電感耦合等離子體發(fā)射光譜測定植物精油中的重金屬元素

李愛陽, 符 靚, 陳 林

1. 湖南工學院材料與化學工程學院, 湖南 衡陽 421002 2. 重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045 3. 湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所，湖南 長沙 410013

引 言

植物精油是從芳香植物的葉、芽、果實、花、嫩枝、根和種子中提取的脂溶性天然復雜化合物，作為芳香植物的次生代謝產物具有揮發(fā)性和濃郁香味。 精油的主要成分由萜烯類化合物以及酚類、醇類、醚類、醛類和酮類組成[1]，其含量因植物部位和植物種類的不同而存在差異，這些混合物在產生香味的同時具有生物活性，廣泛用于防腐、食品保存以及作為抗菌、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、抗炎和局部麻醉藥物，且比相應的合成藥物具有更低的副作用[2]。 植物精油的品質主要取決于其有機成分，但所含無機成分同樣影響植物精油的品質和安全性，尤其是植物精油具有高滲透性，能以活躍的分子態(tài)滲透皮膚組織，經淋巴腺吸收后進入血液[3]，其所含的重金屬元素也極易隨植物精油進入人體對健康構成威脅，我國國家標準GB/T 26516—2011對精油中重金屬元素含量制定了Pb≤40 mg·kg-1，As≤10 mg·kg-1，Hg≤1 mg·kg-1的標準。 因此，對植物精油中重金屬元素含量進行準確測定非常必要。

植物精油中的重金屬元素主要來源于芳香植物的自然生長環(huán)境、精油的生產加工以及工業(yè)“三廢”的污染，植物精油提取方法主要采用蒸餾萃取工藝[4]，因此，植物精油中重金屬元素含量通常很低。 電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)由于具有低檢出限、多元素檢測能力、高樣品通量和低樣品消耗等優(yōu)點，是植物精油中多種痕量元素測定的技術選擇[5-7]，我國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局制定了ICP-MS測定精油中多種重金屬元素的行業(yè)標準(SN/T 2484—2010)。 然而，ICP-MS對于高鹽樣品的耐受力差，分析維護費用高，常規(guī)四極桿ICP-MS(ICP-QMS)無法徹底消除質譜干擾的強烈影響，即使是帶碰撞反應池(CRC)技術的ICP-MS也難以消除一些特殊干擾(如同質異位素、雙電荷離子、二聚體等)，需采用價格昂貴的電感耦合等離子體串聯(lián)質譜(ICP-MS/MS)或扇形磁場ICP-MS(SF-ICP-MS)才能徹底消除[8-10]。 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-OES)具有超高基質耐受能力，高靈敏度和分析效率，配合準確的光譜干擾校正技術，可用于復雜樣品中多元素的快速分析[11]。 對于重金屬元素As，Sn，Sb和Hg的測定，由于這些元素具有較高的第一電離能，采用傳統(tǒng)的液體霧化進樣，ICP-OES的檢測限偏高，通常使用蒸氣發(fā)生反應裝置將這些元素轉變?yōu)閾]發(fā)性蒸氣，從而更加有效地運輸、霧化和激發(fā)，提高這些元素的檢出能力[12]，但需使用額外的蒸氣發(fā)生裝置，與不可形成蒸氣元素同時測定時需要切換進樣系統(tǒng)，操作復雜煩瑣，不利于樣品中多元素的高通量分析。 多模式進樣系統(tǒng)(MSIS)既可作為蒸氣發(fā)生裝置又可作為傳統(tǒng)霧化室，能同時對可形成蒸氣和不可形成蒸氣元素進行測定。 研究中利用硝酸-雙氧水對植物精油進行微波消解，在MSIS的雙重模式下，采用ICP-OES對植物精油中可形成蒸氣元素As，Sn，Sb，Hg和不可形成蒸氣元素Cr，Ni，Cd，Pb的含量進行測定，通過構建自動曲線擬合技術(FACT)模型校正光譜干擾，以期提高ICP-OES的高通量檢測能力。

