應(yīng)用氫化物發(fā)生-微波等離子體原子發(fā)射光譜 分析食用菌中總砷含量

李愛(ài)陽(yáng)，黃建華

（1.湖南工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410013）

砷是廣泛分布于自然環(huán)境中的非金屬元素，自然活動(dòng)和人為因素的影響使環(huán)境中砷的含量持續(xù)增加，導(dǎo)致砷在食物鏈中積聚[1-3]。國(guó)際癌癥組織將砷及其化合物列為一類致癌物，在砷的各種形態(tài)中，無(wú)機(jī)砷（III）、砷（V）被證明具有致癌性，而有機(jī)砷化合物的毒性較小[4]。 世界衛(wèi)生組織明確指出，飲食是人類接觸砷的主要途徑，表明受到砷污染的食物、水和其他飲料會(huì)對(duì)健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn)[5]。食用菌對(duì)重金屬的富集能力遠(yuǎn)超過(guò)綠色植物[6]，食用菌中的砷含量受品種、產(chǎn)地環(huán)境及加工生產(chǎn)過(guò)程等因素的影響，GB 2762—2017《食品中污染物限量》對(duì)食用菌中總砷含量制定限量為0.5 mg/kg[7]。因此，為確保食用菌的食用安全，需要對(duì)食用菌中的砷進(jìn)行測(cè)定，以鑒定砷含量超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的潛在危害。

砷的第一電離能很高（9.79 eV），采用原子光譜技術(shù)直接測(cè)砷缺乏靈敏度。砷及其多數(shù)化合物可被硼氫化鈉（NaBH4）還原成揮發(fā)性砷的氫化物，由于砷的氫化物能更有效地傳輸、霧化和激發(fā)，與傳統(tǒng)液體霧化樣品引入技術(shù)相比，能明顯提高砷的檢測(cè)靈敏度，降低砷的檢出限（limit of detection，LOD）[8-10]。氫化物的形成取決于氧化態(tài)，較低的氧化態(tài)更容易轉(zhuǎn)化為氫化物，因此，砷（III）比砷（V）更易被NaBH4還原轉(zhuǎn)化為砷的氫化物。目前，有關(guān)元素砷的測(cè)定已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，采用的分析方法主要有氫化物發(fā)生-原子熒光光譜（hydride generation-atomic fluorescence spectrometry，HG-AFS）法[11-13]、原子吸收光譜（atomic absorption spectroscopy，AAS）法[14-16]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜（inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy，ICP-OES）法[17-19]和電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICPMS）法[20-22]。HG-AFS法具有靈敏度高、LOD低、線性范圍寬且譜線簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，是最成熟的分析方法，但受熒光猝滅和散射光干擾的影響，穩(wěn)定性不佳；AAS法具有選擇性好、分析范圍廣及抗干擾能力理想的特點(diǎn)，但由于原子化溫度低，砷的原子化效率不理想，檢測(cè)能力有限，使用易燃?xì)怏w存在安全隱患；ICP-OES采用高溫ICP為激化光源極大提高砷的電離效率，具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、線性范圍寬及準(zhǔn)確性好的優(yōu)勢(shì)，但由于食品中砷含量通常很低，ICP-OES的LOD通常難以達(dá)到檢測(cè)要求；ICP-MS具有極高的靈敏度和極低的LOD，尤其是使用碰撞反應(yīng)池（collision reaction cell，CRC）和電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）技術(shù)幾乎可以無(wú)干擾測(cè)定砷[23-25]，但I(xiàn)CP-MS儀器價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求高。氣體成本是影響元素分析成本的重要因素之一，上述分析方法均需采用昂貴的高純氬氣為工作氣或乙炔、氧化亞氮為燃料氣，為實(shí)現(xiàn)持續(xù)供氣，還需配備專用貯氣設(shè)備和供氣場(chǎng)所，導(dǎo)致分析運(yùn)行和維護(hù)成本高，對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)、實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)還將面對(duì)氣體采購(gòu)困難或氣體運(yùn)輸不便的難題。微波等離子體原子發(fā)射光譜（microwave plasma-atomic emission spectroscopy，MP-AES）采用微波磁控管產(chǎn)生水平磁場(chǎng)與垂直電場(chǎng)，激化氮?dú)猱a(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，自帶多模式樣品引入系統(tǒng)（multimode sample introduction system，MSIS）既可作為氫化物元素的反應(yīng)系統(tǒng)，也可以作為常規(guī)元素分析的霧化室[26-28]，分析各種復(fù)雜基質(zhì)樣品中的無(wú)機(jī)元素有分析運(yùn)行成本低、高樣品通量的優(yōu)點(diǎn)[29-31]。本實(shí)驗(yàn)采用濕法消解對(duì)食用菌樣品進(jìn)行預(yù)處理，采用MSIS將消解溶液中的砷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)氫化物，應(yīng)用MP-AES測(cè)定食用菌中的總砷含量，旨在為快速、準(zhǔn)確測(cè)定食用菌中總砷的含量提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食用菌樣品分別為產(chǎn)自江西的茶樹(shù)菇、雞腿菇，產(chǎn)自湖南的香菇、草菇、金針菇、花菇、杏鮑菇、黑木耳、雙孢蘑菇、珍珠菇，產(chǎn)自湖北的牛肝菌、猴頭菌，購(gòu)于湖南長(zhǎng)沙市大型超市。

