全自動石墨消解法在檢驗糧食中總砷的應(yīng)用

胡學(xué)春，任凌云，王麗娟，金增偉，吳真真，趙 瑩，王瑞杰

（1. 山東省糧油檢測中心，濟(jì)南 250100；2. 山西糧食質(zhì)量監(jiān)測中心，太原 030024）

在樣品檢測工作中，樣品的前處理是整個分析工作的關(guān)鍵步驟，也是最耗時的一步，對分析方法的準(zhǔn)確度、精密度、檢測限、重現(xiàn)性都有直接的影響[1]，特別是無機(jī)元素樣品的消化處理，更是一個復(fù)雜且關(guān)鍵的步驟。樣品前處理是關(guān)系到檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的重要環(huán)節(jié)，而樣品分析全過程中人員耗時90%以上為樣品前處理，檢測結(jié)果的誤差也主要是化驗人員操作的不一致造成的，而樣品前處理結(jié)束后的儀器分析誤差一般是系統(tǒng)誤差，是可以控制的。

目前，無機(jī)元素檢測樣品前處理普遍采用的方法有濕法消解法、壓力罐消解法、微波消解法、灰化法、過硫酸銨灰化法、回流消解法等，消解完全的樣品經(jīng)趕酸、轉(zhuǎn)移、定容、搖勻后上機(jī)分析。以上消解方法按大類可分為濕法和干法，濕法的優(yōu)點(diǎn)是對于大多數(shù)樣品都是適合的，缺點(diǎn)是硝酸和高氯酸分解產(chǎn)生的NO2、Cl2等酸霧對人體損害大，嚴(yán)重污染環(huán)境，難以形成批量化操作，消解速度慢，有時甚至需要再加酸進(jìn)行二次消解，甚至?xí)幸欢ǖ奈ｋU，為解決批量化消解和難消解樣品如油料、植物油等問題，開發(fā)出壓力罐消解法和微波消解法，壓力罐消解法解決了難消解樣品的消解問題，但危險度大、時間長、難以形成批量消解，微波消解儀引入后，解決了大批量樣品的消解問題，消解批量大、速度快，國家制定了標(biāo)準(zhǔn)，該法普遍受到認(rèn)可，但是冷卻、趕酸、轉(zhuǎn)移、定容又耗費(fèi)了大量時間，總體速度也不快；干灰化法由于溫度太高容易使部分元素流失導(dǎo)致結(jié)果偏低[2]，受馬弗爐腔體大小的限制，一次只能消化數(shù)個樣品，大米結(jié)構(gòu)緊密，淀粉含量高，比較難被消解[3]，一般樣品按標(biāo)準(zhǔn)操作不能完全灰化，再用硝酸溶解進(jìn)行二次消化還需要很長時間，總之，灰化法費(fèi)時、費(fèi)力、不能成批量操作，為解決樣品難灰化問題，技術(shù)人員研究了加入過硫酸銨氧化樣品，達(dá)到完全灰化的目的，加入過硫酸銨的時間是在碳化冷卻后，加2.00～3.00 g覆蓋于樣品上面，繼續(xù)炭化至不冒煙，由于過硫酸銨屬于易燃、易爆品，尤其在樣品還沒有完全冷卻時，極易發(fā)生爆炸，增加了工作的危險性。濕法和干灰化法共同的缺點(diǎn)都是需要將消化完全的樣品經(jīng)過趕酸、轉(zhuǎn)移、定容，國家標(biāo)準(zhǔn)要求定容體積一般為10 mL或者25 mL，這個體積的容量瓶瓶口小，溶液不易倒入，容易造成樣品溶液轉(zhuǎn)移損失，且清洗三次很容易超過容量瓶的體積，為保證不超過容量瓶體積，只能用更少量的清洗液，又會造成樣品轉(zhuǎn)移不徹底，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度。

