微波消解—?jiǎng)討B(tài)反應(yīng)池電感耦合等離子體質(zhì)譜測定農(nóng)產(chǎn)品中的痕量硒

杏朝剛，袁京群，李士敏

(浙江大學(xué) 農(nóng)生環(huán)測試中心，浙江 杭州310058)

硒是保持人和動(dòng)物生命活動(dòng)的重要無機(jī)微量元素[1]，具有抗癌[2]、抗氧化和提高機(jī)體免疫力的生理功能[3]，然而硒的有益攝入量范圍很窄[4]，過量易引起硒中毒[5]。因此，準(zhǔn)確測定農(nóng)產(chǎn)品及食品中的硒含量十分必要。目前，硒的測定方法主要有氫化物-原子熒光光譜法[6]、石墨爐原子吸收光譜法[7]和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[8]等。氫化物-原子熒光光譜法需要將消化液中的六價(jià)硒還原成四價(jià)硒再進(jìn)行測定，操作比較煩瑣；石墨爐原子吸收光譜法在灰化階段易損失硒，需要加入基體改進(jìn)劑；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法檢測限較高[9]，難以滿足痕量樣品的檢測要求。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的多元素分析儀器，具有靈敏度高、線性范圍廣、多元素同時(shí)分析的特點(diǎn)，但也存在多原子離子干擾。這些多原子離子主要來自于等離子體氣(Ar)，基質(zhì)成分(C、H、N、O)，溶劑或酸(Cl、S、N)，緩沖溶液或鹽(P、 Ca)等[9-10]。多原子離子干擾嚴(yán)重限制了電感耦合等離子體質(zhì)譜儀在硒測定中的應(yīng)用，如硒豐度最高的同位素(80Se， 49.61%)被Ar雙原子離子(40Ar40Ar+)嚴(yán)重干擾，82Se受40Ar42Ca+干擾，特別是在分析鈣含量較高的生物樣品及海產(chǎn)品中干擾更明顯，測定誤差較大。動(dòng)態(tài)反應(yīng)池(dynamic reaction cell, DRC)技術(shù)的應(yīng)用，可以消除多原子離子對硒測定的干擾[11-12]。許佳章等[13]建立了動(dòng)態(tài)反應(yīng)池(氧氣)模式檢測水果中硒含量的方法，王軍等[14]采用同位素稀釋六極桿碰撞室多接收電感耦合等離子體質(zhì)譜(MC-ICP-MS)建立了魚肉中痕量硒的測定方法，季海兵等[15]以異丙醇為增敏劑建立了電感耦合等離子體質(zhì)譜直接測定土壤和沉積物中硒的方法，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.268—2016采用碰撞反應(yīng)池模式。在此類研究中，以甲烷為反應(yīng)氣的報(bào)道相對較少[16-17]，且線性范圍較窄、檢出限偏高。本文系統(tǒng)研究了動(dòng)態(tài)反應(yīng)池關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)——反應(yīng)氣流速和抑制參數(shù)q(rejection parameter q， RPq)消除干擾的效果，優(yōu)化了測定條件及前處理方法，并通過加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)和國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)對測定結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，建立基于動(dòng)態(tài)反應(yīng)池電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定食品中痕量硒的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

