高壓密閉消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定恩施4種農(nóng)作物中微量元素含量及其相關(guān)性研究

楊磊　艾鑫正　黃文鄴等

摘要

[目的]分析恩施有代表性的4種農(nóng)作物不同部位微量元素含量。[方法]采用HNO3H2O2體系高壓密閉消解4種農(nóng)作物不同部位，電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)合碰撞反應(yīng)池法， 測定其中微量元素，以銠和錸內(nèi)標法補償校正，以國家標準物質(zhì)驗證方法的準確性。[結(jié)果] 該方法基體效應(yīng)弱，線性相關(guān)系數(shù)均不小于0.999 8，方法的檢出限范圍是0.014～0.053 μg/L，精密度（RSD）在0.53%～1.52%之間，加標回收率在98.65%～101.37%之間。[結(jié)論] 該方法檢測高效、準確，適合農(nóng)作物中多種元素的同時測定，同時研究了4種農(nóng)作物中微量元素的分布，發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)作物微量元素含量不同，而同一農(nóng)作物不同部位中微量元素含量也有一定差異。該研究首次分析了恩施富硒地區(qū)4種農(nóng)作物中硒與5種微量元素的相關(guān)性，為研究富硒農(nóng)產(chǎn)品中富硒程度的變化與其他微量元素是否處于安全且營養(yǎng)的范圍提供科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞 HNO3H2O2；高壓密閉消解；電感耦合等離子體質(zhì)譜；農(nóng)作物；微量元素

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）15-005-03

Determination of Trace Elements in Four Kinds of Typical Crops in Enshi by ICPMS with High Pressure Sealed Digestion and Study of Their Relationship

YANG Lei， AI Xinzheng， HUANG Wenye， LIAO ZhaoJiang*

（College of Biology and Pharmacy， China Three Gorges University， Yichang， Hubei 443002）

Abstract [Objective] The research aimed to determine the contents of trace elements in four kinds of typical crops in Enshi. [Method] Inductively coupled plasma mass spectrometry （ICPMS） with high pressure sealed digestion was adopted. The samples were digested by a mixed reagent of HNO3H2O2 sealed vessels. Rh and Re were selected as internal standard to compensate the analytical signal drift. The method was verified by national standard substance elements. [Result] Matrix effect of the method was weak and the linear correlation coefficient wasnt less than 0.999 8. The limit of detection range was 0.014-0.053 μg/L， RSD was 0.53%-1.52%， and standard addition recovery rate was 9865%-101.37%. [Conclusion] The method was effective and accurate， which was suitable for the detection of the trace elements in crops. It was found that trace elements content in different crops were different， and trace elements content in different parts of the same crops had certain differences. The relationship of five trace elements and Se in four kinds of typical crops in Enshi was analyzed for the first time， and the scientific basis in safe and nutrition range was provided for the research scope of the change of Se in agricultural products and other trace elements.

Key words HNO3H2O2； High pressure sealed digestion； ICPMS； Crops； Trace elements

聯(lián)合國糧農(nóng)組織/世界衛(wèi)生組織（FAO/WHO）將人體微量元素分為三類。第一類為人體必需微量元素，其中包括硒（Se）、鋅（Zn）、銅（Cu）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、鈷（Co）。它們在人體生理活動中有著不可替代的調(diào)控作用，與人的健康、壽命、疾病、智力等密切相關(guān)[1-4]，如硒與抗氧化，鋅與生長發(fā)育，銅與造血，鉬與酶活性，鉻與糖尿病，鈷與紅細胞生成等。而人體主要通過食物補充來獲得這些微量元素，尤其是硒元素。

微量元素常見的檢測方法有電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICPAES）[5-6]、原子吸收光譜法（AAS）[7-8]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICPMS）[9-10]和一些聯(lián)用技術(shù)等[10-11]。與其他方法相比，ICPMS具有靈敏度高、干擾少、檢出限低、線性范圍寬、精密度高和多元素同時分析等特點[9]，現(xiàn)已成為各類樣品中多元素同時分析的首選檢測方法。

