微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中14个微量元素_刘洪青.pdf

2008 年 12 月 December 2008 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 27，No． 6 427 ～430 收稿日期 2008- 04- 15; 修订日期 2008- 06- 20 作者简介 刘洪青 1969- ， 女， 吉林省吉林市人， 高级工程师， 主要从事等离子体光谱/质谱的分析测试。 E- mail lhq． 0429163． com。 文章编号 0254- 5357 2008 06- 0427- 04 微波消解 － 电感耦合等离子体质谱法 测定生物样品中 14 个微量元素 刘洪青，孙月婷，时晓露，章勇 安徽省地质实验研究所，安徽 合肥230001 摘要 利用微波消解技术使生物样品的前处理过程简单快捷， 消解效果完全满足测定要求。 消解溶液用电感耦合等离子体质谱法同时测定生物样品中 14 个微量元素铜、 铅、 锌、 镉、 钴、 铬、 镍、 锂、 钼、 硼、 铍、 钍、 铊、 铀。通过对仪器工作条件的优化实验， 确定了微波消解和质谱测量的条 件。对大米和圆白菜国家一级标准物质样品进行测定， 结果与标准值相符。各元素 4 次测定的 相对标准偏差 RSD 小于 6。 关键词 电感耦合等离子体质谱法; 微波消解; 微量元素; 生物标样 中图分类号 O657． 63; O652． 4文献标识码 B Determination of 14 Micro- amount of Elements in Biological Samples by Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometry with Microwave Digestion LIU Hong- qing，SUN Yue- ting，SHI Xiao- lu，ZHANG Yong Anhui Research Institute of Geological Experiment，Hefei230001，China Abstract Microwave digestion simplifies the pretreatment of biological samples with satisfactory digestion effect． Combined with microwave digestion， 14 micro- amount of elements including Cu，Pb，Zn，Cd，Co，Cr，Ni，Li， Mo，B，Be，Th，Tl，U were determined by inductively coupled plasma- mass spectrometry ICP- MS ． Analytical conditions of microwave digestion and ICP- MS measurement were optimized through experiments． The analytical results for rice and cabbage National Standard Reference materials are in agreement with certified values with precision of less than 6RSD n 4 ． Key words inductively coupled plasma- mass spectrometry ICP- MS ; microwave digestion; micro- amount of element; biological National Standard Reference material 许多金属元素在生物体中含量极低; 但对生物 体的新陈代谢起极其重要的作用。很多人体必需的 微量元素， 如 Cu、 Zn、 Mo 等与形成生物蛋白、 酶、 激 素和维生素都有关， 另外某些元素如、 Pb 等则对人 体有害。因此， 研究微量元素与人体健康的关系， 通 过对环境和生物样品微量元素检测的方法监测和控 制污染、 诊断和预防某些疾病、 补充某些微量元素以 达到增强体质或治疗某些疾病等， 都已成为生命科 学、 医学和环境科学领域的重要课题 ［ 1 ］。近年来， 环 境科学和生命科学的迅速进步极大地推动了生物样 品分析研究的深入开展。快速、 准确测定生物样品 中的微量元素成为分析化学研究重点之一。 724 ChaoXing 生物样品中金属元素含量低， 样品量一般很 少， 并含有大量有机质。目前生物样品前处理通常 采用湿法和干法。干法利用高温灰化消解有机物， 灰化温度达 650℃造成易挥发元素测定结果偏低; 湿法消化操作麻烦、 速度慢、 易沾污。