谷物中鍺的干灰化-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定

劉海濤 林建奇 姚夢(mèng)楠 煉曉璐 魏洪敏

[摘要]建立一種干灰化-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法測(cè)定谷物中鍺的方法。采用控溫程序的干灰化為前處理方式，實(shí)現(xiàn)谷物中鍺的原子熒光光譜法測(cè)定。灰化程序：第一步，200℃保持10min;第二步，500℃保持20min的條件下，稱樣2g的谷物樣品灰化效果良好。優(yōu)化儀器參數(shù)和試劑濃度條件，考察燈電流、負(fù)高壓、載氣、酸濃度、還原劑濃度等對(duì)鍺熒光強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，鍺元素濃度0～30μg/L，線性相關(guān)r為0.999，方法檢出限為0.12μg/kg，方法精密度（n=7）在3.9%～5.8%，加標(biāo)回收率為94.5%～104.5%。該方法操作簡(jiǎn)單、高效、穩(wěn)定性良好，適用于谷物中鍺的批量檢測(cè)。

[關(guān)鍵詞]谷物;鍺;干灰化;氫化物發(fā)生;原子熒光光譜法

中圖分類號(hào)：TS210.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

鍺是一種典型的稀散金屬元素。它在地殼里的含量約為1.5ppm，土壤樣品中鍺約含0.2μg/g。在諸多礦物中，它常常以伴生形式存在，常和鉛、鋁等元素混在一起[1]。痕量鍺是動(dòng)植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，它對(duì)生理作用起著重要的作用，具有生物電解質(zhì)作用，能夠加快血液循環(huán)，提高代謝并促進(jìn)身體的自然治愈力等[2-3]。近年來(lái)，對(duì)于鍺的分布以及含量的研究逐漸被關(guān)注。王岙等[4]研究了保健品鍺的石墨爐法測(cè)定，鍺元素以有機(jī)鍺的形式被廣泛用于藥物、保健品等產(chǎn)品，但長(zhǎng)期使用或服用易引起中毒。因此對(duì)于富鍺產(chǎn)品，不宜過(guò)于盲從，應(yīng)該科學(xué)理性對(duì)待。

自古以來(lái)，“民以食為天”。谷物作為人類每天食用的主食，涵蓋的范圍較廣，包括大米、小麥、玉米、豆類等及其他雜糧。由于鍺的存在很分散且土壤中含有痕量的鍺，作為賴以土壤生長(zhǎng)的谷物，有必要進(jìn)行鍺元素檢測(cè)，可為人類的健康提供參考。目前的測(cè)試方法主要有：電感耦合等離子質(zhì)譜法、分光光度法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、極譜法、離子色譜法等。對(duì)于樣品的前處理，李丹等[5]、邢銀娟等[6]采用HF+H3PO4+HNO3或者HF+H3PO4+HNO3+H2SO4對(duì)樣品電熱板濕法消解、微波消解、高壓密封罐消解等，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在易引入誤差干擾。還有鞏海娟等[10]以氧化性混合酸為消解介質(zhì)，利用高通量密閉微波處理，結(jié)果良好但是依然步驟較為繁瑣。因此筆者建立了干灰化法處理，磷酸溶解，快速測(cè)定的氫化物-原子熒光光譜法測(cè)定，該方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、快速，為谷物中鍺的檢測(cè)方法提供完善和參考。

1 原理

樣品經(jīng)馬弗爐一定溫度下灰化，在磷酸酸性介質(zhì)中，溶液中的Ge4+和硼氫化鉀還原劑進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，如（1）、（2）反應(yīng)式，生成揮發(fā)性的氣態(tài)氫化物鍺化氫（GeH4），在氬氣作為載氣的作用下進(jìn)入原子熒光原子化器進(jìn)行原子化。在鍺空心陰極燈釋放特殊光源譜線的照射下，原子化后的基態(tài)鍺原子被激發(fā)至高能態(tài)，由于在高能態(tài)的鍺原子很不穩(wěn)定，在去活化的過(guò)程中以發(fā)射出特征波長(zhǎng)的鍺原子熒光回到基態(tài)，在一定鍺元素濃度下，發(fā)射出的熒光強(qiáng)度和濃度符合朗伯-比爾定律，兩者呈線性關(guān)系。以此為基準(zhǔn)，通過(guò)外標(biāo)法對(duì)未知樣品的鍺元素進(jìn)行定量測(cè)試。