1 實驗部分

1.1 儀器及參數(shù)

ICP-OES儀，5110，Agilent公司；微波消解儀，MARs 5，CEM公司；ICP-MS，NexION 350，Perkinelmer公司。

ICP-OES工作參數(shù)： RF功率，1.4 kW；等離子體流速，12 L·min-1；輔助所流速，1.1 L·min-1；霧化氣流速0.65 L·min-1；泵速，25 r·min-1；讀取時間，20 s；重復次數(shù)，3次；樣品提升延遲時間，35 s；穩(wěn)定時間，30 s；沖洗時間，55 s；背景與干擾校正，F(xiàn)ACT。

1.2 試劑

1 000 mg·L-1的Cr，Ni，As，Cd，Sn，Sb，Hg和Pb單元素儲備溶液，國家標準物質中心；氫氧化鈉(分析純)、硼氫化鈉(分析純)、L-半胱氨酸(生物純)、酒石酸(分析純)，國藥集團化學試劑有限公司；65%(W/W)硝酸、30%(W/W)雙氧水、37%(W/W)鹽酸，德國Merck公司；8種植物精油樣品(薄荷精油、檸檬精油、玫瑰精油、薰衣草精油、茉莉精油、丁香精油、迷迭香精油、花椒精油)購買于大型超市。

1.3 樣品處理

稱取約0.4 g植物精油樣品于微波消解反應罐中，依次加入2.5 mL硝酸和1.0 mL 雙氧水，敞開罐蓋預消解30 min，密封反應罐，按表1設定程序進行消解。 消解結束后，采用沸水浴將消解溶液趕酸，用15%(V/V)的鹽酸轉移至50 mL容量瓶中定容，至少靜置30 min后測定。 采用相同步驟制備空白溶液。

表1 微波消解操作參數(shù)Table 1 Operation parameters of microwave digestion

1.4 方法

應用ICP-OES的MSIS進行測定，采用五通道蠕動泵開啟MSIS的雙重模式(見圖1)。 樣品溶液分別從通道B和通道C進入MSIS霧化室。 來自通道B的樣品在MSIS中進行傳統(tǒng)霧化后，由氬氣帶入等離子體中分析不可形成蒸氣元素Cr，Ni，Cd和Pb，來自通道C的樣品進入MSIS前與來自通道E的預還原溶液(2%L-半胱氨酸/4%酒石酸)經三通接頭混合，進入MSIS霧化室后與來自通道A的還原劑(1.5%硼氫化鈉/0.5%氫氧化鈉)反應，形成蒸氣由氬氣帶入等離子體中分析可形成蒸氣元素As，Sn，Sb和Hg，霧化室產生的廢液經通道D排出。

圖1 用于雙重模式的多模式樣品導入系統(tǒng)(MSIS)Fig.1 Multimode sample introduction system (MSIS) setup for dual mode

