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2014 年 1 月 January 2014 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 33,No. 1 34 ~39 收稿日期 2013 -07 -01; 接受日期 2013 -09 -17 作者简介 冯永明, 工程师, 精细化工专业。E- mail fengyongm sina. com。 通讯作者 邢应香, 助理工程师, 化学专业。E- mail yingxiangxing163. com。 文章编号 0254 -5357 2014 01 -0034 -06 微波消解 - 电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中 微量硒的方法研究 冯永明1,邢应香1*,刘洪青1,章勇2 1. 安徽省地质实验研究所,安徽 合肥 230001; 2. 赛默飞世尔科技 上海 有限公司,上海 201206 摘要 生物样品中微量元素硒的分析检测, 经典方法是湿法消解 - 氢化物发生原子荧光光谱法 HG - AFS 。湿法消解处理生物样品需使用大量试剂, 并且消解时间长, 样品背景值高; HG - AFS 的分辨率较低, 已经不能满足微量硒的分析需求。解决生物样品的消解过程缓慢、 试剂用量大的问题是提高样品中微量元 素硒的检出限和分辨率的前提。本文采用湿法消解和微波消解两种消解体系处理样品, 对两种方法制备的 溶液分别采用 HG - AFS 和电感耦合等离子体质谱法 ICP - MS 进行测定, 通过对比试验确定了微波消解 ICP - MS 方法可以实现生物样品中微量硒的准确测定。对比试验表明 采用高压密闭微波消解前处理样品 技术可以大大缩短消解时间, 减少试剂用量, 降低了样品背景值; 利用 ICP - MS 直接进行测定, 方法检出限 为 0. 01 μg/g, 精密度 RSD, n 12 小于 4, 低于 HG - AFS 的检出限 0. 03 μg/g 和精密度 <10 。微 波消解 ICP - MS 方法操作简单快捷, 降低了方法检出限, 提高了样品分析的准确度和精密度。 关键词 生物样品; 微量硒; 湿法消解; 微波消解; 氢化物发生原子荧光光谱法; 电感耦合等离子体质谱法 中图分类号 O613. 52; O657. 31; O657. 63文献标识码 B 硒是人体必需的 15 种微量元素之一, 体内良好 的含硒状态能减少肿瘤的发生率 [1 -3 ], 因此硒是预 防肿瘤的营养元素 [4 ]。随着生物体内微量元素硒 的含量对生物影响的研究越来越深入, 对准确测定 生物样品中微量元素硒的方法研究日益紧迫, 对其 测定准确性和检出限的要求也越来越高。 生物样品含有大量的有机物质, 在测定工作中 首先要完全破坏有机物, 其中的硒含量也远远低于 土壤、 岩石等地质样品。传统的样品前处理方法主 要是针对土壤、 岩石等地质样品, 明显不能适用于生 物样品。硒是类金属元素, 由于在样品消解过程中 硒易生成挥发性化合物, 在样品消解方法的选择上 需考虑硒元素的这个特性, 避免样品中硒的挥发损 失。目前生物样品的前处理方法通常采用硝酸缓慢 低温消解的湿法消解, 由于湿法消解需要大量使用 硝酸低温消解有机物, 对有机质高的油脂类样品更 难消解 [5 -7 ], 需反复加酸, 必要时加过氧化氢, 造成 样品前处理流程长、 试剂用量大, 使得样品试剂空白 很难控制。而实际操作时反复加酸加热消解, 缓慢 的前处理过程很难保证易挥发性的硒没有损失, 造 成测定结果不稳定。因此解决生物样品中的有机物 快速简便消解, 同时避免硒的挥发损失是提高生物 样品中微量元素硒检测能力的前提。随着密闭高压 和微波技术的结合, 微波消解仪使生物样品的前处 理过程变得简便快捷 [8 -9 ], 消解效果也明显提高, 同 时由于是密闭消解, 可以避免易挥发元素的损失, 提 高样品前处理的效率和质量。 氢化物发生原子荧光光谱法 HG - AFS 是经 典的测定地质样品中硒的方法, 经过多年的实际应 用, 已经能够满足常规土壤、 岩石等样品中含量相对 较高的硒的分析需求 [10 ]。对于生物样品, 硒的含量 显著低于地质样品, 而且其中的有机质残留使 HG - AFS 测定时存在仪器漂移不稳定的问题, HG - AFS 的分辨率较低, 已经不能满足微量硒的分析需 43 ChaoXing 求。本文分别采用湿法消解和微波消解两种方法对 样品进行前处理, 在样品溶液的测定工作中分别采 用 HG - AFS[11 ]和电感耦合等离子体质谱法 ICP - MS [12 -15 ]进行比对试验, 主要对样品的消解时间和 试剂用量方面进行优化选择, 确定建立适用于批量 分析多种生物样品中微量元素硒的测定方法, 以解 决目前常用的湿法消解存在的处理时间长、 试剂用 量大而且无法控制用量统一的问题, 同时解决在敞 开的试验环境下长时间消解造成的污染问题。 1实验部分 1. 