MD-ICP-MS法同時測定煙葉中15種稀土元素的方法研究

劉磊，唐艷斌，袁天軍，陳國輝，黃建，侯英，王麗娟，楊蕾*

（1.云南煙草煙葉公司技術中心，云南昆明651208；2.中國疾病預防控制中心營養(yǎng)與健康所，國家衛(wèi)生計生委微量元素營養(yǎng)重點實驗室，北京100050；3.云南同創(chuàng)檢測技術股份有限公司，檢測事業(yè)部，云南昆明650106）

MD-ICP-MS法同時測定煙葉中15種稀土元素的方法研究

劉磊1，唐艷斌2，袁天軍3，陳國輝3，黃建2，侯英3，王麗娟2，楊蕾3*

（1.云南煙草煙葉公司技術中心，云南昆明651208；2.中國疾病預防控制中心營養(yǎng)與健康所，國家衛(wèi)生計生委微量元素營養(yǎng)重點實驗室，北京100050；3.云南同創(chuàng)檢測技術股份有限公司，檢測事業(yè)部，云南昆明650106）

采用電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）同時測定了煙葉中釔（Y）、鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（TM）、鐿（Yb）和镥（Lu）共15種稀土元素。利用硝酸和過氧化氫混合溶液微波消解（MD）進行樣品前處理。通過在線加入銠（Rh）和錸（Re）內標的方法來校正基體效應和信號漂移。方法的回收率為91.00%～103.00%，檢出限為0.001～0.004 mg/kg，精密度試驗相對標準偏差為1.20%～4.78%。結果表明，該方法精密度高、準確性好，適用于煙葉中15種稀土元素含量的測定。

微波消解；電感耦合等離子體質譜法；煙葉；稀土元素

稀土元素（rare earth elements，REE）是指原子系數(shù)從57至71的鑭系元素及與鑭系元素性質極為相似的釔、鈧共17種元素［1-2］，廣泛存在于土壤、水體、空氣和植物體中［2］，具有很強的生物效應，對種子發(fā)芽、根系生長、營養(yǎng)吸收以及植物的產量和品質均具有重要的影響。在生物界中稀土元素遵循平衡理論，植物體吸收一定濃度的稀土元素對植物生長發(fā)育具有促進作用，具有直接或間接影響植物光合作用和養(yǎng)分吸收等植物生理活動功能，但濃度過低或過高對植物生長可能存在抑制或毒害作用［3-6］。稀土元素對烤煙生長過程和煙葉品質也具有重要的影響［7-8］。煙葉中煙堿含量與其根系發(fā)育特別是根尖的滋生活動密切相關，研究表明，稀土元素可增強根系的生理活動，從而穩(wěn)定提高煙堿含量［9］。此外，稀土含量高的煙葉葉片變寬、變厚。烘烤時，煙葉吃火耐烤，褪色均勻，綠煙減少，烤出的煙葉顏色金黃而具光澤，正黃、金黃色煙葉增多，且較為油潤［10］。這與稀土元素能提高植物對氮（N）、磷（P）、鉀（K）及其他營養(yǎng)元素的吸收和體內的運轉，增加葉綠素含量，提高光合作用效率，提高酶的活性有一定關系，使植物體內酶的活性增強，提高植物抗性［11-12］。由此可知，稀土元素對促進植物生長發(fā)育，增加作物產量，改善農產品品質具有重要意義［13］。然而，對于煙草中稀土元素含量的研究報道甚少，且研究仍缺乏系統(tǒng)性。

稀土元素在自然界中含量較低，一般在10-9～10-12級，準確測定稀土元素的含量存在較大困難。通常需對元素進行富集分離，以提高試樣液中待測元素的濃度并減少大量其他元素的干擾。近年來，隨著分析儀器的飛速發(fā)展，賈雙琳等［14］用氫氟酸、硫酸分解處理，使用王水提取，稀硝酸定容后，采用ICP-MS快速測定土壤樣品中的稀土元素，結果顯示所測定的15種稀土元素檢出限在0.003～0.18 μg/g之間。陳紅等［15］采用電感耦合等離子體質譜法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）測定了三種貝殼（珍珠母、石決明和牡蠣）中15種稀土元素含量，結果顯示，該方法的檢出限為0.000 4～0.003 ng/mL，方法的準確性較好。徐子剛等［16］采用微波消解（microwave digestion，MD）-電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）測定9種茶葉中的15種稀土元素，結果顯示，稀土元素的檢出限為0.001～0.007 μg/L，該方法能準確測定茶葉中的稀土元素。在煙草中，孫雨安等［17］采用微波消解-ICP-MS法測定煙草中的微量元素含量，其中稀土元素釔（Y）的檢出限為0.008 ng/mL；王秀季等［18］采用微波消解-ICP-MS法測定煙草中鑭（La）、鈰（Ce）、鐠（Pr）、釹（Nd）、釤（Sm）、銪（Eu）、釓（Gd）、鋱（Tb）、鏑（Dy）、鈥（Ho）、鉺（Er）、銩（Tm）、鐿（Yb）和镥（Lu）等14種稀土元素，其檢出限為0.000 7～0.003 μg/L，方法的準確性較好。由上述分析可知，ICP-MS法測定稀土元素因無需分離富集，具有多元素同時測定，檢出限低等優(yōu)點，已得到廣泛的應用。針對測定煙草中稀土元素含量的方法開發(fā)，目前雖有部分元素已被測定，但未見系統(tǒng)研究煙葉中稀土元素的報道。本研究采用電感耦合等離子體質譜法，同時測定煙葉中15種稀土元素，旨在為后續(xù)分析煙草中稀土元素的分布規(guī)律，探析煙草中稀土元素的作用機理，指導煙草農業(yè)種植奠定基礎。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