石墨消解法是建立在濕法消解的基礎(chǔ)上，將硝酸和高氯酸以蠕動泵或注射泵自動、連續(xù)、定量加入到消化管中，通過程序升溫實(shí)現(xiàn)自動消化和趕酸，通過超聲波測量液體高度實(shí)現(xiàn)自動定容，經(jīng)過凸輪旋轉(zhuǎn)達(dá)到自動搖勻，最后將消解好的糧食樣品通過原子吸收分光光度計（AA）、原子熒光光度計（AFS）等儀器定量檢測溶液中的金屬離子含量，從稱樣到消化完畢大概用時4 h，每批次可以同時消解60～80個樣品，整批樣品消解所用時間是微波消解法的1/3左右。

目前無機(jī)元素常用的定量分析儀器有 AA、AFS、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）和電感耦合等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（ICP-MS），現(xiàn)在的分析儀器已經(jīng)具有自動進(jìn)樣、自動扣背景、自動分析數(shù)據(jù)等自動化程度很高的功能，解決樣品消解的自動化是實(shí)現(xiàn)檢測全過程自動化的關(guān)鍵。

隨著全自動石墨消解儀的生產(chǎn)和應(yīng)用，石墨消解法因具有自動化程度高、通道多、準(zhǔn)確度高、精密度好的優(yōu)點(diǎn)，且該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了加酸、消化、趕酸、定容、搖勻等樣品前處理全過程的自動化，因此，“GB 5009.12—2017食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測定”把該方法列為樣品前處理的第一法，為石墨消解法的推廣應(yīng)用建立了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。但因為標(biāo)準(zhǔn)給出的實(shí)驗條件無法一次性將樣品消解完全，有時甚至二次加酸也不能完全消解，實(shí)驗人員普遍認(rèn)為石墨消解儀不好用。本文經(jīng)過大量的實(shí)驗，確定了糧食的消解條件，實(shí)現(xiàn)了一次性批量、完全消解糧食樣品。該方法的應(yīng)用，可以把檢驗人員從繁雜的勞動中解脫出來，把更多的時間用來研究檢測方法，保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

HNO3（AR，GR）：南京化學(xué)試劑股份有限公司；HClO4（AR）：天津政成化學(xué)制品有限公司；HL-60型石墨消解儀：濟(jì)南精銳科學(xué)儀器儀表有限公司；AFS-933型原子熒光光度計：北京吉天儀器有限公司；T6新世紀(jì)型分光光度計：北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；GIS 500型紅外溫度計：臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司；電子分析天平，感量0.1 mg：梅特勒-托利多國際貿(mào)易（上海）有限公司；BLK-560K型垂片式旋風(fēng)磨：浙江伯利恒儀器設(shè)備有限公司；大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，GBW 100356，GBW 10044：鋼鐵研究總院分析測試研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品處理

小麥、玉米、糙米樣品用垂式旋風(fēng)磨粉碎至90%通過40目篩，合并篩上和篩下物。

1.2.2 石墨消解法

小麥、玉米、糙米的消解方法，參考 GB 5009.12—2017并進(jìn)行調(diào)整。

GB 5009.12—2017中固體試樣的消解方法，對于小麥、玉米、糙米是不能完全消化的，一般需要二次加酸消化，因為高氯酸和硝酸的危險性，加酸需要冷卻后操作，這對于實(shí)驗人員來說，需要逐一檢查，又要長時間等待，是不能接受的。本文經(jīng)過不斷的探索、研究，確定了以下消化條件，可以滿足小麥、玉米、糙米，在樣品量是1.5 g時，一次消解完全，消解后殘留溶液約2 mL，溶液呈無色或淡黃色。

本研究方法為：稱取粉碎后的試樣(1.5±0.1) g（精確至0.000 1 g）于聚四氟乙烯消化管中，加入16 mL硝酸和4 mL高氯酸，在石墨消解儀中加熱消解（參考條件：120 ℃/1 h；升溫至180 ℃/0.5 h、升溫至200～220 ℃/0.3 h，消化液一般呈無色透明或略帶黃色。若消化液呈棕褐色，再加5 mL硝酸，消解至冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色，用水定容至50 mL（為防止儀器過載，保持被檢元素濃度大致一致），自動搖勻3 min。同時做試劑空白試驗。消化液上機(jī)分析。

