大试管回流消解-等离子体发射光谱_质谱法测定植物样品中多元素_马生凤.pdf

第 26 卷第 3 期 2007 年 6 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 26，No． 3 June， 2007 文章编号 02545357 2007 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 檪檪 殏 殏 殏 殏 03018305国土资源地质大调查分析测试技术专栏 大试管回流消解 － 等离子体发射光谱/质谱法 测定植物样品中多元素 马生凤，温宏利，巩爱华，孙德忠 国家地质实验测试中心，北京100037 摘要 采用大试管和红外加热的多孔控温消解炉的简单装置消解植物样品， 电感耦合等离 子体发射光谱/质谱法测定其中的主量和痕量元素， 对消解温度、 消解时间、 消解溶剂、 样品取样 量等条件进行考察。用植物国家一级标准物质进行前处理及测定， 验证方法的可行性， 测定值与 标准值基本吻合。方法不仅能同时测定 B、 Ba、 Ca、 Cd、 Cu、 K、 Mg、 Mn、 Na、 Ni、 P、 S、 Zn、 Co、 Sr、 Pb、 Cr 等元素， 还适用于 Hg、 As 挥发性元素的消解测定。方法的精密度 RSD， n 10 ≤10。 关键词 大试管回流; 样品前处理; 电感耦合等离子体发射光谱/质谱法; 植物样品 中图分类号 O657． 31; O657． 63; O652． 4文献标识码 A 收稿日期 2006- 09- 26; 修订日期 2006- 11- 18 基金项目 国土资源地质大调查项目 1212010660902 作者简介 马生凤 1976 ， 女， 陕西宝鸡人， 助理研究员， 从事化学分析测试方法研究。 E- mail mashengfeng gmail． com。 Determination of Major and Trace Elements in Plant Samples by Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectrometry/Mass Spectrometry with Sample Reflux Digestion MA Sheng- feng，WEN Hong- li，GONG Ai- hua，SUN De- zhong National Research Center for Geoanalysis，Beijing100037，China Abstract Plant samples were digested with big reflux test tube and infrared heating furnace and the major and trace elements were determined by inductively coupled plasma- atomic emission spectrometry/mass spectrometry ICP- AES/MS ． Some important analytical parameters，including selection of the digestion solvents，digestion temperature and time，sample mass digested，and so on were discussed and optimized． The has been applied to the simultaneous determination of B，Ba，Ca，Cu，K，Mg，Mn，Na，Ni，P，S，Zn，Co，Sr，Pb，Cr and volatile elements such as As and Hg in National Standard Reference plant samples． The results are in good agreement with the certified values with precision of less than 10RSD n 10 ． Key wordsreflux digestion with big test tube;sample pretreatment;inductively coupled plasma- atomic emission spectrometry/mass spectrometry ICP- AES/MS ; plant sample 生物的化学组成是农业生态地球化学调查与 评价中重要的直接指标 ［1 ］， 生物样品的测试也引 起了的广泛重视， 其中样品的前处理成为一项重要 的课题。植物样品常用的试样处理方法有微波消 解、 高压消解 封闭消解 以及干灰化和加热湿法 消解 ［2 －4 ］。 