煙葉樣品（云煙87、紅大和烤煙K326）：云南省煙草煙葉公司。

HNO3（優(yōu)級純）：德國巴斯夫股份公司；H2O2（優(yōu)級純）：國藥集團化學試劑有限公司；高純氬氣（純度99.999%）：昆明梅塞爾氣體有限公司；La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y單元素標準溶液（100.00 mg/L）、銠（Rh）和錸（Re）內標元素（100.00 mg/L）、鋰（Li）、釔（Y）、鈰（Ce）、鉈（Tl）和鈷（Co）儀器調諧液（100.00 mg/L）：國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

1.2儀器與設備

7700x型電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）：美國Agilent公司；3000型密閉微波消解儀（配備聚四氟乙烯高壓消解罐）：奧地利安東帕（中國）有限公司；AB204-S型電子天平：瑞士梅特勒公司；Milli-Q型超純水裝置：美國Millipore公司；CT410旋風式樣品磨：美國FOSS公司。

1.3方法

1.3.1ICP-MS儀器操作參數(shù)

ICP-MS儀器操作及數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表1。

表1　ICP-MS檢測工作參數(shù)Table 1 Working parameters of ICP-MS determination

1.3.2標準溶液配制

標準溶液：精密量取一定體積的15種稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y）標準溶液，采用5%的HNO3配制成質量濃度為100.00 μg/L的混合標準儲備溶液，取適量的儲備液稀釋成質量濃度為0、1.00 μg/L、5.00 μg/L、10.00 μg/L、20.00 μg/L、50.00 μg/L、100.0 μg/L的標準系列溶液。

內標溶液：使用5%的HNO3將Rh和Re標準溶液逐級稀釋，配制成質量濃度為1.00 μg/mL的內標混合溶液。

儀器調諧液：取適量Li、Y、Ce、Tl和Co標準溶液，使用5%的HNO3逐級稀釋，將其配制成質量濃度為1.0 ng/mL的儀器混合調諧液，用于儀器參數(shù)的優(yōu)化。

1.3.3樣品預處理

將某產區(qū)煙葉樣品（品種：云煙87、紅大和煙葉K326，每個樣品品種包括B2F、C3F和X2F（我國實行的煙葉分級標準，分42個等級。1、按部位分組：下部葉組（X）、中部葉組（C）和上部葉組（B），共三個組。2、顏色分組：檸檬黃（L）、桔黃（F）、紅棕（R）、雜色（K）、微帶青（V）和光滑（S）。因此，B2F代表的是上部煙葉的2桔黃；C3F代表的是中部煙葉的3桔黃；X2F代表的是下部煙葉的2桔黃）三個部位）去梗后在40℃條件下烘干。采用旋風樣品磨將煙葉樣品粉碎，過60目篩。精確稱取0.2～0.5 g煙葉樣品，置于清洗好的聚四氟乙烯消解罐中，依次加入5 mL 70%HNO3和2 mL 30% H2O2，旋緊密封，置于微波消解儀中，按表2設置的微波消解程序進行消解。消解完畢，待溫度降至室溫后取出消解罐，將消解液轉移至100 mL容量瓶中，采用5%的HNO3清洗消解罐3次，依次轉入容量瓶中，定容，搖勻溶液，備用。同時制備樣品空白溶液。

表2　微波消解升溫程序Table 2 Temperature raising procedures of microwave digestion

1.3.4方法學質量評價

通過試驗確定建立的煙葉中15種稀土元素的測定方法線性范圍（線性關系、相關系數(shù)）是否良好；檢出限（limit of detection，LOD）是否較低；精密度（6次平行試驗）是否良好；加標回收率是否在可接受范圍內。

