糙米中多元素的原子發(fā)射光譜快速分析

李愛陽，陳宇，殷子懿，陳林

1(湖南工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽，421002)2(湖南中醫(yī)藥研究院 中醫(yī)研究所，湖南 長沙，410013)

糙米是稻谷去除稻殼后保留胚芽、糠層和胚乳的全谷米粒，因其富含膳食纖維、γ-氨基丁酸、酚類物質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)，被認為是綠色健康食品[1-3]。此外，糙米的麩皮和胚芽層完整，使其具有堅果口味和豐富的質(zhì)感[4]。糙米作為全球多個國家膳食結(jié)構(gòu)中的重要組成食物，不僅能提供能量來源，還能提供人體必需的微量元素[5-7]。然而，水稻的生長特性極易從其生長環(huán)境中吸收重金屬元素，一旦積累到谷粒中重金屬元素超標(biāo)，就會對人類健康構(gòu)成危害。因此，準(zhǔn)確測定糙米中的微量元素含量具有十分重要的意義。

糙米中多種微量元素的測定已有大量文獻報道，主要分析技術(shù)包括：原子吸收(atomic absorption spectrometry, AAS)[8-10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)[11-13]和電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[14-16]。其中，ICP-MS具有極低的檢測限和高靈敏度，并能滿足多元素同時測定的需求，但ICP-MS分析維護成本高，面對復(fù)雜干擾需采用碰撞/反應(yīng)池(collision/reaction cell, CRC)技術(shù)或高分辨ICP-MS[high resolution, (HR)-ICP-MS]才能徹底消除，儀器價格昂貴且操作要求高；AAS的線性范圍窄，單元素分析特性不能滿足多元素快速測定的高通量分析需求，對于難熔元素和非金屬元素的分析靈敏度低。ICP-OES線性范圍寬且能滿足多元素快速測定需求，但應(yīng)用于糙米中多元素的測定仍具挑戰(zhàn)性：即使在高溫等離子體條件下，常規(guī)液體霧化樣品引入難電離元素的電離不充分，導(dǎo)致這些元素的分析靈敏度低；糙米中部分元素含量低，尤其是難電離毒理性元素As、Sn、Sb、Hg，而ICP-OES的檢測限偏高，導(dǎo)致這些元素難以檢出。氫化物發(fā)生(hydride generation, HG)技術(shù)能將難電離元素轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性氫化物，極大地提高了這些元素在等離子體中的輸送、霧化和激發(fā)效率，與常規(guī)液體霧化樣品引入方式相比，能降低元素的檢出限(limit of detection, LOD)達1～2個數(shù)量級[17-19]，但揮發(fā)性氫化物的形成需使用氫化物發(fā)生進樣裝置，對于樣品中氫化物和非氫化物元素的測定需要更換不同的進樣系統(tǒng)，操作復(fù)雜繁瑣，不能滿足大批量樣品中多元素的快速分析要求。多模式進樣系統(tǒng)(multimode sample introduction system, MSIS)在雙重模式下兼具常規(guī)液體霧化和氫化物發(fā)生功能，能同時測定氫化物元素和非氫化物元素[20]。

本文將糙米進行微波消解，在MSIS雙重模式下，采用ICP-OES對糙米中的氫化物元素(As、Se、Sn、Sb、Hg)和非氫化物元素(Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb)同時進行測定，通過構(gòu)建快速自動曲線擬合技術(shù)(fast automatic curve fitting technology, FACT)模型消除測定過程中的光譜干擾和背景干擾，建立了糙米中多種微量元素快速準(zhǔn)確測定的分析方法。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

1 000 mg/L的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；10 mg/L的Y、Bi內(nèi)標(biāo)溶液、65%(質(zhì)量分數(shù))硝酸、37%(質(zhì)量分數(shù))鹽酸，德國Merck；L-半胱氨酸(生物純)、酒石酸、氫氧化鈉、硼氫化鈉(均為分析純)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；不同產(chǎn)地的6種糙米，京東超市。硝酸采用亞沸蒸餾純化。

預(yù)還原劑：在4 g酒石酸中加入100 g/LL-半胱氨酸溶液20 mL，用超純水定容至100 mL，得到20 g/LL-半胱氨酸/40 g/L 酒石酸混合溶液。

還原劑：將0.5 g NaOH和1.5 g硼氫化鈉溶于超純水中并定容至100 mL，得到15.0 g/L硼氫化鈉/5.0 g/L氫氧化鈉混合溶液。

1.2 儀器與設(shè)備

5110電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國Agilent公司；MARs 5微波消解系統(tǒng)，美國CEM公司；Milli-Q超純水機，美國Millipore公司。

