硝酸-過氧化氫敞口消解/電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測定植物樣品中砷

楊曉霞 史 文 郭 偉 鄒 俊 李亞麗 汪 洪

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，國家化肥質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(北京)，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全肥料源性因子風(fēng)險(xiǎn)評估實(shí)驗(yàn)室(北京)，北京 100081；2.湖南工程學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 湘潭 411104)

前言

砷是世界衛(wèi)生組織確定的高毒致癌物質(zhì)[1-2]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，砷主要是通過工業(yè)“三廢”、農(nóng)業(yè)利用等方式進(jìn)入土壤，施用含砷的農(nóng)藥、化肥、有機(jī)肥料等也是土壤中砷的重要來源之一。砷不僅會對植物生長產(chǎn)生毒害作用，且在植物的可食部位累積通過食物鏈對人體健康構(gòu)成威脅[1-4]。準(zhǔn)確測定植物中砷含量具有重要的意義。

生物組織樣品中砷提取方式包括濕法消解法、酸提法、微波消解法和超聲提取法。微波消解法和超聲提取法的處理時(shí)間短，砷元素不易損失，準(zhǔn)確度、精密度較好，但成本較高，趕酸需要一定時(shí)間。消解液中砷測定方法主要有原子熒光光譜(AFS)法、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法以及電感耦合等離子原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法[5-8]。AFS法只能單元素測定，靈敏度稍低，消解后的樣品加入硫脲等還原劑，將砷(V)還原為砷(III)后進(jìn)行砷的測定，消解后殘留的有機(jī)顆粒物和硝酸等會對測定造成干擾。ICP-MS法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的元素測定技術(shù)，具有靈敏度高、檢出限低、分析速度快，且能同時(shí)進(jìn)行多元素分析等特點(diǎn)，已被應(yīng)用于食用植物中微量元素和重金屬元素分析。

國家標(biāo)準(zhǔn)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中總砷及無機(jī)砷的測定》(GB 5009.11—2014)規(guī)定了食品中總砷的測定方法，其中利用微波消解和高壓密閉消解法-硝酸消解食品樣品，趕酸后消解液中總砷含量利用ICP-MS法測定，稱樣量為1 g左右，定容體積25 mL，方法檢出限為0.003 mg/kg。該標(biāo)準(zhǔn)還采用硝酸-高氯酸濕法消解或干灰化法前處理，加入硫脲使五價(jià)砷轉(zhuǎn)化為三價(jià)砷，再加入硼氫化鈉或硼氫化鉀，生成砷化氫，利用氫化物發(fā)生原子熒光光度法測定食品中總砷，稱樣量為1 g，定容25 mL，方法檢出限為0.010 mg/kg。姜新等[9]比較不同前處理方法如干法灰化法、濕法消解法、微波消解法、硝酸預(yù)處理-干灰化法4種前處理方法對原子熒光光譜法測定食品中總砷測定結(jié)果的影響。結(jié)論認(rèn)為硝酸預(yù)處理-干灰化法適用于食品特別是富含有機(jī)砷的食品中總砷的測定，傳統(tǒng)干灰化法、微波消解和濕法消解法適用于樣品中砷存在形式比較簡單的食品樣品。陳必琴[10]采用不同的混合酸(硝酸+高氯酸法、硝酸+高氯酸+硫酸法)對大米粉、芹菜粉、紫菜、甘藍(lán)和楊樹葉進(jìn)行前處理，用氫化物原子熒光光譜法對其總砷含量進(jìn)行測定。研究結(jié)果表明：大米粉、芹菜粉采用2種前處理方法測定總砷結(jié)果基本一致；而對紫菜粉用硝酸+硫酸+高氯酸的前處理方法檢測結(jié)果較準(zhǔn)確。高峰等[11]采用HNO3+H2O2(6+1)結(jié)合微波消解前處理大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，利用ICP-MS法對其中砷、鉛、鎘、硒、鋁等元素進(jìn)行測定，所得各元素均在質(zhì)控范圍內(nèi)，回收率均在90.0%～101%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(n=6)在2.4%～6.1%。但I(xiàn)CP-MS法測定75As存在質(zhì)譜干擾，如多原子離子40Ar35Cl、40Ca35Cl、74Ge1H 以及雙電荷離子150Sm2+、150Nd2+，另外砷加氧反應(yīng)方程的標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓為0.6 kJ/mol，砷更易與氧發(fā)生反應(yīng)生成氧化物。因此利用酸消解植物樣品，通過ICP-MS測定砷含量，需要研究植物樣品消解前處理和ICP-MS測定過程控制，以減輕或消除基體效應(yīng)以及測定干擾。

