高分辨電感耦合等離子體質譜法測定植物樣品中的12種元素

李如燕， 常 青， 江 冶， 喬愛香, 曹 磊

(1. 自然資源部國土(耕地)生態監測與修復工程技術創新中心，江蘇南京210018；2. 江蘇省地質調查研究院，江蘇南京210018)

0 引 言

隨著經濟的快速發展，大量重金屬元素隨工業垃圾、生活垃圾及農藥類化學品以不同的形式進入土壤及大氣中。根據土壤污染狀況調查，我國土壤總超標率為16.1%，污染類型以無機型為主、有機型次之(環境保護部等，2014)。植物在生長發育過程中吸收土壤環境中的元素累積于體內(胡省英等，2003)，土壤環境污染必然影響植物中多種無機元素的含量(廖啟林等，2015；范健等，2016)。植物樣品中多種無機元素的快速準確測定不僅可以了解植物在生長發育過程中對各元素的吸收、積累，還可對其生存的外部環境中的無機元素進行監測，為農業、畜牧業、食品工業和環境保護提供重要信息(諸堃等，2009；劉亞軒等，2013；葉麗等，2015)。

植物樣品中多種無機元素的測定已有大量研究(侯冬巖等，2009；李剛等，2010；喬愛香等，2010；藏吉良等，2012；陳艾霞等，2013；李龍等，2013；黃子敬等，2017)，植物樣品的預處理方法主要分為干法、濕法消解和微波消解等(劉亞軒等，2013；彭立，2016)。植物樣品成分復雜，需根據樣品和待測元素的性質和特點來選擇預處理方法(吳建之等，1999)：① 干式灰化法所用試劑少、空白值低，但結構致密的樣品不易完全灰化，部分元素在高溫下揮發損失(王曉鳳等，1998；劉亞軒等，2013)，不適用于Hg、Se等易揮發痕量元素的測定；② 濕法消解樣品分解較完全，但試劑消耗高，試劑空白對分析結果影響較大，操作費時費力(魏清才，2014)，Cr、Ni、Pb等元素受試劑空白影響尤為嚴重；③ 微波消解在密閉環境中進行，可防止揮發性元素的損失，耗酸少，分解速度快(張小燕等，2000；張紐枝，2016)，能提高工作效率和分析準確率，但由于植物樣品中各元素含量差異較大，為顧及各元素的測定一般要采取多種前處理方法，耗時費力。因此，急需發展一種簡單快速、綠色環保的前處理方法。

關于植物樣品無機元素的測定技術，現有方法如原子吸收光譜法(AAS)(陳召桂等，2014；柯嫻等，2014)、原子熒光光譜法(AFS) (姚劍亭等，2008；鄧德紅等，2016)、X射線熒光光譜法(楊振飛等，2018；桑曉霞等，2020)、電感耦合等離子體原子發射光譜法(ICP-AES) (劉松等，2019；楊進彬，2019)以及電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)(魏正蓉等，2020；曾勇等，2020)等各有利弊，均無法在植物樣品中同時測定Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn、Co、Mo、As、Hg、Se、Mn這12種無機元素，需經多次樣品處理和多種儀器設備測定。典型的配套方案有：AFS測定As、Hg、Se，ICP-AES測定Ni、Cu、Zn、Mn，ICP-MS測定Cr、Cd、Pb、Co、Mo。

選擇微波消解作為樣品的預處理方式，通過改進預處理過程，研究出一套簡單快速的植物樣品前處理方法。密閉體系下消解和除去高溫蒸酸的操作，避免了Hg、Se等元素的損失，縮短了處理時間和步驟，提高了前處理效率；選擇靈敏度和分辨率極高的HR-ICP-MS作為檢測儀器，研究各元素的質譜干擾，優化儀器各種參數，盡可能消除質譜干擾與非質譜干擾，提高測定的準確度；選擇多種國家植物樣品標準物質作為檢測對象，微波消解處理后用HR-ICP-MS同時測定Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn、Co、Mo、As、Hg、Se、Mn12種元素。經驗證，方法的檢出限、精確度和準確度均滿足《生態地球化學評價樣品分析技術要求(試行)》(DD 2005-03)(中國地質調查局，2015)。

1 實驗測試

1.1 儀器及工作參數

質譜儀為ELEMENT 2 型HR-ICP-MS(美國Thermo Fisher )，其工作參數見表1。

表1 ELEMENT 2等離子體質譜儀的工作參數Table 1 Operating parameters of the plasmamass spectrometer ELEMENT 2