1.2.3 微波消解法

小麥、玉米、糙米的消解方法：取稱試樣(0.48±0.005) g（精確至0.001 g）于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，按照微波消解的操作步驟消解試樣。冷卻后取出消解罐，在電熱板上于 140～160 ℃趕酸至1 mL左右。消解罐放冷后，將消化液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用少量水洗滌消解罐2～3次，合并洗滌液于容量瓶中并用水定容至刻度，混勻備用。同時做試劑空白試驗。消化液上機(jī)分析。

1.2.4 AFS-933儀器條件

光電倍增管負(fù)高壓：270 V；原子化器高度：8 mm；燈電流：A道 60 mA；載氣流量：400 mL/min；屏蔽氣流量：800 mL/min。

1.3 石墨消解儀指標(biāo)測試

1.3.1 自動程序升溫試驗

石墨消解儀啟動自動加熱程序，設(shè)置升溫至250 ℃，測定升溫時間的重復(fù)性。

1.3.2 120 ℃孔間溫差測試

取花生油 14.0 g加入到聚四氟乙烯消解管中，加熱到 120 ℃，待油的溫度穩(wěn)定后（約需50 min），測定不同孔的油溫。

1.3.3 自動定容體積測試

設(shè)定定容體積10 mL，自動加入蒸餾水，在分析天平上稱量加入水的質(zhì)量 m，同時測量水的溫度（t=28.0 ℃）。消化管在標(biāo)準(zhǔn)溫度20 ℃時等實(shí)際容量按公式1計算：

式中：V20—標(biāo)準(zhǔn)溫度 20 ℃時被檢器具的實(shí)際容量，mL；ρB—砝碼密度，取8.00 g/cm3；ρA—測定時實(shí)驗室內(nèi)的空氣密度，取0.001 2 g/cm3；ρw—蒸餾水t℃時的密度，28.0 ℃時蒸餾水的密度為0.996 262 3 g/cm3；β—被測器具的體脹系數(shù)，聚四氟乙烯的β=10×10-5℃-1；t—檢定時蒸餾水的溫度，℃；m—被檢消化管內(nèi)所能容納水的表觀質(zhì)量，g。

同理，測定25 mL、50 mL定容的實(shí)際體積。

1.3.4 自動旋搖效果測試

1.3.4.1 最佳吸收波長的確定 準(zhǔn)確吸取25.00 mL 0.1 mol/L的硫酸溶液，置于玻璃消化管中，準(zhǔn)確加入100 μL 5 %的甲基紅乙醇指示劑，搖勻，在400～580 nm范圍內(nèi)每隔20 nm測定吸光度A。

1.3.4.2 搖勻時間的確定 消化管中加入25.00 mL 0.1 mol/L的硫酸溶液，準(zhǔn)確加入100 μL 5 %的甲基紅乙醇指示劑，做8個平行搖勻試驗，搖勻速度3 r/s，分別搖勻1、2、3 min，在最佳吸收波長下，分別測其吸光度值A(chǔ)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。線性方程：

I=98.11×C-10.51 相關(guān)系數(shù)：r=0.999 8

圖1 原子熒光光度計測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of atomic fluorescence spectrometer test results

2.2 石墨消解儀指標(biāo)測試結(jié)果

2.2.1 自動程序升溫試驗結(jié)果

石墨消解儀從室溫加熱至250 ℃，升溫時間(34±1) min，升溫時間具有很好的重復(fù)性，從而保證不同時間實(shí)驗時具有很好的重復(fù)性。

2.2.2 120 ℃孔間溫差測試結(jié)果

二次重復(fù)試驗的液體溫度平均值為 108.2～109.4 ℃，取包含因子k=2（置信概率約為95%）時，不確定度U(y)=0.9～1.0 ℃。孔間溫差具有很好的一致性和重復(fù)性，保證了每個樣品的受熱溫度即吸收熱量的一致性，從而保證不同樣品的消解效果一致，設(shè)定溫度120 ℃與實(shí)測溫度不一致，是因為傳熱和散熱的平衡，對消解效果不影響。