本文選取玉米秸稈與籽粒、小麥秸稈與籽粒、煙草等5種不同的植物樣品，避免使用HCl、HClO4，加入硝酸-過氧化氫進(jìn)行敞口消解，消解后期升溫進(jìn)行趕酸，通過ICP-MS的He碰撞模式測定消解液中砷含量；研究目的是擬建立方法，利用硝酸-過氧化氫敞口消解植物樣品，采用ICP-MS法測定其中砷含量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器設(shè)備

硝酸(HNO3)、過氧化氫(H2O2)和高氯酸(HClO4)均為優(yōu)級純。

質(zhì)譜調(diào)諧液：含7Li、59Co、89Y、140Ce、205Ti，濃度為10 μg/L。

內(nèi)標(biāo)72Ge溶液濃度為500 μg/mL。

精密分析天平(精確至0.000 1 g)、超純水系統(tǒng)(25 ℃時(shí)電阻率18.2 MΩ·cm)、Aglient-7700X電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS(安捷倫科技(中國)有限公司)、AIM600自動(dòng)程序控制消解儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

分別稱取粉碎過篩(0.149 mm孔徑)玉米秸稈、玉米籽粒、小麥秸稈、小麥籽粒、煙草煙葉等5種植物樣品0.5 g(精確至0.000 1 g)于消解管中，每管中加入5 mL硝酸，靜置30 min，將消解管放入消解系統(tǒng)中，設(shè)置消解程序?yàn)槊糠昼娚仙? ℃，在110 ℃下消解2 h。消解完全后，取出消解管，冷卻后加入3 mL過氧化氫，消解后進(jìn)行趕酸，趕酸溫度調(diào)節(jié)至170 ℃，待消解液剩余約1 mL，停止趕酸，取出消解管，冷卻至室溫后，將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，用超純水洗滌并定容至刻度，混勻待測。同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。

消解液直接導(dǎo)入樣品管中，利用ICP-MS法測定砷含量，72Ge作為內(nèi)標(biāo)。調(diào)試儀器狀態(tài)，ICP-MS的工作條件如表1所示。確認(rèn)靈敏度、氧化物、雙電荷是否達(dá)到要求，確認(rèn)儀器分辨率/質(zhì)量軸符合要求。選擇He碰撞反應(yīng)模式測定。

表1 ICP-MS儀器工作參數(shù)Table 1 Optimized experimental parameters of ICP-MS

選擇國家生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011(GSB-2，小麥)和GBW10020(GSB-11，柑橘葉)按照上述步驟消解測定。選擇國家生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10010a(GSB-1a，大米)和GBW10016a(GSB-7a，大米)，按照硝酸-過氧化氫和硝酸-高氯酸兩種敞口消解方法對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別進(jìn)行消解，同時(shí)作空白實(shí)驗(yàn)。

選擇上述5種不同的植物樣品，每種植物樣品分別加入2.5 mL與5.0 mL濃度為100 μg/L的As標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照上述步驟消解測定，計(jì)算加標(biāo)回收率。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作

吸取不同體積As標(biāo)準(zhǔn)溶液(濃度為10 mg/L)置于50 mL容量瓶中，稱重(精確至0.000 1 g)，用超純水定容后再次稱重，計(jì)算得到濃度分別為0、0.30、0.49、1.03、5.06、11.50 μg/L系列As標(biāo)準(zhǔn)溶液。制作標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示，橫坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，縱坐標(biāo)為ICP-MS 儀器測定的樣品元素計(jì)數(shù)值(CPS)與內(nèi)標(biāo)元素測定的計(jì)數(shù)值比率，相關(guān)系數(shù)為R=0.999 9。

圖1 ICP-MS測定植物樣品As含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線Figure 1 The standard curve used for the As determination in plant samples by ICP-MS.

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

測量值xi的算術(shù)平均值為樣品As估計(jì)值，標(biāo)準(zhǔn)偏差用貝塞爾公式計(jì)算，即：

相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)/%=標(biāo)準(zhǔn)偏差/計(jì)算結(jié)果算術(shù)平均值×100%；

儀器檢出限=3倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品消解與質(zhì)譜測定模式的選擇

植株樣品前處理常用消解用酸有HNO3、HClO4和H2O2試劑。HClO4為易爆物，與H2O2相比沸點(diǎn)較高，趕酸過程時(shí)間較長，另氯離子對砷具有較大的質(zhì)譜干擾，待測液中存在40Ar35Cl、40Ca35Cl 等干擾75As測定。ICP-MS測定模式中，氦氣碰撞模式利用惰性氣體He碰撞消除多原子離子的干擾，原理是基于動(dòng)能歧視效應(yīng)：多原子離子比同等質(zhì)量的分析物離子直徑大，橫截面大，在碰撞池中與碰撞氣有更多的碰撞概率，且離子能量低，在一個(gè)適當(dāng)截止電壓下，可阻止它們離開碰撞池，能量較高的分析物離子通過碰撞池到達(dá)分析器。該模式能在一定程度上消除多原子離子40Ar35Cl、40Ca35Cl 對75As測定的質(zhì)譜干擾。No gas 模式基響應(yīng)的信號會高些，但沒法消除質(zhì)譜干擾。

