微敞開體系快速石墨消解-ICP-OES法測(cè)定植物樣品中的磷和鉀

徐愛平 文典 杜瑞英 彭錦芬 陳永堅(jiān) 李梅霞

[1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與監(jiān)測(cè)技術(shù)研究所 廣東廣州 510640；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室（廣州） 廣東廣州 510640；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510640；4. 廣東農(nóng)科監(jiān)測(cè)科技有限公司 廣東廣州 510640]

磷和鉀是控制植物生長(zhǎng)和發(fā)育過(guò)程的重要元素，植物在生長(zhǎng)過(guò)程中需要大量的磷和鉀。磷元素不僅是植物體內(nèi)許多重要化合物的組成成分，而且還以多種途徑參與植物體內(nèi)的各種生理代謝過(guò)程，在人類賴以生存的土壤、植物和動(dòng)物生態(tài)系統(tǒng)中起著不可或缺的作用[1]。鉀元素可增強(qiáng)植物的抗逆性、抗病能力和光合作用[2]，對(duì)淀粉和糖分的形成有重要作用；此外，鉀還能促進(jìn)植物對(duì)氮、磷的吸收，有利于蛋白質(zhì)的形成[3]。合理的磷鉀配比有利于植物分生、葉片生長(zhǎng)，同時(shí)可提高光合作用能力和碳水化合物的運(yùn)輸能力[4]，因此，磷和鉀對(duì)植物的生長(zhǎng)極其重要。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的分析測(cè)試新技術(shù)，具有檢出限低、測(cè)定線性范圍寬、干擾小、精密度高等特點(diǎn)，可對(duì)多種元素同時(shí)進(jìn)行測(cè)定，能滿足復(fù)雜機(jī)體大量元素分析，在食品、藥品、衛(wèi)生、生物和環(huán)境等各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[5-8]。

目前，植物樣品中磷和鉀的測(cè)定參照食品標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要有GB 5009.87—2016、GB 5009.91—2016和GB 5009.268—2016。磷的測(cè)定包括對(duì)苯二酚-亞硫酸比色法、釩鉬黃比色法和ICP-OES法，鉀的測(cè)定方法包括火焰分光光度法、火焰原子發(fā)射光譜法、ICP-OES和電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜法(ICP-MS)[9-11]。其中，采用比色法測(cè)定植物樣品中的磷，操作步驟多，過(guò)程繁瑣[12]，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)使用到如對(duì)苯二酚等有毒試劑，在有條件的實(shí)驗(yàn)室，應(yīng)盡量放棄使用這種傳統(tǒng)的比色方法?；鹧嬖游展庾V法、火焰原子發(fā)射光譜法和ICP-MS法靈敏度高，但線性范圍相對(duì)較窄，測(cè)定時(shí)需對(duì)待測(cè)溶液進(jìn)行大倍數(shù)稀釋，其中每次稀釋后要加入氯化銫等掩蔽劑，應(yīng)用復(fù)雜[13-14]。GB 5009.268—2016中，第一法采用ICP-MS測(cè)鉀，第二法采用ICP-OES測(cè)磷和鉀，方法為指導(dǎo)性的，沒有具體解決這2種元素的同時(shí)測(cè)定問(wèn)題。因此，根據(jù)實(shí)際工作需要，有必要探索快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的能同時(shí)測(cè)定植物樣品中磷和鉀含量的方法。

本研究利用管蓋帶孔聚四氟乙烯消化管，構(gòu)建一套新型石墨消解法[15]，待樣品快速消解定容后，用ICP-OES同時(shí)測(cè)定磷和鉀，簡(jiǎn)便、快速、有效，為植物中磷和鉀的同時(shí)測(cè)定提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器 iCAP6000型ICP-OES（美國(guó)熱電公司）；聚四氟乙烯消化管（LabTech儀器股份有限公司）；DigiBlock ED54（LabTech儀器股份有限公司）；萬(wàn)分之一分析天平（METTLER TOLEDO，瑞士）；Milli-Q超純水儀（美國(guó)）。

