高通量密閉微波消解-ICP-MS測定食品中的鍺含量

鞏海娟，謝蕓欣，王佳麗

（吉林省地質(zhì)科學(xué)研究所，吉林 長春 130021）

鍺（Ge）是一種重要的稀有元素。近年來，大量的臨床試驗(yàn)肯定了鍺的生理活性與醫(yī)療保健價(jià)值[1-2]，對于人體具有抗腫瘤、抗衰老、提高免疫力、促進(jìn)新陳代謝等作用。杜蓉等[3]發(fā)現(xiàn)富鍺大麥苗在體內(nèi)外均有明顯的抑制腫瘤的作用，并且沒有出現(xiàn)毒副作用，是一種很好的口服抗癌藥物；閆昳姝等[4]從富鍺金針菇提取多糖，證實(shí)多糖具有抗病毒、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)等多方面的生物活性。

鍺的檢測方法主要有：原子吸收法[5-7]、原子熒光光譜法[8-10]、分光光度法[11-12]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法 （inductively coupled plasma mass spectrometer，ICPMS）[13-15]等，其中ICP-MS 具有其他儀器無可比擬的性能，高靈敏度、低檢出限、線性范圍寬、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，在日常樣品痕量分析中已顯示了它獨(dú)特的優(yōu)勢。在已報(bào)到的文獻(xiàn)中，ICP-MS 多用于研究巖石土壤中的鍺含量及其干擾，對食品的報(bào)道多見于測定其中的重金屬及稀土[16-20]含量，對鍺的測試鮮有報(bào)道。

食品中鍺含量甚微，基體復(fù)雜，干擾嚴(yán)重，比如35Cl37Cl、32S40Ar、56Fe16O、144Nd++、144Sm++對72Ge 的 干 擾 ，37Cl2、74Se、58Fe16O、148Nd++、148Sm++對74Ge 的干擾等，給測試帶來很大的困難。PlasmaQuant MS 質(zhì)譜儀（德國耶拿），它獨(dú)特的ReflexION 技術(shù)，是一種創(chuàng)新的三維聚焦離子鏡設(shè)計(jì)，能將離子束進(jìn)行90 度反射，形成一個(gè)雙曲面的電場后，進(jìn)入的離子束會發(fā)生反射而不是偏轉(zhuǎn)。使得不同大小和能量的待分析離子會在進(jìn)入四級桿之前完全聚焦，更多的離子會進(jìn)入四級桿，在全質(zhì)量離子范圍內(nèi)能提供更高的信號，同時(shí)，造成干擾的光子和中子會穿過電場，使背景信號降低；在四級桿前的“S”型離軸預(yù)桿設(shè)計(jì)，使得離子在進(jìn)入四級桿之前，進(jìn)一步去除中性粒子及光子，進(jìn)行離子的初步過濾，可以獲得超高的靈敏度，超低的背景信號，同時(shí)能很好的去除干擾。

高通量密閉微波消解，比干法灰化、濕法消解用酸量少，空白低，消解效率高，也比普通微波消解法承壓能力強(qiáng)，并且能同批次處理40 多樣品，大大提升了試驗(yàn)效率。同時(shí)比較高壓密閉罐消解方法，測試結(jié)果沒有明顯差異，更加的節(jié)約時(shí)間。

在此技術(shù)上，本文研究了采用高通量密閉微波消解樣品-ICP-MS 測定食品中鍺含量的方法，對GBW10011（小麥）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大蝦）、GBW10052（綠茶）國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確度，測定結(jié)果均在參考值范圍內(nèi)。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[GBW10011（小麥）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大蝦）、GBW10052（綠茶）]：地球物理地球化學(xué)勘查研究所；鍺（Ge）、銠（Rh）等單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L）：國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院；調(diào)諧溶液（0.010 g/L，包含鈹、鈷、銦、釷、鉈等混合溶液，2%硝酸介質(zhì)）：德國 analytikjena 公司；硝酸（BV-Ⅲ）：北京化學(xué)試劑研究所；高純氬氣（純度＞99.999%）：長春氧氣廠。