NexION 300X型ICP-MS，PerkinElmer；AL104型萬分之一天平，梅特勒；TOPEX微波消解儀，上海屹堯。

硒標(biāo)準(zhǔn)溶液，1 000 μg·mL-1，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；硝酸，工藝超純，國藥試劑；過氧化氫，分析純，國藥試劑；試驗(yàn)用水為超純水；國家標(biāo)準(zhǔn)柑橘葉參考物質(zhì)GBW10020，地球物理地球化學(xué)勘查研究所。富硒的核桃仁、花生米、大米、茶葉、小麥粉、甘薯粉均購于當(dāng)?shù)爻小?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將從超市購買的樣品粉碎，準(zhǔn)確稱取粉碎樣品0.2～0.5 g(精確至0.001 g)于消化管中，加入7 mL硝酸，于通風(fēng)櫥內(nèi)110 ℃石墨爐上預(yù)消解30 min，冷卻至室溫，將消化管裝入套管中按微波消解程序(表1)消解，冷卻至室溫，取出消化管于110 ℃石墨爐上趕酸至0.5～1.0 mL，轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶，用蒸餾水定容，過0.22 μm水系微孔濾膜待測，同時(shí)做樣品空白。用標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧液將儀器調(diào)節(jié)至最佳工作狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)溶液或樣品及內(nèi)標(biāo)溶液由蠕動(dòng)泵同時(shí)引入霧化室，霧化后在高溫等離子體中電離，最后由質(zhì)量分析器檢測，標(biāo)準(zhǔn)曲線定量。

1.3 ICP-MS工作條件

通過標(biāo)準(zhǔn)調(diào)諧液調(diào)試ICP-MS霧化氣流速、矩管及離子透鏡位置，使高中低離子靈敏度、穩(wěn)定性、氧化物和雙電荷等參數(shù)符合儀器測試條件。優(yōu)化后的ICP-MS儀器工作條件：等離子體氣流速16.0 L·min-1，霧化氣流速0.89 L·min-1，射頻功率1 100 W，測定模式DRC模式(CH4氣流速0.9 mL·min-1)，積分時(shí)間1 000 ms，重復(fù)次數(shù)3次，檢測信號80Se。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion procedure

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品消解條件選擇

敞開體系常壓濕法消解，成本較低，操作方便，但敞開式加熱消解會導(dǎo)致酸和熱量損失、試劑消耗多、消解時(shí)間長，且控溫不精確，極易造成揮發(fā)性元素硒損失。微波消解屬于密閉體系高壓濕法消解，酸用量少、耗時(shí)短、消化效果好，且易揮發(fā)元素不易損失，是消解測定微量/痕量元素的常用前處理方法[18]，本文選擇微波消解處理樣品。由于氯和等離子體氣(Ar)可以形成40Ar37Cl+，干擾77Se的測定[19]，因此消解過程中不能使用鹽酸。過氧化氫通常配合硝酸使用以提高消解效率，當(dāng)采用7 mL硝酸加2 mL過氧化氫消解茶葉樣品時(shí)，在預(yù)消解階段由于起泡嚴(yán)重導(dǎo)致樣品噴出，造成樣品損失，影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，通過提高消解溫度、延長消解時(shí)間，可以在不加過氧化氫的條件下使樣品消解完全。經(jīng)對比，最終確定以7 mL硝酸按照表1程序消解樣品。

2.2 測定模式選擇

ICP-MS測定模式主要有標(biāo)準(zhǔn)(STD)模式、碰撞(CCT)模式、動(dòng)能歧視(KED)模式和動(dòng)態(tài)反應(yīng)池(DRC)模式。STD模式下，80Se受Ar雙原子離子40Ar40Ar+干擾嚴(yán)重；CCT模式要求惰性氣體原子的碰撞能量必須高于多原子干擾離子的解離能量，碰撞解離才會發(fā)生，碰撞解離模式不能消除40Ar40Ar+對80Se的檢測干擾。本實(shí)驗(yàn)首選KED模式。

當(dāng)采用KED模式測定硒標(biāo)準(zhǔn)曲線溶液時(shí)，在硒所有豐度同位素(74Se、76Se、77Se、78Se、80Se、82Se)[12，19]中，只有同位素78Se和82Se呈良好的線性關(guān)系(圖1)。但是當(dāng)進(jìn)行樣品測試時(shí)，穩(wěn)定性很差，同一溶液進(jìn)行5次重復(fù)測定結(jié)果如圖1所示，78Se和82Se的測定結(jié)果都相差懸殊，平行測定數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，無法進(jìn)行準(zhǔn)確定量。原因可能是78Se和82Se相對于40Ar38Ar+和42Ca40Ar+的響應(yīng)信號要低得多，等離子體中Ar濃度有微小的波動(dòng)就會引起質(zhì)量數(shù)78和82響應(yīng)信號較大的波動(dòng)，從而使78Se和82Se的測定結(jié)果都相差懸殊，無法進(jìn)行準(zhǔn)確定量。本文后續(xù)條件優(yōu)化采用穩(wěn)定性更好的DRC模式進(jìn)行測定，以消除等離子體氣基體干擾對測定結(jié)果的影響。

