微波消解-碰撞池-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定芝麻中痕量的鍺

鞏佳第 段曉婷 章 路 孫玉梅 郭利攀 余程鳳

(綠城農科檢測技術有限公司 杭州 310052)

芝麻作為一種油料作物，有較高的營養價值。芝麻中富含不飽和脂肪酸和多種植物活性成分，可預防動脈粥樣硬化等心血管疾病。同時，芝麻富含多種對人體有益的元素，張京京等[1]報道顯示，黑芝麻中鉀、鐵、鋅、鎂比白芝麻高25%～65.7%，而白芝麻中硒的含量比黑芝麻高34.6%。張珠寶等[2]報道顯示，有機和常規栽培的黑芝麻中含有豐富的礦質元素，且均未檢出有害重金屬As、Cd和Pb。但目前國內外報道的文獻中對芝麻中鍺的含量少有報道。有研究表明，鍺在許多食物中均有較高的含量[3]，一方面鍺可以提高和改善藥用植物的品質，促進細胞生長[4-5]；另一方面有機鍺具有一定的抗癌能力、提高免疫力、清除自由基延緩衰老等多種藥用功效，同時毒性較低具有一定的保健功能[6-8]。

在地球化學調查中，鍺分布廣泛，土壤、水體、植物中鍺的含量差異較大，除檢測樣品本身差異以外，不同檢測方法的靈敏度也有影響。目前鍺的檢測技術主要有分光光度法、電化學分析法、離子色譜法、原子熒光分光光度法、原子吸收分光光度法、電感耦合等離子體質譜法等[9-15]。目前分光光度法文獻報道較多，應用廣泛，但含有熒光酮類等顯色的試劑，前處理過程繁瑣，所用試劑多有毒有害，不適用于批量檢測；原子熒光分光光度法和原子吸收分光光度法線性范圍較窄，一般只有1～3個數量級。而電感耦合等離子體質譜法可同時結合同位素選擇、內標校正、碰撞池模式等[16-17]幾種方式消除干擾，檢測靈敏高，線性范圍寬，目前已廣泛應用于各個領域。同時微波消解的前處理方法相對簡單，可實現批量處理，提高檢測通量。

本文采用微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定芝麻中痕量的鍺?？疾炝伺鲎材Ｊ胶推胀Ｊ较?，各干擾因素對鍺的影響，同時在線引入內標元素103Rh以減少基體干擾?；谠雒粜臋C制，有機醇對元素信號強度有增強的特性[18]，本文考察了不同類型有機醇對鍺元素的增敏效應，增強鍺上機檢測信號強度，提高檢測靈敏度。并通過國家標準物質以及加標回收的方式驗證，旨在建立微波消解-碰撞池-電感耦合等離子體質譜法測芝麻中痕量的鍺元素。同時，采用本文建立的方法對20批次的芝麻中鍺的含量進行測定，分析比較了黑芝麻和白芝麻中鍺含量的差異。

1 實驗部分

1.1 材料和試劑

硝酸(HNO3，優級純，上海傲班科技有限公司)，過氧化氫(H2O2，優級純，國藥集團化學試劑有限公司)，甲醇、乙醇、正丁醇、正戊醇(分析純，上海凌峰化學試劑有限公司))，；異丙醇(分析純，廣州金華大化學試劑有限公司)，氬氣[Ar，高純氬氣 (>99.999%)]，氦氣[He，高純氦氣(>99.999%)]。

鍺(Ge)元素標準物質(1 000 mg/L)、調諧液[鋰(Li)、鈷(Co)、銦(In)、鈾(U)、鈰(Ce)，1 000 mg/L)]、內標元素標準物質銠(Rh) (1 000 mg/L)均為有證標準物質單元素溶液，除鈾購于核工業北京化工冶金研究院外，其余元素均購于國家有色金屬及電子材料分析測試中心。采用硝酸水溶液(1%)逐級稀釋標準溶液配制標準工作溶液系列。生物成分分析標準物質-蒜粉GBW10022(GSB-13)、玉米GBW10012(GSB-3)、河南小麥GBW10046(GSB-24)、豆角GBW10021(GSB-12)，綠茶GBW10052(GSB-30)、豬肝GBW10051GSB-29)、紫菜GBW10023(GSB-14)均購于地球物理地球化學勘查研究所。

黑芝麻和白芝麻樣品，隨機購于市場。

1.2 儀器和設備

iCAP Q電感耦合等離子體質譜儀(美國ThermoFisher公司)；BSA224S天平(感量為0.1 mg，德國賽多利斯公司)；ETHOS ONE密閉微波消解系統(意大利MILESTONE公司)；EH20B石墨加熱趕酸裝置(萊伯泰科科技有限公司)；Milli-Q去離子水發生器(美國Millipore公司)；DFT-200A高速粉碎機(溫嶺市林大機械有限公司)。