相比四級桿等離子體質譜儀，HR-ICP-MS具有極高的靈敏度和分辨率，擅長在高分辨率下對多原子離子干擾(如40Ar35Cl對75As,40Ca16O和40Ar16O對56Fe的干擾)進行消除。在低分辨率下，HR-ICP-MS具有高靈敏度；在中高分辨率下，改變靜電狹縫的寬度可大大提高儀器的分辨率，降低響應信號。對于質譜干擾較強的元素可通過改善分辨率將其與干擾元素分開，對于響應信號過強的元素可通過提高分辨率以改善信號。

1.2 微波消解條件的選擇

植物樣品前處理使用ETHOS UP微波消解儀(意大利Milestone)。樣品消化一般采用程序升溫法，植物樣品基質復雜，程序升溫可避免樣品因有機質含量高導致試樣反應太過劇烈而大量溢出。加熱時間和溫度不宜過長、過高，否則會使管體變軟而發生事故。根據樣品的性質調整工作條件，經多次對比試驗，按表2的消解程序進行消解，待消解液澄清透明，定容至50 mL后即可上機測定。

表2 微波消解程序Table 2 Microwave digestion program

1.3 試劑與材料

100 mg/L混合標準溶液(美國SPEX)，1 mg/mL單元素標準貯備液(國家標準物質中心)，儀器調諧液(含B、Ba、Co、Fe、Ga、In、K、Li、Lu、Na、Rh、Sc、Tl、U、Y 各1 ng/mL，介質為5% HNO3)，HCl、HNO3(優級純)，內標溶液(含Rh和Ir各1 ng/mL，介質為2%HNO3)；國家一級生物標準物質(GBW10010、GBW10014、GBW10015、GBW10020、GBW10048)，超純水(電阻率為18 MΩ·cm)，一次性50 mL PE比色管。

1.4 標準曲線的繪制

取100 mg/L混合標準溶液和1 mg/mL單元素標準貯備液逐級稀釋，獲得一系列標準點(表3)。

表3 標準溶液含量Table 3 Standard solution content

1.5 樣品的制備及測定

稱取0.200 0 g (±0.000 2 g )樣品置于40 mL聚四氟乙烯微波消解罐中，用少量去離子水沖洗消解罐內壁，加入3 mL硝酸和1 mL鹽酸，搖勻擰緊蓋子后放入已設定好消解程序的微波消解儀中。消解完成待其自然冷卻至室溫后，在通風櫥中擰開蓋子，用去離子水沖洗內蓋，隨后將消解液轉移至塑料比色管中，用去離子水定容至50 mL，搖勻、靜置。

用調諧液對儀器進行優化，使儀器達到最佳使用條件，然后使用蠕動泵分別引入內標溶液和樣品溶液，經三通接口混合后進入霧化器霧化。

2 結果與討論

2.1 同位素和分辨率的選擇

一般來說，ICP-MS在測定樣品時存在非質譜干擾和質譜干擾，大多數植物樣品的基體比較復雜，具高鹽、高有機物、高含量等特點，易造成非質譜干擾，影響分析結果的準確性。外標法和內標法可用于非質譜干擾的校正(侯鵬飛等，2020)，內標法可用于信號漂移和基體效應的校正。實驗所用ELEMENT 2型HR-ICP-MS儀具有低(LR)、中(MR) 和高(HR)3檔分辨率，對應的分辨率分別為 300、4 000、10 000(以10%峰谷定義，R=m/Δm)，對于所測大多數元素選擇最高分辨率即可消除多原子離子干擾、難熔氧化物干擾等質譜干擾，但無法消除同量異位素干擾，所以Cd的測定需用數學校正法扣除Sn引起的干擾(侯鵬飛等，2019)。

校正公式為：

114Cd =114X-0.027118Sn

(1)

通常選擇干擾相對小而豐度較大、靈敏度高的同位素進行測定。對于HR-ICP-MS來說，高分辨率是以犧牲靈敏度為代價的。對于已知含量較高的元素，為避免高含量對檢測器的損害，可采用高分辨率進行測定；對于含量較低的元素，為保證較高靈敏度，應選擇較低的分辨率。12種待測元素的潛在干擾情況、元素在樣品中的大致含量以及同位素與分辨率的選擇見表4。

表4 測定同位素與分辨率的選擇Table 4 Selection of isotope and resolution for determination

2.2 樣品消解方法的確定

微波密閉消解法在高溫、高壓條件下使有機物快速分解，是一種均勻、快速的內部加熱方法，能在短時間內完全消解樣品。選擇微波消解法來分解樣品，按照樣品的分析過程消解國家一級生物標準物質GBW10014和GBW10048，比較硝酸、硝酸-過氧化氫、鹽酸、王水和逆王水等消解體系的消解能力發現，除鹽酸外，其他消解液均能將樣品完全消解，得到澄清透明的溶液。植物樣品的有機物含量非常高，需用強氧化性的酸進行消解，鹽酸無法將有機物完全分解。各消解液測定的相對誤差見表5。