加標回收率計算公式：

2　結果與分析

2.1儀器工作條件的優(yōu)化

使用1.0 ng/mL的Li、Y、Ce、Tl和Co混合調諧液調試儀器，使其靈敏度達到最高，信號穩(wěn)定，同時氧化物氧化鈰/鈰（CeO+/Ce+）＜2.0%，雙電荷（Ce2+/Ce+）＜3.0%。結果顯示（調諧報告中（CeO+/Ce+）＜2.0%，（Ce2+/Ce+）＜3.0%，表明氧化物的干擾較小，符合要求）：采用調諧液調試儀器，儀器穩(wěn)定性較好，干擾較小，可滿足同時測定15種稀土元素的條件。

2.2待測元素同位素選擇

根據(jù)元素的豐度和干擾情況對待測元素同位素進行選擇，結果見表3。

表3　內標及對應元素的選擇Table 3 Selection internal standard and corresponding elements

2.3干擾及消除

在ICP-MS分析中通常存在同量異位素、多原子離子、雙電荷等干擾，需對測定元素及一般的基體效應進行校準，本實驗選擇干擾較小的同位素，并引入內標元素Rh和Re來監(jiān)測和校正測定過程信號短期和長期的漂移。稀土元素的質譜干擾主要來自氧化物干擾，在儀器條件優(yōu)化過程中，確定氧化物CeO+/Ce+＜2.0%，因此氧化物對稀土元素的測定干擾可忽略不計。應用計算機操作軟件，計算形成干擾離子的豐度比值，對被干擾離子信號強度進行校正。

2.4測試結果

2.4.1線性范圍和檢出限

測定的15種稀土元素繪制的標準曲線線性方程、相關系數(shù)R2及檢出限見表4。

由表4可知，測定的15種稀土元素標準曲線線性關系良好，相關系數(shù)R2為0.999 6～1.000 0，該方法測定15種稀土元素檢出限均較低，各元素檢出限在0.001～0.004 mg/kg。

表4　方法的線性方程和檢出限Table 4 Linear equation and limit of detection of the method

2.4.2精密度

按1.3方法處理樣品，按照樣品的測定方法，平行測試6份，計算其測定結果的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）值，結果見表5。由表5可知，所測定的15個元素的RSD在1.20%～4.78%，表明本方法精密度較好，滿足樣品測定要求。

表5　精密度試驗結果（n=6）Table 5 Results of precision experiments

2.4.3加標回收率試驗

準確稱取0.2～0.5 g煙葉樣品，置于微波消解內罐中，加入計算量的標準溶液，然后按1.3方法進行試驗，測試結果見表6。由表6可知，所測定的15種稀土元素平均回收率在91.00%～103.00%范圍內，結果較為滿意。

表6　15種稀土元素的加標回收率測定結果Table 6 Determination results of adding standard recovery rate of 15 kinds of rare earth elements

2.5樣品測定結果

將測定的煙葉樣品按1.3方法進行處理后，采用2.4.1建立的標準曲線對3個品種的B2F、C3F、X2F三個部位等級的煙葉樣品進行測定，測定結果見表7。由表7可知，所測定的三個品種，三個部位煙葉樣品中15種稀土元素含量除部分元素未測定出外，其余元素含量在0.01～9.50mg/kg之間；輕稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd在不同部位煙葉中含量均高于重稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu含量。

表7　煙葉樣品中稀土元素含量的測定結果Table 7 Determination results of rare earth elements content in tobacco samples mg/kg

3　結論

本研究建立的方法與文獻報道［14-18］的方法相比，具有檢出限較低，精密度、準確性較好，線性關系較好等特點，可滿足同時測定煙葉樣品中15種稀土元素的條件。

對所測定的不同部位煙葉中稀土元素含量的分布特征初步分析可知，不同部位煙葉中稀土元素含量呈現(xiàn)出輕稀土元素（除Y元素外）：下部煙葉（X2F）＞中部煙葉（C3F）＞上部煙葉（B2F）；重稀土元素中部煙葉（C3F）＞下部煙葉（X2F）＞上部煙葉（B2F）的特點。這可能與稀土元素在植物體中以分餾形式分布有關，后續(xù)需擴大測定范圍，進一步深入探析稀土元素在煙葉中的分布特征，并從稀土元素對烤煙的作用機理深入研究。

本方法的建立為后續(xù)開發(fā)稀土類肥料、探析煙草中稀土元素的作用機理，指導煙草農業(yè)種植奠定基礎。

［1］CHRISTIE T，BRATHWAITE B，TULLOCH A.Mineral commodity report 17：Rare earths and related elements［J］.New Zeal Min，1998，24（7）：1-13.

