微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法測定固體中獸藥制劑中金屬元素

劉占通 張崇威 韓 立 李 娜

(河南省農(nóng)畜水產(chǎn)品檢驗(yàn)技術(shù)研究院,鄭州 450008)

2019年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第194號規(guī)定,除中藥和抗球蟲外,養(yǎng)殖環(huán)節(jié)禁止使用所有促生長類藥物,自此藥物飼料添加劑退出歷史舞臺。而中獸藥因其低毒、無藥殘、無耐藥性、價(jià)格低廉、符合法規(guī)要求等優(yōu)勢[1],在獸藥市場脫穎而出。中獸藥的崛起,勢必給行業(yè)帶來商機(jī),但檢測手段的滯后,使得不法分子有機(jī)可乘。通過添加違禁物質(zhì),特別是具有特定作用的金屬元素,以達(dá)到非法獲利的目的。例如,養(yǎng)殖環(huán)節(jié)增加銅、鋅的攝入可促進(jìn)動(dòng)物生長、改善動(dòng)物皮毛顏色[2],增加有機(jī)鉻和有機(jī)砷的攝入,可刺激動(dòng)物生長、改善肉質(zhì)并具有殺菌作用[3-4],錳元素是動(dòng)物生長不可或缺的微量元素,特別是母畜缺乏會導(dǎo)致很多疾病,硒元素的刻意攝入,提高了動(dòng)物食品中硒元素含量,更是迎合了越來越受到熱捧的富硒食品。而鉀、鈉、鎂、鈣、磷等常量元素在動(dòng)物的生長過程中更是不可或缺。但金屬元素的長期攝入,將通過食物鏈富集,最終對土壤環(huán)境及人體健康造成影響[5-6]。其中 Fe、Ca、Se、K、P等屬于有益元素[7],但長期過量使用慢性中毒,鐵過量會造成運(yùn)動(dòng)失調(diào)、肌肉痙攣及呼吸困難,硒過量會造成貧血、關(guān)節(jié)強(qiáng)直,鋅過量會造成貧血、生長發(fā)育遲緩等[8]。Pb、Cr、Cd、As、Cu等重金屬元素的過量攝入會對肝臟造成毒害,甚至引發(fā)各類病變乃至癌癥[9-10]。但國家對中獸藥中金屬元素的含量未做明確規(guī)定。因此,建立中獸藥中金屬元素檢測方法顯得十分必要。

目前,金屬元素檢測前處理消解方法主要有濕法消解、干法消解和微波消解[11-12]。微波消解具有操作簡單、成本低、空白值低等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為主流消解方式[13-14]。儀器方法主要有原子吸收光譜法[15-17]、原子熒光光譜法[18-19]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)[20-23]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[24-27]。原子吸收光譜儀及原子熒光光譜儀靈敏度高,但不能同時(shí)進(jìn)行多元素檢測。ICP-OES及ICP-MS均具有靈敏度高、檢出限低,分析速度快,多元素同時(shí)檢測等優(yōu)點(diǎn)[28],但I(xiàn)CP-OES在線性寬度及受基體干擾方面優(yōu)于ICP-MS,且能同時(shí)測定微量元素及常量元素而不產(chǎn)生污染。目前,對于中獸藥中金屬元素檢測的ICP-OES方法還未有報(bào)道。因此,通過對樣品前處理及儀器參數(shù)的比較研究,建立一種高效、便捷、準(zhǔn)確測定中獸藥中多金屬元素的分析方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

Cr、As、Cd、Pb、Na、Mg、K、Mn、Fe、Cu、Zn、Se、Ca、P單元素儲備標(biāo)準(zhǔn)溶液(1000 μg/mL)購自中國計(jì)量科學(xué)研究院,Ni內(nèi)標(biāo)溶液(100 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

60%硝酸(優(yōu)級純,德國Merck公司);過氧化氫(優(yōu)級純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);水為超純水(18.2 MΩ·cm),由Milli-Q超純水系統(tǒng)制得。

1.2 儀器與設(shè)備

PQ9000電感耦合等離子體光譜儀(德國耶拿分析儀器有限公司)、AB204-N電子分析天平(梅特勒-托利多(上海)有限公司)、EHD-40趕酸儀(北京東航科儀儀器有限公司)、MARS 6 Classic微波消解儀(美國CEM公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樣品來源

黃芩顆粒、益母生化散、麻杏石甘散、扶正解毒散、七清敗毒顆粒5種固體中獸藥制劑均來自市場隨機(jī)采購,包裝完好。為防止污染,樣品不做處理,實(shí)驗(yàn)時(shí)直接稱取樣品。

1.3.2 樣品前處理

取固體中獸藥制劑約0.5 g(精確至0.001 g)于消解罐中,加6 mL硝酸及1 mL過氧化氫,蓋內(nèi)蓋后靜置過夜。置微波中消解后冷卻至室溫,置趕酸儀上趕酸,趕酸儀溫度從室溫升至170 ℃,并在170 ℃保持1.5 h,將消解液趕至約0.5 mL,冷卻至室溫,用水分3～5次清洗內(nèi)壁并轉(zhuǎn)移清洗液至25 mL量瓶中,加適當(dāng)濃度內(nèi)標(biāo)溶液,用水定容至刻度。同時(shí)做試劑空白實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制