1仪器及工作条件 X - Series Ⅱ型电感耦合等离子体质谱仪 美国 Thermo 公司 。主要工作参数见表 1。 表 1 ICP - MS 仪器工作条件 Table 1Working parameters of the ICP- MS instrument 工作参数设定条件工作参数设定条件 功率1350 W测量方式跳峰 冷却气 Ar 流量13.0 L/min扫描次数50 辅助气 Ar 流量0. 7 L/min停留时间/通道10 ms 雾化气 Ar 流量0. 8 L/min每个质量通道数3 采样锥 Ni 孔径1.0 mm总采集时间20 s 截取锥 Ni 孔径0.7 mm固定工作频率27.12 MHz XGY -1011A 型原子荧光光谱仪 中国地质科 学院地球物理地球化学勘查研究所研制 。配有特 制的空心阴极灯。 ETHOS TOUCH 型 微 波 消 解 仪 意 大 利 Milestone 公司 。主要工作参数 固定工作频率 2450 MHz, 电压 220 V, 功率 2. 5 kW。 1. 2硒标准溶液和主要试剂 硒标准储备溶液 ρ Se 100. 0 μg/mL, GBW E 080136 深圳市森维贸易有限公司 。 硒标准过渡溶液 A ρ Se 2. 0 μg/mL, 分取 标准过渡溶液 A 配制标准过渡溶液 B[ ρ Se0. 10 μg/mL] 。 分取标准过渡溶液 B 配制 ICP - MS 标准工作 溶液 0. 005、 0. 010、 0. 050 μg/mL。 分取标准过渡溶液 B 配制 HG - AFS 标准工作 溶液 0. 0125、 0. 025、 0. 050、 0. 100 μg/mL。 硝酸 超纯 、 高氯酸 优级纯 、 盐酸 超纯 均为苏州晶瑞公司产品。 双氧水 超纯, 上海国药集团化学试剂有限 公司 。 水 电导率大于 18 MΩcm, 中国艾科浦颐洋 企业发展有限公司 。 1. 3样品前处理 选取国家标准物质 GBW 10010 ~ GBW 10016, 分别采用经典的湿法消解方法 硝酸 - 高氯酸消 解 和高压密闭微波消解法进行前处理。对两组样 品分别采用 HG - AFS[11 ]和 ICP - MS[12 -15 ]进行 测定。 1. 3. 1硝酸 - 高氯酸湿法消解 准确称取0.5000 g 标准物质 GBW 10010 ~ GBW 10016 分别放入 50 mL 玻璃烧杯中, 加入30 mL浓硝 酸, 盖上表面皿, 在控温电热板上低温升至150℃消解 有机物, 待深棕色浓烟完全冒尽, 溶液消解至无色后 升高控温电热板温度至270℃, 待溶液体积蒸至 5 mL 后取下冷却, 转移至50 mL 容量瓶中, 水定容后摇匀。 分取5 mL 溶液到 10 mL 比色管中用水定容至刻度, 摇匀后上 ICP - MS 直接测定硒的含量; 将剩余的溶 液转移到50 mL 玻璃烧杯中, 加入3 mL 高氯酸, 盖上 表面皿, 置于控温电热板上, 低温升至 270℃溶矿, 待 高氯酸冒浓白烟后控制体积在 5 mL 以下, 取下加 10 mL 50盐酸定容至25 mL, 摇匀、 冷却, 待溶液澄 清后用 HG -AFS 测定硒的含量。取10 个空白烧杯, 与样品同时处理, 测定空白值。 1. 3. 2高压密闭微波消解 准确称取 0. 5000 g 标准物质 GBW 10010 ~ GBW 10016, 分别放入微波消解仪内罐中。加入 10 mL 浓硝酸, 将内罐装入外罐, 拧紧转子确保样品密 封, 放入微波消解仪中按表 2 的步骤进行消解。 表 2微波消解程序 Table 2Procedure of the microwave digestion 步骤 消解时间 t/min 消解功率 P/W 消解温度 θ/℃ 151000140 2101000190 3151000200 420-- 待微波消解仪内温度传感器显示内罐温度低于 40℃后再打开内罐, 将消解好的溶液转移到 50 mL 容 量瓶中, 水定容后摇匀。分取 5 mL 溶液到 10 mL 比 色管中, 水定容至刻度, 摇匀后用 ICP - MS 直接测定 硒的含量; 将剩余的溶液转移到 50 mL 玻璃烧杯中, 加入3 mL 高氯酸, 盖上表面皿, 置于控温电热板上, 低温升至270℃溶矿, 待高氯酸冒浓白烟后控制体积 在5 mL 以下, 取下加10 mL 50盐酸定容至 25 mL, 53 第 1 期冯永明, 等 微波消解 - 电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中微量硒的方法研究第 33 卷 ChaoXing 摇匀、 冷却, 待溶液澄清后用 HG - AFS 测定硒含量。 取10 个空白空罐, 与样品同时处理, 测定空白值。 2结果与讨论 2. 1HG - AFS 测定两种消解方法制备溶液中的硒 经硝酸 - 高氯酸湿法消解和高压密闭微波消解 两种方法制备的样品溶液, 用 HG - AFS 进行测定 的结果对比见表 3。