應用氫化物發生-微波等離子體原子發射光譜 分析食用菌中總砷含量

李愛陽，黃建華

（1.湖南工學院材料科學與工程學院，湖南 衡陽 421002；2.湖南省中醫藥研究院中藥研究所，湖南 長沙 410013）

砷是廣泛分布于自然環境中的非金屬元素，自然活動和人為因素的影響使環境中砷的含量持續增加，導致砷在食物鏈中積聚[1-3]。國際癌癥組織將砷及其化合物列為一類致癌物，在砷的各種形態中，無機砷（III）、砷（V）被證明具有致癌性，而有機砷化合物的毒性較小[4]。 世界衛生組織明確指出，飲食是人類接觸砷的主要途徑，表明受到砷污染的食物、水和其他飲料會對健康構成潛在風險[5]。食用菌對重金屬的富集能力遠超過綠色植物[6]，食用菌中的砷含量受品種、產地環境及加工生產過程等因素的影響，GB 2762—2017《食品中污染物限量》對食用菌中總砷含量制定限量為0.5 mg/kg[7]。因此，為確保食用菌的食用安全，需要對食用菌中的砷進行測定，以鑒定砷含量超出國家標準規定值的潛在危害。

砷的第一電離能很高（9.79 eV），采用原子光譜技術直接測砷缺乏靈敏度。砷及其多數化合物可被硼氫化鈉（NaBH4）還原成揮發性砷的氫化物，由于砷的氫化物能更有效地傳輸、霧化和激發，與傳統液體霧化樣品引入技術相比，能明顯提高砷的檢測靈敏度，降低砷的檢出限（limit of detection，LOD）[8-10]。氫化物的形成取決于氧化態，較低的氧化態更容易轉化為氫化物，因此，砷（III）比砷（V）更易被NaBH4還原轉化為砷的氫化物。目前，有關元素砷的測定已有大量文獻報道，采用的分析方法主要有氫化物發生-原子熒光光譜（hydride generation-atomic fluorescence spectrometry，HG-AFS）法[11-13]、原子吸收光譜（atomic absorption spectroscopy，AAS）法[14-16]、電感耦合等離子體原子發射光譜（inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy，ICP-OES）法[17-19]和電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICPMS）法[20-22]。HG-AFS法具有靈敏度高、LOD低、線性范圍寬且譜線簡單的特點，是最成熟的分析方法，但受熒光猝滅和散射光干擾的影響，穩定性不佳；AAS法具有選擇性好、分析范圍廣及抗干擾能力理想的特點，但由于原子化溫度低，砷的原子化效率不理想，檢測能力有限，使用易燃氣體存在安全隱患；ICP-OES采用高溫ICP為激化光源極大提高砷的電離效率，具有靈敏度高、穩定性好、線性范圍寬及準確性好的優勢，但由于食品中砷含量通常很低，ICP-OES的LOD通常難以達到檢測要求；ICP-MS具有極高的靈敏度和極低的LOD，尤其是使用碰撞反應池（collision reaction cell，CRC）和電感耦合等離子體串聯質譜（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）技術幾乎可以無干擾測定砷[23-25]，但ICP-MS儀器價格昂貴，實驗環境要求高。氣體成本是影響元素分析成本的重要因素之一，上述分析方法均需采用昂貴的高純氬氣為工作氣或乙炔、氧化亞氮為燃料氣，為實現持續供氣，還需配備專用貯氣設備和供氣場所，導致分析運行和維護成本高，對于偏遠地區、實際工作現場還將面對氣體采購困難或氣體運輸不便的難題。微波等離子體原子發射光譜（microwave plasma-atomic emission spectroscopy，MP-AES）采用微波磁控管產生水平磁場與垂直電場，激化氮氣產生穩定的等離子體，自帶多模式樣品引入系統（multimode sample introduction system，MSIS）既可作為氫化物元素的反應系統，也可以作為常規元素分析的霧化室[26-28]，分析各種復雜基質樣品中的無機元素有分析運行成本低、高樣品通量的優點[29-31]。本實驗采用濕法消解對食用菌樣品進行預處理，采用MSIS將消解溶液中的砷轉化為氣態氫化物，應用MP-AES測定食用菌中的總砷含量，旨在為快速、準確測定食用菌中總砷的含量提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

食用菌樣品分別為產自江西的茶樹菇、雞腿菇，產自湖南的香菇、草菇、金針菇、花菇、杏鮑菇、黑木耳、雙孢蘑菇、珍珠菇，產自湖北的牛肝菌、猴頭菌，購于湖南長沙市大型超市。

1 000 mg/L砷單元素標準溶液、硫脲（優級純）、碘化鉀（優級純） 國藥集團化學試劑有限公司；NaBH4（優級純）、氫氧化鈉（優級純）、質量分數65%硝酸、質量分數95%～97%硫酸、質量分數37%鹽酸 德國Merck公司；砷（III）溶液標準物質、砷（V）溶液標準物質 北京北方偉業計量技術研究院；國家標準參考物質GBW10022（蒜粉） 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所；實驗用水由Milli-Q超純機制得。