1.3 實驗方法

樣品經高速粉碎機粉碎，置于聚乙烯塑料樣品瓶中，備用。

稱取試樣0.3 g(精確到0.000 1 g)于聚四氟乙烯內罐中，加入6.00 mL硝酸、1.00 mL過氧化氫，按表1中微波消解儀程序對試樣進行消解。待消解結束后冷卻至室溫，開蓋排氣，將消解罐置于石墨加熱趕酸裝置上，于100 ℃下趕酸至液體剩余1 滴，用正戊醇水溶液(3%)將消解試液轉移至25.00 mL容量瓶中，定容、混勻備用，同時做試劑空白實驗。按照優化后儀器條件上機檢測，儀器操作條件詳見表2。

表1 微波消解程序

表2 電感耦合等離子體質譜儀操作條件

2 結果與分析

2.1 前處理條件選擇

目前的研究結果顯示，生物樣品中絕大多數元素檢測的前處理消解中密閉體系消解優于敞口體系消解[14，19]。由于鍺的氯化物在加熱過程中易揮發，酸消解體系中應避免使用鹽酸、高氯酸[20]。硝酸的氧化性強，質譜檢測時帶入的干擾少，前期的研究表明當硝酸用量大于4 mL時，生物成分中的元素能夠得到較完全的釋放。此外，密閉消解體系中，高壓密閉消解雖然密閉性好、消解更徹底，但由于消解管壁較厚，趕酸時間長，不利于通量檢測。綜上，采用6.00 mL硝酸、1.00 mL過氧化氫的混酸體系，微波消解，保證消解效果的同時提高檢測效率。

2.2 干擾影響及校正

由于鍺具有多個同位素，不同的同位素間豐度差異大、存在的干擾項不同，采用ICP-MS法測定鍺元素存在同量異位素、氧化物、雙電荷和多原子離子等質譜干擾，比如16O1H55Mn(相對豐度比：99.75%，下同)、32S40Ar(94.64%)、56Fe16O(91.50%)、144Nd++(23.80%)對72Ge的干擾，14N59Co(99.63%)、146Nd++(17.19%)對73Ge的干擾，58Ni16O(68.11%)、148Nd++(5.76%)、74Se(0.90%)、148Sm++(11.3%)對74Ge的干擾，76Se(9.00%)對76Ge的干擾等。 此外，還存在以樣品基體干擾為主的非質譜干擾。

在優化的儀器條件下，本文比較了標準模式和碰撞模式下 Ge元素的背景等效濃度，同時考察了70Ge、72Ge、73Ge、74Ge、76Ge等5種同位素在碰撞模式下，不同氦氣流量對各同位素信號強度的影響，結果見表3。結果顯示，采用標準模式，氦氣流速0 mL/min，73Ge、74Ge背景等效濃度分別為8.627、5.252 ng/L，但是70Ge、72Ge、76Ge背景等效濃度較高，不適用于痕量檢測。采用碰撞模式，氦氣流量為3.0 mL/min，73Ge、74Ge的背景等效濃度均降至1.00 ng/L以下，滿足測定要求。由于當氦氣流量達到4.0 mL/min時，各同位素的信號強度損失嚴重。綜上，為了獲得較好的檢測靈敏度，本文采用碰撞模式，碰撞氣流速設為3.0 mL/min。

表3 不同氦氣流量下鍺同位素 背景等效濃度測定結果

在優化的儀器條件下，本文采用103Rh作為內標，校正由樣品的基體效應引起的干擾。實驗結果顯示，103Rh元素濃度為5 μg/L時的信號強度與濃度為10.00 μg/L的鍺同位素最大信號強度為同一數量級，實驗選用濃度為5 μg/L的103Rh溶液作為內標溶液可有效降低基體效應。

2.3 有機醇的類別及濃度對鍺元素信號強度的影響

為考察有機醇基體對元素的增敏效應，實驗選擇甲醇、乙醇、異丙醇、正丁醇、正戊醇等5種有機醇，配制濃度含量為1.00 μg/L鍺標準溶液(均含有體積分數為1% 的HNO3)，含有機醇體積分數分別為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%。含有機醇鍺標準溶液測定的信號強度與不含有機醇鍺標準溶液的信號強度的比值為有機醇的增敏系數，不同有機醇最大增敏系數見表4。結果顯示，5種有機醇基體對5種鍺同位素均有增敏現象，最大增敏系數為3.00。5種有機醇隨體積分數和有機醇中碳原子數目的增加，對鍺的增敏系數也呈增加的趨勢。當甲醇、乙醇體積分數為4.0%，異丙醇、正丁醇、正戊醇體積分數為3.5%時對鍺的增敏系數減少。這與文獻報道結果基本一致[18]。此外，由于過量的有機醇引入會導致炬管和錐上積碳而影響檢測，本文選擇引入體積分數為3%的正戊醇作為增敏劑。