1.2 儀器與設(shè)備

ETHOS UP 大微波消解儀（配置了MAXI-44 高通量轉(zhuǎn)子，采用高靈敏高聚焦技術(shù)紅外傳感器，消解罐錯(cuò)位排列，微波輸出功率1 900 W）：美國萊伯泰科有限公司；LAB-LB-100 實(shí)驗(yàn)室超純水系統(tǒng)（電阻率＞18.2 MΩ）：長春萊博帕特科技發(fā)展有限公司；Plas maQuant MS 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：德國耶拿分析儀器股份公司；PQ-MS 主要工作參數(shù)為：射頻功率1 400 W，霧化器流量1.0 mL/min，冷卻氣流量9.0 L/min，輔助氣流量1.5 mL/min，采樣錐孔徑1.1 mm，截取錐孔徑0.5 mm，掃描方式為跳峰，測量點(diǎn)/峰為3 點(diǎn)，掃描次數(shù)為40，全數(shù)字轉(zhuǎn)換模式檢測器。

1.3 樣品消解方法

稱取樣品 0.2 g～0.5 g（精確至 0.001 g），加入 5 mL～10 mL 硝酸，加蓋放置1 h 或過夜，旋緊消解罐，按表1設(shè)定的消解程序消解。消解程序結(jié)束后，冷卻后取出轉(zhuǎn)子，緩慢打開消解罐蓋排氣，用少量水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐放在控溫電熱板上或超生水浴箱中，與100 ℃加熱30 min 或超生脫氣2 min～5 min，用水定容至25 mL 或50 mL，混勻備用。隨同樣品分析全過程制備空白試驗(yàn)。

表1 微波消解程序Table 1 Program of microwave digestion

1.4 標(biāo)準(zhǔn)系列配置

將1 000 mg/L 的Ge、Rh 等標(biāo)準(zhǔn)溶液，逐級稀釋，用1%硝酸定容，搖勻。Rh 濃度為5.0 μg/L，作為內(nèi)標(biāo)溶液，用來監(jiān)控儀器的漂移，同時(shí)校正樣品的基體效應(yīng)；Ge 系列濃度分別為（μg/L）：0、0.1、0.5、1.0、10.0、100，上機(jī)測試，觀察Ge 不同同位素的線性相關(guān)性；同時(shí)配置一系列不同濃度的 Zn、Ce、Se、Sm、Nd、Fe 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，上機(jī)測試，用來觀察對Ge 不同同位素的干擾疊加情況。

1.5 樣品檢測

儀器抽取真空達(dá)到最佳真空狀態(tài)，點(diǎn)火，穩(wěn)定后用調(diào)諧液優(yōu)化儀器各項(xiàng)參數(shù)，使儀器靈敏度、氧化物、雙電荷、分辨率等指標(biāo)達(dá)到測定要求后，編輯方法，選擇測定元素合適的質(zhì)量數(shù)及其內(nèi)標(biāo)。將標(biāo)準(zhǔn)系列、試劑空白、待測樣品溶液、質(zhì)控樣品分別引入儀器，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)、繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線、給出測定結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品消解方法的選擇及過程注意事項(xiàng)

樣品前處理技術(shù)大致可分為敞口和密閉消解兩大類。敞開消解包括干灰化和濕法消解，密閉消解包括微波和高壓密閉罐消解。在此重點(diǎn)討論密閉罐消解和微波消解。按照1.3 消解樣品，上機(jī)測試，同時(shí)與高壓密閉罐消解方法結(jié)果做比對，結(jié)果見表2。

表2 微波消解與密閉罐消解結(jié)果比對Table 2 Comparison of microwave digestion and closed tank digestion

從表2中可以看出，微波消解和密閉罐消解，結(jié)果沒有明顯的差異，測試結(jié)果均在不確定范圍內(nèi)。兩種消解方式的相同點(diǎn)在于，消解過程中，兩者都是使用硝酸處理樣品，試劑用量少，空白值低，能夠?qū)悠废馔耆徊煌幵谟谙鈺r(shí)間設(shè)定，微波消解時(shí)間設(shè)定50 min，而密閉罐消解需8 h，耗時(shí)長。本試驗(yàn)采用微波消解。