1.2 儀器與設備

4200 MP-AES儀（配有MSIS附件、MicroMist玻璃霧化器） 美國Agilent公司；Milli-Q超純水儀 美國Millipore公司；電熱板 中國濟南歐萊博技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 MP-AES條件

功率1 000 W；霧化氣流速0.45 L/min；泵速20 r/min； 讀取時間20 s；重復次數3 次；樣品提升延遲時間40 s；穩定時間20 s；快速線性干擾校（fast linear interference correction，FLIC）模型校正背景；氣源為Agilent 4107氮氣發生器。

1.3.2 樣品與空白溶液的預處理

將收集的新鮮食用菌依次用自來水和超純水洗凈，自然晾干后放入（70±2）℃的烘箱中干燥至質量恒定，用制粉機粉碎過60 目篩，混合均勻后封裝于干燥器中。準確稱取1.0 g食用菌粉于錐形瓶中，加入65%硝酸20 mL，95%～97%硫酸2 mL，靜置30 min，于電熱板加熱消解，若消解溶液出現渾濁每次補加65%硝酸2 mL，繼續消解至消解溶液呈無色或淡黃色，加熱趕酸至不再冒白煙后冷卻至室溫，用質量分數12%的鹽酸溶液轉移至25 mL容量瓶中，加入2 mL預還原劑（50 g/L硫脲+ 10 g/L碘化鉀），用12%鹽酸溶液定容，待測。采用相同的處理步驟制備樣品空白溶液。

1.3.3 MP-AES分析

采用MSIS作為砷的氫化物發生裝置（圖1），還原劑（1.2% NaBH4溶液+1.0%氫氧化鈉溶液）經通道1引入MSIS頂部，樣品經通道3連接MSIS底部，廢液通過通道4排出，由于沒有非氫化物元素進行測定，無需使用傳統霧化技術，因此堵住閑置的樣品通道2。

圖1 MP-AES的MSIS原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the multimode sample introduction system for MP-AES

采用質量分數12%鹽酸介質分別配制質量濃度為0、5、10、20、50、100 μg/L砷標準溶液，將樣品溶液、標準溶液和空白溶液按MP-AES條件進行測定，建立砷的校準曲線以得到樣品溶液中砷含量。

1.4 數據處理

MP-AES實驗數據采用自帶的Agilent MP Expert軟件進行自動分析處理，實驗圖表采用Origin 9.0繪制。

2 結果與分析

2.1 氫化物產生條件的優化

由于氯離子的還原性，鹽酸作為非氧化性酸并非氫化物發生的首選樣品載流介質[32]。固定還原劑NaBH4溶液質量分數1.2%，考察不同質量分數鹽酸為載流介質下砷信號強度的變化情況。從圖2a可知，隨著鹽酸質量分數的增大，砷的信號強度也逐漸增大，當鹽酸質量分數高于6%后，砷的信號強度增速變緩，質量分數12%～24%鹽酸溶液的砷信號強度無明顯增加，過高質量分數的鹽酸溶液會與堿性還原劑NaBH4反應，不利于生成氫化物。12%鹽酸溶液的砷信號強度仍然接近最高水平。固定鹽酸質量分數12%，考察NaBH4質量分數對砷信號強度的影響，從圖2b可知，質量分數低于0.5% NaBH4溶液的砷信號強度很低。隨著NaBH4質量分數的增大，砷的信號強度逐漸增大，1.2% NaBH4溶液的砷信號強度最大，隨后增大NaBH4質量分數產生的過量氫氣稀釋三氫化砷氣體，因此砷的信號強度降低。所以本實驗選擇質量分數12%鹽酸溶液為載流介質，1.2% NaBH4溶液為還原劑。

圖2 氫化物發生試劑鹽酸質量分數（a）和NaBH4質量分數（b）對 砷信號強度的影響Fig. 2 Effect of hydride generation conditions of HCl concentration (a) and NaBH4 concentration (b) on As signal intensity