恩施是世界上有名的“硒都”。面對全國乃至全球大面積缺硒的情形，恩施富硒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)擁有廣闊的市場前景，但發(fā)展遲緩，并受到人們質(zhì)疑。這主要是因為其農(nóng)產(chǎn)品缺乏檢測認證平臺。除硒之外，其他微量元素是否處在安全且營養(yǎng)范圍也未知。以此為背景，筆者采集了恩施四種具有代表性的農(nóng)作物（白菜、蘿卜、稻谷、玉米），在采用高壓密閉消解法消解樣品時，采用HNO3H2O2體系，較之傳統(tǒng)王水、HNO3HClO4等體系避免Cl元素的引入而增大多原子效應(yīng)。同時，以ICPMS碰撞池反應(yīng)模式為檢測手段，建立了一種準確測定4種農(nóng)產(chǎn)品中Se、Zn、Cu、Mo、Cr、Co等微量元素含量的方法，同時探討微量元素在4種農(nóng)作物不同部位中的分布以及Se與微量元素的相關(guān)性，為恩施富硒農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供一定的科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器及工作條件

XSeries 2電感耦合等離子體質(zhì)譜儀碰撞池反應(yīng)模式（美國Thermofisher Scientific公司），優(yōu)化后的工作參數(shù)為：

RF功率1 430 W，冷卻氣（Ar）流速13 L/min，助燃氣（Ar）流速0.80 L/min，霧化氣（Ar）流速0.88 L/min，Φ采樣錐（Ni）1.1 mm，Φ截取錐（Ni）0.75 mm，采樣深度75 mm，數(shù)據(jù)采集方式跳峰，測量通道數(shù)3，

1.2 內(nèi)標及硒標準溶液的配制

取銠和錸標準溶液各1 ml于1 000 ml容量瓶中，配成1 000 μg/L待用溶液；取待用溶液1 ml于100 ml容量瓶中，配成混合內(nèi)標溶液，均用濃度1%硝酸溶液定容。取多元素混合標準溶液，用濃度1%硝酸稀釋混合標準溶液至100 μg/L作為使用液，采用逐級稀釋法配制成濃度為0、0.5、2、5、10.0、100 μg/L的系列標準溶液。

1.3 樣品采集與制備

在恩施市向家坡（富硒農(nóng)產(chǎn)品輸出地之一）選取20塊農(nóng)田，其中白菜地、蘿卜地、稻谷地、玉米地各5塊，每塊10 m×10 m。在每塊農(nóng)田，采用棋盤布點法采樣，每種樣品1～2 kg。在樣品采集后，為避免交叉污染，所有樣品的采集、運輸、晾曬以及加工都分開進行。

將采集的樣品分別用自來水和去離子水沖洗干凈，用紗布吸取表面水分。在電子天平上稱取適量樣品，105 ℃殺青，65 ℃烘48 h，制成干樣，取部分樣品剪切后用微型粉碎機粉碎，備用。準確稱取0.050 0 g制好的干樣品于聚四氟乙烯高壓消解罐中，加入2 ml硝酸和2 ml過氧化氫，密封消解罐，于180 ℃烘箱中加熱10 h。冷卻后，小心打開消解罐，用濃度1%硝酸溶液轉(zhuǎn)移至100 ml容量瓶中定容，搖勻，全過程做空白對照樣。

1.4 樣品的測定

在儀器點火信號穩(wěn)定后，用10 ppb的Li、Co、In、U調(diào)諧液對儀器進行質(zhì)量校正，對儀器分辨率、靈敏度等指標進行優(yōu)化。然后，引入內(nèi)標溶液，轉(zhuǎn)換成碰撞池反應(yīng)模式，以此來有效減少多原子效應(yīng)干擾。建立試驗方法，選定Se、Zn、Cu、Mo、Cr、Co等待測元素。進樣管依次引入溶劑空白、系列標準樣品、樣品空白和待測消解樣品進行檢測。

