以水为载流-原子荧光光谱法测定大米中的痕量砷、汞

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(1.河南省核工业地质局,郑州 450044; 2.河南省核工业放射性核素检测中心,郑州 450044;3.重庆民泰新农业科技发展集团有限公司,重庆 400060)

大米是我国居民的主食,近些年来个别地区由于土壤中重金属污染严重[1-2],过量的重金属达到一定含量时,通过食物链迁移到大米中,长期使用被重金属污染的大米,就会在人体内慢慢积累,对人体造成较大的危害[3]。

有害元素砷、汞是大米等谷物中理化分析指标,国家标准GB 2762-2017对砷、汞等金属元素含量有限值规定。砷、汞元素的检测方法有很多,国家标准GB/T 5009.11-2014、GB 5009.17-2014也明确了砷、汞的检测方法,文献报道砷、汞常用检测方法有石墨炉原子吸收光谱法(GFAAS)[4]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[5]、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[6-7]、氢化物发生-原子吸收光谱法[8-9]、氢化物发生-原子荧光光谱法[10-11]以及冷原子测汞仪法[12]等。常用前处理方法有电热板直接消化法[13]、微波消解法[14-15]。

这些方法中GFAAS在测定时需要加入基体改进剂,操作繁琐。ICP-AES在测定砷、汞时灵敏度不够,检出限偏高。ICP-MS仪器昂贵,应用受限。原子荧光光谱法在测定砷、汞时具有灵敏度高、检出限低、选择性高等优点。试验建立了大米中痕量砷、汞元素的测定方法,采用体积比为3∶1∶4的盐酸-硝酸-水溶液溶样,以水为载流的进样方式,采用原子荧光光谱法快速测定,以实现节省大量酸试剂,满足大米等谷物类样品中痕量砷、汞的测定的要求。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

CAF-1800型双道原子荧光光谱仪;砷、汞空心阴极灯;BSA 224S型电子天平。

砷标准储备溶液:10.0 mg·L-1,使用时,用体积比1∶9的盐酸溶液逐级稀释至所需质量浓度。

汞标准储备溶液:10.0 mg·L-1,使用时,用体积比1∶9的盐酸溶液逐级稀释至所需质量浓度。

15 g·L-1硼氢化钾-10 g·L-1氢氧化钠混合溶液:称取氢氧化钠1.0 g溶解冷却后,再称取硼氢化钾1.5 g溶解,用水稀释至100 mL。

50 g·L-1硫脲-50 g·L-1抗坏血酸混合溶液:称取硫脲5.0 g和抗坏血酸5.0 g于100 mL水中,搅拌至溶解,作为还原剂,现用现配。

大米粉成分分析标准物质GBW(E)100356。

所用试剂均为优级纯;试验用水及载流试液均为去离子水,电阻率大于18.0 MΩ·cm;试验所用的器皿均需用体积比2∶8的硝酸溶液浸泡24 h。

1.2 仪器工作条件

仪器工作条件见表1。

1.3 试验方法

称取大米样品0.400 0 g于50 mL的聚四氟乙烯溶样管中,用少量水湿润后,于通风橱中加入体积比为3∶1∶4的盐酸-硝酸-水溶液5.0 mL,混匀。将50 mL的聚四氟乙烯溶样管放置在100 ℃沸水浴中煮沸1 h,中间开盖摇动几次,取出冷却后将溶解液转移至25 mL的容量瓶中,加入50 g·L-1硫脲-50 g·L-1抗坏血酸混合溶液2.5 mL,加入体积比1∶1的盐酸溶液5.0 mL,用水定容至25.0 mL,摇匀,室温下静置30 min后,以水为载流上机测定。同时制备两个试剂空白。

表1 仪器工作条件Tab.1 Working conditions for instrument

2 结果与讨论

2.1 仪器工作条件的选择

2.1.1 灯电流

在一定条件下,荧光强度与激发光源的发射强度成正比。用标准溶液考察空心阴极灯的灯电流与荧光强度的关系,见图1。

图1 灯电流对荧光强度的影响Fig.1 Effect of lamp current on fluorescence intensity

由图1可知:随着砷、汞灯电流的增加其荧光强度也随着增大。考虑到灯的使用寿命和满足测定灵敏度,较低的灯电流可以延长灯的使用寿命,试验选择砷、汞的灯电流分别为30,15 m A。