2.2 分析譜線的選擇

MP-AES采用MP為激化光源，具有與ICP-OES不同的分析特征，ICP的等離子體溫度為6 000～8 000 K，而MP僅為5 000 K左右，低溫不會誘導砷元素完全電離。此外，與氬氣ICP相比，MP不能有效地誘導樣品的熱分解，雖然減少光譜干擾，但可供選擇的發射光譜線比ICP少。分別配制Ca、Mg、K、Na、Fe質量濃度分別為50、50、50、50、5 mg/L，Co、Ni、Be、Cu、Zn質量濃度分別為50、50、50、500、500 μg/L的單元素標準溶液，向各單元素標準溶液中加入質量濃度50 μg/L的砷標準溶液，考察食用菌中常見元素對砷元素測定的影響。采用MP Expert調用預設砷譜線波長分別為193.695、234.984、188.979 nm。從表1可知，As 193.695 nm靈敏度最高，因此常被推薦為砷的分析譜線，然而As 193.695 nm受到Fe 193.663、193.390、194.002 nm的干擾，其他元素無干擾。雖然通過氫化物發生鐵譜線的響應極低，但在食用菌樣品中，鐵含量通常比砷高1 000 倍，采用193.695 nm為砷的分析線在線性范圍內無法獲得良好的線性響應，特別是在線性范圍內的低濃度區間；而As 234.984 nm為次靈敏線，其受到Fe 234.830 nm、Co 234.737 nm、Be 234.861 nm的干擾，且Be原子線的強度比在234.984 nm處砷高400 倍以上，其他元素在234.984 nm無干擾。砷在188.979 nm的譜線強度雖然比在193.695、234.984 nm低，但無光譜重疊干擾。因此，本實驗選擇188.979 nm為砷的分析譜線。

表1 砷的分析譜線選擇Table 1 Election of analytical spectral line for As

2.3 光譜干擾及校正

MP-AES的光譜干擾由光譜重疊、背景干擾組成。分析譜線選擇188.979 nm雖消除光譜重疊干擾，但仍然存在由基質成分及MP光源發射雜散光引起的背景干擾，本實驗采用FLIC模型進行校正。分別測定空白、純干擾物、純分析物溶液，使用光譜建模技術從原始光譜中分離分析信號，從而自動校正背景干擾[26]。本實驗采用校準空白溶液（12%鹽酸溶液）為干擾物建模。從圖3可知，FLIC模型對砷元素在188.979 nm波長處提供校正模型，校正模型中未發現干擾，表明已校正背景干擾。

圖3 FLIC模型校正砷（188.979 nm）校準標樣的背景干擾Fig. 3 FLIC model corrected the background interference for arsenic calibration standard sample (at 188.979 nm)

2.4 校準曲線與LOD

采用建立的方法分析系列標準溶液，以As 188.979 nm波長處的信號強度與其對應的質量濃度進行線性回歸分析，得到砷的校準曲線為y=1.65×10－4x+1.18×10－3，在3.1～100 μg/L范圍內呈良好的線性關系（線性相關系數為0.999 9）。取樣品空白溶液重復分析10 次，得到砷的信號強度，計算10 次砷信號強度的標準差，以3 倍標準差對應質量濃度為檢測儀器的LOD，砷的LOD為0.93 μg/L，根據樣品的取樣量和稀釋因子，換算方法LOD為0.023 mg/kg。

2.5 方法的驗證

采用質量濃度30 μg/L砷（III）、砷（V）標準物質溶液對預還原劑（50 g/L硫脲+10 g/L碘化鉀）還原效果進行校準驗證，采用國家標準參考物質GBW10022（蒜粉）對分析方法的準確性進行驗證，每個樣品平行測定6 次，結果見表2。砷（V）的測定值與認定值一致，回收率為101.0%，因此預還原劑的還原效率高。砷（III）、GBW10022（蒜粉）的測定值與認定值基本一致，其對應回收率分別為99.7%、97.6%，因此分析方法有理想的準確性。標準物質的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）在1.3%～2.1%之間，因此本分析方法的精密度高。

表2 砷（III）、砷（V）標準物質及標準參考物質GBW10022 （蒜粉）的分析結果（n=6）Table 2 Results of MP-AES for arsenic (III) and arsenic (V) standards and standard reference material GBW10022 (garlic powder) (n= 6)

2.6 樣品分析

采用本實驗方法測定湖南、湖北、江西的12 種食用菌中總砷含量，同時采用GB 5009.11—2014《食品中總砷及無機砷的測定》的HG-AFS法進行對比分析[33]， 每個樣品重復測定6 次，結果見表3。本實驗方法與GB 5009.11—2014的分析結果基本一致，RSD均小于5%。12 個食用菌中的總砷含量在0.087～0.482 mg/kg之間，因此所有食用菌中總砷含量均未超出GB 2762—2017限量值。

表3 不同食用菌樣品中總砷的分析結果（n=6）Table 3 Results of MP-AES and HG-AFS for total arsenic in different varieties of edible fungi samples (n= 6)

3 結 論

建立MP-AES準確測定不同食用菌中總砷含量的分析方法。采用氫化物發生將砷轉變為砷的氫化物，有效解決低溫時MP砷電離效率低的難題，選擇As 188.979 nm波長為分析譜線以避開所有譜線重疊干擾，采用FLIC模型校正背景干擾，本實驗方法準確、可靠，砷的LOD為0.93 μg/L。與以往原子光譜分析技術相比較，MP-AES的操作成本更低。此外，MP-AES無需人工值守、操作，節省人力資源，且可進行樣品高通量分析。本研究中，不同產地的12 種食用菌的總砷含量在0.087～0.482 mg/kg之間，均低于GB 2762—2017規定的總砷限量標準。