微波消解
——原子熒光光譜法測量小麥粉中砷

劉淑萍 李榮齋 張雨佳 甘肅省計量研究院，甘肅蘭州 730000

引言：

砷屬于《GB2762-2017食品安全國家標準》食品污染物限量元素之一，其中規(guī)定谷物中總砷含量不能超過0.5 mg/kg[1]；國際食品法典委員會（CAC）在2010年第72次會議頒布了《食品和飼料中污染物和毒素通用標準》，規(guī)定糙米總砷限量為0.35 mg/kg[2]。砷污染屬于全球問題，中國屬于砷污染較嚴重的國家之一，主要分布于山西、內蒙古、新疆、陜西、四川、安徽、湖南、貴州、吉林、黑龍江、河南和山東等地區(qū)，其中一些地區(qū)存在嚴重砷中毒事件。

地方性砷中毒主要是因環(huán)境污染，當地居民長期通過飲水和食物攝入過量的砷而引起的[3]。研究發(fā)現，砷可以通過呼吸道、消化道和皮膚進入人體，在人體內富集可引起皮膚損害以及全身各系統(tǒng)、各器官的毒副反應，甚至發(fā)生癌變［4-10］，直接威脅人民的身體健康和生命安全。在砷污染區(qū)發(fā)現，砷過量不僅影響農作物的品質和產量[11,12]，而且很容易富集在植株體內進入食物鏈[13-15]。在貴州黔西南洲興仁縣交樂村污染區(qū)三個區(qū)域進行小麥采樣，用氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法對其中砷進行了檢測，其中兩個區(qū)域的砷含量分別為 0.85 mg/kg 和 0.58 mg/kg[16]，超過了GB2762-2017中規(guī)定的砷限量。研究數據出示，人體通過食物攝入的砷含量占人體砷總量的20%[17]。這些研究資料和數據警示我們對人類生存環(huán)境和食品中砷含量及時準確的檢測，對保護人民身體健康具有非常重要的意義。

本文針對目前國內As元素污染的現狀，結合甘肅省白銀地區(qū)土壤遭受重金屬嚴重污染情況，從白銀污染區(qū)選取小麥樣品進行實驗。本實驗采用微波消解-原子熒光光譜法（AFS）測定小麥樣品中的As，優(yōu)化了實驗條件。通過 GBW(E) 100493小麥粉成分分析標準物質對實驗方法進行驗證，測定結果與標準值一致。

1 實驗部分

1.1 主要儀器和試劑

原子熒光光譜儀：型號PF7，北京譜析儀器公司；電子天平：型號AT201，瑞士Mettler-Toledo公司；超純水機：型號Milli-Q Integral 5，美國Millipore公司；微波消解儀：型號Multiwave PRO，奧地利Anton Paar公司；鼓風干燥箱：型號DHG-9920A，上海一恒公司；碾磨儀：型號ZM200，德國Retsch公司；篩分儀：型號AS200，德國Retsch公司。試劑：砷單元素溶液標準物：GBW0861，標準值1000ug/mL，中國計量科學研究；小麥粉成分分析標準 物 質：GBW(E) 100493， 標 準 值 0.04mg/kg±0.01mg/kg，鋼研納克檢測技術有限公司；優(yōu)級純硝酸；優(yōu)級純鹽酸；分析純硼氫化鉀，抗壞血酸和硫脲；超純水（18.2MΩ.cm）。

1.2 實驗方法

1.2 .1 樣品采集與制備

小麥粉標準物質原料采自白銀重金屬污染區(qū)東大溝沿岸，將選購的小麥經過脫殼、除雜、清洗后，于80℃的溫度條件下烘干24小時。分批置于碾磨機中粉碎，用篩分儀通過100目篩網篩分，篩分后的樣品裝在PE封口袋中密封干燥保存，等所有的粉碎篩分步驟完成后，將全部樣品置于滾筒式均分儀，進行360度方位搖勻至24h，使其最大可能達到均勻。均分好的樣品在干凈工作臺上進行雙層包裝，首先將樣品裝入專用聚乙烯材質的食品級真空袋，用真空封口機抽真空熔封；外包裝采用復合膜鋁箔袋二次抽真空密封，以防樣品穩(wěn)定性受外界環(huán)境的影響。最后經60Co輻照滅菌后于避光干燥處儲存。

