高通量密闭微波消解-ICP-MS测定食品中的锗含量

巩海娟，谢芸欣，王佳丽

（吉林省地质科学研究所，吉林 长春 130021）

锗（Ge）是一种重要的稀有元素。近年来，大量的临床试验肯定了锗的生理活性与医疗保健价值[1-2]，对于人体具有抗肿瘤、抗衰老、提高免疫力、促进新陈代谢等作用。杜蓉等[3]发现富锗大麦苗在体内外均有明显的抑制肿瘤的作用，并且没有出现毒副作用，是一种很好的口服抗癌药物；闫昳姝等[4]从富锗金针菇提取多糖，证实多糖具有抗病毒、抗肿瘤、免疫调节等多方面的生物活性。

锗的检测方法主要有：原子吸收法[5-7]、原子荧光光谱法[8-10]、分光光度法[11-12]和电感耦合等离子体质谱法 （inductively coupled plasma mass spectrometer，ICPMS）[13-15]等，其中ICP-MS 具有其他仪器无可比拟的性能，高灵敏度、低检出限、线性范围宽、分析速度快等优点，在日常样品痕量分析中已显示了它独特的优势。在已报到的文献中，ICP-MS 多用于研究岩石土壤中的锗含量及其干扰，对食品的报道多见于测定其中的重金属及稀土[16-20]含量，对锗的测试鲜有报道。

食品中锗含量甚微，基体复杂，干扰严重，比如35Cl37Cl、32S40Ar、56Fe16O、144Nd++、144Sm++对72Ge 的 干 扰 ，37Cl2、74Se、58Fe16O、148Nd++、148Sm++对74Ge 的干扰等，给测试带来很大的困难。PlasmaQuant MS 质谱仪（德国耶拿），它独特的ReflexION 技术，是一种创新的三维聚焦离子镜设计，能将离子束进行90 度反射，形成一个双曲面的电场后，进入的离子束会发生反射而不是偏转。使得不同大小和能量的待分析离子会在进入四级杆之前完全聚焦，更多的离子会进入四级杆，在全质量离子范围内能提供更高的信号，同时，造成干扰的光子和中子会穿过电场，使背景信号降低；在四级杆前的“S”型离轴预杆设计，使得离子在进入四级杆之前，进一步去除中性粒子及光子，进行离子的初步过滤，可以获得超高的灵敏度，超低的背景信号，同时能很好的去除干扰。

高通量密闭微波消解，比干法灰化、湿法消解用酸量少，空白低，消解效率高，也比普通微波消解法承压能力强，并且能同批次处理40 多样品，大大提升了试验效率。同时比较高压密闭罐消解方法，测试结果没有明显差异，更加的节约时间。

在此技术上，本文研究了采用高通量密闭微波消解样品-ICP-MS 测定食品中锗含量的方法，对GBW10011（小麦）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大虾）、GBW10052（绿茶）国家标准物质进行检测，以验证方法的准确度，测定结果均在参考值范围内。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

标准物质[GBW10011（小麦）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大虾）、GBW10052（绿茶）]：地球物理地球化学勘查研究所；锗（Ge）、铑（Rh）等单元素标准溶液（1 000 mg/L）：国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院；调谐溶液（0.010 g/L，包含铍、钴、铟、钍、铊等混合溶液，2%硝酸介质）：德国 analytikjena 公司；硝酸（BV-Ⅲ）：北京化学试剂研究所；高纯氩气（纯度＞99.999%）：长春氧气厂。

1.2 仪器与设备

ETHOS UP 大微波消解仪（配置了MAXI-44 高通量转子，采用高灵敏高聚焦技术红外传感器，消解罐错位排列，微波输出功率1 900 W）：美国莱伯泰科有限公司；LAB-LB-100 实验室超纯水系统（电阻率＞18.2 MΩ）：长春莱博帕特科技发展有限公司；Plas maQuant MS 电感耦合等离子体质谱仪：德国耶拿分析仪器股份公司；PQ-MS 主要工作参数为：射频功率1 400 W，雾化器流量1.0 mL/min，冷却气流量9.0 L/min，辅助气流量1.5 mL/min，采样锥孔径1.1 mm，截取锥孔径0.5 mm，扫描方式为跳峰，测量点/峰为3 点，扫描次数为40，全数字转换模式检测器。