测定结果表明 高压密闭微波 消解的样品由于有机物消解得很干净, 上机过程中 没有大量的有机泡沫, 对仪器和测定结果都没有影 响, 测定值与标准值吻合较好; 湿法消解的样品测定 时存在仪器测定结果不稳定的问题。 表 3HG - AFS 测定两种消解方法制备溶液中的硒 Table 3Analytical results of Se in solutions prepared with two pretreatment s by HG- AFS 标准物质 编号 w Se / μgg -1 湿法消解样品 测定值 微波消解样品 测定值 标准值 GBW 100100. 0550.0580.062 GBW 100110. 0490.0490.053 GBW 100120. 0150.0180.021 GBW 100140. 1780.1860.200 GBW 100150. 0800.0870.092 GBW 100160. 0850.0920.098 两种消解方法制备的样品, 用 HG - AFS 测定的 空白值见表 4。由于高压密闭微波消解的样品制备 过程中所用的试剂很少, 样品空白也很低; 而硝酸 - 高氯酸湿法消解的样品由于试剂用量大, 用量很难统 一, 造成空白偏高和不稳定, 严重影响结果的可靠性。 表 4HG - AFS 测定微波消解和湿法消解的样品空白值 Table 4The blank values of Se in solutions prepared with two pretreatment s by HG- AFS 样品编号 w Se / μgg -1 湿法消解样品测定值微波消解样品测定值 BL10. 01270. 0011 BL20. 01080. 0012 BL30. 00960. 0014 BL40. 01160. 0012 BL50. 00970. 0017 BL60. 00920. 0010 BL70. 00910. 0015 BL80. 01090. 0010 BL90. 01160. 0018 BL100. 01000. 0014 BL110. 01100. 0016 BL120. 01230. 0015 2. 2ICP - MS 测定两种消解方法制备溶液中的硒 经硝酸 -高氯酸湿法消解和高压密闭微波消解 两种方法制备的样品溶液, 稀释后用 ICP - MS 进行 测定的结果对比见表 5。测定结果表明 微波消解的 样品测定结果明显好于湿法消解的样品, 并且仪器在 测定微波消解的样品时也明显比测定湿法消解的样 品稳定。对于含量较低的样品, 两组测定结果相差都 较大, 主要是酸度和空白都较高造成的。但 ICP - MS 的测定结果还是明显优于 HG -AFS 的测定结果。 表 5ICP - MS 测定两种消解方法制备溶液中的硒 Table 5Analytical results of Se in solutions prepared with two pretreatment s by ICP- MS 标准物质 编号 w Se / μgg -1 湿法消解样品测定值 微波消解样品测定值标准值 GBW 100100.0670.0600.062 GBW 100110.0590.0520.053 GBW 100120.0250.0190.021 GBW 100140.2320.1920.200 GBW 100150.0990.0890.092 GBW 100160.1050.0930.098 两种消解方法 ICP - MS 测定的空白值 见表 6 有较大差异。微波消解处理的空白值测定值很 低而且测定结果较稳定; 而湿法消解处理的空白值 测定值较高, 测定结果也很不稳定。这主要是微波 消解法处理样品时定量加入少量硝酸进行消解, 避 免了湿法消解反复加硝酸消解造成的试剂用量大而 且不一致所带来的试剂空白。同时, 微波消解处理 的时间大大短于湿法消解, 消解过程中的环境影响 减少到最低, 降低了样品空白值。 表 6ICP - MS 测定微波消解和湿法消解的样品空白值 Table 6The blank values of Se in solutions prepared with two pretreatment s by ICP- MS 样品编号 w Se / μgg -1 湿法消解样品测定值微波消解样品测定值 BL10. 01070.0009 BL20. 01080.0009 BL30. 00960.0009 BL40. 01160.0012 BL50. 00970.0011 BL60. 00920.0009 BL70. 00910.0012 BL80. 01090.0010 BL90. 01160.0013 BL100. 01120.0010 BL110. 01200.0010 BL120. 01230.0014 63 第 1 期 岩矿测试 http ∥www. ykcs. ac. cn 2014 年 ChaoXing 2. 