1.3 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取0.4 g經(jīng)粉碎糙米樣品置入微波消解系統(tǒng)反應(yīng)罐內(nèi)，用少量超純水潤濕后加入65%(質(zhì)量分數(shù))硝酸2.5 mL，敞口消解20 min后置入微波消解系統(tǒng)進行消解。消解完成后轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，加入37%(質(zhì)量分數(shù))鹽酸3.5 mL，用超純水稀釋至刻度，得到樣品溶液。按相同條件制得空白溶液。

1.4 實驗方法

1.4.1 工作條件

ICP-OES：射頻功率1 350 W；等離子氣流速11.5 L/min；輔助氣流速1.0 L/min；泵速20 r/min；讀取時間20 s；重復(fù)次數(shù)3次；樣品提升延遲時間30 s；穩(wěn)定時間25 s；沖洗時間60 s；光譜/背景干擾校正，F(xiàn)ACT。

微波消解：功率1 600 W，3 min升溫至100 ℃，保持3 min；7 min升溫至150 ℃，保持3 min；7 min升溫至170 ℃，保持3 min；5 min升溫至190 ℃，保持10 min。

MSIS：樣品溶液引入流速0.5 mL/min；還原劑引入流速0.5 mL/min；預(yù)還原劑引入流速2.0 mL/min；霧化氣流速0.65 L/min。

1.4.2 ICP-OES分析

開啟MSIS雙重模式(圖1)，采用蠕動泵將樣品溶液分兩路引入MSIS霧化室，一路經(jīng)通道2引入進行常規(guī)液體霧化后導(dǎo)入ICP-OES，一路經(jīng)通道3與來自通道5的預(yù)還原劑在三通線圈均勻混合后進入MSIS霧化室，與來自通道1的還原劑進行氫化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氫化物蒸氣導(dǎo)入ICP-OES，所形成的廢液經(jīng)通道4排出。

圖1 在雙重模式下運行的多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)(MSIS)Fig.1 Multimode sample introduction system (MSIS) operating in dual mode

分別配制0、1、5、20、100、500 μg/L的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr和0、0.1、0.5、2.0、10、50 μg/L的Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1 mg/L的Y和Bi內(nèi)標(biāo)混合溶液，采用ICP-OES測定，選擇FACT校正光譜/背景干擾，以分析元素信號強度與內(nèi)標(biāo)元素信號強度的比值(相對信號強度)對標(biāo)準(zhǔn)溶液所對應(yīng)的濃度進行回歸，利用ICP Expert軟件建立校準(zhǔn)曲線。在相同的條件下測定空白溶液和樣品溶液，根據(jù)樣品溶液中分析元素的相對信號強度，利用校準(zhǔn)曲線計算樣品溶液中分析元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫化物發(fā)生條件的選擇

糙米樣品中的微量元素通常以穩(wěn)定的高氧化態(tài)存在，選擇還原酸對樣品進行酸化還原有利于提高分析元素的氫化物發(fā)生效率[21]。鹽酸兼具酸化和還原性，能使高氧化態(tài)分析物轉(zhuǎn)化為低氧化態(tài)或基態(tài)原子。在糙米樣品的預(yù)處理過程中，本實驗選擇鹽酸對消解溶液進行酸化還原。考察了不同含量鹽酸對氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg的影響，結(jié)果見圖2-a。As和Sb的氫化物AsH3和SbH3為四面體結(jié)構(gòu)，含一對孤對電子的弱極性分子；Sn氫化物SnH4為正四面體結(jié)構(gòu)，不含孤對電子的非極性分子，在酸度適中的介質(zhì)中，有利于SnH4、AsH3和SbH3產(chǎn)生；Se氫化物H2Se為四面體結(jié)構(gòu)，是含2對孤對電子的極性分子，較低酸度不利于H2Se產(chǎn)生，而Hg氫化物發(fā)生產(chǎn)物為基態(tài)原子蒸氣，受酸度的影響較小。因此，當(dāng)鹽酸體積分數(shù)在低含量范圍(5%～10%)變化時，As、Sn、Sb的信號強度隨鹽酸的體積分數(shù)增大而增大，而Se、Hg的信號強度基本無變化；隨后增大鹽酸含量，As、Sn、Sb的信號強度變化不大，而Se的信號強度逐漸增大，Hg的信號強度仍然維持平穩(wěn)；當(dāng)鹽酸體積分數(shù)增高至14%時，As、Sn、Sb的信號強度開始緩慢下降，但Se的信號強度趨于平穩(wěn)，Hg的信號強度仍然無明顯變化。由于5種氫化物元素中As的信號強度相對較低，本實驗選擇鹽酸體積分數(shù)為14%，確保了As的信號強度最大而其余氫化物元素也具有較大信號強度。通過在線加入由20 g/LL-半胱氨酸/40 g/L酒石酸組成的預(yù)還原劑與樣品溶液混合，提高了分析元素的氫化物發(fā)生效率。

a-鹽酸含量;b-硼氫化鈉含量圖2 濃度對氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg的影響Fig.2 Effect of concentrations on hydride-generation elements As, Se, Sn, Sb, and Hg