KBH4+3H2O+H+=H3BO3+K++8H*???? （1）

8H*+Ge4+=GeH4（g）+2H2（g）?? ? （2）

式中：H*為活化性氫。

2 材料與方法

2.1 儀器設(shè)備

原子熒光光譜儀（AFS-8510）：北京海光儀器有限公司;鍺空心陰極燈：北京有色金屬研究院;萬(wàn)分之一電子天平：北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;超純水機(jī)（UPW-20N）：北京歷元儀器公司;研缽、電熱板（EH35A plus）：北京萊伯泰科有限公司;TE系列一體式陶瓷纖維馬弗爐：北京盈安美城科學(xué)儀器有限公司;移液槍（100μg/L、1 000μg/L）：大龍科技;陶瓷坩堝（20mL，帶蓋）、篩網(wǎng)（80目）、大米/大豆標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GSB-1/GSB-4）：地球物理地球化學(xué)勘察研究所。

2.2 試劑及耗材

鍺標(biāo)準(zhǔn)液（1 000mg/L）：中國(guó)計(jì)量院;磷酸（優(yōu)級(jí)純）、硫脲（分析純）、硼氫化鉀（優(yōu)級(jí)純）、氫氧化鈉（優(yōu)級(jí)純）：國(guó)藥試劑;分析用水（超純水）;氬氣（99.99%純度）。

還原劑溶液：于50mL燒杯中依次加入5g氫氧化鈉，20mL高純水，溶解。再加入30g的硼氫化鉀，溶解。采用高純水將以上混合溶液轉(zhuǎn)移至1 000mL容量瓶，并定容，混勻。

載流溶液：于1 000mL容量瓶中，加入30mL磷酸，并定容，混勻。

硫脲溶液：于50mL燒杯中稱量10g硫脲，加入30mL純水，于電熱板上加熱并攪拌至溶解，移入100mL容量瓶，并用純水定容，搖勻待用。

2.3 樣品

谷物中，以大米、大豆、玉米為主，于北京順義區(qū)超市采購(gòu)，隨機(jī)選取三種樣品。

2.4 樣品前處理以及試驗(yàn)方法

除了玉米，大米和大豆均是風(fēng)干好的。將采購(gòu)的玉米棒包裹的葉子剝掉，于通風(fēng)處風(fēng)干1周（按北京天氣）。通過(guò)四分法，分別取三種樣品100g。通過(guò)研缽進(jìn)行研磨，分別過(guò)80目篩網(wǎng)，塑封袋保存待用。

于陶瓷坩堝中，稱取2g樣品，帶上蓋子;將稱好樣品的陶瓷坩堝放置于馬弗爐中，設(shè)置馬弗爐灰化程序（見(jiàn)表1），啟動(dòng)灰化?；一Y(jié)束，取出冷卻。

在灰化后的谷物樣品中，加入7.5mL磷酸，沿坩堝內(nèi)壁淋洗確保所有樣品灰徹底溶解，并用純水多次清洗轉(zhuǎn)移入25mL比色管。接著，加入5mL硫脲溶液，純水定容至刻度，搖勻待測(cè)。同時(shí)，做試劑空白試驗(yàn)。

2.5 儀器參數(shù)條件

鍺空心陰極燈電流80mA，光電倍增管負(fù)高壓270V，爐高8mm，氬氣載氣流量500mL/min，氬氣屏蔽氣流量1 000mL/min，延遲時(shí)間5s，讀數(shù)時(shí)間12s，進(jìn)樣體積1.0mL。

