在線氧燃燒結合氫化物發生原子熒光光譜法用于有機質中硒的測定

關鍵詞 在線樣品分解；氫化物發生原子熒光光譜法；硒；有氧燃燒

隨著人們對硒的獨特生物生理功能認識的不斷深入[1-3]，種類繁多的各種富硒保健品日益普及。然而，硒的過量攝入可能會導致嚴重的生物毒性，因此需要對硒含量進行嚴格控制[4-7]。中華人民共和國衛生行業標準（WS/T 578.3—2017）規定中國健康人群硒元素最高日攝入量為400 μg。因此，開發準確、靈敏的分析方法測定各類食品或生物材料等有機質樣品中的硒含量十分重要。

目前，硒含量分析方法可分為兩大類：非原子光譜分析技術和原子光譜分析技術。前者包括分光光度法[5，8]、氣相色譜法[9]和離子色譜法[10]等，而后者包括原子吸收光譜法[6，11-12]、氫化物發生原子熒光光譜法[13-17]以及電感耦合等離子體發射光譜/質譜法[18-20]等。在這些原子光譜分析方法中，氫化物發生原子熒光光譜法因具有高分析靈敏度和高成本效益的優勢而被廣泛關注[13，15]，但同時其對樣品前處理的要求也最為苛刻。對于有機質樣品，需盡可能地消化徹底，以避免殘留有機質在蒸氣發生過程產生泡沫；同時，在加熱去除消化試劑氮氧化物時，需要非常小心，避免Se 以鹵化物形式揮發。此外，預還原以使Se（Ⅵ）轉變為Se（Ⅳ），這是氫化物發生反應的必要條件，而有時還需要加入額外的掩蔽劑以消除過渡金屬離子的干擾。總之，傳統的濕法消解流程復雜、冗長，并且存在不可控風險。近年來，研究者在改進樣品前處理方法方面進行了諸多嘗試，例如以稀酸超聲輔助提取替代全消解[21]，通過加入甲醛而非趕酸的方式快速消除硝酸或亞硝酸的干擾[22]，以及采用氧瓶燃燒樣品快速分解[23]等。

根據本研究組前期的工作[23]，硒在富氧中燃燒后僅有一種揮發性的燃燒產物，即高水溶性的SeO₂，可直接進行氫化物發生反應，省去了耗時數十分鐘的中間還原步驟和額外引入還原劑。同時，以多孔石英纖維布為包覆式燃燒載體，可將共存的非揮發性干擾元素（如Fe、Ni、Cu、Zn、Ba 和Pb）高效捕獲并分離，從而建立了一種密閉氧瓶燃燒的高效且清潔的樣品前處理新方法。

在前期工作基礎上，本研究將有氧燃燒由固定容積的密閉系統改為氣路開放系統，實現固體有機樣品在氧氣流中高效燃燒分解，并進一步與氫化物發生原子熒光光譜在線聯用，建立了直接有機固體進樣分析的硒含量檢測新裝置和新方法，顯著提升了樣品分析的通量和自動化程度。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與裝置

自行搭建的在線樣品分解與檢測裝置見圖1。AFS-8500 氫化物發生原子熒光光譜儀（HG-AFS，北京吉天儀器有限公司），配備硒空心陰極燈（北京真空電子研究所），儀器工作參數見表1。容積約400 mL的五出口石英瓶同時作為樣品燃燒分解、蒸氣發生反應和氣液分離的反應容器。

1.2 試劑和樣品

1000 μg/mL 硒標準儲備液（國家有色金屬及電子材料分析測試中心）；國家標準物質雞肉（GBW10018）和扇貝（GBW10024）（中國地球物理與地球化學勘查研究所）；NaOH（分析純，北京化工廠）；HCl（電子純，韓國Sungkok-Dong Ansan-Kyungkido 公司）；NaBH₄（分析純，廣州西隴化工有限公司）；高純石英纖維布（QFC，武漢鑫有泰光電有限公司）。丹參藥材、硒酵母片和富硒保健品片劑樣品購自當地超市；實驗用水為英國ELGA 純水系統制備的超純水（電阻率gt;18.2 MΩ·cm）。