2.3 DRC模式條件優(yōu)化

圖1 KED模式下硒標(biāo)準(zhǔn)曲線(A)和樣品重復(fù)測定結(jié)果(B)Fig.1 Calibration curves (A) and sample results of repeats (B) in KED mode

抑制參數(shù)a(RPa)和RPq是四極桿質(zhì)譜質(zhì)量過濾參數(shù)，通過調(diào)節(jié)這2個(gè)參數(shù)可以讓特定質(zhì)荷比的離子通過四極桿質(zhì)量分析器。通常情況下，將RPa的值設(shè)定為0，通過調(diào)節(jié)RPq值來消除Ar背景干擾[22]。從圖2可以看出，隨著RPq值逐漸變大，5 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液80Se的響應(yīng)值先增大后逐漸減小，而2%(體積分?jǐn)?shù)，下同)硝酸空白溶液在80Se的響應(yīng)值先有稍許升高，RPq取0.5后趨于穩(wěn)定。隨著RPq值從0.1增加到0.9，信噪比(S/B)先增大后逐漸減小，在RPq=0.7時(shí)S/B取得最大值。因此，在測定硒時(shí)最佳的四極桿質(zhì)譜質(zhì)量過濾參數(shù)為RPa=0、RPq=0.7。

反應(yīng)氣流速直接影響Ar被反應(yīng)掉的程度，是影響S/B的主要反應(yīng)池參數(shù)。CH4反應(yīng)氣流速對空白溶液m/z80的響應(yīng)信號抑制效果比較明顯，從圖3可以看出：當(dāng)CH4氣流速為0.5 mL·min-1時(shí)，空白信號被抑制效果比較顯著，而5 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液信號強(qiáng)度變化不明顯；當(dāng)CH4氣流速大于0.6 mL·min-1后，空白和5 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定；當(dāng)CH4氣流速大于0.8 mL·min-1時(shí)，空白溶液和5 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液信號強(qiáng)度開始有明顯降低。當(dāng)CH4氣流速從0.1 mL·min-1增大到1.2 mL·min-1時(shí)，S/B先增大后減??；當(dāng)CH4氣流速為0.9 mL·min-1時(shí)，S/B達(dá)到最大值，此時(shí)反應(yīng)氣對空白溶液和5 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液的抑制效果達(dá)到最佳。綜上，硒測定的最佳動(dòng)態(tài)反應(yīng)池反應(yīng)氣流速為0.9 mL·min-1。

圖2 RPq值對2% HNO3空白和5 μg·L-1 Se溶液信號強(qiáng)度及信噪比(S/B)的影響Fig.2 Effect of RPq setting on signal-to-background ratios (S/B) and signal intensity at m/z 80 of blank (2% HNO3) and 5 μg·L-1 Se

圖3 CH4氣流速對2%HNO3空白和5 μg·L-1 Se溶液信號強(qiáng)度及S/B的影響Fig.3 Effect of CH4 gas flow rate on signal-to-background ratios (S/B) and signal intensity of blank (2% HNO3) and 5 μg·L-1 Se