2.1.2 载气流量

氢化物反应后的反应气体是由载气运送至原子化器中。载气流量与荧光强度有很大关系,载气流量过大会降低灵敏度,过小又无法使氢化物气体迅速进入原子化器,引起试样留滞。用5.0μg·L-1砷标准溶液和0.25μg·L-1汞标准溶液试验,考察了载气流量为200～700 mL·min-1时的荧光强度变化情况,见图2。

由图2可知:载气流量在200～700 mL·min-1时,随着载气流量增大,砷的荧光强度先增大后降低,当载气流量为400 mL·min-1时,荧光强度最大;当载气流量为200～700 mL·min-1时,汞元素的荧光强度略有降低,变化不明显。考虑试验同时测定砷、汞,试验选择载气流量为400 mL·min-1。

图2 载气流量对荧光强度的影响Fig.2 Effect of carrier gas flow-rate on fluorescence intensity

2.1.3 原子化器高度

原子化器高度影响荧光检出信号,原子化器高度过高或者过低都会影响光电倍增管对发射的荧光谱线的接收。用5.0 μg·L-1砷标准溶液和0.25μg·L-1汞标准溶液试验,考察了原子化器高度对荧光强度的影响,结果见图3。

图3 原子化器高度对荧光强度的影响Fig.3 Effect of height of atomizer on fluorescence intensity

由图3可知:随着原子化器高度的增加,砷的荧光强度在8 mm高度时达到最大,随后迅速降低,而汞的荧光强度略有增加。考虑砷、汞同时测定,试验选择原子化器高度为8 mm。

2.2 进样方式的选择

试验采用原子荧光光谱法测定时,吸取样品后将进样管放入水中,以水为载流将样品导入仪器中,根据设定时间(10 s左右)自动读取信号。此方法有别于以盐酸为载流的进样方式,试验考察了此种进样方式消除管路中残存样品记忆效应的效果,配制质量浓度为10.0μg·L-1砷-1.0μg·L-1汞的混合标准溶液与试剂空白溶液交替进行7组重复测定,计算测定值的相对标准偏差(RSD),结果见表2。

表2 记忆效应Tab.2 Memory effect

由表2可知:以水为载流的进样方式交替测定砷、汞样品溶液的RSD均小于1%,交替测定试剂空白的RSD小于4.0%。由此可见,将载流由盐酸换为水对试样流动注射进入液流形成的扰动较小,且能够消除管路中的记忆效应。试验选择以水为载流的进样方式能够达到测定效果,在减少酸试剂消耗的同时易于操作。

2.3 酸度的选择

在原子荧光光谱法中试液介质一般为盐酸,酸介质使硼氢化物分解并与砷等进行反应生成氢化物气体(其中汞反应生成汞原子),从理论计算和试验考察确定试液介质酸度。

经过测定,试验所用进样管流量为0.34 mL·s-1,取样时间为5.0 s,取样量为1.7 mL。1.1节中列出硼氢化钾质量浓度为15 g·L-1,氢氧化钠质量浓度为10 g·L-1。经过计算,1.7 mL取样试液中硼氢化钾需要消耗盐酸为9.45×10-4mol。故满足氢氧化钠和硼氢化钾反应,盐酸最小消耗量为13.7×10-4mol,换算试液中盐酸最小体积分数为6.7%(体积分数,下同)时才能使砷、汞反应完全。

试验分别考察了用5.0μg·L-1砷标准溶液和0.5μg·L-1汞标准溶液在不同酸度下砷、汞的荧光强度变化,比较了不同酸度对砷、汞测定的影响,结果见图4。

由图4可知:盐酸体积分数为4%～20%时,汞的荧光强度随酸度变化的曲线基本不受酸度的影响。而砷在盐酸体积分数大于6%时才趋于稳定;当盐酸体积分数大于10%时,体系荧光强度最大,与理论计算酸度吻合。试验采用体积分数为10%的盐酸溶液,与理论计算盐酸体积分数6.7%相比,盐酸用量过量,过量盐酸可以抑制部分离子的干扰,同时配制方便。

图4 盐酸酸度对荧光强度的影响Fig.4 Effect of acidity of hydrochloric acid on fluorescence intensity

2.4 硼氢化钾质量浓度的选择

硼氢化钾质量浓度影响体系的荧光强度。综合考虑砷、汞的灵敏度和荧光强度的稳定性,用2.5μg·L-1砷标准溶液和0.25μg·L-1汞标准溶液分别考察了砷、汞元素在不同质量浓度硼氢化钾溶液对体系荧光强度的影响,结果见图5。