硼氫化鈉與酸反應(yīng)產(chǎn)生的H2，可與樣品溶液中的低氧化態(tài)的As、Se、Sn、Sb反應(yīng)形成氫化物蒸氣，并能將基態(tài)原子Hg還原形成蒸氣。在氫化物發(fā)生反應(yīng)過程中，硼氫化鈉含量的增加導(dǎo)致生成的水蒸氣也逐漸增多，由于SnH4為非極性分子，AsH3和SbH3為弱極性分子，SnH4不會受到水偶極距溶解影響，AsH3和SbH3受到水偶極距溶解的影響較??；而H2Se為強極性分子，受水偶極距溶解的影響，在水蒸氣中極易形成弱酸被硼氫化鈉的穩(wěn)定劑(NaOH)中和吸收，導(dǎo)致H2Se的產(chǎn)率降低；Hg蒸氣的信號強度取決于H2的生成量，較大濃度硼氫化鈉會生成更多H2?？疾炝瞬煌饸浠c濃度對As、Se、Sn、Sb、Hg氫化物發(fā)生的影響，從圖2-b可以看出，隨著硼氫化鈉濃度的增大，各元素的信號強度逐漸增大，當(dāng)硼氫化鈉的質(zhì)量濃度為10 g/L時，As和Hg的信號強度繼續(xù)增大，Sn和Sb的信號強度增幅變小，而Se的信號強度趨于平緩，當(dāng)硼氫化鈉的質(zhì)量濃度增大至15 g/L時，Se的信號強度開始降低。為確保所有分析物具有較大信號強度，本實驗選擇15 g/L硼氫化鈉為還原溶液，并加入0.5%的NaOH穩(wěn)定硼氫化鈉溶液。

2.2 分析譜線的選擇

根據(jù)ICP Expert譜線庫提供的分析譜線優(yōu)先排序和潛在的干擾，選擇靈敏度高并能避開譜線重疊干擾的波長為分析譜線。對于高靈敏譜線存在重疊干擾，而無干擾譜線的靈敏度過低不能滿足分析要求時，需要對選擇的高靈敏譜線進行重疊干擾校正。以Cd為例，Cd波長為226.502和214.439 nm處的2條高靈敏分析譜線均受到了Fe譜線干擾，其中，F(xiàn)e波長為226.505 nm處譜線與Cd在226.502 nm處的譜線峰間距離僅為3 pm，現(xiàn)有ICP-OES的光學(xué)系統(tǒng)無法完全分開這2條譜線，當(dāng)樣品中Fe含量很高時，F(xiàn)e譜線226.459 nm也會對Cd在226.502 nm處的譜線形成尾翼干擾。Cd在214.439 nm處的譜線與Fe波長為214.445 nm處譜線的峰間距離為6 pm，雖然受到的干擾比Cd譜線226.502 nm小，但ICP-OES仍然無法分離這2條譜線，同時，在高濃度Fe基質(zhì)中Cd在226.502 nm處的譜線還會受到Fe在214.457 nm處譜線的重疊干擾。本實驗選擇Cd的分析波長為214.439 nm，采用FACT對Fe譜線干擾進行實時光譜校正。

分別測定Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液、Fe標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白溶液，收集相應(yīng)的光譜響應(yīng)信息構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，對模型進行高斯曲線擬合，將譜峰轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)描述。檢驗剩余結(jié)構(gòu)的殘差，如果殘差足夠大，則將其擬合到其他高斯分布中[22]。因此，F(xiàn)ACT模型為高斯峰與相對小的殘差之和，通過算法將分析譜線從原始光譜中解析出來。從圖3可以看出，利用FACT模型可將Cd譜線214.439 nm處受到的Fe干擾峰完全分離，從而校正光譜重疊干擾。由于在建模過程中使用了空白溶液響應(yīng)數(shù)據(jù)，因此，F(xiàn)ACT能同時校正背景干擾?；贔ACT能同時校正光譜重疊和背景干擾，本實驗分別選擇Cr 267.716 nm、Mn 257.610 nm、Fe 238.204 nm、Ni 231.604 nm、Cu 327.395 nm、Zn 213.857 nm、Mo 202.032 nm、Sr 216.596 nm、Pb 220.353 nm、As 188.980 nm、Se 196.026 nm、Sn 189.925 nm、Sb 217.582 nm、Hg 194.164 nm為分析譜線進行測定。

