微波消解-原子熒光法測定初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品大米中的汞

＊王艷蘭

（湖南省湘南地質(zhì)勘察院 湖南 423000）

大米是我國大部分居民的主食，因此控制大米的重金屬污染十分重要。近年來，由于工廠企業(yè)排放的工業(yè)廢水造成的空氣污染、農(nóng)田灌溉用水的污染以及農(nóng)作物化肥農(nóng)藥使用的逐年增加等原因，從全國土壤污染狀況詳查的結(jié)果可知，部分農(nóng)田耕地土壤中有毒有害的重金屬含量在逐年增加。很多有毒有害的重金屬具有生物的累積效應(yīng)，通過蔬菜、水稻等食用農(nóng)產(chǎn)品，最終被人體攝入，危害人類的健康。汞是其中一種極易被人體吸入但很難排出的有毒重金屬，眾所周知，汞對(duì)人體的危害是非常大的，主要有致畸、致癌、致突變的作用[1]。汞的毒性作用的強(qiáng)弱主要取決于它的化學(xué)形態(tài)[2]，自然界的汞包括單質(zhì)汞、有機(jī)汞和無機(jī)汞，而其中有機(jī)汞毒性最強(qiáng)。發(fā)生在20世紀(jì)50年代日本熊本縣的“水俁病”，實(shí)際上就是有機(jī)汞的中毒，是由于患者長期食用汞污染的蔬菜、水產(chǎn)品等食物所導(dǎo)致的。

汞是我國大米重金屬污染控制的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過對(duì)大米中重金屬汞的檢測，我們才能知道汞是否超標(biāo)，超標(biāo)量是多少。原子熒光光譜具有靈敏度高，檢出限低和成本低的優(yōu)勢，可用來分析環(huán)境和食品中的痕量金屬元素，在《全國土壤污染狀況詳查農(nóng)產(chǎn)品樣品分析測試方法技術(shù)規(guī)定》中，原子熒光法（AFS法）對(duì)農(nóng)產(chǎn)品中的汞的測定也是首選。國家標(biāo)準(zhǔn)《食品中總汞及有機(jī)汞的測定》[3]中，試樣消解方法有壓力罐消解法、微波消解法和回流消解法。因?yàn)槲⒉ㄏ饩哂泄?jié)能省時(shí)、污染少、分解完全、防止易揮發(fā)組分損失等優(yōu)點(diǎn)，以其獨(dú)特的優(yōu)勢成為了試樣前處理的主導(dǎo)方法[4]。綜合各方面的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用了微波消解法進(jìn)行試樣的前處理。

1.工作原理

大米試樣用硝酸在聚四氟乙烯罐內(nèi)經(jīng)微波加熱充分分解后，重金屬元素如汞等完全溶出并呈離子態(tài)，在酸性介質(zhì)中，汞離子被硼氫化鉀還原成原子態(tài)，由載氣（氬氣）帶入原子化器中，基態(tài)汞原子在汞空心陰極燈照射下被激發(fā)后自高能態(tài)回遷基態(tài)時(shí)，發(fā)射出特征波長的熒光，其熒光強(qiáng)度與汞含量成正比，與標(biāo)準(zhǔn)系列溶液比較即可得出汞含量。

2.儀器設(shè)備與試劑

(1)儀器及工作條件

微波消解儀Multiwave PRO（瑞士Anton Paar公司）；控溫加熱板BHW-09A45，上海博通化學(xué)科技有限公司；BAF-2000型雙道原子熒光光度計(jì)，北京寶德儀器有限公司；Hg特制空心陰極燈；雙泵斷續(xù)流動(dòng)氫化物發(fā)生以及氣－液分離系統(tǒng)；屏蔽氣和載氣均為氬氣；信號(hào)以峰面積形式測定。AUY 220型分析天平（感量為0.0001g），日本島津。原子熒光儀器工作條件列于下表1。

表1 儀器工作參數(shù)