1.2 .2 樣品前處理

消解樣品時，先在消解罐中加入分析純濃硝酸6mL,設定清洗消解條件，于微波消解儀中微波消解清洗，冷卻后再分別用自來水和純凈水各沖洗1遍，再加分析純濃硝酸重復上述微波清洗操作兩次，以防消解系統(tǒng)引入干擾。清洗好后，用重量法在消解罐中依次稱取約0.5g（準確到0.0001g）的小麥粉樣品7份，GBW(E)100493標準物質2份，空白2份，分別加入6 mL的濃硝酸，置于微波消解儀中消解（消解條件見表1）。

消解好的樣品轉移至50mL帶蓋聚乙烯管中，先用超純水多次清洗消解管壁，再轉移至聚乙烯管中，盡量使消解罐中的樣品完全轉移，以防損失；其后加入5mL的5%的抗壞血酸和5%的硫脲的混合溶液，再加超純水至50mL左右，準確稱量；用聚乙烯管和溶液總重量減去空聚乙烯管質量，獲溶液質量，再用溶液質量除以小麥粉樣品質量得樣品稀釋倍數，記錄稱量數據，待反應約1小時后待測。

表1 微波消解方法Table 1 Microwave digestion method

1.2 .3 校準曲線的配制

采用重量法稱取一定量（精確到0.0001 g）As單元素溶液標準物質到帶蓋50mL聚乙烯管中,加2%HNO3稀釋成濃度為50.0000 ug/kg的標準儲備液。再準確稱量一系列儲備液，依次加入5 mL的抗壞血酸和硫脲的混合溶液，再加2%硝酸至50 mL,準確稱量配制成濃度為 0.2424 ug/kg、0.4864 ug/kg、0.9723 ug/kg、2.429 ug/kg 和 4.8677 ug/kg的標準系列。由工作校準曲線（見圖1）可見，As元素在(0.2000～5.0000) ug/kg質量濃度范圍呈線性關系，線性方程為 y=586.02x-11.75（y表示熒光信號強度，x表示標準系列溶液濃度；），相關系數為 0.9999。

圖1 As的標準曲線Figure 1 Standard curve of arsenic

1.2 .4 儀器工作條件

原子熒光光譜儀優(yōu)化參數：光電倍增管電壓280 V；主燈電流為40 mA；輔燈電流40 mA；載氣流量300 mL/min；屏蔽器流量600 mL/min；讀數時間20s；讀數方式采用峰面積。圖2 小麥粉樣品在不同溫度下的失水率對比。

2 結果和討論

2.1 微波消解條件優(yōu)化

首先保證微波消解系統(tǒng)足夠清潔，以免污染樣品，致使測定過程帶來干擾。用微波消解儀一次性消解樣品，壓力太小、溫度太低，樣品消解不完全；壓力太大，溫度太高，樣品中易揮發(fā)元素會因酸氣泄漏造成元素損失。對難消解樣品也可根據其化學性質加入氧化性更強的酸或氧化試劑。通過條件優(yōu)化在小麥粉中加入6mL濃硝酸在高溫高壓的微波條件下（見表1）就能消解成無色澄清透明的溶液，滿足檢測要求，因此不考慮加入其他強氧化性酸。

2.2 儀器參數的優(yōu)化

實驗顯示儀器的燈電流越大，激發(fā)的熒光強度越大，儀器靈敏度越高，噪聲也會隨之增加，而且燈電流過大，會導致燈的壽命變短[18]，故在滿足測定條件的原則下，盡量選擇低電流。在本實驗中，燈電流選取40mA。而光電倍增管的負高壓越大，儀器靈敏度相應增大，噪聲也隨著增強，綜合考慮信噪比和靈敏度適合實驗測定的情況下，本實驗選擇了280V的負高壓。

載氣流量過小不能及時攜帶砷的氫化物進入石英爐，致使熒光信號變弱，而載氣流量太大，氣化的原子在光路中滯留周期短，同樣減弱砷的熒光信號[19]。屏蔽氣體主要給原子化氣一個穩(wěn)定的外圍環(huán)境，以免氫化物氧化，也能穩(wěn)定火焰和提高熒光發(fā)射強度的作用[19]。此次測定載氣和屏蔽氣流量分別設定為300 mL/min和600 mL/min，既保證儀器性能穩(wěn)定，也能獲得較高的靈敏度。