381 ChaoXing 本实验针对植物样品提出大试管回流的消解方 法， 该方法是一种相对简单、 成本低、 消解时间相对 较短、 耗酸量少、 空白低、 可测定挥发性元素的样品 前处理方法。样品置于高 30 cm 的大试管中， 加入 HNO3后， 放入消解炉， 通过红外加热底部， 试管上端 由于空气中的散热而温度降低， HNO3在试管内由于 温差形成回流。通过对杨树叶标样 GBW 07604 GSV －3 、 茶叶 GBW 07605 GSV －4 、 大米 GBW 10010 GSB －1 、 黄豆 GBW 10013 GSB － 4 、 菠菜 GBW 10015 GSB －6 、 苹果 GBW 10019 GSB －10 进行处理及电感耦合等离子体发射光谱/质谱 ICP －AES/MS 测定， 验证该法的可行性。 1实验部分 1． 1仪器及工作参数 IRIS Advantages 全谱直读等离子体发射光谱 仪 美国 TJA Solutions 公司 。采用电荷注入检测 器 CID ， 中阶梯光栅 － 棱镜色散系统。光室充氩 气驱赶空气和水蒸气。 TJA X － series 电感耦合等离子体质谱仪 美 国 TJA Solutions 公司 。 ICP － AES/MS 主要工作参数见表 1。 表 1 ICP － AES/MS 主要工作参数 Table 1Working parameters of ICP- AES/MS ICP － AES 工作参数设定值 ICP － MS 工作参数设定值 分光系统 驱气型中阶梯光栅 － 棱镜交叉色散系统 焦距0．38 m 孔径F/8．5 光栅52． 6 grooves/mm， 闪耀角 64． 1， 棱镜 21 波长范围175 ～1050 nm 倒线色散率200 nm 0． 52; 600 nm 1．5; 200 nm 2． 25 分辨率200 nm 处 ＜0． 005 检测器CID 512 512 独立 检测单元 积分时间长波段 10 s， 短波段 30 s RF 发生器直接耦合式 RF 发生器， 27．12 MHz， 入射功率 1350 W 辅助气 Ar 流量0． 5 L/min 载气压力27 psi CID 积分时间30 s 样品清洗时间30 s 功率1350 W 冷却气 Ar 流量 13．0 L/min 辅助气 Ar 流量 0． 70 L/min 雾化气 Ar 流量 0． 85 L/min 采样锥1． 0 mm 截取锥0． 7 mm 测定方式跳峰 扫描次数40 次 1． 2装置及主要试剂 KXL －1010 型多孔控温消解炉 北京市通润 源机电技术有限责任公司 。超声清洗器 江苏 昆山市超声仪器有限公司 。 带刻度的大玻璃试管 长 30 cm、 直径约 3． 5 cm、 厚度约 3 mm。 所用器皿均用 4． 8 mol/L HNO3煮沸， 然后依 次用高纯去离子水冲洗， 120℃烘干， 备用。 HNO3 MOS 级 ， φ 30 体积分数， 下同 的双氧水 MOS 级 。 水为去离子水， 再经 Milli － Q 装置纯化 电阻 率 ＞18 MΩcm 。所有标准溶液及样品的配制 均采用 Milli － Q 水进行。 1． 3样品溶液的制备 分别称取各样品 标样 0． 250 ～ 2． 000 g 于 30 cm 长带刻度的特制玻璃管 直径 3． 5 cm、 厚度 3 cm 中， 加入5 mL HNO3， 盖上与玻璃管口相当大 的玻璃皿， 在超声清洗器中超声 30 min， 过夜预消 化， 次日加上 1 mL φ 30 的 H2O2， 预消化 1 h， 然后放入 16 孔的红外电热板上 130 ～ 150 ℃ 加热 2 ～3 h， 用去离子水的洗瓶冲洗试管壁 2 ～3 次， 直 接在该试管中定容至50 mL， 摇匀后， 转移到60 mL 塑料瓶中待测。 2结果与讨论 2． 1消解方式的选择 植物样品的前处理方法主要有微波消解、 高压 消解 封闭消解 以及传统的干法灰化和加热湿法 消解。干法灰化主要缺点是元素损失较大， 特别是 一些易挥发元素损失较严重。另外对某些样品 如谷物、 粮食等 灰化时间太长。湿法消解繁琐 费时， 试剂消耗量大， 容易引起沾污或痕量元素的 损失， 且不易消解完全 ［3， 5 ］。微波消解是一种新型 的消解技术， 但是成本相对高， 且操作要求也比较 高， 使用不当会发生危险 ［3， 6 ］。一般的微波消解仪 一次消解的样品数量少， 不宜同时处理大量不同种 类的样品。大试管回流的消解方法相对比较简单。 不同的消解方式特点比较见表 2。 大试管回流消解法主要是样品加酸后， 通过红 外加热消解炉加热， 试管底部达到设定温度， 试管 上端由于空气中的散热使温度降低， 试管内的酸由 于温差而形成回流到底部。 对大试管加热温度的控制主要由试管管口 481 第 3 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 第 26 卷 ChaoXing 温度决定。