2.2.3 自動定容體積測試結(jié)果

實(shí)驗結(jié)果見表 1。10、25、50 mL 三種體積的測量結(jié)果分別為(10.006±0.031) mL、(24.99±0.03) mL 和(49.99±0.02) mL，滿足“JJG196—2006玻璃儀器檢定規(guī)程”中對B級容量瓶的容量允差分別為(10.000±0.040) mL、(25.00±0.06) mL 和(50.00±0.10) mL的要求。

對于定量分析，消化液定容體積的準(zhǔn)確度，是影響分析結(jié)果的關(guān)鍵因素之一，本消解儀通過超聲波測定液面高程，在消化管橫截面積一定的情況下，液面高度即代表了體積，用紅外線測定液體的溫度，通過內(nèi)置程序自動校準(zhǔn)液體的體積。

表1 不同定容體積的平均值、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差、不確定度Table 1 The average value, rsd and uncertainty of different constant volumes

2.2.4 自動旋搖效果測試結(jié)果

2.2.4.1 最佳吸收波長的確定結(jié)果 最佳吸收波長為520 nm，結(jié)果見圖2。

2.2.4.2 搖勻時間的確定結(jié)果 在確定最佳吸收波長520 nm下，分別測其吸光度值A(chǔ)。從搖勻1、2、3 min吸光度值A(chǔ)的RSD看，選擇搖勻1、2、3 min均可滿足搖勻的要求，為保證搖勻效果，選擇搖勻3 min。實(shí)際上，因為消化后的溶液體積很小，大約在 1 mL左右，加入稀釋液的沖力，相當(dāng)于自動攪勻。

2.3 石墨消解法檢測大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度試驗

按照 1.2.2石墨消解方法消化大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)至溶液透明，用原子熒光光度計測定總As，結(jié)果見表2。

2.4 微波消解法檢測大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度試驗

按照 1.2.3微波消解法消化大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)至溶液透明，用原子熒光光度計測定總As，結(jié)果見表3。

表2 石墨消解法檢測結(jié)果Table 2 Results of graphite digestion method

2.5 微波消解法和石墨消解法檢測大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度評價

用RSD評價精密度，用相對誤差評價準(zhǔn)確度，微波消解法和石墨消解法試驗結(jié)果表明：測定大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的總As，石墨消解法的準(zhǔn)確度和精密度明顯好于微波消解法，主要原因是石墨法稱取的樣品數(shù)量是微波法的 3倍，樣品的代表性更高，消解液中被測元素的濃度更高，對于痕量分析來說，提高樣品的代表性和被測元素在溶液中的濃度，具有非常重要的意義。因為大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中總As含量較高，石墨消解法的定容體積是50 mL，而在實(shí)際檢測工作中，對于低濃度樣品來說，定容體積為25 mL或者10 mL，對檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性會更有利。

表3 微波消解法檢測結(jié)果Table 3 Results of microwave digestion method

3 結(jié)論

石墨消解法就是在傳統(tǒng)濕法消解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自動加酸、自動程序控溫、自動消化、自動趕酸、自動定容、自動搖勻，減小了樣品前處理的系統(tǒng)誤差，提高了勞動效率。石墨消解法消解大米標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.25%～6.86%，檢驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差為 5.66%～7.55%，微波消解法消解大米標(biāo)準(zhǔn)樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.67%～12.20%，檢驗結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差為17.9%～21.7%。

石墨消解法稱樣數(shù)量是微波法的3倍，樣品更具有代表性，被測元素在消化液中的濃度更高，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度明顯提高。石墨消解法有現(xiàn)行國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)支撐。石墨消解儀升溫時間及溫度控制具有很好的重復(fù)性，從而保證不同時間實(shí)驗時具有很好的重復(fù)性。石墨消解儀孔間溫差具有很好的一致性，保證每個樣品的受熱溫度即吸收熱量的一致性，從而保證樣品消解效果的一致性。對石墨消解儀10、25、50 mL三種體積的校準(zhǔn)結(jié)果滿足“JJG196—2006玻璃儀器檢定規(guī)程”中對B級容量瓶的容量允差的要求。