2 結果與討論

2.1 蒸氣發(fā)生條件的優(yōu)化

植物精油樣品中的As，Sn，Sb，Hg通常以高氧化態(tài)As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)，Hg(Ⅱ)穩(wěn)定存在，其中，As，Sn和Sb氣態(tài)氫化物的形成強烈依賴于元素的氧化態(tài)，較低的氧化態(tài)更容易轉化為氫化物，因此，在分析之前有必在將As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)還原為低價態(tài)As(Ⅲ)，Sn(Ⅱ)，Sb(Ⅲ)。 鹽酸具有還原性，是蒸氣發(fā)生常用的預還原劑，能將As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)還原為低價態(tài)As(Ⅲ)，Sn(Ⅱ)，Sb(Ⅲ)，Hg(Ⅱ)還原為基態(tài)原子，本實驗選擇鹽酸作預還原劑。 固定硼氫化鈉的濃度為1.5%，考察了不同鹽酸濃度下As，Sn，Sb和Hg信號強度的變化情況。 從圖2(a)可以看出，隨著鹽酸濃度的增大，As，Sn和Sb的信號強度也逐漸增大，Hg的信號強度則保持平穩(wěn)，當鹽酸濃度達到15%后，As的信號強度逐漸減小，Sn和Sb的信號強度繼續(xù)增大，但增幅趨于平緩，Hg的信號強度基本不變，表明鹽酸濃度的變化不影響Hg的測定，選擇鹽酸濃度為15%。 為防止鹽酸在MSIS中由于酸堿反應被逐漸消耗導致信號強度下降，實驗通過在線加入2%L-半胱氨酸/4%酒石酸補償可形成蒸氣元素的信號損失，提高蒸氣發(fā)生效率，穩(wěn)定分析信號強度。

固定鹽酸濃度為15%，選擇硼氫化鈉作為還原劑為蒸氣發(fā)生反應提供氫源，考察了不同硼氫化鈉濃度下，As，Sn，Sb和Hg信號強度的變化情況。 從圖2(b)可以看出，隨著硼氫化鈉濃度的增大，As，Sn，Sb和Hg的信號強度也逐漸增大，當硼氫化鈉濃度分別為1.5%，1.2%，1.5%和1.0%時，As，Sn，Sb和Hg的信號強度分別達到最大，隨后As，Sn和Sb的信號強度逐漸下降，而Hg的信號強度小幅度下降，考慮到Hg的信號強度大于As，Sn和Sb，即使硼氫化鈉的濃度達到1.5%時，Hg的信號強度仍然在1 700左右。 因此，實驗選擇硼氫化鈉的濃度為1.5%，并加入0.5%的氫氧化鈉穩(wěn)定硼氫化鈉溶液。

圖2 鹽酸(a)和硼氫化鈉(b)濃度對As，Sn，Sb，Hg信號強度的影響

2.2 光譜干擾及校正

利用ICP Expert軟件的波長數(shù)據庫，根據光譜強度和潛在光譜重疊干擾選擇最佳波長通常可以避免光譜干擾，然而，當高靈敏譜線存在光譜干擾而無干擾譜線提供的靈敏度不足以滿足分析要求時，所選擇的高靈敏譜線面臨的光譜重疊干擾必需進行校正，以提高分析結果的準確性。 Cd的發(fā)射光譜在214.439和226.502 nm處有兩條高強度譜線，但均存在Fe光譜重疊干擾，Cd在226.502 nm受到來自Fe在226.459和226.505 nm處譜線的干擾，Cd在214.439 nm受到Fe在214.445 nm處的譜線干擾，實驗選擇靈敏度高且干擾相對較小的Cd 214.439 nm為分析波長，但面臨著Fe 214.445 nm的重疊干擾。 FACT以解卷積方式能從原始光譜響應數(shù)據中解析出分析譜線，通過數(shù)據建模技術實時校正光譜干擾[13]。 本實驗分別對空白溶液、100 μg·L-1的Cd標準溶液、10 000 mg·L-1的干擾元素Fe標準溶液進行測定，利用FACT對獲得的所有光譜響應數(shù)據進行建模。 從圖3可以看出，高濃度Fe對低濃度Cd產生了嚴重譜線重疊干擾，通過FACT建?？梢院芎玫貙d的光譜線從Fe的干擾線中解析出來，校正了Fe光譜對Cd的重疊干擾。 Pb的干擾與Cd相似，Pb的最靈敏離子線220.353 nm受到來自Fe在220.352 nm處存在的譜線重疊干擾，實驗采用FACT進行校正。 在FACT建模過程中包含的空白溶液響應數(shù)據還能同時校正背景干擾，基于所有分析元素均存在背景干擾，實驗對所有元素的測定均采用FACT校正光譜干擾。