通過多次試驗(yàn)，確定試驗(yàn)條件：稱取0.2 g 樣品，加少量水潤濕，加入10 mL 硝酸，消解結(jié)束后，100 ℃電熱板趕酸30 min，定容25 mL。

消解過程需要注意：食品中Ge 的含量非常低，消解樣品之前，用稀硝酸浸泡轉(zhuǎn)子或者進(jìn)行預(yù)消解，目的在于盡可能保持內(nèi)壁干凈，降低背景值；試驗(yàn)用到的轉(zhuǎn)子細(xì)長，高約20 cm，口約3 cm，放置樣品時(shí)容易沾壁，在加酸時(shí)，盡可能沖洗沾在內(nèi)壁上的樣品，減少稱樣誤差；在盡可能減少基體干擾的情況下，適當(dāng)加大稱樣量，稀釋合適的倍數(shù)，以增加測試過程的穩(wěn)定性；使用單一的硝酸處理樣品，一是降低試劑空白，二是避免引入氯離子，形成的復(fù)合離子37Cl2對74Ge 的干擾，也可以避免鍺與氯離子形成絡(luò)合物，在加熱過程（86 ℃以上）中揮發(fā)，造成鍺的損失；加入硝酸后放置1 h 或過夜，設(shè)定分階段升溫過程，使樣品中的有機(jī)質(zhì)能夠很好的消解完全。

2.2 鍺同位素的選擇

2.2.1 鍺同位素豐度及主要干擾

鍺的同位素有多個(gè)，其豐度和各自的主要干擾項(xiàng)各不相同，具體見表3。

表3 Ge 同位素豐度及主要干擾Table 3 Isotopes and main interference of Ge

2.2.2 鍺同位素線性相關(guān)性

1.4 配置的Ge 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列，濃度分別為（μg/L）：0、0.1、0.5、1.0、10.0、100 上機(jī)測試，觀察各個(gè)同位素的線性關(guān)系，結(jié)果見表4。

表4 Ge 各個(gè)同位素線性回歸曲線和相關(guān)系數(shù)Table 4 Linear regression curve and correlation coefficient of different isotope of Ge

從表4中可以看出，除76Ge 相關(guān)系數(shù)r 為0.996 9，其他同位素的線性相關(guān)性>0.999 9。

2.2.3 Ge 同位素的干擾及校正

鍺的質(zhì)譜干擾主要有同量異位素重疊、氧化物干擾、雙電荷離子干擾和多原子離子干擾，具體見2.2.1表3。配置一系列不同濃度的 Zn、Ce、Se、Sm、Nd、Fe 單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，測試觀察在Ge 不同同位素上的強(qiáng)度值的變化情況，通過計(jì)算，得到干擾系數(shù)，見表5。

表5 主要干擾元素對Ge 不同同位素的干擾程度Table 5 The interference degree of main interfering elements in different isotopes of Ge

從表5中可以看出，Nd 對72Ge 干擾校正系數(shù)f 為0.016 8 ，Sm 對74Ge 干擾校正系數(shù) f 為 0.006 5，產(chǎn)生明顯干擾；Fe 對72Ge 干擾校正系數(shù)f 為0.004 5，產(chǎn)生明顯干擾，而對74Ge 干擾校正系數(shù)f 為0.000 1，干擾甚微，可以忽略不計(jì)。另外，還有一些同量異位素疊加干擾，主要有如Zn 對70Ge 干擾校正系數(shù)f 為0.024 6，Se對74Ge 干擾校正系數(shù) f 為 0.0356，Se 對 76Ge 干擾校正系數(shù)f 為0.389 6，干擾明顯。

