電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定植物中磷和鉀

席樂，陳忠毅，李林凌

（四川省科源工程技術(shù)測試中心有限責(zé)任公司，成都 611100）

磷元素約占植物干物質(zhì)質(zhì)量的0.1%～0.5%，主要以有機(jī)態(tài)磷的形式存在，一般在植物的種子中磷含量較高，磷元素在植物體內(nèi)移動(dòng)性很大，再利用能力很強(qiáng)[1?2]。鉀元素在植物體內(nèi)的含量一般高于磷，主要以離子態(tài)存在，是植物體內(nèi)60 多種酶的活化劑，對光合作用產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)起著重要的作用[3?4]。

目前測定植物中磷、鉀主要參考的標(biāo)準(zhǔn)為NY/T 2017—2011[5]，標(biāo)準(zhǔn)中一般采用硫酸-過氧化氫消解法，將樣品置于消煮爐上，加入5 mL硫酸，消解過程中多次加入過氧化氫至溶液澄清后冷卻定容，用分光光度法測定磷，用火焰原子吸收光度法測定鉀[6?9]。實(shí)踐表明，為了消解完全而又避免損失，每個(gè)樣品需要加3～5次H2O2才能使消解液清澈，耗時(shí)長，樣品反應(yīng)劇烈并伴有刺鼻氣味，具有一定的職業(yè)危害[10]；消煮爐處理樣品數(shù)量有限，消解管笨重，不利于大批量樣品消解[11?13]；分光光度法顯色時(shí)間長，火焰原子吸收光度法測定使用試劑多，測定方法復(fù)雜，操作繁瑣、耗時(shí)，不適于批量樣品測定。

等離子體發(fā)射光譜法作為常見的元素測定方法，具有檢測限低、線性范圍廣、可多元素同時(shí)測定等優(yōu)點(diǎn)，在水質(zhì)總磷測定中已有應(yīng)用[14]。行業(yè)內(nèi)關(guān)于消解植物樣品的論文也有報(bào)道，包括硝酸-高氯酸消解體系[15]，密閉消解[16]，微波消解[17]，上述樣品處理方法存在處理步驟繁瑣，消解時(shí)間長，儀器昂貴等缺點(diǎn)。筆者采用硫酸-過氧化氫體系，用電熱板批量化消解樣品，用等離子體發(fā)射光譜法同時(shí)測定植物中的磷、鉀，該方法操作過程簡便，效率更高。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：ICAP6300 型，美國賽默飛世爾科技有限公司。

電熱板：EG37B 型，北京萊伯泰科儀器股份有限公司。

電子天平：BSA224S 型，感量為0.1 mg，德國賽多利斯科學(xué)儀器有限公司。

硫酸：優(yōu)級純，四川西隴科學(xué)有限公司。

過氧化氫：優(yōu)級純，成都金山化學(xué)試劑有限公司。

磷、鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液：質(zhì)量濃度均為1 000 μg/mL，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號分別為GSB04-1741—2004 (a)、GSB04-1733—2004，國家有色金屬與電子材料分析測試中心。

生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號分別為GBW 10010 (大米)、GBW 10047 (胡蘿卜)、GBW 10048 (芹菜)、GBW 10049 (大蔥)，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

高純氬氣：純度(體積分?jǐn)?shù))大于99.999%，大特(成都)氣體有限公司。

實(shí)驗(yàn)用水為超純水，電阻率為18.25 MΩ·cm。

1.2 儀器工作條件

RF功率：1 150 W；泵速：50 r/min；輔助氣：高純氬氣，流量為0.5 L/min；霧化氣：高純氬氣，流量為0.55 L/min；觀察方式：徑向觀察；駐留時(shí)間：0.05 s；掃描次數(shù)：20 次；清洗時(shí)間：20 s；重復(fù)測定次數(shù)：2次。

1.3 樣品處理

準(zhǔn)確稱取0.250 0 g 植物樣品(預(yù)先粉碎至粒徑小于2 mm)于150 mL錐形瓶中，用少量去離子水潤濕，加入硫酸10 mL，過氧化氫4 mL，輕微晃動(dòng)讓樣品分散，加漏斗，置于電熱板上，在280 ℃溫度下加熱回流，約45 min 后取下冷卻至室溫，用純水定容至50 mL，靜置12 h，作為樣品溶液。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

分別吸取磷、鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液0.0、0.25、0.50、1.0、2.5、5.0、10.0 mL 于同一只50 mL 容量瓶中，用純水定容至標(biāo)線，搖勻，配制成磷、鉀質(zhì)的量濃度均分別為0、5、10、20、50、100、200 μg/mL的磷、鉀系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.5 測定方法

樣品消解后，由電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定，以磷、鉀的特征譜線波長定性，標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量。

2 結(jié)果與討論

2.1 消解條件選擇

2.1.1 消解液配比

取生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(芹菜)，選擇硫酸和過氧化氫作為消解液[6]，按照表1設(shè)計(jì)5種不同的消解液配比，設(shè)定加熱時(shí)間為45 min 進(jìn)行試驗(yàn)，以等離子發(fā)射光譜法測定磷、鉀的含量來分析消解液配比對測定結(jié)果的影響。圖1反映不同消解方案下芹菜標(biāo)準(zhǔn)樣品中磷、鉀含量的測定結(jié)果。從圖1 中可以看出，D 方案的測定結(jié)果最優(yōu)，因此選擇D 方案，即消解液配比為硫酸10 mL，過氧化氫4 mL。