表2結(jié)果表明：與HNO3+H2O2消解空白溶液相比，HNO3+HClO4的消解空白溶液中75As測定結(jié)果明顯偏高，尤其是No gas非碰撞模式下HNO3+ HClO4消解液空白值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于He碰撞模式。

表2 兩種消解模式下空白實(shí)驗(yàn)和大米標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中As測定結(jié)果Table 2 The As concentration in two digestion solutions of blank and standard substances determined ICP-MS with different two modes

兩種模式下國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10010a(GSB-1a，大米)標(biāo)準(zhǔn)值為(0.08±0.01) μg/g，GBW10016a(GSB-7a，大米)標(biāo)準(zhǔn)值為(0.10±0.02) μg/g。No gas 測定模式下，HNO3+HClO4消解樣品中砷含量均不在標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)值范圍內(nèi)，而在He模式下兩種消解方法得到的樣品砷含量均在標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)值范圍內(nèi)。因此，為減少75As測定的質(zhì)譜干擾，植株樣品前處理消解宜用HNO3+H2O2試劑，ICP-MS法測定應(yīng)采用He碰撞模式。

2.2 方法準(zhǔn)確度實(shí)驗(yàn)

在5個(gè)植物樣品種，加入不同濃度的As標(biāo)準(zhǔn)溶液，消解后定容至50 mL，ICP-MS法測定消解液中As含量。加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果見表3，As加標(biāo)回收率在87.0%～104%。

表3 As加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 The recovery of As content added to plant samples determined by ICP-MS

測定國家生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011(GSB-2，小麥)和GBW10020(GSB-11，柑橘葉)中砷含量，見表4。檢測出結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)值對比，兩者相符合。

表4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)As含量測定結(jié)果Table 4 The As content in standard substances determined by ICP-MS

2.3 方法精密度實(shí)驗(yàn)

對5個(gè)植物樣品分別重復(fù)5次平行消解，利用ICP-MS法測定樣品中砷含量測定結(jié)果列于表5。結(jié)果表明：當(dāng)植物樣品中As含量在極低的痕量水平，如玉米籽粒中As含量在0.005 mg/kg時(shí)，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差近30%，玉米和小麥秸稈、小麥籽粒、煙草等樣品中As含量相對較高，相對偏差在3.0%～8.5%，小于10%。

表5 植物樣品As含量測定結(jié)果的重復(fù)性Table 5 The precision of As concentrations in plant samples determined by ICP-MS

2.4 方法檢出限

用ICP-MS對樣品消解試劑空白連續(xù)測定24次，結(jié)果見圖2。根據(jù)IUAP測定值標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍估計(jì)方法檢出限，計(jì)算得出ICP-MS儀器檢出限為0.055 μg/L。植物樣品測定稱樣量約0.5 g，定容至50 mL，依此計(jì)算，得到方法檢出限為0.005 5 μg/g。

圖2 ICP-MS測定As空白實(shí)驗(yàn)信號值Figure 2 The signal values of As concentration of blank experiment by ICP-MS.

3 結(jié)論

植物樣品因?yàn)楹休^高的有機(jī)物質(zhì)，微波消解為密閉性，易產(chǎn)生過多的氣體而壓力過高；所以本文采用敞口消解植物樣品。75As 測定易受到40Ar35Cl、40Ca35Cl 等質(zhì)譜干擾，因此樣品消解避免使用HClO4、HCl等含氯酸，本方法建立了硝酸-過氧化氫消解植物樣品，選擇硝酸作為消解用強(qiáng)酸，添加H2O2促進(jìn)有機(jī)物分解，可以得到清涼的消解液，同時(shí)通過后期升溫，趕去過高的硝酸，消解液中硝酸濃度降低，有利于保護(hù)后端的ICP-MS采樣和截取Ni錐。ICP-MS選擇He碰撞反應(yīng)模式，儀器調(diào)諧充分，這樣可降低多原子74Ge1H、40Ar35Cl、40Ca35Cl以及雙電荷離子150Sm2+、150Nd2+對75As測定的干擾。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)建立了植物樣品硝酸-過氧化氫敞口消解方法，消解液中As(75As)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀He碰撞模式測定，以72Ge為內(nèi)標(biāo)元素。方法檢出限為0.005 μg/g，靈敏度相對較高；2種國家生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10011(GSB-2，小麥)和GBW10020(GSB-11，柑橘葉)的砷測定值在標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)值范圍內(nèi)，樣品加標(biāo)回收率在87.0%～104%，方法準(zhǔn)確度較高；重復(fù)測定相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于10%，重現(xiàn)性好。本實(shí)驗(yàn)建立的方法可滿足植物砷測定需求。