1.3 樣品測定程序

準確稱取0.2 g（精確至0.0001 g）樣品至QFC（40 mm×40 mm）上，折疊包覆后，以鉑絲固定在與五出口石英瓶瓶塞相連的石英鉤上，并在QFC 外部滴加少量甘油（約10 mg）作為引燃劑。圖1 中所有電磁閥、蠕動泵及HG-AFS 均通過集成電路進行關聯通訊，全程只需要觸發“啟動”和“檢測”兩個按鈕。首先，按壓“啟動”按鈕，依次開啟O₂ 閥（v₁）和排氣閥（v₃），同時蠕動泵1在30 s 內將20 mL 10%（V/V）的HCl 泵入石英瓶中；然后，點燃樣品并迅速插入燃燒瓶中，直至燃燒完成（約10～20 s）；最后，按壓“檢測”按鈕，依次關閉O2 閥（v₁），并打開Ar 閥（v₂），吹掃30 s 后自動觸發蠕動泵2 運行，將還原劑NaBH4 引入燃燒瓶中并關閉閥門3（v₃）及打開閥門4（v₄），此時反應產生的氫化物被氬氣持續吹入HG-AFS 原子化器進行Se 測定（耗時38 s，檢測過程中可振蕩燃燒瓶，確保燃燒產物沖洗完全及氫化物發生反應充分）。檢測結束后，蠕動泵2 自動停止運行，并觸發蠕動泵3 啟動，將反應后的混合溶液排出（持續約10 s），并待廢液排盡后蠕動泵3 停止運行，同時觸發蠕動泵1 啟動，開始分析下一個樣品。全樣品分析流程的總耗時約為3 min。

2 結果與討論

2.1 開放系統中Se的有氧燃燒行為

本研究擬將樣品燃燒分解在開放式的流動氧氣氣氛中進行，既可實現大質量樣品的充分燃燒，又能有效避免高溫導致的壓力隱患。在前期預實驗中發現，由于SeO₂的高沸點及有氧燃燒過程中高熱濕氣溶膠的形成，低溫燃燒瓶壁對燃燒產物具有快速高效的冷凝捕獲效果。為充分評估SeO₂的捕獲效率，將扇貝（GBW10024）在模擬實驗條件下燃燒分解，并對燃燒瓶壁進行清洗后測定清洗液中的硒含量。結果表明，即使無吸收液存在， Se 回收率的重現性良好（gt;70%），連續動態氧燃燒過程中Se 能夠被定量回收。

2.2 固體校正標準研制

由于缺乏針對性的富硒標準參考物質作為工作曲線校準物質，因此嘗試進行自主研制。首先將購自當地市場的丹參和富硒酵母片分別粉碎并過200目篩（篩孔直徑75 μm）， 然后按不同比例進行二次粉碎混合，制得不同含量梯度的固體工作曲線校準標準品，再分別基于離線濕法消解和密閉氧瓶燃燒樣品的處理方法結合HG-AFS 進行硒含量定值（見表2），并全程以扇貝（GBW10024）作為質量控制樣品。

2.3 分析參數的優化

2.3.1 燃燒瓶容積的優化

燃燒瓶的體積越大，充氧量越多，同質量樣品的燃燒效果越好；并且瓶壁內表面積越大，燃燒產物的冷凝吸附效率也會增大。但是，燃燒瓶同時作為后端HG-AFS 的氣液分離器，容積增大將使得氣路死體積增大，容易導致峰展寬。綜合考慮，確定燃燒瓶的最佳容積為400 mL。

2.3.2 HG-AFS 工作參數的優化

通過測定含10 ng/mL Se（Ⅳ）的10% HCl 溶液優化HG-AFS 的工作參數。如圖2 所示， Se 信號強度隨讀取時間延長而增加，直至HG-AFS 允許的最大讀取時間（20 s）。Se 信號強度隨延遲時間的延長而增大，直至延遲時間達到7 s 時保持恒定。另外，根據文獻[23]的方法，選擇含0.5%（m/V）NaOH 的2%（m/V）NaBH₄ 作為最佳還原劑濃度，選擇20 mL 10%（V/V）HCl 作為最佳吸收液。