2.4 線性和方法檢出限

點(diǎn)燃ICP-MS等離子體，穩(wěn)定30 min，用調(diào)諧溶液對儀器參數(shù)進(jìn)行最佳化調(diào)試，觀測調(diào)諧元素的靈敏度、穩(wěn)定性及氧化物水平等分析指標(biāo)，以確定儀器最佳工作條件。將10 μg·mL-1硒中間液逐級稀釋配成0.01、0.1、0.5、1.0、5.0、20、50、200 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化的條件下進(jìn)行分析測定，以質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x)、信號強(qiáng)度為縱坐標(biāo)(y)繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。結(jié)果表明，在0.01～200 μg·L-1濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，回歸方程為y=214.84x+28.94，決定系數(shù)(R2)為1.000 0。在實(shí)際樣品測定過程中，根據(jù)樣品含量，工作曲線范圍通常選擇0.1～50 μg·L-1。在優(yōu)化的條件下平行測定過程空白溶液11次，計(jì)算硒元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差確定方法檢出限為0.005 μg·L-1，10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差確定方法定量限為0.015 μg·L-1，以稱樣量0.2 g定容至50 mL換算成樣品中的含量，則方法的檢出限和定量限分別為0.001 μg·g-1和0.004 μg·g-1。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)樣品測定

按照1.2節(jié)方法處理樣品，在優(yōu)化的條件下測定國家標(biāo)準(zhǔn)柑橘葉參考物質(zhì)中的總硒含量，結(jié)果見表2。測定平均值為0.199 μg·g-1，在標(biāo)準(zhǔn)樣品的認(rèn)定值范圍內(nèi)，7次重復(fù)測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation， RSD)為3.39%。

表2 國家標(biāo)準(zhǔn)柑橘葉參考物質(zhì)GBW10020總硒測定結(jié)果Table 2 Test results of total Se in standard reference citrus leaves GBW10020

2.6 加標(biāo)回收率

稱取市售富硒茶葉0.2 g，分別準(zhǔn)確加入200 μg·L-1硒標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1、0.2、0.3 mL，然后按照1.2節(jié)樣品處理方法進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)(n=3)，總硒加標(biāo)回收率在97.32%～101.1%(表3)，RSD在3.35%～5.47%，說明此方法可以準(zhǔn)確測定農(nóng)產(chǎn)品中的硒含量，方法準(zhǔn)確可靠。

2.7 實(shí)際樣品測定

取從當(dāng)?shù)爻匈徺I的富硒核桃仁(樣品編號1～5)、花生米(樣品編號6～10)、大米(樣品編號11～15)、茶葉(樣品編號16～20)、小麥粉(樣品編號21～25)、甘薯粉(樣品編號26～30)，按照1.2節(jié)方法處理樣品，在優(yōu)化條件下測定農(nóng)產(chǎn)品中的硒含量。從表4可以看出：茶葉中硒含量相對較高，而且不同產(chǎn)地樣品間硒含量離散性最大；甘薯粉硒含量較低，且不同品牌樣品差別不大?？傮w來看，該方法適用于多種農(nóng)產(chǎn)品中痕量硒的測定。

表3 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of standard addition and recovery experiment

表4 實(shí)際樣品分析Table 4 Results of real sample analysis

3 討論

建立起微波消解—?jiǎng)討B(tài)反應(yīng)池電感耦合等離子體質(zhì)譜測定農(nóng)產(chǎn)品中痕量硒的方法，通過加標(biāo)回收、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定、精密度實(shí)驗(yàn)，證明該方法準(zhǔn)確度高、精密度好，且操作簡單，檢出限和定量限低，完全可以滿足農(nóng)產(chǎn)品中硒含量的測定要求。通過動(dòng)態(tài)反應(yīng)池模式和動(dòng)能歧視模式對比，進(jìn)一步證實(shí)了動(dòng)態(tài)反應(yīng)池技術(shù)是目前質(zhì)譜分析中消除質(zhì)譜干擾最有效的手段之一。然而動(dòng)態(tài)反應(yīng)池技術(shù)也有其自身的局限性，單一反應(yīng)氣很難消除所有的質(zhì)譜干擾，有些反應(yīng)氣還會同待測物反應(yīng)，引入其他干擾。今后，在選擇動(dòng)態(tài)反應(yīng)池技術(shù)進(jìn)行其他樣本或元素的測定時(shí)，還有待對其作進(jìn)一步優(yōu)化研究。