3生物样品中硒的测定方法选择 通过上述 4 组不同消解方法和测定方法的实 验, 结果表明 在前处理过程中, 由于运用了微波消 解技术, 使生物样品的消解过程由原来的硝酸湿法 消解需3 ~5 天的时间 [11 ]缩短到现在的1 h 左右, 大 大提高了工作效率, 降低了劳动强度, 更适合于批量 样品的快速分析; 另外所加的酸量也由原来的几十 毫升减少到现在的 10 mL, 在降低消耗的同时也明 显降低了空白背景值, 减少了试剂空白的干扰, 使样 品的检出限降低。因此, 本文选择微波消解技术制 备生物样品。 在选择测定仪器时, 进行了 HG - AFS 测定和 ICP - MS 测定 [14 ]的比较。由于 HG - AFS 测定需要 将消解好的样品溶液进一步进行高氯酸冒烟, 盐酸 提取后才能测定, 相当于增加了样品的前处理时间, 加大了工作强度。同时, 在测定过程中由于样品中 硒的含量远远低于地质样品, 测定结果的稳定性和 准确性都较差, 尤其是低含量的样品, 偏差较大。而 ICP - MS 测定是在 CCT 模式下将消解好的样品溶 液经稀释定容后直接测定, 简化了样品处理过程, 相 应地减少了测定误差和样品空白值, 测定结果的稳 定性和准确性都优于 HG - AFS。因此本文选择用 ICP - MS 的 CCT 模式测定生物样品中的硒。 2. 4方法检出限 用已选择的微波消解 - ICP - MS 体系处理 12 个平行空白样品, 测定其中的硒, 按检出限计算公式 LOD 3σ/K σ 为 12 次测定的标准偏差, K 为标准 曲线斜率 计算出方法检出限为 0. 01 μg/g。该方 法检出限能够满足生物样品中硒的分析需求。用 HG - AFS 体系处理 12 个平行空白样品, 测定空白 样品中的硒的方法检出限为 0. 03 μg/g。显然, ICP - MS 的检出限比 HG - AFS 的检出限低。 2. 5方法准确度和精密度 准确称取标准物质 GBW 10010 ~ GBW 10016 各 0.5000 g, 采用微波消解-ICP -MS 体系测定12 次, 取其 平均值, 测定结果见表 7。实验发现, GBW 10010、 GBW 10011、 GBW 10012 由于含盐量少, 整体而言, 大多数元素 含量较低, 测定时基体干扰很小, 内标变化很小, 硒含量 虽然较低, 但精密度 RSD 仍然可以小于4; 而 GBW 10014、 GBW 10015、 GBW 10016 的基体干扰明显大于 GBW 10010、 GBW 10011、 GBW 10012, 这是由于样品中有 部分元素含量较高, 在 CCT 模式下, 这些基体干扰已经 被消除, 因此, 尽管内标有较大变化, 但硒的测定结果很 稳定可靠, 精密度 RSD 小于4。 表 7标准物质的测定结果 Table 7Analytical results of Se in the standard materials 标准物质 编号 w Se / μgg -1 平均测定值标准值 相对偏差/RSD/ GBW 100100. 0650. 0620.261. 1 GBW 100110. 0570. 053-0.241. 2 GBW 100120. 0190. 0210.292. 4 GBW 100140. 2130. 2000.162. 4 GBW 100150. 0870. 092-0.483. 1 GBW 100160. 1010. 09800. 181.0 2. 6实际样品分析 应用确定的高压密闭微波消解 ICP - MS 方法, 对送检的近 400 件水稻籽实、 脱水蔬菜和茶叶样品 进行了分析, 给出的实验测试结果用户反馈良好, 表 8 列出了其中 10 件样品的测试结果。 表 8实际样品的分析结果 Table 8Analytical results of Se in real samples 实际样品w Se / μgg -1 实际样品w Se / μgg -1 水稻籽实 10.035 脱水蔬菜 20. 256 水稻籽实 20.046 脱水蔬菜 30. 241 水稻籽实 30.058 茶叶 10. 085 水稻籽实 40.064 茶叶 20. 074 脱水蔬菜 10.187 茶叶 30. 068 3结语 对于硒含量相对较低的生物样品, 本文通过采 用湿法消解和微波消解两种消解体系, HG - AFS 和 ICP - MS 两种测定技术进行对比试验, 确定采用微 波消解 ICP - MS 方法实现了微量硒的准确测定。 微波消解 ICP - MS 方法的检出限为 0. 01 μg/g, 精密度 RSD, n 12 小于 4, 而 HG - AFS 方法的 检出限为 0. 03 μg/g, 精密度 RSD 小于 10, 微波 消解 ICP - MS 方法明显降低了检出限, 提高了测定 精密度。 本文应用微波消解技术处理有机物, 解决了过 去生物样品需大量消耗硝酸等试剂反复进行消解所 造成的前处理时间长、 分析成本高和背景值高的问 题, 满足了 ICP - MS 测定样品对待测溶液的酸度和 低空白值的要求, 可以解决应用湿法消解 - HG - AFS 测定方法的检出限受到制约、 精密度和准确度 都较差的问题。 