在消解样品 有机质的同时， 保证易挥发元素不损失， 并且要较 好地测定微量元素的含量， 需要简便快捷、 试剂用 量少、 污染小、 消解效果好的前处理方法和灵敏度 高、 检测限低、 干扰小、 测定效率高的测定方法 ［2 ］。 微波技术对生物样品进行消解是迅速发展起来的 新技术， 具有溶解时间短、 用酸量少、 消化完全、 污 染少、 操作简便快捷等优点 ［1， 3 －4 ］。电感耦合等离 子体质谱法 ICP － MS 是近二三十年来发展最快 的无机元素分析方法之一， 它可以对水、 食品、 土 壤、 药物、 高纯材料等样品中的微量、 痕量和超痕量 元素进行高灵敏度多元素快速测定 ［5 ］， 在环境、 半 导体、 化学化工、 地质化探、 核科学、 生物学、 临床医 学、 农业等众多领域内广泛应用 ［6 －8 ］。 本文针对生物样品的特点， 建立了微波消解 － ICPMS 测定生物样品的方法， 二者结合使生物样品 中微量元素的测定取得了理想效果。 1实验部分 1． 1仪器及工作条件 XⅡseries 型电感耦合等离子体质谱仪 美国 Thermo － elemental 公司 ， 其工作条件为 冷却气 流量 13． 0 L/min， 辅助气流量 0． 7 L/min， 采样锥 孔径 1． 0 mm， 截取锥孔径 0． 7 mm， 测量方式为跳 峰， 每个质量的通道为 3， 扫描次数为 50 次， 固定 工作频率 27． 12 MHz。 ETHOS TOUCH 型 微 波 消 解 仪 意 大 利 Milestone 公司 ， 固定工作频率 2450 MHz， 消解电 压 220 V， 消解功率 2． 5 kW。 1． 2主要试剂 标准溶液 各微量元素单元素标准储备溶液均 采用光谱纯试剂， 按常规方法配制。根据各元素间 无干扰和化学反应的原则， 将各待测元素的单元素 标准储备溶液逐级稀释配制成混合标准溶液系列， 浓度均为1． 0 mg/L 见表1 ， 介质均为 φ 3 体 积分数 的 HNO3。再将混合标准溶液逐级稀释配 制成 0、 1、 10、 50 μg/L 的混合标准溶液系列。 HNO3、 H2O2均为超纯试剂 苏州晶瑞化学有 限公司 ; 高纯水 电阻率 ＞18 MΩcm 。 表 1混合标准溶液的分组及元素浓度 Table 1Mixed standard solutions and element concentration 混标序号元素ρB/ mgL －1 S1 Cu、 Pb、 Zn、 Cd、 Co、 Cr、 Ni、 Li、 Be、 Th、 Tl、 U 1．0 S2B1．0 S3Mo1．0 1． 3样品的前处理 由于生物样品的特殊性， 对于湿样一般要求制 备成干基样品后再进行消解， 以保证样品的均匀性 和测定结果的可靠性。为防止 Hg、 B 等易挥发元 素的损失， 制备成干基样品时烘箱温度必须保持在 60℃以下。在样品制备过程中为了尽量避免环境 及器皿等造成样品污染， 所有器皿和烘箱均是经过 处理的专用设备。本实验选择国家标准物质作为 测试样品。 分别称取 0． 2000 g 国家一级标准物质 GBW 10010 大米 、 GBW 10014 圆白菜 于微波消解内 罐中， 加入 10 mL 浓 HNO3。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 步 骤进行消解。 表 2微波消解程序 Table 2Procedure of microware digestion 步骤 t消解/minP消解/Wθ消解/℃ 151000140 2101000190 3151000190 42000 待微波消解仪内温度传感器显示内罐温度低于 40℃后打开内罐， 将消解液转移至 50． 0 mL 无硼玻 璃烧杯或塑料烧杯中， 置于电热板260℃浓缩至2．00 mL， 取下， 用水定容至10．0 mL， 摇匀， 待测。 于空白微波消解罐中加入 10 mL 浓 HNO3 ， 消 解及浓缩定容步骤与样品相同， 与样品同步处理， 做空白测定。 2结果与讨论 2． 1微波消解温度和试剂的选择 微波消解样品的消解程度直接影响测定结果。 本实验采用不同的消解温度进行条件试验， 最高消 解温度分别选择 160℃、 190℃、 210℃。结果表明， 最高消解温度为 190℃和 210 ℃， 消解的两组标样 消解溶液清亮， 浓缩定容后无沉淀和絮状悬浮物; 824 第 6 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2008 年 ChaoXing 在温度 160 ℃消解的圆白菜标准样品 GBW 10014 有浮物在液体表面， 需要加入 10 mL HNO3和 2 mL H2O2在高温电热板上继续消化才能浓缩定容， 造 成了样品空白值高、 消解时间长、 易污染等问题。 