圖1 不同消解方案對應(yīng)的磷、鉀測定結(jié)果

表1 消解方案及消解液組成

2.1.2 加熱時(shí)間

取生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(芹菜)，按照上述討論的最優(yōu)消解液方案，設(shè)定加熱時(shí)間分別為20、30、40、45、50、60 min進(jìn)行試驗(yàn)，以等離子發(fā)射光譜法測定磷、鉀的含量來分析加熱時(shí)間對測定結(jié)果的影響。圖2 為不同加熱時(shí)間下芹菜標(biāo)準(zhǔn)樣品中磷、鉀含量的測定結(jié)果。從圖2 中可以看出，磷在加熱40 min后測定結(jié)果趨于恒定，鉀在加熱45 min后測定結(jié)果穩(wěn)定，綜合考慮，選擇加熱時(shí)間為45 min。

圖2 不同加熱時(shí)間對應(yīng)的磷、鉀測定結(jié)果

2.2 分析譜線選擇

一般在選擇譜線時(shí)以信號強(qiáng)度大、背景強(qiáng)度小、干擾元素影響小為依據(jù)[18?19]，鉀的譜線選擇776.490 nm 效果最好。磷的譜線主要有177.49、178.284、213.618 nm，分別選擇磷的3 條譜線對胡蘿卜、芹菜、大蔥3種生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測定，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同分析波長下3種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)磷的信噪比

圖4 不同分析波長下磷的測定結(jié)果

由圖3 可以看出，選擇177.495 nm 作為分析譜線時(shí)，3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的信背比均最高；由圖4 可以看出，磷元素在譜線為213.618 nm 時(shí)的測定結(jié)果偏低，在譜線為177.49、178.284 時(shí)的測定結(jié)果基本一致，綜合結(jié)果磷元素在譜線為177.495 nm 時(shí)測定結(jié)果更為準(zhǔn)確，干擾更小，背景強(qiáng)度更小。故選擇磷、鉀的分析譜線分別為177.495、776.490 nm。

2.3 線性方程和檢出限

將等離子體發(fā)射光譜儀調(diào)試在最佳工作條件下，依次測定磷、鉀系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，以待測元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)、發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性回歸，計(jì)算線性方程和相關(guān)系數(shù)。磷、鉀的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)見表2。由表2 可知，磷、鉀質(zhì)量濃度在0.00～200.0 μg/mL范圍內(nèi)，線性方程分別為y=122.9x+1.562和y=852.0x+116.6，相關(guān)系數(shù)均大于0.999，表明二者線性良好。

表2 磷、鉀的質(zhì)量濃度線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)

按照1.3 實(shí)驗(yàn)方法消解11 份樣品空白溶液，分別在1.2儀器工作條件下進(jìn)行測定，將各測定結(jié)果換算為樣品中磷、鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算11 次平行測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差、方法檢出限和定量限[20]，結(jié)果列于表3。由表3 可知，磷、鉀的方法檢出限分別為0.000 15%、0.001 3%，低于NY/T 2017—2011標(biāo)準(zhǔn)方法(磷、鉀的檢出限分別為0.000 5%、0.002%)。

表3 方法檢出限和定量限測定結(jié)果%

2.4 精密度試驗(yàn)

選擇芹菜標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照1.3 樣品處理方法，平行消解處理10 份樣品，在1.2 儀器工作條件下分別測定，結(jié)果見表4。

由表4可知，10份樣品磷、鉀測定值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為4.0%、5.9%，均小于NY/T 2017—2011標(biāo)準(zhǔn)方法(磷和鉀的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8%和7%)，表明該方法的精密度滿足測定要求。

2.5 準(zhǔn)確度試驗(yàn)

選擇胡蘿卜、芹菜、大蔥標(biāo)準(zhǔn)樣品，按照1.3處理方法消解，在1.2儀器工作條件下分別測定，結(jié)果見表5。由表5 可知，測定值均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，相對誤差為0.3%～3.6%，表明該方法準(zhǔn)確度滿足要求。

表5 生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果

2.6 方法比對試驗(yàn)

選取水稻、油菜、小麥三種農(nóng)作物的籽粒、莖葉和秸稈，分別采用NY/T 2017—2011 方法和本實(shí)驗(yàn)方法(電感耦合等離子體發(fā)射光譜法)進(jìn)行測定，每種樣品分別平行測定6 次，結(jié)果見表6。由表6 可知，電感耦合等離子發(fā)射光譜法的測定結(jié)果與NY/T 2017—2011 方法無顯著性差異，滿足測定要求。

表6 方法比對試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

以H2SO4-H2O2體系消解處理植物樣品，不僅簡化操作、節(jié)省時(shí)間，而且消解溫度低，可以減少消解液溢出；在高溫階段無須再加過氧化氫便可消煮清澈；使用硫酸消解樣品不會煮干，無須實(shí)驗(yàn)人員長時(shí)間照看，有效防止職業(yè)危害；樣品處理過程中使用過氧化氫較多，而NY/T 2017—2011標(biāo)準(zhǔn)方法使用AR級過氧化氫，含有一定量的磷和鉀，該方法使用GR級過氧化氫可有效減少空白對測定結(jié)果的影響；使用150 mL 錐形瓶在電熱板上消解，一次可以消解40個(gè)樣品，大幅提高了消解效率。采用等離子體發(fā)射光譜法代替分光光度法和火焰光度法測定磷、鉀，測定速度更快，節(jié)約試劑，提高了分析效率。該方法操作簡單，精密度、準(zhǔn)確度、檢出限均滿足要求，適用于大批量植物樣品中磷和鉀含量的快速測定。