2.3.3 氧助燃氣流量的優化

由于燃燒分解過程在動態的氧氣流中進行，當氧氣流量過低時，樣品燃燒完全所需的時間延長；當氧氣流量過高時，燃燒產物來不及被冷凝吸附就被氣流吹走。因此，有必要考察氧氣流量（基于壓力控制）對硒熒光強度（FI）的影響。如圖3A 所示，隨著氧氣壓力增加， FI 隨之增大，直至壓力在0.1～0.15 MPa之間達到穩定，此時硒回收率超過90%；如繼續增加壓力， FI 開始逐步下降，提示燃燒產物存在氣流夾帶損失。因此，最終選擇0.1 MPa 下對應的流量作為最佳氧氣流量。

2.3.4 氬吹掃氣流量的優化

樣品燃燒完全后，通入氬氣對燃燒瓶進行吹掃是必要步驟，否則燃燒瓶內殘存的氧氣將與后續氫化物發生反應過程產生的氫氣混合而存在爆炸風險。實驗結果表明，以0.05 MPa 氬氣連續吹掃30 s 可充分保證氧氣無殘留。此外，在HG-AFS 檢測過程中，氬氣作為載氣將生成的硒化氫及時引入AFS 原子化器。本研究考察了氬氣壓力從0.05 MPa（壓力表的最小刻度值）增至0.30 MPa 過程中硒熒光強度的變化。如圖3B所示，隨著氬氣壓力增加，硒的熒光強度持續下降，原因在于氬氣流量增大產生了稀釋效應。因此，最終確定0.05 MPa 對應的氬氣流量作為HG-AFS 檢測時的最佳載氣流量。

2.3.5 樣品處理量的優化

選擇不同質量的自制固體校準物質進行實驗，結果如圖4 所示，當樣品處理量小于20 mg時，樣品質量與硒的熒光強度之間存在良好的線性關系（R2=0.997），并且硒的回收率超過90%；當樣品質量超過200 mg 時， Se的回收率反而隨著樣品質量增加而降低，其原因可能是樣品質量越大，所需的燃燒時間越長，熱輻射導致瓶壁冷凝捕獲效率下降。因此，最終確定200 mg 為被允許的最大樣品處理量。

2.3.6 樣品燃燒位置的優化

進一步考察了樣品固定位置與吸收液面之間的垂直距離（H1）對硒回收率的影響。如圖5 所示，改變距離H1 對硒的回收率無明顯影響（回收率均超過90%），這說明燃燒產物的冷凝吸附效率受樣品燃燒位置影響不顯著，樣品燃燒位置在距吸收液面2～6 cm 內均可。

2.4 分析性能評價

本方法的全樣品分析流程可在3 min 內完成，樣品分析通量為20 sample/h，分析效率明顯高于常規離線濕法消解。根據國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）的標準，本方法的檢出限（LOD， 3SD）為0.012 mg/kg。采用本方法測定Se 含量在0.05～14 mg/kg 范圍內的系列固體校準物質，線性相關系數（R²）大于0.995。對Se 含量為13.7 mg/kg 的實際樣品平行測定6 次，相對標準偏差（RSD， n=6）為1.7%，表明本方法具有較好的分析精密度。此外，針對國家標準參考物質扇貝（GBW10024）和雞肉（GBW10018）中總Se含量的分析，測定值與標稱值高度一致（表3），表明本方法準確可靠。

2.5 實際樣品分析

采用研制的固體進樣測硒裝置分析了從本地市場上購買的3種富硒保健品，并將分析結果與離線濕法消解樣品處理的結果進行對比，結果見表4，兩種方法的分析結果吻合良好，進一步驗證了本方法的準確性。

3 結論

將有氧燃燒由密閉系統改為氣路開放系統，并與HG-AFS 在線聯用，建立了直接有機固體進樣分析的硒含量檢測新裝置和新方法。相比常規離線濕法消解，本方法具有綠色、高靈敏度及高通量等優點，后續將通過改進樣品引燃方式提升整體分析裝置的自動化和智能化程度。