以3%硝酸溶液為介質(zhì),按照表1所示,對各元素濃度梯度進(jìn)行逐級稀釋,作為標(biāo)準(zhǔn)工作溶液,同時(shí)加入Ni標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL)作為各元素內(nèi)標(biāo)溶液,內(nèi)標(biāo)溶液上機(jī)濃度為100 μg/L。

表1 14種元素在標(biāo)準(zhǔn)系列溶液中的濃度Table 1 Concentration of 14 elements in standard series solutions

1.3.4 儀器條件

微波消解程序升溫參數(shù):第一步為經(jīng)15 min從室溫升至150 ℃并保持5 min;第二步經(jīng)3 min從150 ℃升到170 ℃,保持5 min;第三步經(jīng)3 min從170 ℃升到190 ℃,保持25 min。ICP-OES主要工作參數(shù)見表2。

表2 ICP-OES主要工作參數(shù)Table 2 Working parameters of ICP-OES

2 結(jié)果與討論

2.1 消解方式的選擇

檢測金屬元素的樣品消解方式一般有4種:濕法消解、干法消解、高壓消解和微波消解。通過對前處理消解方式的比較,結(jié)果表明:濕法消解設(shè)備簡單,操作容易,但易造成污染,受實(shí)驗(yàn)人員操作影響較大,精密度差;干法消解溫度一般為500～600 ℃,造成易揮發(fā)元素?fù)p失,檢測結(jié)果偏低,如鉛、硒、砷、隔等元素;高壓消解法操作簡便,重現(xiàn)性好,酸用量少使得空白本底值較低,但在消解有機(jī)物含量高或者消解酸體系中含有高氯酸時(shí)易發(fā)生爆炸;微波消解法是在密閉空間進(jìn)行消解,有效防止了交叉污染,減少揮發(fā)性元素?fù)p失,且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。本實(shí)驗(yàn)比較了濕法消解酸體系為硝酸-硫酸(1∶1),高壓消解酸體系為硝酸-高氯酸,微波消解法酸體系為硝酸-過氧化氫(6∶1)以及干法消解,對固體中獸藥制劑做5平行陽性添加并進(jìn)行消解處理,經(jīng)ICP-OES測定,扣除本底后對各元素平均回收率進(jìn)行結(jié)果比較,如圖1所示。

圖1 不同前處理方式對各元素平均回收率的影響Figure 1 Effects of different pre-treatment methods on the average recoveries of each element.

由圖1可見,微波消解法前處理對大部分元素回收率明顯優(yōu)于其他3種前處理結(jié)果,對固體中獸藥制劑中多種金屬元素同時(shí)檢測具有明顯優(yōu)勢。

2.2 微波消解參數(shù)選擇

因硝酸具有強(qiáng)酸性及強(qiáng)氧化性,是微波消解的主要用酸,常用消解液體系為硝酸-鹽酸、硝酸-氫氟酸、硝酸-高氯酸,同時(shí)加入過氧化氫促進(jìn)氧化。鹽酸的氧化性較弱,分解有機(jī)物能力差,且對后續(xù)的測定造成干擾[29];高氯酸在高溫高壓下容易與有機(jī)物中羥基反應(yīng)生成不穩(wěn)定高氯酸酯發(fā)生爆炸[30];而氫氟酸一般針對硅酸鹽基質(zhì)的消解[31],且對儀器部件如石英霧化室、霧化器和矩管有腐蝕作用。因此,實(shí)驗(yàn)采取儀器廠家推薦兩種方法進(jìn)行比較,即5 mL硝酸(60%)、6 mL 硝酸(60%)、6 mL硝酸(60%)+1 mL過氧化氫。同時(shí)分別設(shè)170、180、190 ℃ 3個(gè)最高消解溫度,分別加酸經(jīng)消解、趕酸、轉(zhuǎn)移并定容后,做正交實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:溫度為170或180 ℃時(shí),消解后溶液均呈現(xiàn)不同程度的渾濁,如圖2中①所示;消解溫度為190 ℃時(shí),添加5 mL硝酸微波消解后消解液有渾濁,如圖2中②所示;添加6 mL硝酸微波消解后消解液無渾濁,但顏色顯黃色,如圖2中③所示;添加6 mL硝酸+1 mL過氧化氫后消解液清澈透明,無固體雜質(zhì),結(jié)果如圖2中④所示。

圖2 不同消解液體系消解后消解溶液狀態(tài)Figure 2 Digestion solution status of different digestion liquid systems after digestion.