1 000 mg/L砷單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液、硫脲（優(yōu)級(jí)純）、碘化鉀（優(yōu)級(jí)純） 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；NaBH4（優(yōu)級(jí)純）、氫氧化鈉（優(yōu)級(jí)純）、質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%硝酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%～97%硫酸、質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%鹽酸 德國(guó)Merck公司；砷（III）溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、砷（V）溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì) 北京北方偉業(yè)計(jì)量技術(shù)研究院；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GBW10022（蒜粉） 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；實(shí)驗(yàn)用水由Milli-Q超純機(jī)制得。

1.2 儀器與設(shè)備

4200 MP-AES儀（配有MSIS附件、MicroMist玻璃霧化器） 美國(guó)Agilent公司；Milli-Q超純水儀 美國(guó)Millipore公司；電熱板 中國(guó)濟(jì)南歐萊博技術(shù)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 MP-AES條件

功率1 000 W；霧化氣流速0.45 L/min；泵速20 r/min； 讀取時(shí)間20 s；重復(fù)次數(shù)3 次；樣品提升延遲時(shí)間40 s；穩(wěn)定時(shí)間20 s；快速線性干擾校（fast linear interference correction，F(xiàn)LIC）模型校正背景；氣源為Agilent 4107氮?dú)獍l(fā)生器。

1.3.2 樣品與空白溶液的預(yù)處理

將收集的新鮮食用菌依次用自來(lái)水和超純水洗凈，自然晾干后放入（70±2）℃的烘箱中干燥至質(zhì)量恒定，用制粉機(jī)粉碎過(guò)60 目篩，混合均勻后封裝于干燥器中。準(zhǔn)確稱取1.0 g食用菌粉于錐形瓶中，加入65%硝酸20 mL，95%～97%硫酸2 mL，靜置30 min，于電熱板加熱消解，若消解溶液出現(xiàn)渾濁每次補(bǔ)加65%硝酸2 mL，繼續(xù)消解至消解溶液呈無(wú)色或淡黃色，加熱趕酸至不再冒白煙后冷卻至室溫，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%的鹽酸溶液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，加入2 mL預(yù)還原劑（50 g/L硫脲+ 10 g/L碘化鉀），用12%鹽酸溶液定容，待測(cè)。采用相同的處理步驟制備樣品空白溶液。

1.3.3 MP-AES分析

采用MSIS作為砷的氫化物發(fā)生裝置（圖1），還原劑（1.2% NaBH4溶液+1.0%氫氧化鈉溶液）經(jīng)通道1引入MSIS頂部，樣品經(jīng)通道3連接MSIS底部，廢液通過(guò)通道4排出，由于沒(méi)有非氫化物元素進(jìn)行測(cè)定，無(wú)需使用傳統(tǒng)霧化技術(shù)，因此堵住閑置的樣品通道2。

圖1 MP-AES的MSIS原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the multimode sample introduction system for MP-AES

采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸介質(zhì)分別配制質(zhì)量濃度為0、5、10、20、50、100 μg/L砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，將樣品溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白溶液按MP-AES條件進(jìn)行測(cè)定，建立砷的校準(zhǔn)曲線以得到樣品溶液中砷含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