圖3 采用FACT校正Cd 214.439 nm的光譜干擾Fig.3 Spectral interferences for Cd 214.439 nmcorrected using FACT

2.3 方法分析性能評價

配制濃度分別為0.0，5.0，20，100和200 μg·L-1的系列混合元素工作標準溶液，采用標準曲線法對植物精油中的重金屬元素進行定量分析，按實驗方法建立分析元素的標準曲線。 對空白溶液重復測定11次，以測定結果3倍標準偏差所對應濃度乘以樣品的稀釋倍數(shù)，計算分析元素方法的檢出限(MDL)，結果見表2。 8個分析元素的線性相關系數(shù)大于0.999 7，均具有良好的線性，MDL為0.38～11.2 μg·kg-1，低于標準(SN/T 2484—2010)ICP-MS方法所得到的測定低限。

由于缺少精油標準參考物質，為評價本法的準確性，采用ICP-MS法與本法對同一薄荷精油進行對比分析，計算二者的相對誤差 (RE)，并對測定結果進行加標回收，結果見表3。 兩種方法分析結果基本一致，RE在-2.1%～2.7%之間；本法的加標回收率為95.4%～104%，相對標準偏差(RSD)為1.9%～4.9%。 驗證了本法的準確性好，精密度高。

表2 分析元素的線性和方法的檢出限(MDL)Table 2 The linearity and the method detection limit (MDL) of the analyte

表3 分析方法的準確性和精密度(n=6)Table 3 Accuracy and precision of analytical method (n=6)

2.4 實際樣品分析

對薄荷精油、檸檬精油、玫瑰精油、薰衣草精油、茉莉精油、丁香精油、迷迭香精油、花椒精油共8種植物精油樣品進行了重金屬元素分析，每個樣品重復測定6次，分析結果見表4。 8種植物精油中重金屬元素的含量隨種類不同存在很大差異，Cr的含量在花椒精油中最高，在玫瑰精油和茉莉精油中沒檢出；Ni的含量在薰衣草精油中最高，在玫瑰精油、茉莉精油、丁香精油和迷迭香精油中沒檢出；As的含量在檸檬精油中含量最高，在薰衣草精油、茉莉精油和迷迭香精油中沒檢出；Cd的含量在玫瑰精油中最高，在薰衣草精油和迷迭香精油中沒檢出；Sn的含量在茉莉精油中最高，在檸檬精油、薰衣草精油、丁香精油、迷迭香精油和花椒精油中沒檢出；Sb的含量在茉莉精油中最高，在丁香精油中的含量最低；Hg在迷迭香精油中的含量最高，在玫瑰精油和薰衣草精油中沒檢出；Pb的含量在花椒精油中最高，在迷迭香精油中的含量最低。 所有植物精油樣品中重金屬元素As，Hg和Pb的含量均遠低于GB/T 26516—2011制定的最高限量標準，植物精油中重金屬元素Cr，Ni，Cd，Sn和Sb的含量雖然沒有制定限量標準，但均處于極低水平。

表4 植物精油樣品分析結果(μg·kg-1，n=6)Table 4 Analysis results of plant essential oil samples (μg·kg-1, n=6)

3 結 論

針對同時測定可形成蒸氣和不可形成蒸氣元素需采用不同的進樣系統(tǒng)，本研究將MSIS與ICP-OES相結合，確定了在MSIS的雙重模式下同時對樣品進行傳統(tǒng)霧化和蒸氣發(fā)生反應，建立了植物精油中可形成蒸氣重金屬元素As，Sn，Sb，Hg和不可形成蒸氣重金屬元素Cr，Ni，Cd，Pb的快速檢測方法。 與標準SN/T 2484—2010規(guī)定的ICP-MS法相比較，方法的最大優(yōu)勢是分析效率高，檢測限低，更適合大批量植物精油樣品中重金屬元素的高通量檢測分析。