1.1.2 試劑 硝酸（優(yōu)級(jí)純，J.T.Baker）；高氯酸（優(yōu)級(jí)純，廣州化學(xué)試劑廠）；磷和鉀單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL），由國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心提供；GSB-1大米、GSB-2小麥、GSB-5圓白菜、GSB-25胡蘿卜和GSB-27大蔥為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理 稱取具有代表性的樣品，干樣0.30 g（精確到0.000 1 g），濕樣2.0～5.0 g（精確到0.01 g，折合干物質(zhì)0.3 g左右），分別置于消化管中，加入硝酸+高氯酸混酸（9+1）10.0 mL，蓋上管蓋，置于石墨消解儀加熱孔中冷消化過(guò)夜；第二天開始升溫消化，升溫程序?yàn)?20℃保持0.5 h，升至150℃保持0.5 h，然后升至210℃保持2.0 h，至消化液近干，后期伴有白煙冒出，確定為消化終點(diǎn)；關(guān)閉電源停止加熱，15 min后加入10.0 mL超純水，蓋上管蓋，利用余溫回流20 min；取出整個(gè)管架冷卻至室溫，隨后將消化液用1%硝酸轉(zhuǎn)移至比色管中，用1%硝酸定容至25.00 mL，備用。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制 ICP-OES法測(cè)磷和鉀具有較寬的線性范圍，經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，采用垂直觀測(cè)方式，磷和鉀在0～200 mg/L有良好的線性關(guān)系，考慮到樣品中磷和鉀以及酸含量對(duì)測(cè)定的影響，將標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋，配制成所需混合使用液，介質(zhì)為2%的硝酸，磷和鉀混合標(biāo)準(zhǔn)使用液中磷的濃度為0、1.25、2.50、5.00、7.50、10.0 mg/L；鉀的濃度為0、12.5、25.0、50.0、75.0、100.0 mg/L。

1.2.3 儀器測(cè)定條件 ICP-OES測(cè)定磷和鉀的分析波長(zhǎng)分別為213.618和766.490 nm，射頻功率為1.15 kW，冷卻氣流量為18 L/min，輔助氣流量0.5 L/min，等離子氬氣流量為22 L/min，泵速50 r/min，進(jìn)樣穩(wěn)定時(shí)間15 s，管道清洗時(shí)間10 s，爆光時(shí)間30 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 前處理方法選擇

2.1.1 消解方法 實(shí)驗(yàn)中采用干灰化法、燒杯濕化法和微敞開快速石墨消解法處理不同類型植物樣品。干灰化法處理樣品耗時(shí)長(zhǎng)，普遍需要6～8 h，對(duì)部分復(fù)雜樣品要多次灰化，加入硝酸高溫消煮后才能完全消解，過(guò)程繁瑣，由于馬弗爐容量有限，很難處理大批量樣品；濕化法是實(shí)驗(yàn)室常用的消化方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，但需隨時(shí)查看，以免濺出和燒干，降低測(cè)定含量。同時(shí)，常規(guī)濕法消解法中會(huì)采用玻璃儀器如燒杯、三角瓶、表面皿等作為消解容器，這些儀器的本底含量較高，可能會(huì)有部分鉀滲出。微敞開石墨消解是本項(xiàng)目組開發(fā)的一種快速全消解法，消化管為聚四氟乙烯材質(zhì)，蓋上有小孔，既可減壓防爆，也有利于消解液的回流，充分消解樣品；加熱裝置為自動(dòng)控制石墨儀，設(shè)置好升溫程序，開機(jī)后消解儀自動(dòng)工作，4 h內(nèi)能完成整個(gè)消解過(guò)程，方便快捷，無(wú)需看管。因此本實(shí)驗(yàn)中選擇微敞開石墨消解法對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行消解。

2.1.2 消解液 樣品常用消解液有雙氧水、鹽酸、硝酸、高氯酸、濃硫酸及其混合液。本實(shí)驗(yàn)采用不同混合消解液進(jìn)行消解比對(duì)，發(fā)現(xiàn)2種混合酸比較理想，一種是硝酸和高氯酸的混合酸（9+1），能有效地對(duì)不同類型植物樣品進(jìn)行消解；另一種為硝酸和濃硫酸的混合酸（8+2），對(duì)基質(zhì)簡(jiǎn)單的樣品（如蔬菜、水果）的消化效果較好，對(duì)基質(zhì)較復(fù)雜的植物樣品（如荔枝葉等）的消化不完全，后期混合酸呈淡黃色或褐色，需冷卻后加入2 mL雙氧水，以200℃加熱30 min方可完全消解。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，本研究采用第一種常見混合酸進(jìn)行消化，樣品消化液除了可用于磷和鉀測(cè)定外，還可用于測(cè)定其它元素，消化過(guò)程也相對(duì)簡(jiǎn)單。

2.1.3 消化溫度程序 實(shí)驗(yàn)使用本項(xiàng)目組開發(fā)的新型消化管，在提升消化效率同時(shí)可降低元素?fù)p失[15]。開始采用較低溫度主要是防止瀑沸、樣品濺出，初始升溫程序?yàn)椋?20℃保持0.5 h，升溫至150℃保持0.5 h，樣品劇烈反應(yīng)完成，然后升到較高溫度進(jìn)行消化回流。將最高溫度設(shè)為190、200和210℃開展對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每隔0.5 h觀察消化情況，當(dāng)消化液近干并伴有大量白煙冒出為消化終點(diǎn)，記錄最終消化時(shí)間。