2.3 還原劑的選擇

所用硼氫化鉀和氫氧化鉀的量太大會生產過量氫氣稀釋砷氫化物[16，18]，降低靈敏度，過少使反應不徹底，同樣將減弱熒光信號，影響測量結果，結合這些因素選用10 g/L硼氫化鉀溶液和5g/L的氫氧化鉀溶液作為該實驗的還原劑。

2.4 共存元素干擾

由于小麥粉基體比較復雜，共存元素多。通過干擾實驗[18-23]發(fā)現絕大部分元素Zn、Cd、Cr、Mo、Mn、Ca、Mg、Al、Sr 等離子只有共存量非常大時才對砷的測定造成干擾；Cu、Co、Fe和Ni等元素共存量比較大時會干擾As元素的檢測，加入5%的硫脲和5%的抗壞血酸可形成絡合物,起到配位劑和掩蔽劑的作用，從而消除這些元素的干擾。通過電感耦合等離子體質譜法測得上述元素含量遠遠低于上述文獻中共存離子的量。本實驗選用5ug/L的硫脲和5ug/L的抗壞血酸作為掩蔽劑以防共存元素干擾。

2.5 小麥粉樣品失水率計算

小麥粉樣品在整個制作過程中，通過很多環(huán)節(jié)，在最終的樣品中會引入一定的水分含量，尤其是開袋之后泄真空的樣品，容易吸收空氣中的水分。為了測定結果準確可靠，要么消解樣品前對樣品進行干燥脫水，要么計算樣品失水率進行水分校正。本實驗在60℃、80℃和100℃三個溫度條件下進行水分測試，1h稱量記錄結果1次，總共測量9h,測試結果見圖2。

圖2所示，60℃ 時，樣品烘干5h后失水率趨于穩(wěn)定；80℃時，烘干2 h后樣品失水率基本趨于穩(wěn)定；而100℃時，烘干1h樣品失水率已趨于穩(wěn)定。綜合上述三個溫度條件，本實驗建議溫度80 C ，烘干時間2 h進行樣品測定前的失水處理，既保證效率，也防止樣品中易揮發(fā)元素損失。

圖2 小麥粉樣品在不同溫度下的失水率對比Figure 1 Comparison of the water loss rate for different temperatue in wheat folur

2.6 測量結果

將1.2.2中消解好的樣品溶液通過原子熒光光譜法對As元素按照上述方法進行測定，每個樣品平行測定2次，計算獲得As元素在小麥粉樣品中含量 0.412 mg/kg，標準偏差為 0.009 mg/kg，相對標準偏差為2%（見表2）。為了保證測量結果的準確和實驗方法的可行和可信，用小麥粉標準物質GBW(E)100493對測定方法進行驗證，測量 數 據 0.0409 mg/kg， 標 準 偏 差 為 0.0002 mg/kg；GBW(E)100493的As元素標準值為0.04 mg/kg，擴展不確定度為0.01 mg/kg，方法驗證結果與標準值比較見表3。數據結果顯示GBW(E)100493標準物質測定結果和標準物質標準值一致，說明該方法對測定小麥粉中的As元素是可靠的。

表2 小麥粉中As元素含量測定結果 (單位：mg/kg)Table 2 Determination results of arsenic in wheat flour (unit: mg/kg)

表3 小麥粉中As元素測定方法驗證結果 (單位：mg/kg)Table 3 Verification result for the determination method of arsenic in wheat flour (unit: mg/kg)

3 結論

采用微波消解-原子熒光光譜法測定小麥粉中的砷含量，建立了微波消解和儀器工作較優(yōu)條件。As元素在（0.2000～ 5.0000）ug/kg質量濃度范圍呈線性關系，線性方程為y=586.02x-11.75，相關系數為0.9999；As元素測定結果相對標準偏差為2%。使用GBW(E)100493標準物質驗證顯示本實驗所采用的方法對小麥粉中As元素的測定是可靠的，可用于類似食品基體中As元素的檢驗檢測。