表4 不同有機醇對鍺元素的最大增敏系數

2.4 標準曲線及檢出限

在優化的儀器條件下，按實驗方法處理樣品和試劑空白，連續測定試劑空白溶液11次，以11次空白值標準偏差3倍(3s)計算檢出限。由表5可知，72Ge、73Ge、74Ge等3種鍺同位素的檢出限分別為1.29、0.201、0.056 μg/kg，線性范圍5.00～1 000 ng/L，72Ge、73Ge、74Ge線性相關系數0.999 7～1.000，滿足相關檢測要求。而70Ge和76Ge線性相關系數不足0.999，檢出限較高，由于大部分食品中鍺含量較低，70Ge和76Ge兩種同位素不適用于食品中鍺痕量檢測的需求。

表5 線性相關參數及檢出限

2.5 方法精密度和準確度實驗

采用本文建立的方法，通過對蒜粉GBW10022(GSB-13)、玉米GBW10012(GSB-3)、河南小麥GBW10046(GSB-24)、豆角GBW10021(GSB-12)、綠茶GBW10052(GSB-30)、豬肝GBW10051(GSB-29)、紫菜GBW10023(GSB-14)等7種國家標準物質中鍺含量的 6 次平行測定來驗證方法的準確性和精密度。結果見表 6，本方法測定國家標準物質中只有74Ge的測定值均在認定值范圍內，RSD為 2.5%～8.8%。除河南小麥中73Ge以外，其他標準物質中72Ge和73Ge均高于認定值，高出認定值的2.6～16.5倍。可能是由于72Ge同位素豐度比(27.40%)與144Nd2+(23.80%)同位素豐度比相當，而幾種標準物質中Nd、Sm的含量是Ge的3～22倍，檢測時受到144Nd2+、144Sm2+的干擾較為嚴重。73Ge的同位素豐度比只有7.8%，檢測靈敏度較低，同時受質譜干擾較大，有報道顯示，Nd、Fe對72Ge和73Ge的干擾明顯[14]。綜上，選擇74Ge同位素作為目標測試同位素，方法精密度好、準確性高，能夠滿足芝麻中痕量鍺元素含量測定的檢測要求。

2.6 加標回收實驗

為了進一步考察所建方法的準確度，分別對黑芝麻和白芝麻進行低、中、高3個濃度水平的加標回收實驗，每個加標實驗重復測定6次并計算相對標準偏差，結果見表7。結果表明，加標回收率范圍在92.0%～106%，RSD為 2.6%～4.3%，表明所建立的方法精密度和準確度較好，滿足分析檢測要求。

表6 標準物質測定結果

表7 加標回收實驗結果

2.7 實際樣品檢測

隨機采購市場中售賣20批次的芝麻樣品，根據芝麻籽粒顏色分為黑芝麻、白芝麻、黃芝麻、雜色芝麻。采用建立的方法對芝麻中的鍺元素含量進行檢測，每個試樣重復測定3次，結果見表8。結果顯示，整體上，芝麻樣品中鍺含量較低，最高值為黑芝麻-5，僅有11.0 μg/kg。各顏色芝麻籽粒中的鍺元素含量平均值分別為白芝麻3.96 μg/kg、黑芝麻4.13 μg/kg、黃芝麻3.10 μg/kg、雜色芝麻3.99 μg/kg。各顏色芝麻籽粒中的鍺元素含量差異不明顯。

表8 市售芝麻樣品中的鍺元素檢測結果

3 結論

建立了微波消解-碰撞池-ICP-MS測定芝麻中鍺元素含量的方法。通過比較碰撞模式和標準模式下鍺同位素信號強度和背景等效濃度，確定氦氣流量為3.0 mL/min，碰撞模式可以去除大分子的多原子離子干擾，降低質譜干擾。通過在線引入5.0 μg/L的103Rh作為內標，降低非質譜的干擾。由于食品中鍺含量較低，采用體積分數為3%的正戊醇作為增敏劑可增加74Ge的信號強度2.85倍，提高檢測靈敏度。對不同種類的生物成分國家標準物質測定鍺元素，測定結果與標準認定值吻合。本方法檢出限低、精密度高、準確性好，能夠滿足芝麻中痕量鍺元素含量的高通量檢測需求。此外，方法同樣適用于食品、農產品等痕量鍺元素的測定。