(2)試劑及配制

鹽酸、雙氧水（30%過氧化氫）：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，優(yōu)級(jí)純；硝酸：Fisher Chemical；氫氧化鉀：西隴科學(xué)，優(yōu)級(jí)純；硼氫化鉀：湘大化工，分析純；國家標(biāo)準(zhǔn)樣品汞標(biāo)液（1000μg/mL）：國家有色金屬及電子材料分析測試中心；高純氬氣：≥99.99%。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：GBW(E)100353（參考值0.0040±0.0010），GBW(E)100357（參考值0.0038±0.0008），鋼鐵研究總院分析測試研究所；GBW10010（參考值0.0053±0.0005），地球物理地球化學(xué)勘查研究所IGGE。試驗(yàn)所用水為去離子水，標(biāo)準(zhǔn)液配制用水為超純水，試驗(yàn)所用的玻璃器皿及聚四氟乙烯消解內(nèi)罐要經(jīng)20%硝酸溶液浸泡24h以上，再經(jīng)蒸餾水沖洗3遍，去離子水清洗2遍，然后烘干備用。

汞標(biāo)準(zhǔn)中間液：吸取1.00mL國家標(biāo)準(zhǔn)樣品汞標(biāo)液（1000μg/mL）于100mL容量瓶中，用重鉻酸鉀的硝酸溶液（0.5g/L）稀釋至刻度，混勻，此溶液濃度為10μg/mL。于4℃冰箱中避光保存，有效期2年。用同樣的方法，配制汞標(biāo)準(zhǔn)使用液：50ng/mL。用10%硝酸溶液對(duì)汞標(biāo)準(zhǔn)使用液進(jìn)行逐級(jí)稀釋，最后配制系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。系列濃度分別為0.00ng/mL、0.05ng/mL、0.10ng/mL、0.20ng/mL、0.40ng/mL、0.80ng/mL。

3.實(shí)驗(yàn)方法

(1)雙氧水用量對(duì)樣品中汞含量的影響

①微波消解樣品的前處理

稱取0.5g左右（精確到0.0001g）的大米標(biāo)樣于聚四氟乙烯管中，分別加入5mL濃硝酸，加入不同體積的過氧化氫，靜置30min進(jìn)行預(yù)消解，蓋好密封蓋，進(jìn)微波消解系統(tǒng)進(jìn)行消解。根據(jù)加入過氧化氫的體積不同本實(shí)驗(yàn)將其分為 4組，空白組、0.5mL組、1.0mL組、2.0mL組。本文通過大量的試驗(yàn)，最后得到了按表2消解程序進(jìn)行消解，能很好地將樣品消解完全。取出稍冷，在控溫加熱板上趕酸，使產(chǎn)生的消化氣體揮發(fā)完畢，加入超純水定容至25mL。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

表2 微波消解條件

②上機(jī)測試及計(jì)算

按表1方法設(shè)定儀器工作參數(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)溶液系列按濃度從低到高的順序依次上機(jī)測定，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液系列中汞元素?zé)晒鈴?qiáng)度和相應(yīng)的濃度繪制校準(zhǔn)曲線。然后依次測定空白樣品、未知樣品，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線法計(jì)算其含量。

(2)趕酸溫度對(duì)樣品中汞含量的影響

按照3.1.1方法稱樣，分7組進(jìn)行試驗(yàn)，加入5mL濃硝酸，靜置30min進(jìn)行預(yù)消解，蓋好密封蓋，進(jìn)微波消解系統(tǒng)，按表2消解程序進(jìn)行消解。取出稍冷，在控溫加熱板上趕酸，按照趕酸溫度70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、140℃依次進(jìn)行趕酸10min，取下冷卻至室溫，加入超純水定容至25mL。上機(jī)測試及計(jì)算同3.1.2。