为延长微波消解仪的使用寿命， 本实验选择190℃ 的消解温度。 为了尽量减少试剂用量， 降低空白并控制酸 度， 按实验方法对试剂用量进行试验， 结果表明， 10 mL HNO3完全可以消解样品， H2O2的加入会使某 些样品反应剧烈; 必须先用 HNO3浸泡过夜后才能 加入 H2O2， 但消解效果与不加 H2O2并无明显差 异。所以， 一般样品无需加 H2O2; 对难消解样品， 视消化效果酌量加入 1 ～2 mL H2O2。 2． 2质谱测定的干扰和校正 ICP － MS 法测定生物样品中微量元素具有灵 敏度高、 干扰谱线少、 可同时多元素分析、 动态范围 宽的优势; 但同时存在不同的干扰问题， 一般为质 谱干扰和非质谱干扰。 2． 2． 1质谱干扰及其校正 质谱干扰是指待测元素的离子与其他离子或多 原子离子的质谱峰之间的相互重叠。质谱干扰除了 来自同质异位素、 第二电离能低的元素的双电荷离 子外， 主要来自等离子体的工作气体 Ar 、 标样的基 体 O、 H、 P、 Na、 Cl 等 和工作环境中的空气以及处 理样品所用试剂中各元素组合而成的多原子离子干 扰。一部分质谱干扰可以通过选择适当的仪器工作 参数将某些干扰降到可以忽略的水平。 依照丰度大、 干扰小、 灵敏度高的原则选择待 测元素的质量数 见表 3 。测定 Cu 时， 由于 40Ar、23Na 对63Cu 的干扰较大， 故选择65Cu 来避免。 测定 Cr 时， C 的多原子离子产生干扰， 选择53Cr 避 免; 测定低含量的 Cr 时， 必须用丰度高的52Cr 避 免， 故 Cr 的测定选择了两个质量数 52 和 53。 表 3 ICP － MS 测定元素的质量数 Table 3Measurement mass of the elements determined by ICP- MS 元素质量数元素质量数元素质量数 Cu65Pb206Cr52， 53 Cd110Co59Li7 Ni58Mo98Zn64 Rb85B11Th232 Tl205U238Be9 对射频发生器功率、 雾化气流速以及采样深度 等仪器工作条件进行试验， 分别固定两个条件改变 第 3 个条件对仪器条件最佳化。对比这 3 个条件 变化对氧化物干扰156CeO/ 140Ce 和二次电离电荷干 扰138 Ba/ 138Ba 的影响， 实验选择射频功率 1200 kW， 雾化器流速 0． 78 L/min， 采样深度 170 mm， 在 此测定条件下氧化物和二次电离电荷干扰可以 忽略。 2． 2． 2非质谱干扰及其校正 非质谱干扰主要是指基体干扰。较高浓度的 基体元素或溶液的介质对样品气溶胶产生、 传输以 及待测离子的电离提取和聚焦等过程产生影响。 由于生物标样的复杂多样性， 不同样品的基体元素 含量差别很大， 本实验用内标加入法控制校正基体 效应。根据内标元素的选择要尽量与待测元素质 量数相近而且是不常测的原则， 用 Rh、 Re 作为内 标元素， 测定结果与不加内标的结果相比， 有明显 的校正效果， 特别是基体元素较高的标准物质 GBW 10014 效果更明显 见表 4 。 表 4加内标与不加内标测定结果比较 Table 4Comparison of analytical results of elementsin rice and cabbage National Standard Materials with and without internal standard 元素① GBW 10010 大米 标准值加内标 不加内标 GBW 10014 圆白菜 标准值加内标 不加内标 Cu 10 －6 4．9 0．35．124．692．7 0．22．92．43 Pb 10 －9 80 3．083．474．1190 30195147．2 Zn 10 －6 23 221．4722．0526 227．0521．73 Cd 10 －9 87 590．2184．135 63625．1 Cr 10 －6 0．090．080．071．8 0．31．741．43 Ni 10 －6 0．27 0．020．250．290．93 0．100．961．23 Mo 10 －6 0．53 0．050．500．480．71 0．070．730．49 Li 10 －6 0．044 0．007 0．046 0．030．54 0．080．570．41 Th 10 －9 44．43．79 310．27．1 Tl 10 －9 0．70．80．7 6．36．53．9 U 10 －9 1．21．341．1120 318．7916．03 B 10 －6 0．92 0．140．990．8919．6 1．721．0316．54 Be 10 －9 1．8 0．41．711．65 1．81．851．44 Co 10 －9 1011．29．789 1490．372．4 ① 元素后 内数据为质量分数 wB。 2． 