MP-AES實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用自帶的Agilent MP Expert軟件進(jìn)行自動(dòng)分析處理，實(shí)驗(yàn)圖表采用Origin 9.0繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 氫化物產(chǎn)生條件的優(yōu)化

由于氯離子的還原性，鹽酸作為非氧化性酸并非氫化物發(fā)生的首選樣品載流介質(zhì)[32]。固定還原劑NaBH4溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%，考察不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鹽酸為載流介質(zhì)下砷信號(hào)強(qiáng)度的變化情況。從圖2a可知，隨著鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，砷的信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%后，砷的信號(hào)強(qiáng)度增速變緩，質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%～24%鹽酸溶液的砷信號(hào)強(qiáng)度無(wú)明顯增加，過(guò)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鹽酸溶液會(huì)與堿性還原劑NaBH4反應(yīng)，不利于生成氫化物。12%鹽酸溶液的砷信號(hào)強(qiáng)度仍然接近最高水平。固定鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%，考察NaBH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)砷信號(hào)強(qiáng)度的影響，從圖2b可知，質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5% NaBH4溶液的砷信號(hào)強(qiáng)度很低。隨著NaBH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，砷的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大，1.2% NaBH4溶液的砷信號(hào)強(qiáng)度最大，隨后增大NaBH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的過(guò)量氫氣稀釋三氫化砷氣體，因此砷的信號(hào)強(qiáng)度降低。所以本實(shí)驗(yàn)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%鹽酸溶液為載流介質(zhì)，1.2% NaBH4溶液為還原劑。

圖2 氫化物發(fā)生試劑鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)（a）和NaBH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)（b）對(duì) 砷信號(hào)強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of hydride generation conditions of HCl concentration (a) and NaBH4 concentration (b) on As signal intensity

2.2 分析譜線的選擇

MP-AES采用MP為激化光源，具有與ICP-OES不同的分析特征，ICP的等離子體溫度為6 000～8 000 K，而MP僅為5 000 K左右，低溫不會(huì)誘導(dǎo)砷元素完全電離。此外，與氬氣ICP相比，MP不能有效地誘導(dǎo)樣品的熱分解，雖然減少光譜干擾，但可供選擇的發(fā)射光譜線比ICP少。分別配制Ca、Mg、K、Na、Fe質(zhì)量濃度分別為50、50、50、50、5 mg/L，Co、Ni、Be、Cu、Zn質(zhì)量濃度分別為50、50、50、500、500 μg/L的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，向各單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入質(zhì)量濃度50 μg/L的砷標(biāo)準(zhǔn)溶液，考察食用菌中常見(jiàn)元素對(duì)砷元素測(cè)定的影響。采用MP Expert調(diào)用預(yù)設(shè)砷譜線波長(zhǎng)分別為193.695、234.984、188.979 nm。從表1可知，As 193.695 nm靈敏度最高，因此常被推薦為砷的分析譜線，然而As 193.695 nm受到Fe 193.663、193.390、194.002 nm的干擾，其他元素?zé)o干擾。雖然通過(guò)氫化物發(fā)生鐵譜線的響應(yīng)極低，但在食用菌樣品中，鐵含量通常比砷高1 000 倍，采用193.695 nm為砷的分析線在線性范圍內(nèi)無(wú)法獲得良好的線性響應(yīng)，特別是在線性范圍內(nèi)的低濃度區(qū)間；而As 234.984 nm為次靈敏線，其受到Fe 234.830 nm、Co 234.737 nm、Be 234.861 nm的干擾，且Be原子線的強(qiáng)度比在234.984 nm處砷高400 倍以上，其他元素在234.984 nm無(wú)干擾。砷在188.979 nm的譜線強(qiáng)度雖然比在193.695、234.984 nm低，但無(wú)光譜重疊干擾。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇188.979 nm為砷的分析譜線。