1.5 Spearman等級相關(guān)分析法

Spearman等級相關(guān)分析法又稱秩相關(guān)，可以用非參數(shù)方法比較兩個總體之間的相關(guān)問題，適用于某些不服從正態(tài)分布或難于判斷分布的資料[15]。其計算公式為：

ρ=1-6Ni=1d2iN（N2-1）

式中，ρ為相關(guān)系數(shù)；d為兩個自變量差值；N為樣品數(shù)。

相關(guān)系數(shù)越接近1或-1，相關(guān)度越強；相關(guān)系數(shù)越接近0，相關(guān)度越弱。通常，取以下取值范圍判斷相關(guān)性強弱，即相關(guān)系數(shù)0.8～1.0為極強相關(guān)；相關(guān)系數(shù)0.6～0.8為強相關(guān)；相關(guān)系數(shù)0.4～0.6為中等程度相關(guān)；相關(guān)系數(shù)0.2～0.4為弱相關(guān)；相關(guān)系數(shù)0.0～0.2為極弱相關(guān)或者無相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 消解條件的確定

目前，無機元素消解主要有干法消解、濕法消解、微波消解和高壓密閉消解。干法消解往往溫度過高，既會導致待測組分揮發(fā)，又會造成消解不完全；而傳統(tǒng)的濕式消解法為敞置式消解，元素易受污染或揮發(fā)性損失，且在消解過程中不斷加酸，會造成消化空白較高，影響樣品中元素的測定；微波消解法酸用量較多，不易控制[12-13]；高壓密閉消解是用分裝式高壓密封消解罐，在密閉的干燥箱中通過密封的聚四氟乙烯內(nèi)膽高溫加壓進行消解，在密閉的環(huán)境中既降低待測元素揮發(fā)而造成測定結(jié)果誤差，又提高消解效率。綜合考慮，試驗采用高壓密閉消解體系消解農(nóng)作物樣。

國內(nèi)外在元素消解中應(yīng)用較廣泛的酸體系有王水、硝酸-高氯酸-氫氟酸和硝酸-高氯酸等[14]，但是消解時氯離子的引入會在儀器測定時與多種基體原子如氮、氧、氬等形成多原子干擾。結(jié)合過氧化氫特性，能有效氧化植物中的有機質(zhì)，且H和O元素均為儀器基體元素，不會帶來額外的多原子效應(yīng)。所以，試驗中采用HNO3H2O2體系，發(fā)現(xiàn)消解完全，適用于農(nóng)作物消解。

2.2 標準曲線線性范圍及相關(guān)系數(shù)

采集配制好的混合標準溶液0、0.5、2、5、10、100 μg/L，檢測時儀器自動生成各元素標準曲線，以10 μg/L銠和錸國家標準溶液為內(nèi)標溶液，校正干擾和信號的漂移。各元素的線性范圍和相關(guān)系數(shù)見表1，相關(guān)系數(shù)（r）均大于0.999 8，滿足分析要求。

2.3 方法精密度、檢出限和加標回收率

在選定的試驗條件下，對樣品消解試劑空白進行測定，統(tǒng)計標準偏差，以3倍空白標準偏差作為各元素檢出限。由表1可知，各元素檢出限在0.014～0.053 μg/L之間。每個樣品平行測定11份，統(tǒng)計平均值和標準偏差，同時對該樣品進行加標回收試驗，加標量根據(jù)各元素的實際含量采用單標溶液進行加標，統(tǒng)計各元素回收率。由表1可知，各元素相對標準偏差在0.53%～1.52%之間，加標回收率在98.65%～101.37% 之間。

2.4 不同農(nóng)作物不同部位微量元素含量分布

用HNO3H2O2體系高壓密閉消解樣品，以ICPMS為檢測手段，測定4種農(nóng)作物中微量元素含量。從表2可以看出，6種微量元素在不同農(nóng)作物中含量豐富，且在不同農(nóng)作物中分布不同。