［2］LI X F，CHEN Z B，CHEN Z Q，et al.A human health risk assessment of rare earth elements in soil and vegetables from a mining area in Fujian Province，Southeast China［J］.Chemosphere，2013，93（6）：1240-1246.

［3］何躍君，薛立.稀土元素對植物的生物效應及其作用機理［J］.應用生態(tài)學報，2005，16（10）：1983-1989.

［4］吳晶，馮秀娟.稀土元素對植物的生物有效性研究進展［J］.中國資源綜合利用，2012，30（4）：37-40.

［5］魏正貴，張惠娟，李輝信，等.稀土元素超積累植物研究進展［J］.中國稀土學報，2006，24（10）：1-11.

［6］賀愛國，彭福元，肖蘇林，等.稀土在作物上應用研究進展［J］.湖南農業(yè)科學，2007（3）：97-99.

［7］高華軍，黃瑾，林北森，等.稀土元素肥料對烤煙產量及品質的影響［J］.河南農業(yè)科學，2011，40（5）：77-79.

［8］劉洪，敖波.稀土在烤煙植株中的分布及其對煙葉化學成份影響的研究［J］.化學研究與應用，2001，13（4）：471-472.

［9］曾群望.云煙及地質環(huán)境中的稀土元素［J］.山西農業(yè)大學學報，1995，15（3）：284-289.

［10］楊先科，李敏，武藝.稀土對烤煙增產與品質改善的作用機理研究［J］.貴州環(huán)?？萍迹?005，11（3）：33-35.

［11］喬瑞麗，岳彩鵬，史團省，等.環(huán)境因子對煙草中類萜代謝影響的研究現(xiàn)狀［C］//河南省植物生理學會三十周年慶典暨學術研討會論文集，2010.

［12］劉帥帥，李燁，王旻.茶葉中稀土元素含量的研究進展［J］.中國茶葉，2011（1）：13-15.

［13］穆真.清香型與濃香型煙區(qū)土壤稀土元素含量及主要化學指標比較研究［D］.北京：中國農業(yè)科學院，2013.

［14］賈雙琳，趙平.ICP-MS快速測定土壤樣品中的稀土元素［J］.光譜實驗室，2012，29（5）：3082-3086.

［15］陳紅，朱蓉，陳鴻平.電感耦合等離子體質譜法測定三種貝殼類藥材中稀土元素含量［J］.醫(yī)藥導報，2014，33（3）：373-377.

［16］徐子剛，姚琪，林少美.微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定茶葉中的稀土元素［J］.浙江大學學報：理學版，2007，34（2）：197-200.

［17］孫雨安，宋世丘，王國慶，等.微波消解/ICP-MS法測定煙草中微量元素含量［J］.光譜學與光譜分析，2010，30（7）：1968-1971.

［18］王秀季，李愛榮，熊宏春，等.微波消解ICP-MS測定煙草中痕量稀土元素［J］.理化檢驗：化學分冊，2006，42（7）：553-556.

LIU Lei1，TANG Yanbin2，YUAN Tianjun3，CHEN Guohui3，HUANG Jian2，HOU Ying3，WANG Lijuan2，YANG Lei3*
（1.Technology Centre，Yunnan Tobacco Leaf Company，Kunming 650218，China；2.Key Laboratory of Trace Element Nutrition，National Health and Family Planning Commission of the People's Republic of China，National Institute for Nutrition and Health，Chinese Center for Disease Control and Prevention，Beijing 100050，China；3.Testing Centre，Yunnan Comtestor Co.，Ltd.，Kunming 650106，China）

Fifteen kinds of rare earth elements including Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb and Lu in tobacco samples were determined simultaneously by inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）method.The samples were preprocessed by microwave digestion（MD）using the mixed solution of nitric acid and hydrogen peroxide.Rh and Re were added on line as the interior label elements to calibrate matrix effect and signal drift.The recovery rate of the method was 91.00%-103.00%，the limit of detection was 0.001-0.004 mg/kg，the relative standard deviation of precision experiments was 1.20%-4.78%.The results showed that the method had high precision and good accuracy，which was suitable for determination the contents of 15 kinds of rare earth elements in tobacco.

microwave digestion；ICP-MS；tobacco；rare earth elements

0254-5071（2016）06-0174-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.06.037

2016-01-29

中國煙草總公司云南省公司科技項目（2015YN29）

劉磊（1977-），男，工程師，本科，主要從事打葉復烤分析研究工作。

楊蕾（1983-），女，工程師，博士，主要從事食品生物技術與煙草品質分析研究工作。