如果底部加热温度高于 150℃， 消解反 应相对剧烈， 管口的温度达到 70 ℃ 以上， 蒸气过 大， 易造成消解溶液的损失; 底部加热温度低于 130℃， 管口温度过低， 消解时间长且消解不完全。 表 2不同消解方式的比较 Table 2Comparison of different digestion modes 消解 方式 取样 量 易挥发元素 的损失情况 消解 程度 成本 操作的 复杂程度 空白 灰化消解大易损失完全低简单低 敞开消解小易损失不完全低复杂高 微波消解小不易损失完全高复杂低 封闭消解小不易损失完全高复杂低 大管回流 消解 本法 大小 皆可 不易损失完全低简单低 本实验设置消解炉的温度为 130 ～ 150 ℃， 管 口用玻璃皿盖上， 保证试管管口的温度在 50 ～ 60℃， 可以用手触摸。管口温度不能高于 60℃， 否 则对于 Hg、 As 等在高温下易挥发性元素会受损 失， 尤其是元素 Hg。 消解时间与取样量有关。如果取样量在 0． 500 g左右消解时间一般为 2． 0 ～2． 5 h。如果需 要取大量试样， 为了消解完全， 相对地加大 HNO3 的用量， 同时也需要增加消解时间至 3． 0 ～3． 5 h。 实验中取 2． 000 g 油脂含量高的黄豆标样 GBW 10013， 加 6 mL HNO3， 消化 3 h 可消解完全。 实验表明， 在消解过程中， 利用超声效果不是 很明显， 加入 HNO3后， 一定要过夜预消化， 如果直 接加 H2O2， 加热消化过于剧烈， 容易使样品溢出受 损失， 从而影响测量结果。特别是含糖高的苹果标 样 GBW 10019， 加 HNO3和 H2O2消化相对比较剧 烈， 必须进行足够时间的预消化， 消化时间为2． 5 h 左右， 但不能过长， 否则有蒸干的可能。 2． 2取样量的选择 取样量的多少主要取决于试样的类型及待测元 素含量的高低。在相同条件下， 取样量少， 样品消解 效果更好一些。因此， 只要测定方法有足够的灵敏 度， 应尽可能减少取样量。取样量 特别是有机质含 量高的样品 过大， 反应过于剧烈， 易引起反应失控。 应考虑的另一个条件是样品的粒度和均匀性， 生物 样品不易粉碎， 往往不能保证较细的样品粒度， 这种 情况就要求增加取样量， 以保证取样的代表性。 根据实际情况选用 0． 250 ～2． 000 g 取样量进 行试验， 结果表明， 菠菜标样 GBW 10015 取样量 0．250 g; 杨树叶 GBW 07604、 茶叶 GBW 07605 取样 量0．500 g; 大米 GBW 10010、 苹果 GBW 10019、 黄豆 GBW 10013 取样量 0． 500 ～ 1． 000 g， 最终增大至 2．000 g， 消解都比较完全， 测定结果满意。 大试管回流消解的方法相对于其他的湿法消 解有利于大量取样。大量取样需要相对加大 HNO3的用量， 体现取样的代表性， 相应加长消解时 间， 测定结果也比较满意 表 3 。 表 3大试管回流消解条件 Table 3Reflux digestion conditions with big test tube 取样量消解温度 HNO3用量 消解时间测试结果 0．25 ～0．5 g130 ～150℃5 mL2 ～2．5 h满意 1． 0 ～2． 0 g130 ～150℃6 ～8 mL2．5 ～3 h满意 2． 3消解溶剂的选择 消解的目的是用酸消解样品基体， 使待测的金 属离子形成可溶盐。样品处理技术与生物的基体 和被测元素密切相关， 没有一种完全能适用于所有 生物样品的前处理方法， 因此不同样品选用的消解 溶剂也各不相同。酸作为生物样品前处理中使用 最多的消解溶剂， 其选择尤其重要。例如， 纯度不 够的 HNO3或 H2O2都会严重影响最终的测定结果。 本实验选用 MOS 级 HNO3和 H2O2作为消解溶 剂， 结果表明， HNO3和 H2O2结合使用的效果比单 一的 HNO3效果好。实验中加入 5 mL HNO3、 1 mL H2O2即可将样品消解完全。采用 ICP － AES 测定 酸度在 0． 5 ～ 10、 ICP － MS 测定酸度在0． 5 ～5时， 各种待测元素的测定值均很稳定， 对仪器 使用也无影响。但由于采用玻璃试管， 不能直接加 HF， 使得 Be、 Ti、 Sn、 Sb、 U 和稀土等元素的测定 结果偏低。 2． 4方法检出限和测定下限 在最佳条件下， 分别对 10 个过程空白进行 ICP － AES/MS 连续测定， 以 3 倍和 10 倍标准偏差 SD 分别计算方法检出限 LD 和方法测定下限 LQ ， 结果列于表 4。 2． 5方法精密度 对杨树叶标样 GBW 07604 和茶叶 GBW 07605 消解后的溶液 ICP － AES/MS 连续测定 10 次的 精密度和不同批次处理测定结果的精密度 RSD 见表 5。 