同位素73Ge（7.73%）和76Ge（7.44%），豐度低，靈敏度低，測試穩(wěn)定性差，排除；食品中Fe 的含量遠(yuǎn)高于稀土Nd、Sm 的含量，F(xiàn)e 的氧化物干擾占主導(dǎo)，排除72Ge；Fe 的氧化物對74Ge 的干擾甚微，可以忽略不計(jì)，稀土Nd、Sm 的雙電荷雖然對74Ge 產(chǎn)生明顯干擾，但是食品中Nd、Sm 的含量低，通過優(yōu)化儀器參數(shù)，控制氧化物產(chǎn)率和雙電荷產(chǎn)率均小于3%，盡可能的降低或忽略Nd、Sm 造成的干擾，同時(shí)，74Ge 豐度靈敏度相對較高，因此選擇質(zhì)量數(shù)74Ge 作為測量同位數(shù)。

通過計(jì)算干擾元素單標(biāo)準(zhǔn)溶液在74Ge 的干擾疊加，得出校正方程可以簡化為：

式中：M 指質(zhì)量數(shù)74 的總的測試強(qiáng)度值。

2.3 儀器檢出限與方法檢出限

PlasmaQuant MS 質(zhì)譜儀，獨(dú)特的ReflexION 三維聚焦離子鏡設(shè)計(jì)，使得儀器具有超高的靈敏度，Li＞150 Mcps（/mg/L）、In ＞1 500 Mcps（/mg/L）、Th ＞1 000 Mcps（/mg/L）；在四級桿前，配置了“S”型離軸預(yù)桿，雙離軸四級桿的設(shè)計(jì)使得離子在進(jìn)入主四級桿之前，進(jìn)一步去除中性粒子及光子，可將背景值進(jìn)一步降低，以獲得更高的儀器信噪比。

配置2%的HNO3，連續(xù)測定11 次，以3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算儀器檢出限；隨同樣品做過程空白11 份，計(jì)算測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差和10 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算方法檢出限和方法定量限。結(jié)果為：儀器檢出限為 0.02 μg/L，方法檢出限為 0.9 μg/kg，方法定量限為3.0 μg/kg。

2.4 方法精密度和準(zhǔn)確度

分別選取國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011（小麥）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大蝦）、GBW10052（綠茶）各平行6 份，按照1.3 消解方法處理樣品，上機(jī)測試，結(jié)果見表6。

表6 方法精密度和準(zhǔn)確度Table 6 Precision and accuracy of the method

從表6中可以看出，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）為 5.1%～17.8%，相對誤差（relative error，RE）為 2.7%～12.6%，滿足 DD2005-03《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)樣品分析技術(shù)要求》中的質(zhì)量控制要求RSD%≤20，RE%≤15。GBW10011 的鍺含量接近檢出限，穩(wěn)定性要差一些。

2.5 方法加標(biāo)回收試驗(yàn)

在GBW10052（綠茶）的樣品中，依次加入0.0、0.1、0.2、0.5、1.0 mL 的 100 ng/mL Ge 標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照1.3 消解方法處理樣品，上機(jī)測試，計(jì)算Ge 的回收率，結(jié)果見表7。

從表7中可以看出，回收率在91.4 %～105 %之間，滿足DD2005-03《區(qū)域生態(tài)地球化學(xué)調(diào)查評價(jià)樣品分析技術(shù)要求》中的質(zhì)量控制要求90%～105%。

表7 方法加標(biāo)回收試驗(yàn)Table 7 Standard addition recovery test of the method

3 結(jié)論

PQ-MS 自身獨(dú)特的三維聚焦離子鏡設(shè)計(jì)和“S”型離軸預(yù)桿設(shè)計(jì)，使得測試過程中能夠獲得超高的靈敏度，超低的背景值，為準(zhǔn)確測試食品中痕量的Ge 含量提供可能。高通量密閉微波消解，承壓能力高，同批次可以處理40 多樣品，可以大大提升消解效率。結(jié)合兩種技術(shù)，建立了高通量密閉微波消解-ICP-MS 測定食品中鍺含量的方法，研究顯示稱取0.2 g 樣品，加入10.0 mL 硝酸微波消解，消解完全，溶液清亮，通過對國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011（小麥）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大蝦）、GBW10052（綠茶）進(jìn)行測定，測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相吻合，驗(yàn)證了方法的準(zhǔn)確性。該方法測試食品中的鍺是可行的。