磷和鉀都是難揮發(fā)的元素，采用快速石墨消解，后面采用最高溫度210℃進(jìn)行消化，所需時(shí)間僅為3.5 h，由于使用溫度低，消化時(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng)，處理1、2、3最高消化溫度分別為190、200、210℃，結(jié)果見表1。

表1 不同消化溫度處理所需消化時(shí)間

2.2 上機(jī)條件選擇

用ICP-OES進(jìn)行元素分析時(shí)主要存在樣品基體干擾和光譜干擾，由于植物樣品中鹽的含量相對(duì)較低，樣品稀釋后上機(jī)，檢測(cè)器容易識(shí)別相關(guān)信號(hào)，基體對(duì)結(jié)果影響不大。光譜干擾方面，可以在儀器波長(zhǎng)譜線庫(kù)查找待測(cè)元素對(duì)應(yīng)的譜線和附近干擾元素的譜線，選擇時(shí)避開重疊和接近的其它元素譜線。通過(guò)對(duì)磷和鉀譜線庫(kù)的譜線進(jìn)行分析，結(jié)合對(duì)應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度，選擇213.618和766.490 nm作為磷和鉀分析譜線。大多數(shù)植物樣液稀釋5倍后上機(jī)測(cè)試，鉀和磷的測(cè)定結(jié)果基本在曲線范圍內(nèi)，對(duì)大米、面粉和玉米等磷和鉀含量相對(duì)較低的樣品，可不用稀釋直接上機(jī)；對(duì)含量過(guò)高樣品，經(jīng)過(guò)5倍稀釋后測(cè)定數(shù)據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)曲線的，需繼續(xù)稀釋，讓測(cè)定點(diǎn)落在曲線范圍的中上部。

ICP-OES數(shù)據(jù)采集分3種觀測(cè)方式：垂直、水平和自動(dòng)觀測(cè)。垂直觀測(cè)，光程較短，對(duì)應(yīng)的線性范圍大，適合植物中磷和鉀這些大量元素測(cè)定。

測(cè)定中，使用的射頻功率、冷卻氣流量、輔助氣流量、等離子氬氣流量、泵速、進(jìn)樣穩(wěn)定時(shí)間、管道清洗時(shí)間和爆光時(shí)間等采用儀器默認(rèn)值，能很好地完成磷和鉀的測(cè)定。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線和檢出限

按上述儀器工作條件，由低濃度至高濃度依次測(cè)定磷和鉀系列標(biāo)準(zhǔn)混合工作溶液，每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)定2次取平均值，以濃度為橫坐標(biāo)，信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)制作磷和鉀的標(biāo)準(zhǔn)曲線，具體見圖1和2。

圖1 鉀的標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖2 磷的標(biāo)準(zhǔn)曲線

計(jì)算回歸方程及相關(guān)系數(shù)（r），見表2。同時(shí)測(cè)定11份空白溶液鉀和磷的含量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，按公式MDL=t(n-1,0.99)×S計(jì)算該方法的檢出限，其數(shù)值約為標(biāo)準(zhǔn)偏差的4倍。

從圖1、2和表2可看出，兩元素（磷、鉀）在選定的線性范圍內(nèi)，譜線強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)元素濃度呈良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（r）分別為99.99%和99.98%，檢 出 限 分 別 為0.8和6.6 mg/kg，由于植物中磷和鉀的含量比較高，該方法線性范圍、相關(guān)系數(shù)和檢出限均能滿足磷和鉀檢測(cè)要求。

表2 方法線性關(guān)系和檢出限

2.4 方法的準(zhǔn)確度和精密度

按1.2的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)5種植物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中的磷和鉀進(jìn)行處理，每個(gè)樣品7個(gè)重復(fù)，測(cè)定結(jié)果取平均值，見表3。各標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定值均在標(biāo)示值的范圍內(nèi)，RSD小于3.62%（RSD小于10%，表明該方法準(zhǔn)確、可靠）。

表3 精密度和加標(biāo)回收試驗(yàn)(n=7)

3 結(jié)論

本研究系統(tǒng)地建立了微敞開體系石墨消解-ICP-OES法，同時(shí)測(cè)定植物樣品中磷和鉀含量，樣品經(jīng)硝酸和高氯酸消解，磷和鉀在標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度范圍內(nèi)，線性范圍寬，可達(dá)200 mg/L；相關(guān)系數(shù)分別為99.99%和99.98%，方法檢出限為0.8和6.6 mg/kg，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于3.62%，表明該方法快速準(zhǔn)確、靈敏度高、簡(jiǎn)單方便，適用于植物中磷和鉀的檢測(cè)。