非色散原子熒光光譜法同時檢測硒和鉛的光源干擾校正方法研究

陶 琛 李春生* 初威澄 高冉冉 周志恒李云夢 馬振予 田 地*

1(吉林大學儀器科學與電氣工程學院，長春 130026)2(北京博暉創(chuàng)新光電技術(shù)股份有限公司，北京 102206)3(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033)

1 引 言

硒(Se)元素具有抗氧化、提高免疫力等生理生化功能[1]，并因其抗癌作用而被廣泛應(yīng)用于富硒大米、富硒酵母、蒜類植物等食品和營養(yǎng)品中[2,3]。同時，過多攝入Se也會引起中毒[4]，所以對Se的準確檢測尤為重要。目前，Se的檢測方法主要有比色法[5]、原子吸收光譜法(Atomic absorption spectroscopy, AAS)[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(Inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[7]等，而氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法(Hydride generation atomic fluorescence spectroscopy，HG-AFS)以其靈敏度高和多元素同時檢測等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[8～11]。

空心陰極燈(Hollow cathode lamp，HCL)是HG-AFS最為常用的激發(fā)光源，已有研究發(fā)現(xiàn)部分光源存在燈芯干擾問題[12]，如賈亞青等[13]發(fā)現(xiàn)Se元素HCL發(fā)射譜中含有鉛(Pb)元素干擾譜線。由于純Se陰極熔點較低(217 °C)，當采用高強度短脈沖的HCL激發(fā)方式時，會在很短時間內(nèi)使得燈芯溫度迅速升高，并造成陰極融化和濺射，影響光源的激發(fā)強度及使用壽命。而采用SePb合金陰極可使陰極熔點升至1065 °C，光源可以擁有更強的激發(fā)強度和更長的使用壽命。此外，元素提純技術(shù)的工藝和成本很高，SePb合金的使用也進一步降低了HCL的制造成本。但現(xiàn)有的AFS為非色散檢測方式，當采用SePb合金陰極的Se元素HCL對Se、Pb同時測定時，會導致將樣品中的Pb誤測定為Se，造成測定結(jié)果的失真。由于Pb對人體是有毒害[14,15]，上述問題也限制了HG-AFS對Se、Pb同時測定技術(shù)及方法的進一步擴展和應(yīng)用。

本研究對Se和Pb元素HCL的發(fā)射譜線和激發(fā)熒光進行檢測和分析，根據(jù)HG-AFS儀器不同檢測通道獲得的熒光強度關(guān)系，提出光源干擾因子法對檢測結(jié)果進行校正。對Se和Pb同時測定過程中K3[Fe(CN)6]、HCl和KBH4濃度進行優(yōu)化，并通過對實際樣品的測試對校正效果進行比較和驗證。

2 實驗部分

2.1 儀器及實驗條件

采用Ocean Optics Maya2000 Pro光譜儀對Se和Pb元素的HCL(北京有色院金屬研究總院)發(fā)射譜線進行檢測，光譜儀采集積分時間設(shè)置為500 ms。SA-7800型非色散-雙通道原子熒光光譜儀(北京博暉創(chuàng)新光電技術(shù)股份有限公司)，儀器結(jié)構(gòu)見圖1，實驗條件見表1。

圖1 氫化物發(fā)生-原子熒光光譜(HG-AFS)裝置功能框圖：(1)樣品; (2)還原劑; (3)載氣; (4)反應(yīng)模塊; (5)氣液分離器; (6)廢液; (7)原子化器; (8)Se元素空心陰極燈; (9)Pb元素空心陰極燈; (10)光電倍增管; (11)上位機Fig.1 Schematic diagram of experiment setup of hydride generation atomic fluorescence spectroscopy (HG-AFS): (1) Sample; (2) Reducing agent; (3) Carrier gas; (4) Reaction module; (5) Gas-liquid separator; (6) Waste liquid; (7) Atomizer; (8) Se hollow cathode lamp (HCL); (9) Pb HCL; (10) Photomultiplier tube (PMT); (11) Computer

表1 SA-7800型非色散-雙通道原子熒光光譜儀儀器主要工作參數(shù)

Table 1 Main analytical parameters of SA-7800 AFS

參數(shù) Parameter設(shè)定值 Setting value載氣流量 Flow rate of carrier gas400 mL/min屏蔽氣流量 Flow rate of shield gas850 mL/min原子化器溫度 Temperature of atomizer200℃原子化器高度 Height of atomizer8 mm樣品流速 Sample flow rate0.1 mL/s還原劑流速 Reductant flow rate0.05 mL/sSe燈電流 Lamp primary/boost current of Se60 mA/30 mAPb燈電流 Lamp primary/boost current of Pb60 mA/30 mA讀數(shù)方式 Detecting mode峰面積 Peak area讀數(shù)時間 Detecting time16 sPMT負高壓 Negative high voltage of PMT260 V

