度增加，測定下限變壞，使得痕量元素難以準(zhǔn)確測量。因此本實(shí)驗(yàn)選擇稀釋因數(shù)為300。

2.3 樣品消解方法

生物樣品的消解一般采用干法灰化、濕法消解、密閉高壓消解和微波消解法等，干法灰化和濕法消解容易造成易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，使測定結(jié)果偏低；密閉高壓消解法耗時(shí)較長，一般需要數(shù)小時(shí)；而微波密閉消解法是均勻、快速的內(nèi)部加熱方法，在高溫、高壓條件下使有機(jī)物快速分解，樣品消解完全。

2.3.1 消解液的選擇

按照試驗(yàn)方法，比較了硝酸、硝酸-過氧化氫、鹽酸、王水和逆王水等消解體系，結(jié)果表明逆王水的消解能力最強(qiáng)，能將有機(jī)物完全破壞，消解試液呈無色。因此選擇逆王水消解試樣，并試驗(yàn)?zāi)嫱跛昧康挠绊?。分別用1.0 mL，1.5 mL，2.0 mL，2.5 mL，3.0 mL，3.5 mL逆王水來消解生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10015(菠菜)，試驗(yàn)結(jié)果表明，2.5 mL逆王水可以將0.2 500 g試樣(GBW10015)分解完全，消解液呈無色。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，僅選用逆王水作為消解液，某些元素(例如Al、Ti、Sc、Fe等)不能完全進(jìn)入溶液，致使測定結(jié)果偏低，這與高壓密閉消解[16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此進(jìn)一步試驗(yàn)在逆王水中加入HF對各元素回收率的影響，結(jié)果表明加入0.1 mL HF能有效地將各元素完全溶解進(jìn)入溶液，各元素的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值吻合。本實(shí)驗(yàn)選擇2.5 mL逆王水和0.1 mL氫氟酸混合酸作為消解液。

2.3.2 微波消解程序的確定

本實(shí)驗(yàn)所用微波消解儀的輸出功率可根據(jù)樣品數(shù)量、加熱溫度等自動調(diào)整，因此，僅對消解時(shí)間、消解溫度、升溫時(shí)間等進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化。消解過程中消解罐內(nèi)的溫度由消解裝置的溫度傳感器控制，微波功率由預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明按照表1微波消解程序可以將樣品完全消解，各元素能定量進(jìn)入溶液。

表1 微波消解程序

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在傳統(tǒng)分析方法中一般采用測定各元素標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的信號強(qiáng)度，以元素標(biāo)準(zhǔn)濃度對信號強(qiáng)度作圖繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代儀器均配有數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，所測數(shù)據(jù)完全由計(jì)算機(jī)自動處理，大大簡化了數(shù)據(jù)處理過程，節(jié)省了人力。

本研究同時(shí)測定生物樣品中55種元素，由于不同元素具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，各元素存在的穩(wěn)定形式、存在介質(zhì)也不盡相同，因而將眾多元素配制在同一溶液中是非常困難的，尤其是痕量元素濃度大多低于0.Xng/mL水平，各元素從高濃度逐級稀釋至0.Xng/mL將會引入很大誤差；如果采取分組配制標(biāo)準(zhǔn)溶液的方法，基體效應(yīng)將會明顯增加。本研究探索采用生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消解溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法，采用生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消解溶液做標(biāo)準(zhǔn)，可以使所研究各元素存在于同一溶液中，即可在一定程度上減小基體效應(yīng)，也可減小配制標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的誤差。因此，只要所選生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)能夠完全消解，所研究各元素能完全進(jìn)入溶液即可。

通過研究各個(gè)國家一級生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，考慮各元素含量應(yīng)該適中；定值元素足夠多，初步選定GBW10015(菠菜)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，以空白做零點(diǎn)，以兩點(diǎn)法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。分別測定GBW10015(菠菜)、GBW10016(茶葉)、GBW10020(柑橘葉)、GBW10021(豆角)、GBW10023(紫菜)五個(gè)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中各元素含量，以測定值對標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行最小二乘法線性回歸，求得相關(guān)系數(shù)。從表2可以看出，各元素的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，表明各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中各元素的測定值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合較好，也進(jìn)一步證明了本文所提出的樣品消解方法是可以將所選生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)完全消解，所研究各元素能完全進(jìn)入溶液。

表2 各元素相關(guān)系數(shù)

2.5 方法檢出限

按照本文擬定的分析方法，對空白溶液進(jìn)行12次測定，以測定值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的質(zhì)量濃度，同時(shí)考慮稱樣量和稀釋倍數(shù)，得到方法檢出限，結(jié)果見表3。

2.6 方法驗(yàn)證

選擇國家一級生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10012(玉米)、GBW10016(茶葉)、GBW10023(紫菜)各平行稱取12份，按照本文擬定的分析方法進(jìn)行測定，結(jié)果見表4。由表4可看出各元素的測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)推薦值較吻合，各元素相對誤差為0%～27%，精密度為0.8%～21.9%，大多元素精密度優(yōu)于10%，能夠滿足分析要求。

表3 方法檢出限

表4 方法準(zhǔn)確度和精密度

續(xù)表4

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