鉻是試驗中唯一一個在《食品污染物限量》（GB2762-2012）中被提到的元素。它在蔬菜中的限量標準為不大于05 mg/kg，在糧食中的限量標準為不大于1 mg/kg。從表2可以看出，除了在蘿卜和稻桿中，鉻含量分別達到0504和0633 mg/kg，超過限量外，其他作物部位均未超過限量。從可食部位來看，鉻含量大小排序為蘿卜>大米>白菜>玉米。而同一作物不同部位鉻含量也有所不同，其中蘿卜作物中蘿卜>蘿卜皮>蘿卜葉，稻谷作物中稻桿>大米>稻殼，玉米作物中玉米桿>玉米>玉米芯。

由于硒的營養(yǎng)價值越來越受到重視，GB2762-2012中已將硒元素剔除。從表2可以看出，4種農(nóng)作物中硒含量從0.218 mg/kg到17.237 mg/kg不等，可食部位中白菜硒含量最高（11352 mg/kg），分別是蘿卜、大米和玉米的3.03、5207和21.87倍。在同一作物中不同部位硒含量也有差異。在蘿卜作物中，蘿卜葉中硒含量（17.237 mg/kg）是可食部位蘿卜的4.59倍，3個部位排序為蘿卜葉>蘿卜皮>蘿卜。在稻谷作物中，3個部位硒含量明顯出現(xiàn)3個等級，其中稻桿硒含量是可食部位大米的3258倍，而稻殼硒含量是大米的617倍。在玉米作物中，玉米芯的硒含量分別是玉米和玉米桿的2.64和3.30倍。

在4種農(nóng)作物中，鉬含量最高的是蘿卜葉（1.018 mg/kg），含量最低則是稻桿（0.020 mg/kg），兩者相差50.90倍。從整體看，4種作物中蘿卜和白菜為第一等級，稻谷和玉米為第二等級，第一等級鉬含量是第二等級的16.81～50.90倍，可食部位鉬含量大小排序為蘿卜>白菜>玉米>稻谷。鉬在同一作物不同部位中并無倍數(shù)上的差距。

鋅作為人體生長發(fā)育的關(guān)鍵元素，在4種農(nóng)作物中含量相對鉻、鉬來說非常豐富?？墒巢课讳\含量最低的玉米也有8.628 mg/kg，最高的蘿卜則達到14.830 mg/kg，兩者相差172倍，鋅含量排序為蘿卜>大米>白菜>玉米。在其他非可食部位，蘿卜葉、蘿卜皮和稻桿的鋅含量均超過10 mg/kg。同一作物不同部位的鋅含量無倍數(shù)上的差距。

銅在4種農(nóng)作物中含量范圍為18.954～21.547 mg/kg，含量最高和最低無倍數(shù)上差距，說明銅含量在4種作物不同部位基本無差距。

在4種農(nóng)作物中鈷含量相對鋅、銅較低，尤其是在蘿卜作物中，即使在鈷含量最高的蘿卜葉部位中也只有0.089 mg/kg?？墒巢课恢锈捄孔罡叩臑榘撞耍?.921 mg/kg），與最低的蘿卜（0.047 mg/kg）相差19.60倍，鈷含量大小排序為白菜>大米>玉米>蘿卜。在同一作物不同部位中，玉米芯鈷含量是玉米的5.83倍，其他作物不同部位鈷含量無倍數(shù)上差距。

綜合來看，6種微量元素含量在4種農(nóng)作物中排序為Cu>Zn>Se>Co≈Mo≈Cr。在可食部位中，白菜富含硒、鉬、鋅、銅和鈷，蘿卜富含鉻、硒、鉬、鋅和銅，大米富含鉻、鋅、銅和鈷，玉米富含鋅和銅。4種都是很好的微量元素食補農(nóng)作物，尤其是針對我國是缺硒大國的國情，恩施的白菜和蘿卜等富硒能力強的作物既可以作為當?shù)剞r(nóng)業(yè)特色發(fā)展富硒農(nóng)產(chǎn)品，增加當?shù)剞r(nóng)民收入，又可以緩解人們硒缺乏的情況。而在4種農(nóng)作物非可食部位中，鋅和銅含量都較豐富。值得注意的是，在蘿卜葉、稻桿和稻殼中，蘿卜葉中硒含量是測定樣品中最高的，可以將其作為富硒飼料或提供給硒補試劑研發(fā)公司作為有效硒的提取來源。稻殼中硒含量比大米高，所以建議多吃糙米，而稻桿中硒含量達7.103 mg/kg，完全可以加工成有機肥料。