表5 不同消解液下各元素的相對誤差Table 5 Relative error of elements in different digestion solutions

逆王水的消解能力較強，絕大數元素的測定結果與標準值吻合，考慮各元素測定的準確度，選擇逆王水體系消解樣品。優化逆王水的用量，按照樣品的消解過程分別采用1、2、4、6 mL逆王水消解GBW10014和GBW10048，均得到澄清透明的溶液，測定結果見表6。消解液用量較大時得到的溶液酸度較高，容易腐蝕進樣系統。綜合考慮測定的準確性和酸度，選擇消解液的用量為4 mL。

表6 消解液用量對GBW10014和GBW10048測定的影響Table 6 Influence of the amount of digestion solution on GBW10014 and GBW10048 determination

研究表明，ICP-MS無法承受含有大量可溶性固體的樣品溶液，總溶解固體(TDS)含量較高時在短時間內就會出現明顯的信號漂移，容易引起誤差(賈維斯等，1997)。為減少溶液中的TDS含量，一般采用減少稱樣量、稀釋樣品或者內標校準的方法，但稱樣量的減少可能會導致所稱樣品代表性不夠，樣品稀釋過大又會影響痕量元素的測定，從而增大測定誤差，內標校準的確能夠消除一些TDS帶來的增強或抑制效應，但是TDS含量高時內標元素的響應值會遠低于校準曲線響應值，影響測定結果。

選擇Rh和Ir作內標元素，試驗了不同稱樣量對GBW10014和GBW10048中各元素測定的影響。測定結果表明，當稱樣量為0.1、0.2 g時，即稀釋因數(稀釋因數=稀釋體積/稱樣量)為500、250時，內標元素的響應值在校準曲線響應值的80%以上；當稱樣量為0.1 g時，樣品稀釋較大會影響Hg、Se等痕量元素的測定，導致Pb、Ni、Cr等元素的空白影響變大，結果偏高，分析精密度變差；當稱樣量為0.4 g時，由于樣品中的TDS含量較高，內標元素的響應值要低于校準曲線響應值的80%，且Cr、Ni、Cu等元素的信號受到抑制，測定結果明顯偏低。考慮到樣品的代表性和測定結果的準確度，選擇稱樣量為0.2 g，稀釋因數為250。

2.3 方法的檢出限

按上述樣品消解步驟制備了10份空白溶液，在最優化的儀器條件下，測定 Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Mo、Cd、Hg、Pb共12種元素的含量，將各測定結果換算為樣品中的含量，計算多次平行測定的標準偏差，然后按《環境監測分析方法標準制修訂技術導則》(HJ-168)計算方法的檢出限：

MDL=t(n-1,0.99)×S

(2)

當n=10時，t=2.821，以4倍檢出限作為測定下限(表7)。

表7 各元素的檢出限及定量限Table 7 Limits of detection and quantification of the 12 elements

2.4 方法的精密度

選用國家一級生物標準物質GBW10048，根據樣品消解步驟分別制備12份樣品，在優化后的儀器上測定溶液中各元素的含量，并計算各元素含量的相對標準偏差(RSD)(表8)。結果各元素的RSD均<10 %(n=12)，滿足植物樣品中多元素分析對精密度的要求。

表8 方法的精密度Table 8 Precision of the method

2.5 方法的準確度

制備5種國家一級生物標準物質(GBW10010、GBW10014、GBW10015、GBW10020、GBW10048)溶液(表9)，樣品經處理后分別測定3 次，再以其平均值作為測定值，大多數樣品的元素測定結果與標準值吻合，結果在不確定度范圍內，個別樣品的個別元素因其定值的不確定性導致測定結果相差較遠。方法的準確度能滿足實際樣品的測定需求。

表9 方法的準確度Table 9 Accuracy of the method

3 結 論

(1) 采用逆王水消解體系微波消解后，使用HR-ICP-MS直接測定植物樣品中的Cd、Cr、Ni、Cu、Pb、Zn、Co、Mo、As、Hg、Se、Mn 12種元素，建立了一種簡單快捷的植物樣品多元素分析方法。

(2) 選擇合適的分辨率和內標元素可消除待測元素的多原子離子及雙電荷離子的質譜干擾、儀器信號漂移、樣品的基體效應。

(3) 國家一級標準物質的測定結果表明，該方法簡單便捷、穩定可靠，線性范圍寬、檢出限低，方法的精密度和準確度均滿足實際測定中對植物樣品的分析要求，實現了植物樣品中微量、痕量元素的同時測定，對植物樣品的多種無機元素測定具有廣泛的應用前景。