圖3 采用FACT模型校正Fe對Cd的譜線重疊干擾Fig.3 Correction of spectral overlap interference of Fe on Cd using FACT model

2.3 方法的分析穩(wěn)定性

為評價長時間分析過程的穩(wěn)定性，向樣品溶液中加入由10 μg/L的非氫化物發(fā)生元素和1 μg/L的氫化物發(fā)生元素組成的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，選擇Y為Cr、Mn、Ni、Mo、Cd、Pb的內(nèi)標(biāo)元素，Bi為Fe、Cu、Zn、Sr、As、Se、Sn、Sb、Hg的內(nèi)標(biāo)元素，每10 min測定1次，共測定12次，分析元素在120 min內(nèi)的歸一化相對強度的變化(圖4)。可以看出，幾乎所有分析元素每次測定的歸一化信號強度值均在(1±0.05)內(nèi)變化，表示方法在長時間分析過程中的穩(wěn)定性良好。

圖4 在120 min內(nèi)加標(biāo)到樣品溶液中多元素 標(biāo)準(zhǔn)溶液的分析穩(wěn)定性Fig.4 Analytical stability of multi-element standard solutions spiked into sample solutions within 120 min

2.4 方法的線性與檢出限

利用選定的分析波長和內(nèi)標(biāo)譜線對系列多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進行測定，建立分析元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。對空白溶液重復(fù)測定11次，以測定結(jié)果3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)濃度為各元素儀器的LOD，乘以樣品的稀釋倍數(shù)為方法的檢出限(method detection limit, MDL)，結(jié)果見表1。可以看出，所有分析元素在各自線性范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 6，表明方法具有良好的線性關(guān)系。各元素的LOD為0.01～1.06 μg/L，MDL為0.63～66.2 μg/kg。其中所有非氫化物元素均低于國標(biāo)GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》ICP-OES法所得到的LOD；氫化物元素除Se以外，均低于國標(biāo)GB 5009.268—2016電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法所得到的LOD。

表1 方法的線性與檢出限Table 1 Linearity of method and limit of detection

2.5 標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GBW10045的分析

為評價分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性，對國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)重復(fù)測定6次，比較測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)參考值的一致性，并采用加標(biāo)回收實驗，考察各元素的加標(biāo)回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)。表2結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的分析結(jié)果與參考值基本一致，各元素的平均加標(biāo)回收率為93.0%～106%，RSD為2.2%～4.9%，驗證了分析方法準(zhǔn)確度和精密度高，能滿足實際檢測需要。

表2 標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)的分析結(jié)果Table 2 Analysis results of standard reference material Hunan rice (GBW10045)

2.6 樣品分析

應(yīng)用建立的方法分析了來自黑龍江、湖南、江西、遼寧、泰國、日本的6個不同產(chǎn)地的糙米(樣品編號分別為1、2、3、4、5、6)樣品，每個樣品重復(fù)測定6次，結(jié)果見表3。糙米中微量營養(yǎng)元素的含量普遍高于精米，但稻谷吸收的重金屬元素主要分布在纖維素更多的部位[23]，糙米中重金屬元素的含量也比精米高。對照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2022《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》，所有樣品中重金屬元素的含量均低于限量標(biāo)準(zhǔn)。盡管糙米的營養(yǎng)高于精米，但仍需關(guān)注糙米中重金屬元素超標(biāo)對健康帶來的潛在風(fēng)險。

表3 不同產(chǎn)地糙米樣品的分析結(jié)果(n=6) 單位：μg/kg

3 結(jié)論

本研究基于MSIS的雙重模式下能同時進行標(biāo)準(zhǔn)霧化和氫化物發(fā)生，開發(fā)了ICP-OES同時測定糙米中氫化物元素和非氫化物元素的分析方法。方法操作簡單，無需切換不同的進樣系統(tǒng)，縮短了分析時間，降低了分析運行成本。所有分析元素均具有高靈敏度、低LOD和良好的線性，整個測定過程穩(wěn)定性好，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，非常適合大批量樣品中氫化物元素和非氫化物元素的高通量檢測。雖然糙米中的微量營養(yǎng)元素的含量高于精米，但仍需關(guān)注重金屬元素超標(biāo)所帶來的健康風(fēng)險。