(3)趕酸時(shí)間對(duì)樣品中汞含量的影響

按照3.1.1方法稱樣，分7組進(jìn)行試驗(yàn)，加入5mL濃硝酸，靜置30min進(jìn)行預(yù)消解，蓋好密封蓋，進(jìn)微波消解系統(tǒng)，按表2消解程序進(jìn)行消解。取出稍冷，在控溫加熱板上設(shè)定好最佳的趕酸溫度，控制趕酸時(shí)間分別為3min、5min、10min、15min、20min、30min、60min,上機(jī)測試及計(jì)算同3.1.2。

(4)硼氫化鉀濃度對(duì)樣品中汞含量的影響

按照3.1.1稱樣，分7組試驗(yàn)，樣品以3.2～3.3條件下所得到的試驗(yàn)最佳條件進(jìn)行前處理。以硼氫化鉀濃度的不同，將試驗(yàn)分為0.01%組、0.02%組、0.05%組、0.10%組、0.50%組、1.0%組、2.0%組，各組的其他上機(jī)條件及結(jié)果計(jì)算同3.1.2。

(5)載流介質(zhì)和載流濃度對(duì)樣品中汞含量的影響

酸的種類和濃度對(duì)樣品中汞的測定有很大的影響。單純用硝酸作為載流介質(zhì)測定結(jié)果不太理想，而僅用鹽酸作為載流，測定結(jié)果也不理想，準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都很難滿足要求。作者經(jīng)過查閱資料[5]，多次試驗(yàn)，最終選擇王水做載流。按照3.1.1稱樣，樣品以3.2～3.3條件下所得的最佳條件進(jìn)行前處理。該試驗(yàn)以王水濃度的不同分成4組進(jìn)行試驗(yàn)，分別是2%組、3%組、5%組、10%組，還原劑濃度以3.4中試驗(yàn)所得的硼氫化鉀最佳濃度為準(zhǔn)，其他上機(jī)條件及結(jié)果計(jì)算同3.1.2。

4.結(jié)果與討論

(1)雙氧水用量對(duì)樣品中汞含量的影響

通過3.1.1試驗(yàn)，結(jié)果見圖1。對(duì)比可知，加入過氧化氫對(duì)樣品中汞含量測定影響不大，在不加過氧化氫的條件下依然有較好的準(zhǔn)確度。初步分析判斷過氧化氫的氧化性對(duì)硝酸氧化消解有一定的促進(jìn)作用，但同時(shí)也會(huì)稀釋濃硝酸，減弱硝酸的消化效果。綜合考慮，可選擇不加雙氧水，既簡化了步驟以降低大批量檢測的勞動(dòng)強(qiáng)度，又減少了樣品的污染源。

圖1 過氧化氫體積對(duì)樣品中汞含量的影響

(2)趕酸溫度對(duì)樣品中汞含量的影響

通過3.2試驗(yàn)，結(jié)果見圖2，通過7組數(shù)據(jù)對(duì)比可知，趕酸溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較大，趕酸溫度太低則消解產(chǎn)生的氮氧化物不容易趕盡，后續(xù)會(huì)影響測定的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，趕酸溫度太高則汞容易損失，使測定結(jié)果偏低。當(dāng)趕酸溫度為90℃時(shí)能得到較好的測定效果。所以在微波消解樣品后，趕酸溫度選擇90℃。

圖2 趕酸溫度對(duì)樣品中汞含量的影響

(3)趕酸時(shí)間對(duì)樣品中汞含量的影響

通過3.3試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。對(duì)比可知樣品經(jīng)微波消解后，90℃趕酸時(shí)間控制在10-20min為宜。趕酸時(shí)間太長測得汞含量下降趨勢明顯，疑似汞已蒸發(fā)損失；趕酸時(shí)間過短，結(jié)果偏低同理于4.2中提到的氮氧化物的影響，所以控制好趕酸時(shí)間在該試驗(yàn)中也是非常重要的。本文選擇15min作為最佳趕酸時(shí)間。

