微波消解—常壓消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定植物樣中的鍺

方曉青， 胡偉康， 張飛鴿， 吳 晶， 左天樂(lè)

(1.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，湖北 武漢 430034; 2.湖北省華祥計(jì)量技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430022)

鍺是一種重要的稀有元素，屬于人體必需的微量元素之一，具有抗腫瘤、抗衰老、提高免疫力、促進(jìn)新陳代謝等作用。植物、食品中鍺含量的檢測(cè)早已引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，由于其在植物體內(nèi)含量極低，對(duì)檢測(cè)手段提出了更高的要求。植物樣中有機(jī)質(zhì)含量較高，要準(zhǔn)確測(cè)定鍺，消除有機(jī)質(zhì)是首要目標(biāo)。目前樣品前處理技術(shù)大致可分為敞開(kāi)消解和密閉消解兩大類(lèi)，敞開(kāi)消解包括干灰化消解[1-3]和濕法消解[2-4]，密閉消解包括高壓密閉罐消解[2]和微波消解[3-4]。

植物中鍺的檢測(cè)方法主要有：原子吸收光譜法[4-5]、分光光度法[6-12]、原子熒光光譜法[1,11-15]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[3,16-17]等。其中，分光光度法使用熒光酮類(lèi)等顯色試劑，所用試劑多有毒有害，且前處理過(guò)程繁瑣，不適用于批量檢測(cè)；原子熒光光譜法和原子吸收光譜法線性范圍較窄；ICP-MS具有靈敏度高、線性范圍寬、分析快速等優(yōu)點(diǎn)，在日常樣品痕量分析中已顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。馬海萍等[16]采用ICP-MS對(duì)農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，采用微波消解進(jìn)行預(yù)處理，操作簡(jiǎn)便，但檢出限偏高(0.025 mg/kg)，而一般植物樣中鍺的含量均<0.025 mg/kg，因此該方法不適用于大部分植物樣中鍺的測(cè)定。

本文采用微波消解—常壓消解的方式，建立了ICP-MS測(cè)定植物樣中鍺的方法。采用微波消解—常壓消解方式提高鍺的溶出率；對(duì)硫酸、氫氟酸用量及常壓消解時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步改善方法的分析性能；通過(guò)數(shù)學(xué)校正模型扣除儀器測(cè)定過(guò)程中存在的干擾，保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該項(xiàng)工作可為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器

微波消解儀(MARS6型，美國(guó)CEM公司)；恒溫消解儀(BHW-09C20型，上海博通化學(xué)科技有限公司)；電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X2型，美國(guó)Thermo Fisher公司)。

1.2 試劑

鍺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液(鍺濃度1 000 mg/L，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)；鍺標(biāo)準(zhǔn)溶液(采用鍺標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋成100 ng/mL)；硝酸(上海傲班科技有限公司，優(yōu)級(jí)純)；氫氟酸(北京化工廠，優(yōu)級(jí)純)；硫酸(國(guó)藥集團(tuán)，優(yōu)級(jí)純)；過(guò)氧化氫(國(guó)藥集團(tuán)，CMOS級(jí))。

1.3 儀器工作條件

儀器工作條件見(jiàn)表1和表2。

表1 微波消解實(shí)驗(yàn)條件

表2 ICP-MS工作條件

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

鍺工作曲線溶液的配制：吸取適量的鍺標(biāo)準(zhǔn)溶液，以2%硝酸配制成標(biāo)準(zhǔn)中間液1 mg/L，用2%硝酸溶液定容至刻度，搖勻。使用時(shí)分別移取適量的標(biāo)液并用2%硝酸配制成鍺濃度分別為0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液。將電感耦合等離子體質(zhì)譜儀開(kāi)機(jī)調(diào)試好，穩(wěn)定30 min后，由低到高依次測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.5 樣品處理

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.500 0 g(±0.000 5 g，含水分較多的樣品可適當(dāng)增加取樣量至1 g)樣品于微波消解聚四氟乙烯內(nèi)罐中(糖分或淀粉含量高的樣品先在電熱板上低溫加熱去除有機(jī)質(zhì))，加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫溶液，蓋上內(nèi)蓋，旋緊罐蓋，按照微波消解儀標(biāo)準(zhǔn)操作步驟進(jìn)行消解。冷卻后取出，緩慢打開(kāi)罐蓋排氣，用少量水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐中溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，加1 mL硫酸和3 mL氫氟酸，蓋上坩堝蓋，置于電熱板上，升溫至100℃。消解3 h后揭蓋，繼續(xù)升溫至260℃趕酸，待濃煙冒盡且電熱板降溫至160℃，加2 mL硝酸提取，趕酸至<0.5 mL，用蒸餾水定容至10 mL，混勻待測(cè)，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物樣前處理研究與優(yōu)化