581 第 3 期马生凤等 大试管回流消解 － 等离子体发射光谱/质谱法测定植物样品中多元素第 26 卷 ChaoXing 表 4ICP － AES/MS 测定方法的检出限和测定下限 Table 4The detection limit and quantitation limit of the by ICP- AES/MS ICP －AES 元素 分析线 λ/nm LD①/ mgL －1 LQ①/ μgg －1 ICP －MS② 元素 LD①/ μgL －1 LQ①/ μgg －1 B20890．0103．214 7Li 0．0110．0075 Ba45540．0010．262 51V 0．1160．077 Ca31790．09431．173 52Cr 0．2170．14 Co22860．0020．689 55Mn 0．1380．092 Cu22470．0061．914 59Co* 16．110．7 Fe25990．03411．288 60Ni 0．6600．44 K76640．10133．818 65Cu 0．7550．50 Li67070．0020．801 66Zn 25．817．2 Mg38380．03210．725 75As 0．0180．012 Mn25760．0010．216 88Sr 0．180．12 Na58890．09732．267 98Mo 0．0280．018 Ni23160．0041．186 114Cd 6．824．55 P21360．03010．025 135Ba 0．310．21 Pb22030．05718．912 202Hg* 25．316．9 S18200．0154．887 208Pb 0．450．30 Sr40770．00040．138 Zn21380．0268．649 ① LD3SD， LQ 10SD DF， 其中 SD 为标准偏差， DF 为稀释 因子， ICP － AES 分析中 DF 100; ICP － MS 分析中 DF 200。 ② 带* 号的元素检出限单位为 ng/L， 测定下限单位为 ng/g。 59Co 的多原子干扰为43Ca16O、42Ca16O1H;60Ni 的多原子干扰 为44Ca16O、 43Ca16O1H;114Cd 的多原子干扰为114Sn， 用公式 在线扣除。 从表5 的 ICP －AES/MS 测定结果可以看出， 对 于主元素 Ba、 Ca、 Cu、 K、 Mg、 Mn、 P、 S、 Sr、 Zn， 不同批 次的方法精密度基本小于 5， 个别大于 5; 而对 于元素 B、 Na、 Cr、 Co、 Ni、 Pb， 低浓度溶液测定的精密 度都比较差， 高浓度元素的测定精密度比较好。 从表 5 的 ICP － MS 测定结果可以看出， 除了 Hg 由于其记忆效应的影响， 其他痕量元素的 RSD ≤10， 说明大试管回流的前处理方法同样对大多 数元素有效， 且对于含量低的元素用质谱测定结果 更好些。 2． 6标准物质分析 用大试管回流消解的方法对杨树叶 GBW 07604、 茶叶 GBW 07605、 大米 GBW 10010、 黄豆 GBW 10013、 菠菜 GBW 10015、 苹果 GBW 10019 等国家一级标准 物质进行前处理， 用 ICP － AES/MS 测定。表 6 和 表7结果表明， 测定值和标准值基本一致， 大部分元 素的测定平均值都在标准值的允许误差范围内。 表 5 ICP － AES/MS 测定结果的精密度① Table 5Precision test of ICP- AES/MS ICP －AES 元素 GBW 07604 AB GBW 07605 AB ICP －MS 元素 GBW 07604 AB GBW 07605 AB B0．252．480．5721．79Li1．088．731．9110．40 Ba0．272．070．193．18V2．079．487．614．54 Ca0．253．840．264．13Cr2．369．281．827．03 Cu2．493．931．461．87Mn2．255．070．121．73 K0．262．190．260．86Co1．563．151．398．60 Mg0．502．930．220．87Ni0．992．290．671．28 Mn0．241．780．211．39Cu1．261．500．641．08 Na0．484．591．016．61Zn2．37 10．131．576．49 Ni6．50 15．112．552．38As2．843．962．574．28 P0．441．030．220．79Sr2．467．771．363．19 S0．625．170．472．00Mo2．738．130．034．12 Sr0．431．760．243．09Cd1．982．842．873．75 Zn0．