2.5 4種農(nóng)作物中硒與微量元素相關(guān)性

根據(jù)Spearman等級相關(guān)分析法，結(jié)合試驗測定結(jié)果，4種農(nóng)作物中硒與微量元素相關(guān)系數(shù)見表3。研究表明，白菜、蘿卜、大米和玉米中r（SeCr）絕對值依次增大，從中等程度負相關(guān)到極強負相關(guān)。規(guī)律基本與4種農(nóng)作物硒含量大小順序相反，說明它們中硒與鉻呈負相關(guān)關(guān)系，且低含量的硒對鉻的抑制作用明顯。4種農(nóng)作物中硒與鋅的相關(guān)系數(shù)在0.327～0634，從弱正相關(guān)到強正相關(guān)，表現(xiàn)規(guī)律與其硒含量大小順序一致，說明4種農(nóng)作物中硒與鋅呈正相關(guān)關(guān)系，且高含量的硒對鋅有一定的促進作用。硒與鈷在白菜和蘿卜中呈弱的正相關(guān)，而在大米和玉米中呈無相關(guān)，說明硒與鈷在4種農(nóng)作物種相關(guān)性不明顯，但是高含量的硒對鋅有一定的促進作用。剩下的硒與鉬、硒與銅在4種農(nóng)作物中均表現(xiàn)出無相關(guān)。整體來看，4種農(nóng)作物中硒與微量元素相關(guān)性大小為r（SeCr）>r（SeZn）>r（SeCo）>r（SeCu）≈r（SeMo）。

3 結(jié)論

采用HNO3H2O2體系高壓密閉消解樣品，以ICPMS碰撞反應(yīng)池模式為檢測手段，能完整地保留待測組分，減小多原子干擾效應(yīng)，抗干擾能力強，6種微量元素的線性相關(guān)系數(shù)均不小于0.999 8，檢出限范圍為0.014～0.053 μg/L，加標回收率范圍為98.65%～101.37，并且能同時測定多種元素。所以，該方法非常適用于農(nóng)作物中多種元素的準確、高效檢測。

分析恩施4種特色農(nóng)作物可食部位，發(fā)現(xiàn)4種農(nóng)作物均富含鋅和銅。此外，白菜富含硒、鉬和鈷，蘿卜富含硒、鉻和鉬，大米富含鉻和鈷。它們都是很好的微量元素食補農(nóng)作物，其中白菜和蘿卜可發(fā)展成優(yōu)良的富硒農(nóng)產(chǎn)品。分析非可食部位，發(fā)現(xiàn)此部位均富含鋅和銅，可以作為鋅補、銅補試劑提取來源，其中蘿卜葉、稻殼、稻桿中硒含量明顯高于可食部位，可以用作富硒飼料、富硒肥料和硒補試劑提取來源，從而為當?shù)剞r(nóng)作物資源最優(yōu)化、利潤最大化提供科學依據(jù)。

該研究首次分析了恩施富硒地區(qū)白菜、蘿卜、稻谷和玉米中硒與5種微量元素的相關(guān)性。結(jié)果表明，硒與鉻呈負相關(guān)，且低含量硒對鉻抑制作用明顯；硒與鋅呈正相關(guān)，且高含量硒對鋅促進作用明顯；硒與鈷相關(guān)性弱，但高含量硒對二者相關(guān)性有一定促進作用；硒與鉬、硒與銅均呈無相關(guān)。該研究可以為研究富硒農(nóng)產(chǎn)品中富硒程度的變化與其他微量元素是否處于安全且營養(yǎng)的范圍提供科學依據(jù)。

參考文獻

[1] 夏敏.必須微量元素與人體健康[J].廣東微量元素科學，2003，10（1）：11-16.