2.2 樣品制備

HCl和NaOH為優(yōu)級純，KBH4和 K3[Fe(CN)6]為分析純(國藥集團化學試劑有限公司); 超純水(阻抗>18 MΩ cm); Se標準儲備液(1000 μg/mL)、Pb標準儲備液(1000 μg/mL)(國家標準物質(zhì)中心)，用其稀釋成濃度為50 μg/L的Pb標準系列溶液，以及濃度為2、4、8、10、20和50 μg/L的Se和Pb標準系列混合溶液，搖勻并放置10 min后測定。

稱取固體試樣加入HNO3(5 mL)和HClO4(2 mL)于錐形瓶(250 mL)中，置于電熱板上低溫加熱至試樣溶解。繼續(xù)升溫至溶液呈微沸狀態(tài)，至冒濃黃煙，待溶液剩余1 mL時，取下，冷卻后加入超純水20 mL，在電熱板上加熱趕酸至近干，冷卻至室溫，移入50 mL容量瓶中，用超純水定容，待溶液澄清后與標準系列溶液一起測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 光源干擾分析

應(yīng)用Ocean Optics Maya2000 Pro光譜儀分別對Se和Pb元素HCL發(fā)射譜進行了比較分析。檢測結(jié)果如圖2所示。在圖2B中可以觀察到Se元素HCL在196.0、203.9、206.3和207.5 nm的發(fā)射譜線，其中196.0和203.9 nm為Se元素的主要分析線。在210～290nm范圍內(nèi)的發(fā)射譜線與圖2A的Pb元素HCL發(fā)射譜線完全重疊，但強度較弱，分析這部分發(fā)射譜線是由于Se元素HCL陰極中的Pb激發(fā)造成的，其中217.0、261.3和283.3 nm為Pb的主要分析線。由于Se元素HCL中存在的Pb干擾，當使用非色散HG-AFS儀器對Se、Pb進行同時測定時，樣品中的Pb元素產(chǎn)生的所有熒光信號也會作為Se元素的熒光信號加以接收，最終導致Se元素的測量值偏大，影響對樣品中Se元素真實含量的檢測分析。

圖2 (A)Pb元素空心陰極燈的發(fā)射譜； (B)Se元素空心陰極燈的發(fā)射譜Fig.2 (A) Emission spectrum of Pb HCL； (B) Emission spectrum of Se HCL

3.2 光源干擾校正

3.2.1光源干擾因子法當形成原子蒸汽的化學反應(yīng)條件、原子化器和載氣等條件相對固定時，若i元素光源中含有n種元素的光源干擾時，光源干擾因子為Ini和Inn的比值，M為檢測總次數(shù)，如下式所示。Ini表示激發(fā)一種只含有n元素(光源干擾元素)的標準樣品時，用i元素燈激發(fā)，且在i元素(待測元素)通道獲得的n元素所產(chǎn)生的干擾熒光強度;Inn表示用第n元素燈激發(fā)，且在第n元素通道獲得的熒光強度。

(1)

(2)

圖3 11支Se燈的光源干擾因子比對Fig.3 Interference factors of 11 Se HCLs

樣品中含量較高，且對待測元素的測定可能產(chǎn)生干擾的主體元素都應(yīng)分別測定光源干擾因子，并在隨后校準曲線和分析樣品等工作時，都需要對檢測結(jié)果進行校正。

3.2.2Se光源干擾因子計算由于Se元素HCL中僅發(fā)現(xiàn)了Pb的光譜干擾，為進一步驗證光源干擾對檢測結(jié)果的影響。使用50 μg/L的Pb標準溶液 (純干擾元素)分別對11支北京有色院金屬研究總院的Se元素HCL中的光源干擾因子進行檢測，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)實驗結(jié)果可知，這11支光源干擾因子的分布區(qū)間在13.68%～26.29%。由于激發(fā)光源位置和預熱時間都會影響干擾因子的計算，每次實驗之前需重新對選定光源進行干擾因子的檢測實驗。在檢測過程中，還需要保證光源的激發(fā)狀態(tài)穩(wěn)定，且檢測過程中不能隨意調(diào)整光源位置和電流強度。為進一步研究Se和Pb同時測定的其它影響因素，下列實驗選用干擾因子為26.29%的Se元素HCL進行。

3.3 Se和Pb同時測定的條件優(yōu)化

3.3.1K3[Fe(CN)6]濃度的影響采用50 μg/L的Se、Pb混合標液，對 K3[Fe(CN)6]濃度在0%到1.0%(w/V)變化時的Se、Pb同時測定的熒光信號進行了觀察和校正，結(jié)果如圖5所示。增加 K3[Fe(CN)6]濃度有利于Pb的熒光激發(fā)(圖4曲線C)，由于反應(yīng)過程中需要加入 K3[Fe(CN)6]作為氧化劑將Pb(Ⅱ)氧化成Pb(Ⅳ)，不穩(wěn)定的新生態(tài)Pb(Ⅳ)迅速與Fe形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，才可以被KBH4還原生成氫化物。校正后的Se熒光強度變化(圖4b)同樣說明Se不會受到 K3[Fe(CN)6]濃度變化的影響。 K3[Fe(CN)6]為0.4%(w/V)時適于Se和Pb的同時測定，以下實驗還會通過同時改變還原劑中 K3[Fe(CN)6]的含量驗證光源干擾因子法對檢測結(jié)果的校正效果。