558．930．433．95Ba1．212．380．411．28 Hg8．758．249．2915．11 Pb1．563．361．281．40 ① A 系列为连续 10 次测量的 RSD/， B 系列为不同批次测量的 RSD/。 3结语 大试管回流的消解方法结合电感耦合等离子体 发射光谱/质谱测定植物样品中的主量和痕量元素， 结果基本与标准值相吻合。由于 ICP － MS 对 Hg 的 记忆效应， 高含量的 Hg 的测定值偏高， 低含量的测 定值不稳定， 甚至出现负值。若测定时用 100 μg/L 金溶液清洗液或用 L － 半胱氨酸作稳定剂 ［ 7 －8 ］ ， 可 以消除Hg 的干扰， 也可以得到较好的测试结果。冷 原子荧光光谱法对 Hg 的测试结果基本与标准值相 吻合， 说明前处理方法基本没有造成 Hg 的损失， 分析结果详见文献［ 9］ 。 大试管回流消解法适合于分解一般的植物样品， 处理样品的用酸量少、 空白低， 而且适合于易挥发性 元素 Hg、 As 的前处理。消解溶液用 ICP － AES/MS 进行测定。该法已经在批量植物样品测试中得到了 运用， 文中涉及的元素基本得到了满意的结果。 由于采用玻璃试管， 样品不能直接加 HF 消解， 对于 Be、 Ti、 Sn、 Sb、 U、 稀土元素等的测定结果略偏低， 本文没有列出。如果需要测定， 可分液到聚四氟乙烯 坩埚中加HF 处理， 但HF 会腐蚀ICP －AES 的雾化器 和炬管， 严重影响仪器的使用寿命， 需要赶 HF 后加酸 定容测试。 681 第 3 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 第 26 卷 ChaoXing 表 6植物标准物质的 ICP- AES 分析① Table 6Analytical results of National Standard Reference plant samples by ICP － AES 元素 GBW 07604 x 2s珋x GBW 07605 x 2s珋x GBW 10010 x 2s珋x GBW 10013 x 2s珋x GBW 10015 x 2s珋x GBW 10019 x 2s珋x B53 558．7315 4180．92 0．121．9515．8 1．316．825．5 2．028．5519 321．43 Ba26 424．9558 6570．40 0．090．323．3 0．32．89．3 1．27．112．6 0．32．3 Ca18100 1300180874300 4004795110 101081530 8014206580 2807105490 10474 Cu9．3 1．07．1717．3 1．817．364．9 0．34．7710．2 0．510．68．9 0．38．482．48 0．152．29 K13800 7001398116600 1200170901370 70143018600 8001815324900 1000261657710 3807815 Mg6500 50065431700 2001781410 603812300 14022205520 1505648390 50367．33 Mn45 442．81240 70122317 11728 126．540．6 2．539．552．6 0．22．41 Na200 1319744 64225 831 158．6315000 600151651140 901117 Ni1．9 0．31．754．6 0．54．40．27 0．020．224．0 0．33．910．92 0．110．8550．14 0．040．07 P1680 6016272840 9028671360 6013576640 2006480．63540 1503534660 30639．67 S3500 40036182450 22025821470 24014603640 24035874520 3304771．5630 40703．00 Sr154 915615．2 0．715．70．30 0．050．379．9 0．59．187 5886．9 0．56．74 Zn37 34126．3 2．029．1823 224．7738．5 1．538．335．3 1．546．252．1 0．42．64 ① x 2s 为标准值及其不确定度， 珋x 为本次测定平均值 n 10 ; 表中数据的单位为 μg/g。 表 7植物标准物质的 ICP － MS 分析 Table 7Analytical results of National Standard Reference plant samples by ICP- MS 元素 GBW 07604 x 2s珋x GBW 07605 x 2s珋x GBW 10010 x 2s珋x GBW 10013 x 2s珋x GBW 10015 x 2s珋x GBW 10019 x 2s珋x Li0．