由于生物样品种类繁多, 各种样品的特性千差 万别, 很难用一种方法涵盖所有类型的样品, 在试验 中发现富含油脂类的样品如脂肪、 花生等, 微波消解 73 第 1 期冯永明, 等 微波消解 - 电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中微量硒的方法研究第 33 卷 ChaoXing 过程中有高压罐压力过高造成泄压的现象, 消解效 果不理想, 需再次消解, 在测定过程中这类样品空白 值明显偏高, 有待进一步的试验解决。运用 ICP - MS 测定生物样品时发现生物样品的基体非常复杂, 样品含盐量差异很大, 在测定是需注意内标的变化, 对不同种类样品要分别测定, 以减少测定误差。 4参考文献 [ 1]徐辉碧, 刘琼, 黄开勋, 杨祥良. 硒预防肿瘤研究的进 展[ C] ∥第三届安徽省科技论坛暨安徽省第二届微 量元素科学研讨会论文集. 2004. 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The analytical requirements cannot be met by low resolution HG- AFS and wet digestion processing and carries the additional disadvantages of high quantities of reagent consumption,lengthy processing time and production of high background values. Accelerating digestion processing time and reducing the amount of reagent consumption have been considered as prerequisites for increasing detection limit and resolution of selenium. In this article,samples were analyzed by HG- AFS and Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometry ICP- MS after two different sample pretreatments of wet digestion and microwave digestion. The of ICP- MS with microwave digestion was established through these contrast tests. The results indicate that microwave digestion can reduce digestion time,decrease reagent consumption and lower background in high- pressure sealed conditions. Detection limits of HG- AFS and ICP- MS are 0. 03 μg/g and 0.01 μg/g,respectively. In addition,according to the determination for national standard reference samples, relative standard deviations of HG- AFS and ICP- MS are less than 10 and 4,respectively. Obviously,low detection limits and improved accuracy and precision can been acquired by direct analysis with ICP- MS. The established is simple to operate and can been conducted for the rapid determination of trace selenium in various biological samples. Key words biological samples; trace selenium; wet digestion; microwave digestion; Hydride Generation- Atomic Fluorescence Spectrometry; Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometry 93 第 1 期冯永明, 等 微波消解 - 电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中微量硒的方法研究第 33 卷 ChaoXing
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