由圖2可見,消解體系為6 mL硝酸+1 mL過氧化氫時(shí),消解效果理想。若添加消解液后靜置過夜再進(jìn)行消解,不但效果更佳,還可有效防止爆管現(xiàn)象。

2.3 趕酸溫度的選擇

進(jìn)樣溶液酸度過高,易造成進(jìn)樣管等儀器部件的過早老化,且基質(zhì)效應(yīng)顯著[32],因此,應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)樣溶液中酸的濃度。趕酸溫度的高低對于揮發(fā)性元素特別是As的回收率有顯著影響,溫度高于190 ℃趕酸2 h對As回收率有明顯影響,回收率為82%。考察試樣經(jīng)消解后置入趕酸儀中從室溫升至130、150、170、190、210 ℃ 5個(gè)溫度點(diǎn),趕酸至消解液約0.5 mL,各趕酸溫度對應(yīng)As回收率如圖3所示。

圖3 趕酸溫度對As回收率的影響Figure 3 Effect of acid driving temperature on As recovery.

由圖3可見,趕酸溫度為130～170 ℃時(shí),As回收率無明顯變化,當(dāng)趕酸溫度升至190 ℃時(shí),As回收率顯著下降,因此,為保證揮發(fā)性元素的準(zhǔn)確測定及提高檢測效率,將趕酸溫度設(shè)置為170 ℃。

2.4 分析譜線波長的選擇

PQ9000電感耦合等離子體光譜儀針對測定的每種元素,自帶多行業(yè)多種推薦特征譜線。選擇特征分析譜線應(yīng)綜合考慮譜線靈敏度、共存元素干擾、背景干擾及該元素線性范圍[33],遵循檢出限低、靈敏度高、干擾小、信噪比高的原則。實(shí)驗(yàn)選取每種元素推薦的食品行業(yè)2～3條譜線,比較各譜線樣品溶液與標(biāo)準(zhǔn)溶液峰形,選取無雜峰干擾、靈敏度高的分析譜線,并選擇合適的背景點(diǎn)扣除背景。通過分析,最終確定14種元素的分析線如表3所示。

表3 待測元素分析譜線Table 3 Analysis lines for elements to be tested

2.5 方法可行性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)通過試劑加標(biāo)回收、進(jìn)樣前樣品溶液加標(biāo)并扣除本底后回收驗(yàn)證前處理方法及儀器條件的可行性。各元素回收率及精密度見表4。

表4 各陽性添加回收率及精密度比較Table 4 Comparison of recoveries and precision for each positive addition(n=5)

由表4可知,各方式加標(biāo)回收率均在90.0%～110%,無明顯差異。試劑添加回收率與樣品處理液添加回收一致,說明前處理過程中雜質(zhì)去除干凈,有機(jī)物消解完全,待測元素?fù)p失少,儀器條件設(shè)置恰當(dāng)。

2.6 線性方程與靈敏度

按照設(shè)定的儀器參數(shù)條件,對各元素標(biāo)準(zhǔn)系列濃度點(diǎn)進(jìn)行測定,以各元素儀器響應(yīng)信號強(qiáng)度與Ni標(biāo)液儀器響應(yīng)信號強(qiáng)度比值為縱坐標(biāo),各元素濃度點(diǎn)為橫坐標(biāo),進(jìn)行線性擬合。同時(shí)對10份樣品空白按照實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行前處理并測量,以10次空白溶液各元素響應(yīng)強(qiáng)度與Ni標(biāo)液響應(yīng)強(qiáng)度比值所對應(yīng)的元素含量的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為方法檢出限[34]。線性結(jié)果如表5所示。

表5 各元素線性方程及檢測限Table 5 Linear equation and detection limit of each element

2.7 實(shí)際樣品檢測

采用上述檢測方法對市場上隨機(jī)購買的黃芩顆粒、益母生化散、麻杏石甘散、扶正解毒散、七清敗毒顆粒5種固體中獸藥制劑進(jìn)行元素分析,結(jié)果見表6。

表6 樣品元素分析結(jié)果Table 6 Analysis results of elements in samples /(mg·kg-1)

結(jié)果顯示,不同種類中獸藥的不同金屬元素含量差別較大,即使同一金屬元素差別也較明顯,如重金屬As及Mg、Mn、Ca元素最大相差約100倍,Cr及Pb相差約200倍,Fe最大相差大于300倍,Cu、Zn最大相差也在30倍以上,這與中獸藥的生長環(huán)境、加工炮制工藝緊密相關(guān)[35],但不排除為達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益人為因素的添加。隨著全國獸用抗菌藥使用減量化行動(dòng)的實(shí)施,中獸藥是替抗減抗的首選藥物,中獸藥質(zhì)量事關(guān)畜產(chǎn)品質(zhì)量安全,因此中獸藥中金屬元素的含量測定方法研究至關(guān)重要。

3 結(jié)論

建立了微波消解-ICP-OES同時(shí)測定固體中獸藥制劑中常見的14種常量元素及痕量元素的方法,通過對消解方式的選擇、消解酸體系及消解溫度、趕酸溫度的優(yōu)化,分析譜線波長的選擇,最大程度地去除雜質(zhì),提高了分析元素檢測靈敏度,各元素檢出限在0.1～1.0 mg/kg,并提出了試劑空白添加、樣品空白添加、空白樣品處理液添加相比較以判斷前處理效果的方法,方法回收率在90.0%～110%,RSD均小于10%,具有較好的準(zhǔn)確度和精密度。方法前處理操作簡便,成本低、效率高,為固體中獸藥制劑中同時(shí)測定多種元素提供參考。