圖3 趕酸時(shí)間對(duì)樣品中汞含量的影響

(4)硼氫化鉀濃度對(duì)樣品中汞含量的影響

由HG-AFS原理可知，方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性與硼氫化鉀的濃度密切相關(guān)：隨硼氫化鉀濃度的增大，其與載流反應(yīng)生成的氫增多，汞原子濃度被稀釋，使其測定的靈敏度降低，同時(shí)由于隨著還原劑濃度的增加，氬氫焰增大，由原子熒光檢測器檢測到的噪聲增大，試驗(yàn)測定的穩(wěn)定性變差；硼氫化鉀濃度較低時(shí)，由反應(yīng)產(chǎn)生的氫會(huì)減少，減弱了對(duì)汞原子的稀釋作用，提高了方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性[6]。因此，在3.1-3.3的實(shí)驗(yàn)和條件逐步優(yōu)化后，3.4實(shí)驗(yàn)確定相匹配的硼氫化鉀濃度也至關(guān)重要，結(jié)果見圖4。

圖4 KBH4濃度對(duì)樣品中汞含量的影響

圖中為使數(shù)據(jù)組發(fā)散得到更直觀的趨勢，取KBH4百分比濃度的lg對(duì)數(shù)作為X軸，0.01%組下三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品結(jié)果均偏高，這主要是由于工作曲線的高濃度點(diǎn)的汞沒有反應(yīng)完全，使得高點(diǎn)的測定熒光值比實(shí)際熒光值低，造成工作曲線斜率變小，使整體結(jié)果偏高。當(dāng)硼氫化鉀濃度為0.05%～0.50%時(shí)（第三至第五組）所測得的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，且濃度為0.05%時(shí)結(jié)果更吻合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中位值，因此該步驟所篩選硼氫化鉀濃度的最佳條件是0.05%。

(5)載流酸度對(duì)樣品中汞含量的影響

本文最終選擇王水做載流，試驗(yàn)中王水濃度的大小對(duì)樣品中汞含量的測定影響不大，結(jié)果見圖5。

圖5 王水濃度的大小對(duì)樣品中汞含量的影響

本文在原子熒光測定汞含量時(shí)，以載流溶液為標(biāo)準(zhǔn)空白，其熒光強(qiáng)度與載流溶液的濃度成正比，儀器在測試過程中自動(dòng)扣除標(biāo)準(zhǔn)空白的熒光值。載流溶液由間歇泵推動(dòng)樣品至反應(yīng)體系參與反應(yīng)，過高的酸度會(huì)使儀器管路因清洗不徹底而被腐蝕。通過上圖對(duì)比四組數(shù)據(jù)可知，王水濃度的大小對(duì)樣品中汞的測定影響不大，以2%～10%的王水濃度為載流測定樣品中的汞含量時(shí)，都可以得到穩(wěn)定而準(zhǔn)確的結(jié)果，但從環(huán)保和成本方面考慮，該步驟最終所篩選的王水濃度的最佳條件是2%。且在此條件下，通過多次試驗(yàn)證明，樣品可放置過夜測定，結(jié)果依然準(zhǔn)確可靠。

5.結(jié)論

本文以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)大米樣品做了五類條件實(shí)驗(yàn)，選擇微波消解對(duì)樣品進(jìn)行前處理，通過改變雙氧水用量、趕酸溫度、趕酸時(shí)間、硼氫化鉀濃度、載流介質(zhì)以及載流酸度對(duì)測定結(jié)果的影響進(jìn)行試驗(yàn)，以原子熒光光度計(jì)測定汞含量。篩選出最佳條件是：消解過程中不加過氧化氫，微波消解后90℃下趕酸15min，以0.05%的硼氫化鉀為還原劑和2%的王水為載流。自2019年11月至2021年1月，在湖南省耕地土壤與農(nóng)產(chǎn)品重金屬污染加密調(diào)查項(xiàng)目中，運(yùn)用上述條件對(duì)6000余件初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行了10000余份樣品分析測試工作，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。事實(shí)證明，該條件能在實(shí)際工作中提高初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品汞含量測定的準(zhǔn)確度。