3准确度和精密度 对微波消解制备的生物样品， ICP －MS 法测定其 中微量元素的方法准确度和精密度进行考察。采用 国家标准物质进行试验， 不同标准物质测定各元素的 924 第6 期刘洪青等 微波消解 － 电感耦合等离子体质谱法测定生物样品中14 个微量元素第27 卷 ChaoXing 方法精密度 RSD 均小于6 测定次数 n 4 。表5 列出了两种标准物质中多元素的测定结果。 表 5生物标样的测定结果① Table 5Analytical results of elements in National Standard Materials 元素 GBW 10010 大米 标准值 平均 测定值 RSD/ GBW 10014 圆白菜 标准值 平均 测定值 RSD/ Cu 10 －6 4．9 0．35．152．62．7 0．22．832．5 Pb 10 －9 80 3．076．885．2190 30184．495．0 Zn 10 －6 23 223．624．526 226．884．6 Cd 10 －9 87 588．394．135 635．604．7 Cr 10 －6 0．090．093．61．8 0．31．773．8 Ni 10 －6 0．27 0．020．282．60．93 0．100．962．0 Li 10 －6 0．044 0．0070．041．60．54 0．080．551．8 Mo 10 －6 0．53 0．050．542．10．71 0．070．732．9 Th 10 －9 43．802．49 38．722．5 Tl 10 －9 0．70．724．8 6．36．504．7 U 10 －9 1．21．223．320 319．603．4 B 10 －6 0．92 0．140．945．619．6 1．720．215．4 Be 10 －9 1．8 0．41．873．1 1．81．863．4 Co 10 －9 1010．472．589 1492．292．1 ① 元素后 内数据为质量分数; 平均测定值为 4 次测定结果。 3结语 在生物样品中微量元素的测定工作中， 运用微 波消解仪进行样品制备， 解决了生物样品前处理耗 时长、 试剂用量大、 易污染、 待测元素易损失的难题。 在此基础上利用等离子体质谱法进行多元素同时测 定， 使微量元素分析速度加快， 测定结果可靠。 4参考文献 ［ 1］ 芮玉奎， 郝彦玲， 张福锁， 金银花， 郭晶． 应用 ICP － MS/ICP － AES 测定榆钱中 22 种微量元素的含量 ［ J］ ． 光谱学与光谱分析， 2007， 27 10 2111 －2113． ［ 2］ 陈国友． 不同消化方式测定大米与面粉中镉和砷的研 究［ J］ ． 光谱学与光谱分析， 2007， 27 1 177 －179． ［ 3］ 胡清源， 李力， 石杰， 陈再根， 王芳， 王安． 微波消解 － 电感耦合等离子体质谱法同时测定烟草中 27 种元素 ［ J］ ． 光谱学与光谱分析， 2007， 27 6 1210 －1213． ［ 4］ 陈湘君， 林松． 李邦进． 微波消解 － 电感耦合等离子 体质谱法同时测定化妆品中五种微量元素［ J］ ． 福建 分析测试， 2007， 16 4 17 －20． ［ 5］ 李冰， 杨红霞． 电感耦合等离子体质谱技术最新进展 ［ J］ ． 分析试验室， 2003， 22 1 94 －100． ［ 6］ 曹淑琴， 陈杭亭， 曾宪津． 电感耦合等离子体质谱方 法在生物样品分析中的应用［ J］ ． 分析化学， 2001， 29 5 592 －600． ［ 7］ 杨红霞， 李冰， 马新荣． 电感耦合等离子体质谱方法 测定血液和精液中的硼［J］ ． 分析试验室， 2005， 24 10 80 －83． ［ 8］ 陈逸珺， 戴乐美， 胡忻， 蔡秀兰． ICP － MS 测定玉米浆 干粉中的 As、 Cd、 Cr、 Cu、 Pb、 Se 和 Zn［J］ ． 光谱实验 室， 2006， 23 6  1285 －1287． 上接第 426 页 3结语 采用 XEPOS 型偏振能量色散 X 射线荧光光谱 仪， 以熔融玻璃片和粉末压片制样， 完成铁矿石中 多元素的检测任务基本上可行， 能满足客户对进口 蒙古铁矿石中全铁品位和杂质成分的监督要求。 为了保证可靠性， 全铁量必须坚持按化学法分析结 果出具报告单， 杂质成分由 XEPOS 型能量色散 X 射线荧光光谱仪完成检测， 这基本上符合国家标准 GB/T 6730. 622005［3 ］的要求。 4参考文献 ［ 1］中国标准出版社第二编辑室． 矿产品原料及其试验 方法标准汇编［G］ ． 2 版． 北京 中国标准出版社， 2002 480 －808． ［ 2］SN/T08321999， 进出口铁矿石中铁、 硅、 钙、 锰、 铝、 钛、 镁和磷的测定; 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