1.3 样品消解方法

称取样品 0.2 g～0.5 g（精确至 0.001 g），加入 5 mL～10 mL 硝酸，加盖放置1 h 或过夜，旋紧消解罐，按表1设定的消解程序消解。消解程序结束后，冷却后取出转子，缓慢打开消解罐盖排气，用少量水冲洗内盖，将消解罐放在控温电热板上或超生水浴箱中，与100 ℃加热30 min 或超生脱气2 min～5 min，用水定容至25 mL 或50 mL，混匀备用。随同样品分析全过程制备空白试验。

表1 微波消解程序Table 1 Program of microwave digestion

1.4 标准系列配置

将1 000 mg/L 的Ge、Rh 等标准溶液，逐级稀释，用1%硝酸定容，摇匀。Rh 浓度为5.0 μg/L，作为内标溶液，用来监控仪器的漂移，同时校正样品的基体效应；Ge 系列浓度分别为（μg/L）：0、0.1、0.5、1.0、10.0、100，上机测试，观察Ge 不同同位素的线性相关性；同时配置一系列不同浓度的 Zn、Ce、Se、Sm、Nd、Fe 单元素标准溶液，上机测试，用来观察对Ge 不同同位素的干扰叠加情况。

1.5 样品检测

仪器抽取真空达到最佳真空状态，点火，稳定后用调谐液优化仪器各项参数，使仪器灵敏度、氧化物、双电荷、分辨率等指标达到测定要求后，编辑方法，选择测定元素合适的质量数及其内标。将标准系列、试剂空白、待测样品溶液、质控样品分别引入仪器，由计算机采集数据、绘制标准曲线、给出测定结果。

2 结果与分析

2.1 样品消解方法的选择及过程注意事项

样品前处理技术大致可分为敞口和密闭消解两大类。敞开消解包括干灰化和湿法消解，密闭消解包括微波和高压密闭罐消解。在此重点讨论密闭罐消解和微波消解。按照1.3 消解样品，上机测试，同时与高压密闭罐消解方法结果做比对，结果见表2。

表2 微波消解与密闭罐消解结果比对Table 2 Comparison of microwave digestion and closed tank digestion

从表2中可以看出，微波消解和密闭罐消解，结果没有明显的差异，测试结果均在不确定范围内。两种消解方式的相同点在于，消解过程中，两者都是使用硝酸处理样品，试剂用量少，空白值低，能够将样品消解完全；不同之处在于消解时间设定，微波消解时间设定50 min，而密闭罐消解需8 h，耗时长。本试验采用微波消解。

通过多次试验，确定试验条件：称取0.2 g 样品，加少量水润湿，加入10 mL 硝酸，消解结束后，100 ℃电热板赶酸30 min，定容25 mL。

消解过程需要注意：食品中Ge 的含量非常低，消解样品之前，用稀硝酸浸泡转子或者进行预消解，目的在于尽可能保持内壁干净，降低背景值；试验用到的转子细长，高约20 cm，口约3 cm，放置样品时容易沾壁，在加酸时，尽可能冲洗沾在内壁上的样品，减少称样误差；在尽可能减少基体干扰的情况下，适当加大称样量，稀释合适的倍数，以增加测试过程的稳定性；使用单一的硝酸处理样品，一是降低试剂空白，二是避免引入氯离子，形成的复合离子37Cl2对74Ge 的干扰，也可以避免锗与氯离子形成络合物，在加热过程（86 ℃以上）中挥发，造成锗的损失；加入硝酸后放置1 h 或过夜，设定分阶段升温过程，使样品中的有机质能够很好的消解完全。

2.2 锗同位素的选择

2.2.1 锗同位素丰度及主要干扰

锗的同位素有多个，其丰度和各自的主要干扰项各不相同，具体见表3。

表3 Ge 同位素丰度及主要干扰Table 3 Isotopes and main interference of Ge

2.2.2 锗同位素线性相关性

1.4 配置的Ge 标准溶液系列，浓度分别为（μg/L）：0、0.1、0.5、1.0、10.0、100 上机测试，观察各个同位素的线性关系，结果见表4。

表4 Ge 各个同位素线性回归曲线和相关系数Table 4 Linear regression curve and correlation coefficient of different isotope of Ge

从表4中可以看出，除76Ge 相关系数r 为0.996 9，其他同位素的线性相关性>0.999 9。

2.2.3 Ge 同位素的干扰及校正

锗的质谱干扰主要有同量异位素重叠、氧化物干扰、双电荷离子干扰和多原子离子干扰，具体见2.2.1表3。配置一系列不同浓度的 Zn、Ce、Se、Sm、Nd、Fe 单元素标准溶液，测试观察在Ge 不同同位素上的强度值的变化情况，通过计算，得到干扰系数，见表5。