表1 砷的分析譜線選擇Table 1 Election of analytical spectral line for As

2.3 光譜干擾及校正

MP-AES的光譜干擾由光譜重疊、背景干擾組成。分析譜線選擇188.979 nm雖消除光譜重疊干擾，但仍然存在由基質(zhì)成分及MP光源發(fā)射雜散光引起的背景干擾，本實(shí)驗(yàn)采用FLIC模型進(jìn)行校正。分別測(cè)定空白、純干擾物、純分析物溶液，使用光譜建模技術(shù)從原始光譜中分離分析信號(hào)，從而自動(dòng)校正背景干擾[26]。本實(shí)驗(yàn)采用校準(zhǔn)空白溶液（12%鹽酸溶液）為干擾物建模。從圖3可知，F(xiàn)LIC模型對(duì)砷元素在188.979 nm波長(zhǎng)處提供校正模型，校正模型中未發(fā)現(xiàn)干擾，表明已校正背景干擾。

圖3 FLIC模型校正砷（188.979 nm）校準(zhǔn)標(biāo)樣的背景干擾Fig. 3 FLIC model corrected the background interference for arsenic calibration standard sample (at 188.979 nm)

2.4 校準(zhǔn)曲線與LOD

采用建立的方法分析系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，以As 188.979 nm波長(zhǎng)處的信號(hào)強(qiáng)度與其對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度進(jìn)行線性回歸分析，得到砷的校準(zhǔn)曲線為y=1.65×10－4x+1.18×10－3，在3.1～100 μg/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（線性相關(guān)系數(shù)為0.999 9）。取樣品空白溶液重復(fù)分析10 次，得到砷的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算10 次砷信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，以3 倍標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)應(yīng)質(zhì)量濃度為檢測(cè)儀器的LOD，砷的LOD為0.93 μg/L，根據(jù)樣品的取樣量和稀釋因子，換算方法LOD為0.023 mg/kg。

2.5 方法的驗(yàn)證

采用質(zhì)量濃度30 μg/L砷（III）、砷（V）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液對(duì)預(yù)還原劑（50 g/L硫脲+10 g/L碘化鉀）還原效果進(jìn)行校準(zhǔn)驗(yàn)證，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GBW10022（蒜粉）對(duì)分析方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，每個(gè)樣品平行測(cè)定6 次，結(jié)果見(jiàn)表2。砷（V）的測(cè)定值與認(rèn)定值一致，回收率為101.0%，因此預(yù)還原劑的還原效率高。砷（III）、GBW10022（蒜粉）的測(cè)定值與認(rèn)定值基本一致，其對(duì)應(yīng)回收率分別為99.7%、97.6%，因此分析方法有理想的準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）在1.3%～2.1%之間，因此本分析方法的精密度高。

表2 砷（III）、砷（V）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GBW10022 （蒜粉）的分析結(jié)果（n=6）Table 2 Results of MP-AES for arsenic (III) and arsenic (V) standards and standard reference material GBW10022 (garlic powder) (n= 6)

2.6 樣品分析

采用本實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定湖南、湖北、江西的12 種食用菌中總砷含量，同時(shí)采用GB 5009.11—2014《食品中總砷及無(wú)機(jī)砷的測(cè)定》的HG-AFS法進(jìn)行對(duì)比分析[33]， 每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6 次，結(jié)果見(jiàn)表3。本實(shí)驗(yàn)方法與GB 5009.11—2014的分析結(jié)果基本一致，RSD均小于5%。12 個(gè)食用菌中的總砷含量在0.087～0.482 mg/kg之間，因此所有食用菌中總砷含量均未超出GB 2762—2017限量值。

表3 不同食用菌樣品中總砷的分析結(jié)果（n=6）Table 3 Results of MP-AES and HG-AFS for total arsenic in different varieties of edible fungi samples (n= 6)

3 結(jié) 論

建立MP-AES準(zhǔn)確測(cè)定不同食用菌中總砷含量的分析方法。采用氫化物發(fā)生將砷轉(zhuǎn)變?yōu)樯榈臍浠?，有效解決低溫時(shí)MP砷電離效率低的難題，選擇As 188.979 nm波長(zhǎng)為分析譜線以避開(kāi)所有譜線重疊干擾，采用FLIC模型校正背景干擾，本實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確、可靠，砷的LOD為0.93 μg/L。與以往原子光譜分析技術(shù)相比較，MP-AES的操作成本更低。此外，MP-AES無(wú)需人工值守、操作，節(jié)省人力資源，且可進(jìn)行樣品高通量分析。本研究中，不同產(chǎn)地的12 種食用菌的總砷含量在0.087～0.482 mg/kg之間，均低于GB 2762—2017規(guī)定的總砷限量標(biāo)準(zhǔn)。