2.6 標(biāo)準(zhǔn)曲線配制

將鍺標(biāo)準(zhǔn)液稀釋成1mg/L。取7個(gè)25mL比色管，依次加入10mL純水，7.5mL磷酸，5.0mL硫脲溶液。再用移液槍依次加入0L，25L，50L，125L，250L，500L，750L的1mg/L鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液，高純水定容，搖勻。得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線系列濃度依次為0μg/L，1μg/L，2μg/L，5μg/L，10μg/L，20μg/L，30μg/L。

2.7 方法學(xué)評(píng)價(jià)

方法學(xué)的評(píng)價(jià)涉及試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可靠性，是驗(yàn)證試驗(yàn)方法是否可行的關(guān)鍵[7-9]。因此結(jié)合本試驗(yàn)方法實(shí)際，筆者分別設(shè)計(jì)了以下試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目：準(zhǔn)確性、加標(biāo)回收率、精密度以及檢出限，并對(duì)這些驗(yàn)證項(xiàng)目的結(jié)果進(jìn)行分析，以此作為評(píng)估方法學(xué)的可行依據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 測(cè)試條件優(yōu)化

原子熒光光譜儀采用一定負(fù)高壓下的僅對(duì)近紫外光源敏感的日盲光電倍增管（PMT）作為檢測(cè)器，檢測(cè)的穩(wěn)定性與負(fù)高壓大小息息相關(guān)。負(fù)高壓決定日盲光電倍增管的光電信號(hào)放大倍數(shù)，直接影響儀器的噪聲。并且經(jīng)原子化后的基態(tài)原子，能否最大限度地躍遷并釋放較強(qiáng)的原子熒光，取決于特殊光源的空心陰極燈的光源強(qiáng)度，而這個(gè)光源強(qiáng)度強(qiáng)弱來(lái)源于給空心陰極燈供電的電流大小。作為原子熒光光譜儀分析，必須把硬件的狀態(tài)調(diào)至最佳，才能保證整體的測(cè)試是穩(wěn)定的。筆者分別對(duì)負(fù)高壓以及燈電流進(jìn)行了梯度試驗(yàn)：固定燈電流為默認(rèn)電流80mA，負(fù)高壓從250V、260V、270V、280V、290V、300V、310V、320V、330V、340V，鍺的熒光強(qiáng)度逐漸上升，340V負(fù)高壓狀態(tài)下熒光強(qiáng)度最高，但是穩(wěn)定性不是很理想（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差大于15%）?；诖耍總€(gè)負(fù)高壓條件下均進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，最后選擇負(fù)高壓270V（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.2%），電流為空心陰極燈出廠默認(rèn)值，配合負(fù)高壓調(diào)整至足夠的熒光強(qiáng)度以及較好的穩(wěn)定性[10-12]。

除此之外，氫化物發(fā)生原理是一個(gè)實(shí)時(shí)、在線、動(dòng)態(tài)的氧化還原的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，當(dāng)產(chǎn)生了穩(wěn)定的氫化物之后，應(yīng)確保原子化過(guò)程是正常的，基態(tài)原子激發(fā)后去活化產(chǎn)生的熒光不猝滅而被檢測(cè)器檢測(cè)到，這就要求屏蔽氣足夠而且穩(wěn)定。本試驗(yàn)過(guò)程，筆者為保證屏蔽氣防止熒光猝滅，將屏蔽氣調(diào)整至1 000mL/min，調(diào)整載氣大小：300mL/min、400mL/min、500mL/min、600mL/min，以此試驗(yàn)穩(wěn)定性。載氣大小影響著能否及時(shí)徹底地促進(jìn)氧化還原反應(yīng)以及徹底地將產(chǎn)生的氫化物氣態(tài)物質(zhì)送入原子化器，避免氫化物殘留至管壁引起記憶效應(yīng)帶來(lái)的不穩(wěn)定。結(jié)果表明，當(dāng)載氣在500mL/min時(shí)，穩(wěn)定性比較理想（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1%），過(guò)大的氣流量使得流路過(guò)程產(chǎn)生湍流現(xiàn)象，反而引起氧化還原反應(yīng)的不穩(wěn)定，最終影響儀器測(cè)定的穩(wěn)定性。因此，最后選擇載氣500mL/min，屏蔽氣1 000mL/min作為谷物中鍺的測(cè)定參數(shù)條件[13-16]。