84 0．150．81 0．360．380．044 0．006 0．0350．062 0．012 0．0521．46 0．201．670．115 0．008 0．113 V 0．640．39 0．860．21 0．03－0．03 0．080．0410．85 0．220． 950．029 0．003 0．017 Cr0．55 0．070．570．80 0．020．86 0．090．260．26 0．060．41．46 0．201．240．31 0．050．28 Mn45 4481240 40125217 11728 12740．6 2．541．52．6 0．22．6 Co*420 30441180 20187 106125 11120220 3023326 517 Ni1．9 0．32．214．6 0．34．600．27 0．020．274．0 0．34．00．92 0．110．930．14 0．040．08 Cu9．3 1．08．5617．3 1．017．174．9 0．34．8110．2 0．59．68．9 0．38．382．48 0．152．26 Zn37 336．1026．3 0．926．0723 224．1338．5 1．539．235．3 1．540．552．1 0．42．5 As0．37 0．090．430．28 0．030．330．102 0．0080．110．033 0．0100．060．23 0．030．2250．020 0．004 0．020 Sr154 9174．0015．2 0．515．400．30 0．040．339．9 0．59．687 592．16．9 0．57．0 Mo0．18 0．010．200．038 0．0060．070．53 0．050．560．71 0．050．860．47 0．040．4850．077 0．017 0．094 Cd*320 7036757 86687 591 1110150 251915．6 1．04．7 Ba26 42558 352 0．40．293．3 0．32．59．3 1．27．92．6 0．31．9 Hg*26 332 13105．3 0．57．8 1．4－2．120 331．15 23．14 Pb1．5 0．31．44．4 0．24．00．08 0．030．090．07 0．020．0911．1 0．810．60．08 0．030．06 ① x 2s 为标准值及其不确定度; 珋x 为本次测定平均值 n 10 ; 表中数据单位为 μg/g， 带* 号的 Co、 Cd 和 Hg 元素单位为 ng/g。 4参考文献 ［ 1］ 鄢明才， 史长义， 顾铁新， 等． 生物成分系列标准物质 的研制［ J］ ． 岩矿测试， 2006， 25 2 159 －172． ［ 2］ 阎军， 胡文祥． 分析样品制备［ M］ ． 北京 解放军出版 社， 2003 52 －87． ［ 3］ 代春吉， 董文宾． 微波消解在处理生物样品中的应用 ［ J］ ． 食品研究与开发， 2006， 27 3 95 －97． ［ 4］ 张丽华， 肖国平， 宋游， 等． 微波技术在生物样品预 处理中的应用［ J］ ． 现代科学仪器， 2004 5 37 －40． ［ 5］ 刘书田． 生物与环境样品放化分析中样品的前处理 方法［ J］ ． 同位素， 1993， 6 1 57 －64． ［ 6］ 黄德娟． 我国昆虫资源的开发利用［ J］ ． 生物学杂志， 1999， 16 2 33 －39． ［ 7］ James Allibone，Ebby Fatemian，Peter J Walker． Deter- mination of Mercury in Potable Water by ICP- MS Using Gold as a Stabilising Agent［J］ ． Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 1997， 12 417 －420． ［ 8］Li Yufeng，Chen Hunying，Li Bai，et al． Elimination Efficiency of Different Reagents for the Memory Effect of Mercury Using ICP- MS［ J］ ． Journal of Analytical Atomic Spectrometry， 2006， 21 94 －96． ［ 9］ 马生凤， 孙德忠， 巩爱华， 等． 大管回流消解 ICP － MS 测定植物样品中的 Hg 及其他痕量元素［J］ ． 矿物 岩石地球化学通报 2007 年待发表 ． 781 第 3 期马生凤等 大试管回流消解 － 等离子体发射光谱/质谱法测定植物样品中多元素第 26 卷 ChaoXing