3.3.2HCl濃度的影響對HCl濃度變化從1.5%(w/V)到8%(w/V)時Se和Pb同時測定的激發(fā)熒光進行了檢測和校正，結(jié)果如圖5所示。校正后的Se熒光強度(圖5曲線c)與未加 K3[Fe(CN)6]的還原劑測得的檢測結(jié)果(圖5曲線a)變化趨勢基本一致。當HCl濃度小于1%(w/V)時，Se熒光信號較低，HCl濃度增加有利于提高Se熒光信號激發(fā)，但過高的HCl濃度會抑制對Pb還原反應(yīng)。當HCl的濃度為2.8%(w/V)時，適于Se和Pb的同時測定，且反應(yīng)體系穩(wěn)定。

圖4 K3[Fe(CN)6]濃度對Se和Pb熒光強度的影響Fig.4 Effect of K3[Fe(CN)6] concentration on fluorescence intensity of Se and Pba. Se(Before correction); b. Se(After correction); c. Pb

圖5 HCl濃度對Se和Pb熒光強度的影響Fig.5 Effect of HCl concentration on fluorescence intensity of Se and Pba. K3[Fe(CN)6]/Without K3[Fe(CN)6]; b. Before correction; c. After correction; d. Pb

圖6 KBH4濃度對Se和Pb熒光強度的影響Fig.6 Effect of KBH4 concentration on fluorescence intensity of Se and Pba. K3[Fe(CN)6]/Without K3[Fe(CN)6]； b. Before correction; c. After correction; d. Pb

3.3.3KBH4濃度的影響KBH4作為產(chǎn)生氫化物氣體常用的還原劑，若KBH4濃度過高，則可能產(chǎn)生過量的氫氣而導致被測元素氫化物氣體被稀釋，熒光信號強度降低; KBH4濃度過低，則可能使被測元素氫化物反應(yīng)不完全，影響方法的靈敏度。本實驗KBH4變化從6%(w/V)到20%(w/V)時，考察了KBH4濃度與Se和Pb同時測定時的熒光強度關(guān)系，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，校正后的Se熒光強度(圖6曲線c)與未加 K3[Fe(CN)6]的還原劑測得的檢測結(jié)果(圖6曲線a)變化趨勢基本一致。KBH4濃度為16%(w/V)時，Se的校正信號(圖6曲線c)和Pb(圖6曲線d)表現(xiàn)出較好激發(fā)效果。

3.4 方法的分析性能和實際樣品分析

在最佳實驗條件下，2～50 μg/L范圍內(nèi)獲得Se的標準曲線r1=0.9995，Pb的標準曲線r2=0.9997。檢出限分別為0.034 μg/L(Se)和0.019 μg/L(Pb)。方法精密度為0.85%(10 μg/L，Se，n=9)和0.47%(10 μg/L，Pb，n=9)。滿足食品樣品的分析要求。

對國家標準物質(zhì)大米GBW10010(GSB-1)和小麥GBW10011(GSB-2)的Se和Pb元素進行同時測定，實驗結(jié)果見表2。由于標準曲線及樣品測定過程中Se元素檢測結(jié)果受到Pb元素的干擾，未校正的結(jié)果產(chǎn)生失真，無法反映檢測結(jié)果的真實情況，用本方法校正后的Se測定結(jié)果與標準值吻合。此外，對豆奶中的Se和Pb元素進行加標回收實驗，結(jié)果見表3。未校正的Se元素檢測結(jié)果雖然滿足回收率要求，但檢測過程中同樣受到了Pb元素的干擾，因此結(jié)果不可信。用本方法校正后的Se和Pb元素回收率在94.5%～108%之間，滿足檢測要求。

表2 標準樣品測定

Table 2 Test results of standard sample

標準樣品Standard sample標準值 Certified value(μg/g)SePb測定值 Found (μg/g)Se未校正 Not corrected校正 CorrectedPb大米GBW10010(GSB-1)0.0610.0800.069±0.070.058±0.080.074±0.03小麥GBW10011(GSB-2)0.0530.0650.058±0.090.051±0.060.071±0.07

表3 豆粉樣品回收率實驗結(jié)果

Table 3 Recovery of soy flour sample

加入量 Spiked(μg/L)SePb測定值 Found (μg/L)Se未校正Not corrected校正CorrectedPb加標回收率 Recovery(%)Se未校正Not corrected校正CorrectedPb000.08±0.060.12±0.05N.D.---111.14±0.081.21±0.081.08±0.06107109108.0222.17±0.072.28±0.071.89±0.0910610894.5

上述結(jié)果表明，采用光源干擾因子校正方法可以對Se和Pb同時測定的Se檢測結(jié)果進行有效校正，校正后的檢測結(jié)果與標準值相符。