3.2 還原劑濃度和樣品酸度的選擇

在條件優(yōu)化中提到了儀器硬件方面的調(diào)整，對(duì)于原子熒光光譜分析原理中，鍺之所以可以采用該儀器進(jìn)行分析，主要的一個(gè)化學(xué)特性就是酸化的四價(jià)鍺離子可以和還原劑硼氫化鉀氧化還原成氣態(tài)氫化鍺。所以這是鍺元素分析的核心特性，涉及酸介質(zhì)、酸介質(zhì)濃度、還原劑濃度是否匹配。本試驗(yàn)選擇磷酸為酸介質(zhì)，主要原因是磷酸可以和四價(jià)鍺離子反應(yīng)成絡(luò)合物而相對(duì)穩(wěn)定地存在于溶液中，便于檢測(cè)。在對(duì)磷酸和還原劑濃度的梯度試驗(yàn)中，見(jiàn)圖2。本試驗(yàn)選擇30%的磷酸（V/V）以及3%的硼氫化鉀（m/m）以確保鍺的氫化物反應(yīng)順利進(jìn)行，并得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的分析數(shù)據(jù)。

3.3 干擾實(shí)驗(yàn)

谷物中的Fe、Cu、Mn、Zn、Ca等金屬元素含量較高ppm級(jí)別[17-18]。在氫化物發(fā)生反應(yīng)過(guò)程，過(guò)高含量的這些元素總是對(duì)檢測(cè)存在影響，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Cu大于500ppm使得鍺的檢測(cè)結(jié)果嚴(yán)重偏低。筆者采用一定濃度的硫脲進(jìn)行掩蔽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改善效果明顯。故在灰化過(guò)后的溶樣中加入2%的硫脲（m/m）以起到信號(hào)掩蔽劑的作用。

3.4 干灰化條件摸索

由于鍺屬于低溫?fù)]發(fā)性元素，鍺的化合物易于揮發(fā)，用石墨爐原子吸收法測(cè)鍺，為避免鍺在灰化階段以揮發(fā)性GeO（710℃升華）形式損失，需加入基體改進(jìn)劑，起到穩(wěn)定鍺的作用。還有研究表明，鍺的化合物如GeCl4以及其他鹵素化合物是揮發(fā)性氣體。所以，在灰化過(guò)程需試驗(yàn)并考慮灰化溫度以及樣品中是否含有大量的鹵素元素、是否在灰化過(guò)程對(duì)鍺的揮發(fā)起到作用。試驗(yàn)初期，選取灰化溫度為300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃，在干凈的坩堝中加入1mL的10g/L的鍺標(biāo)準(zhǔn)溶液分別在不同灰化溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在550℃以上鍺的含量開(kāi)始損失5%，700℃時(shí)鍺的含量損失20%。因此，為了保證徹底灰化且不損失，灰化溫度定為500℃，保持20min。由于實(shí)際灰化樣品時(shí)，出現(xiàn)了谷物樣品粉末在升溫過(guò)程容易爆燃現(xiàn)象，因此為緩解該現(xiàn)象設(shè)置了干燥步驟200℃，保持10min，并配備蓋子，有效緩解升溫灰化過(guò)程造成損失，確保所有樣品徹底灰化，以達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)試的目的。