图5 硼氢化钾质量浓度对荧光强度的影响Fig.5 Effect of mass concentration of KBH4 on fluorescence intensity

由图5可知:汞元素在较低质量浓度的硼氢化钾下被还原成气态的汞,能够产生较大的荧光强度,随着硼氢化钾质量浓度增大荧光强度反而减小,这是因为产生过多氢气反而稀释了汞原子蒸气。但是硼氢化钾质量浓度太低时,不能为砷元素发生氢化反应提供足够的氢,导致蒸气发生反应不完全,体系的荧光强度偏低,考虑同时测定需要兼顾砷、汞的荧光强度,试验选择硼氢化钾的质量浓度为15 g·L-1。

2.5 干扰试验

试验考察了大米样品中共存离子Fe2＋、Zn2＋、Cu2＋、Pb2＋、Ni2＋等金属离子对砷、汞元素测定的影响。配制0～20.0 mg·L-1不同质量浓度的铁、锌、铜、铅、镍标准系列溶液,采用在线三通法考察其干扰情况。结果表明:10 mg·L-1的Zn2＋对砷产生正干扰,2 mg·L-1的Ni2＋对砷产生负干扰,20 mg·L-1的Fe2＋、100μg·L-1的Cu2＋、50μg·L-1的Pb2＋对砷的测定基本无影响。10 mg·L-1的Zn2＋对汞产生正干扰,3 mg·L-1的Ni2＋、20 mg·L-1的Fe2＋、100μg·L-1的Cu2＋、50μg·L-1的Pb2＋对汞的测定基本无影响。考虑到大米样品中共存离子的含量,在测定砷、汞时可以不考虑这些共存离子的干扰。

2.6 标准曲线和检出限

将10.0 mg·L-1砷标准储备溶液和10.0 mg·L-1汞标准储备溶液用体积比1∶9的盐酸溶液稀释成50μg·L-1砷标准溶液和2.5μg·L-1汞标准溶液,在6个50 mL容量瓶中分别加入0,1.00,2.00,3.00,4.00,5.00 mL的砷、汞标准溶液,加入50 g·L-1硫脲-50 g·L-1抗坏血酸混合溶液5 mL,用体积比1∶9的盐酸溶液定容至刻度,混匀后,在仪器工作条件下进行测定。结果表明:砷的质量浓度在5.00μg·L-1以内,汞的质量浓度在0.25μg·L-1以内与其荧光强度呈线性关系,砷、汞的线性回归方程分别为yAs＝424.6x-10.30,yHg＝6 695x-6.300,其相关系数分别为0.999 6,0.999 9。

连续11次测定试剂空白,以3倍的标准偏差(s)除以标准曲线斜率(k)计算方法的检出限(3s/k),砷、汞检出限分别为0.04,0.004μg·L-1,低于文献[16]值。根据称样量换算样品检出限,砷、汞检出限分别为2.5,0.25μg·kg-1。

2.7 准确度和精密度

按照试验方法对国家大米标准物质GBW(E)100356中砷和汞的含量进行测定,平行测定7次。测定值及测定值的相对误差和RSD结果见表3。

表3 准确度和精密度试验结果(n＝7)Tab.3 Results of tests for accuracy and precision(n＝7)

2.8 样品分析

按照试验方法对5种不同品牌的大米样品进行分析,并加入砷、汞标准溶液进行加标回收试验,结果见表4。

由表4可知:实际样品砷的加标回收率为86.1%～102%,汞加标回收率为101%～109%,满足国家标准GB/T 27404-2008《实验室质量控制规范食品理化检测》中回收率范围要求。该方法适合大米中痕量砷、汞的测定。实际样品测定结果砷、汞含量均低于国家标准限值,在食品安全范围之内。

本工作采用简便前处理方法,采用原子荧光光谱法快速测定大米中的痕量砷、汞,通过对标准物质和大米实际样品的测定,结果准确度和精密度良好。以水为载流操作简单、节省试剂、灵敏度高,该方法可满足批量样品的快速测定。需要注意的是大米中的砷、汞含量极低,特别要注意器皿的污染问题,同时要考虑样品称样量与定容体积的适用性。

表4 回收试验结果Tab.4 Results of test for recovery