2.1.1微波消解體系

常用的消解試劑有硝酸、硫酸、鹽酸、過(guò)氧化氫、高氯酸、氫氟酸等，在溫度高于86℃和鹽酸存在條件下鍺(Ⅳ)與鹽酸形成易揮發(fā)的四氯化鍺而損失[18]，因此對(duì)應(yīng)使用的酸體系有硝酸—硫酸、硝酸—過(guò)氧化氫等?？紤]到消解體系是密閉狀態(tài)，所以盡量不選擇高氯酸，最終選擇硝酸作為主要消解試劑，加入過(guò)氧化氫加快消解時(shí)間和提高消解效果。通過(guò)多次試驗(yàn)確定，在加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫的試劑后，樣品消解的效果最佳。

選取GBW10023(紫菜)、GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)等4種涵蓋水生植物、茶葉、糧食、蔬菜的生物國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)。稱(chēng)取0.500 0 g標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫，按照表1的微波消解實(shí)驗(yàn)條件消解后，置于電熱板上趕酸至小體積后定容至10 mL，進(jìn)行ICP-MS上機(jī)測(cè)量，結(jié)果如表3所示。

表3 微波消解后標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定值

結(jié)果表明，微波消解后，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定值僅為推薦值的1/2左右，且GBW10023(紫菜)和GBW10052(綠茶)樣品消解后有不溶沉淀物，可能是有機(jī)質(zhì)未消解完全或者樣品中含有二氧化硅，導(dǎo)致鍺的溶出率偏低，還需用強(qiáng)氧化性的硫酸和氫氟酸進(jìn)行進(jìn)一步消解。

此時(shí)Label[j]數(shù)組記錄了所有共同連通域的標(biāo)號(hào)，但共同連通域的標(biāo)號(hào)是斷序的，不利于連通域的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)，因此還需要按照其出現(xiàn)的次序?qū)ζ溥M(jìn)行排序并且輸出連通域的個(gè)數(shù)。

2.1.2微波消解—常壓消解體系

為了驗(yàn)證微波消解—常壓消解加酸種類(lèi)對(duì)鍺溶出率的影響，同樣選取GBW10023(紫菜)、GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)等4種不同類(lèi)型的生物國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)。

(1) 硫酸加入量的優(yōu)化。稱(chēng)取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫，按照表1的微波消解實(shí)驗(yàn)條件消解后，將溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，分別加入不同體積的硫酸(0、1、2和3 mL)，蓋上坩堝蓋，100℃消解3 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進(jìn)行ICP-MS上機(jī)測(cè)量。比較加入不同體積硫酸消解后的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)量值，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同體積硫酸加入的條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，加入硫酸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響非常明顯，4種不同類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)量值均有明顯提高，但硫酸量加到>1 mL之后，鍺含量的變化并不明顯，因此采用硫酸的加入量為1 mL。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定值與其推薦值相比，還是有明顯差別，但硫酸的加入提高了鍺的溶出率。

(2)氫氟酸加入量的優(yōu)化。稱(chēng)取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫，按照表1的微波消解實(shí)驗(yàn)條件消解后，將溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，均加入1 mL硫酸，并分別加入不同體積的氫氟酸(0、1、3和5 mL)，蓋上坩堝蓋，100℃消解3 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進(jìn)行ICP-MS上機(jī)測(cè)量。比較加入不同體積氫氟酸消解后的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)量值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同體積氫氟酸加入的條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，隨著氫氟酸的加入，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)量值均有明顯提高。加入1 mL氫氟酸后，隨著氫氟酸體積的增加，GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)的測(cè)量值沒(méi)有明顯提高，而GBW10023(紫菜)的測(cè)量值增加明顯，氫氟酸越多，對(duì)紫菜的消解效率越高，可能是因?yàn)樽喜酥泄璧暮枯^高(推薦值為(0.83±0.16)%)。對(duì)于硅含量較高的植物樣，可適當(dāng)增加氫氟酸體積至5 mL，其他樣品僅需加3 mL。考慮到加入氫氟酸的體積越大，空白越高，從而影響樣品的檢出限，當(dāng)氫氟酸的加入體積為3 mL時(shí)，紫菜的鍺的測(cè)量值也在推薦值的不確定度范圍內(nèi)，因此采用氫氟酸加入量為3 mL。

(3) 常壓消解時(shí)間的優(yōu)化。常壓消解時(shí)間的長(zhǎng)短也會(huì)影響樣品中鍺的消解效果。稱(chēng)取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過(guò)氧化氫，按照表1的微波消解實(shí)驗(yàn)條件消解后，將溶液轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯坩堝中，均加入1 mL硫酸和3 mL氫氟酸后蓋上坩堝蓋，在100℃分別消解1、2、3和4 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進(jìn)行ICP-MS上機(jī)測(cè)量。比較不同常壓消解時(shí)間消解后的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測(cè)量值，結(jié)果如圖3所示。