3.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線以及方法檢出限

按1.6標(biāo)準(zhǔn)曲線點(diǎn)，依次測(cè)試擬合，一次線性回歸方程為：y=182.36x+12.28，線性相關(guān)r=0.999 2。方法檢出限采用連續(xù)測(cè)試11次樣品空白濃度值，并計(jì)算11次空白濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD=0.08μg/L，最后方法檢出限以DL=3×SD計(jì)算，得到檢出限為0.24μg/L，AFS-8510原子熒光光譜儀的進(jìn)樣體積為1mL，而實(shí)際樣品稱樣重量為2g，那么換算后本方法的方法檢出限為0.12μg/kg。

3.6 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

查詢谷物相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，選取大米/大豆標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GSB-1（標(biāo)準(zhǔn)值Ge：5μg/kg）、GSB-4（標(biāo)準(zhǔn)值Ge：2.5μg/kg）。通過(guò)灰化，磷酸直接溶解上機(jī)檢測(cè)，結(jié)果實(shí)測(cè)值：GSB-1，4.82μg/kg;GSB-4，2.64μg/kg。相比之下，實(shí)測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值相當(dāng)，準(zhǔn)確度良好。

3.7 精密度以及加標(biāo)回收試驗(yàn)

考察實(shí)際樣品的加標(biāo)回收率和精密度，以驗(yàn)證穩(wěn)定性以及灰化處理是否可靠。同準(zhǔn)確度測(cè)試方法，分別對(duì)大米、大豆、玉米樣品進(jìn)行檢測(cè)，由于谷物中鍺的含量均較低，因此加標(biāo)回收試驗(yàn)選擇加標(biāo)2μg/kg（通過(guò)加入標(biāo)準(zhǔn)溶液換算），每個(gè)加標(biāo)平行7次試驗(yàn)，得出結(jié)果計(jì)算精密度。得出精密度3.9%～5.8%，回收率為94.5%～104.5%，兩者數(shù)據(jù)均符合實(shí)際樣品檢測(cè)需求（見(jiàn)表2）。

4 結(jié) 論

相比混酸消解的前處理方式，本文應(yīng)用馬弗爐控溫程序的干灰化處理-磷酸直接溶解的氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法對(duì)谷物中鍺的檢測(cè)，分析結(jié)果良好，檢出限、精密度、回收率均滿足檢測(cè)需求，為谷物中鍺元素的分析提供方法參考。另外，鍺是人體必需的元素，通過(guò)本試驗(yàn)的分析，常規(guī)谷物中均含有一定痕量的鍺，可為人們?nèi)粘５娘嬍辰】堤峁﹨⒖肌?/p>

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Determination of Germanium in Grain By Dry Ashing-Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry

Liu Haitao，Lin Jianqi，Yao Mengnan，Lian Xiaolu，Wei Hongmin

（Beijing Haiguang Instrument Co.，Ltd.，Beijing 101312）

Abstract：Method for the determination of germanium in grain by dry ashing-hydride generation-atomic fluorescence spectrometry was established. The determination of germanium in grain by atomic fluorescence spectrometry （afs） was realized by dry ash pretreatment with temperature control program. In the ashing process： in the first step， keep it at 200℃ for 10min; In the second step， under the condition of keeping at 500℃ for 20min， the grain sample of 2g had good ashing effect. The influence of lamp current， negative high voltage， carrier gas， acid concentration and reducing agent concentration on the fluorescence intensity of germanium was investigated. The results showed that the concentration of germanium was 0～30μg/kg， linearly correlated was better than 0.999， the detection limit of the method was 0.12g/K， the method precision（n=7）was between3.9%～5.8%，and the standard recovery was between 94.5%～104.5%.The method is simple， efficient and stable， and is suitable for the bulk detection of germanium in grain.

Key Words：grain，germanium，dry ash，hydride generation，AFS

收稿日期：2020-02-14

作者簡(jiǎn)介：劉海濤，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事項(xiàng)目管理。