表5 主要干扰元素对Ge 不同同位素的干扰程度Table 5 The interference degree of main interfering elements in different isotopes of Ge

从表5中可以看出，Nd 对72Ge 干扰校正系数f 为0.016 8 ，Sm 对74Ge 干扰校正系数 f 为 0.006 5，产生明显干扰；Fe 对72Ge 干扰校正系数f 为0.004 5，产生明显干扰，而对74Ge 干扰校正系数f 为0.000 1，干扰甚微，可以忽略不计。另外，还有一些同量异位素叠加干扰，主要有如Zn 对70Ge 干扰校正系数f 为0.024 6，Se对74Ge 干扰校正系数 f 为 0.0356，Se 对 76Ge 干扰校正系数f 为0.389 6，干扰明显。

同位素73Ge（7.73%）和76Ge（7.44%），丰度低，灵敏度低，测试稳定性差，排除；食品中Fe 的含量远高于稀土Nd、Sm 的含量，Fe 的氧化物干扰占主导，排除72Ge；Fe 的氧化物对74Ge 的干扰甚微，可以忽略不计，稀土Nd、Sm 的双电荷虽然对74Ge 产生明显干扰，但是食品中Nd、Sm 的含量低，通过优化仪器参数，控制氧化物产率和双电荷产率均小于3%，尽可能的降低或忽略Nd、Sm 造成的干扰，同时，74Ge 丰度灵敏度相对较高，因此选择质量数74Ge 作为测量同位数。

通过计算干扰元素单标准溶液在74Ge 的干扰叠加，得出校正方程可以简化为：

式中：M 指质量数74 的总的测试强度值。

2.3 仪器检出限与方法检出限

PlasmaQuant MS 质谱仪，独特的ReflexION 三维聚焦离子镜设计，使得仪器具有超高的灵敏度，Li＞150 Mcps（/mg/L）、In ＞1 500 Mcps（/mg/L）、Th ＞1 000 Mcps（/mg/L）；在四级杆前，配置了“S”型离轴预杆，双离轴四级杆的设计使得离子在进入主四级杆之前，进一步去除中性粒子及光子，可将背景值进一步降低，以获得更高的仪器信噪比。

配置2%的HNO3，连续测定11 次，以3 倍标准偏差计算仪器检出限；随同样品做过程空白11 份，计算测定值的标准偏差，以3 倍标准偏差和10 倍标准偏差计算方法检出限和方法定量限。结果为：仪器检出限为 0.02 μg/L，方法检出限为 0.9 μg/kg，方法定量限为3.0 μg/kg。

2.4 方法精密度和准确度

分别选取国家标准物质GBW10011（小麦）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大虾）、GBW10052（绿茶）各平行6 份，按照1.3 消解方法处理样品，上机测试，结果见表6。

表6 方法精密度和准确度Table 6 Precision and accuracy of the method

从表6中可以看出，相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）为 5.1%～17.8%，相对误差（relative error，RE）为 2.7%～12.6%，满足 DD2005-03《区域生态地球化学调查评价样品分析技术要求》中的质量控制要求RSD%≤20，RE%≤15。GBW10011 的锗含量接近检出限，稳定性要差一些。

2.5 方法加标回收试验

在GBW10052（绿茶）的样品中，依次加入0.0、0.1、0.2、0.5、1.0 mL 的 100 ng/mL Ge 标准溶液，按照1.3 消解方法处理样品，上机测试，计算Ge 的回收率，结果见表7。

从表7中可以看出，回收率在91.4 %～105 %之间，满足DD2005-03《区域生态地球化学调查评价样品分析技术要求》中的质量控制要求90%～105%。

表7 方法加标回收试验Table 7 Standard addition recovery test of the method

3 结论

PQ-MS 自身独特的三维聚焦离子镜设计和“S”型离轴预杆设计，使得测试过程中能够获得超高的灵敏度，超低的背景值，为准确测试食品中痕量的Ge 含量提供可能。高通量密闭微波消解，承压能力高，同批次可以处理40 多样品，可以大大提升消解效率。结合两种技术，建立了高通量密闭微波消解-ICP-MS 测定食品中锗含量的方法，研究显示称取0.2 g 样品，加入10.0 mL 硝酸微波消解，消解完全，溶液清亮，通过对国家标准物质GBW10011（小麦）、GBW10023（紫菜）、GBW10050（大虾）、GBW10052（绿茶）进行测定，测定结果与标准值相吻合，验证了方法的准确性。该方法测试食品中的锗是可行的。