圖3 常壓消解時(shí)間的條件實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果表明，常壓消解時(shí)間對(duì)GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)的測(cè)量值沒(méi)有明顯影響，而GBW10023(紫菜)的測(cè)量值提高明顯，消解時(shí)間越長(zhǎng)，紫菜的消解效率越高。為了保證紫菜類(lèi)植物樣的鍺的消解效率，選取常壓消解時(shí)間為3 h進(jìn)行前處理。

2.2 干擾和消除

2.2.1質(zhì)譜型干擾

在ICP-MS測(cè)量中，質(zhì)譜干擾主要有同量異位素疊加干擾、難熔氧化物離子干擾、多原子復(fù)合離子干擾及雙電荷離子干擾等，其中質(zhì)譜峰疊加、多原子復(fù)合離子所形成的干擾較為嚴(yán)重[19]。選擇的最佳ICP-MS工作條件見(jiàn)表2，在此工作條件下，鈰氧化物的產(chǎn)率<3%，138Ba的雙電荷產(chǎn)率<3%。針對(duì)質(zhì)譜型干擾，可以通過(guò)兩種方法來(lái)克服：①選擇測(cè)量元素的同位素；②通過(guò)校正方程進(jìn)行校正。

(1) 鍺同位素的選擇。盡量避免選擇有大量干擾元素存在及干擾機(jī)理復(fù)雜的測(cè)量同位素，這樣可以有效降低部分質(zhì)譜干擾。鍺主要有70Ge、72Ge、74Ge等3個(gè)同位素，在測(cè)定鍺時(shí)，主要受到70Zn和140Ce2+對(duì)70Ge、144Sm2+和144Nd2+對(duì)72Ge、148Sm2+和148Nd2+對(duì)74Ge的干擾。植物樣中釤和釹的含量很低，可選擇74Ge作為測(cè)量同位素，干擾相對(duì)較小且74Ge的靈敏度也較高。

(2) 干擾校正方程。對(duì)選擇同位素仍然不能有效避免的質(zhì)譜干擾，可以通過(guò)校正方程進(jìn)行數(shù)學(xué)模式干擾校正。校正方程中的干擾系數(shù)用釹純標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定和計(jì)算得出。配制釹濃度分別為100、500、1 000 μg/L的單標(biāo)溶液，按照表2的ICP-MS工作條件進(jìn)行檢測(cè)，得到不同濃度下74Ge、146Nd和148Nd的強(qiáng)度響應(yīng)值，計(jì)算出釹對(duì)鍺的干擾系數(shù)，如表4所示。

由表4計(jì)算出146Nd對(duì)74Ge的干擾系數(shù)為0.001 4，

表4 釹對(duì)74Ge的干擾情況

則測(cè)定鍺時(shí)，選定的測(cè)定同位素的校正方程為：

C74Ge,校=C74Ge,測(cè)-0.001 4C146Nd

式中：C74Ge,校為鍺的校正結(jié)果；C74Ge,測(cè)為鍺的測(cè)定結(jié)果；C146Nd為釹的測(cè)定結(jié)果。

2.2.2非質(zhì)譜型干擾

非質(zhì)譜型干擾主要包括基體抑制干擾、空間電荷效應(yīng)干擾、物理效應(yīng)干擾等[20]。非質(zhì)譜型干擾程度與樣品基體性質(zhì)有關(guān)，通過(guò)內(nèi)標(biāo)法、儀器條件最佳化等措施可以消除。內(nèi)標(biāo)元素的選擇原則：被測(cè)溶液中不含所選內(nèi)標(biāo)元素且該元素的測(cè)定干擾較少，質(zhì)量數(shù)與被測(cè)元素比較接近?；诖?，本方法選用103Rh作為內(nèi)標(biāo)元素，其濃度為2.0 μg/L。

2.3 檢出限

按照本方法進(jìn)行空白樣品制備，測(cè)試12份空白樣品，以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算檢出限，用4倍檢出限來(lái)估算測(cè)定下限，得到鍺的檢出限為0.59 ng/g，測(cè)定下限為2.36 ng/g。

2.4 精密度與準(zhǔn)確度

按照本方法選取了6個(gè)不同類(lèi)型的生物國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行8次測(cè)定，并計(jì)算精密度和準(zhǔn)確度，結(jié)果如表5所示。

由表5可看出，測(cè)量平均值均在推薦值的不確定范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的精密度均<15%。

表5 方法準(zhǔn)確度和精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用微波消解—常壓消解前處理方式和ICP-MS測(cè)定了生物國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中鍺的含量，對(duì)比研究了不同的硫酸、氫氟酸用量及常壓消解時(shí)間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的消解效果，探究了最優(yōu)的樣品處理方法。結(jié)果表明，鍺的檢出限為0.59 ng/g，測(cè)定下限為2.36 ng/g，相對(duì)誤差(RE)為3.78%～13.7%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD,n=8)為4.51%～11.6%。該方法檢出限低，精密度、準(zhǔn)確度良好，都能滿足分析要求，適用于植物樣中痕量鍺的測(cè)定。