硝酸-过氧化氢敞口消解/电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定植物样品中砷

杨晓霞 史 文 郭 伟 邹 俊 李亚丽 汪 洪

(1.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，国家化肥质量监督检验中心(北京)，农业农村部农产品质量安全肥料源性因子风险评估实验室(北京)，北京 100081；2.湖南工程学院 化学化工学院，湖南 湘潭 411104)

前言

砷是世界卫生组织确定的高毒致癌物质[1-2]。在农业生产中，砷主要是通过工业“三废”、农业利用等方式进入土壤，施用含砷的农药、化肥、有机肥料等也是土壤中砷的重要来源之一。砷不仅会对植物生长产生毒害作用，且在植物的可食部位累积通过食物链对人体健康构成威胁[1-4]。准确测定植物中砷含量具有重要的意义。

生物组织样品中砷提取方式包括湿法消解法、酸提法、微波消解法和超声提取法。微波消解法和超声提取法的处理时间短，砷元素不易损失，准确度、精密度较好，但成本较高，赶酸需要一定时间。消解液中砷测定方法主要有原子荧光光谱(AFS)法、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法以及电感耦合等离子原子发射光谱(ICP-AES)法[5-8]。AFS法只能单元素测定，灵敏度稍低，消解后的样品加入硫脲等还原剂，将砷(V)还原为砷(III)后进行砷的测定，消解后残留的有机颗粒物和硝酸等会对测定造成干扰。ICP-MS法是20世纪80年代发展起来的元素测定技术，具有灵敏度高、检出限低、分析速度快，且能同时进行多元素分析等特点，已被应用于食用植物中微量元素和重金属元素分析。

国家标准《食品安全国家标准食品中总砷及无机砷的测定》(GB 5009.11—2014)规定了食品中总砷的测定方法，其中利用微波消解和高压密闭消解法-硝酸消解食品样品，赶酸后消解液中总砷含量利用ICP-MS法测定，称样量为1 g左右，定容体积25 mL，方法检出限为0.003 mg/kg。该标准还采用硝酸-高氯酸湿法消解或干灰化法前处理，加入硫脲使五价砷转化为三价砷，再加入硼氢化钠或硼氢化钾，生成砷化氢，利用氢化物发生原子荧光光度法测定食品中总砷，称样量为1 g，定容25 mL，方法检出限为0.010 mg/kg。姜新等[9]比较不同前处理方法如干法灰化法、湿法消解法、微波消解法、硝酸预处理-干灰化法4种前处理方法对原子荧光光谱法测定食品中总砷测定结果的影响。结论认为硝酸预处理-干灰化法适用于食品特别是富含有机砷的食品中总砷的测定，传统干灰化法、微波消解和湿法消解法适用于样品中砷存在形式比较简单的食品样品。陈必琴[10]采用不同的混合酸(硝酸+高氯酸法、硝酸+高氯酸+硫酸法)对大米粉、芹菜粉、紫菜、甘蓝和杨树叶进行前处理，用氢化物原子荧光光谱法对其总砷含量进行测定。研究结果表明：大米粉、芹菜粉采用2种前处理方法测定总砷结果基本一致；而对紫菜粉用硝酸+硫酸+高氯酸的前处理方法检测结果较准确。高峰等[11]采用HNO3+H2O2(6+1)结合微波消解前处理大米标准物质，利用ICP-MS法对其中砷、铅、镉、硒、铝等元素进行测定，所得各元素均在质控范围内，回收率均在90.0%～101%，相对标准偏差RSD(n=6)在2.4%～6.1%。但ICP-MS法测定75As存在质谱干扰，如多原子离子40Ar35Cl、40Ca35Cl、74Ge1H 以及双电荷离子150Sm2+、150Nd2+，另外砷加氧反应方程的标准摩尔焓为0.6 kJ/mol，砷更易与氧发生反应生成氧化物。因此利用酸消解植物样品，通过ICP-MS测定砷含量，需要研究植物样品消解前处理和ICP-MS测定过程控制，以减轻或消除基体效应以及测定干扰。

本文选取玉米秸秆与籽粒、小麦秸秆与籽粒、烟草等5种不同的植物样品，避免使用HCl、HClO4，加入硝酸-过氧化氢进行敞口消解，消解后期升温进行赶酸，通过ICP-MS的He碰撞模式测定消解液中砷含量；研究目的是拟建立方法，利用硝酸-过氧化氢敞口消解植物样品，采用ICP-MS法测定其中砷含量。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器设备

硝酸(HNO3)、过氧化氢(H2O2)和高氯酸(HClO4)均为优级纯。

质谱调谐液：含7Li、59Co、89Y、140Ce、205Ti，浓度为10 μg/L。

内标72Ge溶液浓度为500 μg/mL。

精密分析天平(精确至0.000 1 g)、超纯水系统(25 ℃时电阻率18.2 MΩ·cm)、Aglient-7700X电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(安捷伦科技(中国)有限公司)、AIM600自动程序控制消解仪。

1.2 实验步骤

分别称取粉碎过筛(0.149 mm孔径)玉米秸秆、玉米籽粒、小麦秸秆、小麦籽粒、烟草烟叶等5种植物样品0.5 g(精确至0.000 1 g)于消解管中，每管中加入5 mL硝酸，静置30 min，将消解管放入消解系统中，设置消解程序为每分钟上升5 ℃，在110 ℃下消解2 h。消解完全后，取出消解管，冷却后加入3 mL过氧化氢，消解后进行赶酸，赶酸温度调节至170 ℃，待消解液剩余约1 mL，停止赶酸，取出消解管，冷却至室温后，将消解液转移至50 mL容量瓶中，用超纯水洗涤并定容至刻度，混匀待测。同时做空白实验。

消解液直接导入样品管中，利用ICP-MS法测定砷含量，72Ge作为内标。调试仪器状态，ICP-MS的工作条件如表1所示。确认灵敏度、氧化物、双电荷是否达到要求，确认仪器分辨率/质量轴符合要求。选择He碰撞反应模式测定。

表1 ICP-MS仪器工作参数Table 1 Optimized experimental parameters of ICP-MS

选择国家生物成分分析标准物质GBW10011(GSB-2，小麦)和GBW10020(GSB-11，柑橘叶)按照上述步骤消解测定。选择国家生物成分分析标准物质GBW10010a(GSB-1a，大米)和GBW10016a(GSB-7a，大米)，按照硝酸-过氧化氢和硝酸-高氯酸两种敞口消解方法对标准物质分别进行消解，同时作空白实验。

选择上述5种不同的植物样品，每种植物样品分别加入2.5 mL与5.0 mL浓度为100 μg/L的As标准溶液，按照上述步骤消解测定，计算加标回收率。

1.3 标准曲线的制作

吸取不同体积As标准溶液(浓度为10 mg/L)置于50 mL容量瓶中，称重(精确至0.000 1 g)，用超纯水定容后再次称重，计算得到浓度分别为0、0.30、0.49、1.03、5.06、11.50 μg/L系列As标准溶液。制作标准曲线如图1所示，横坐标为标准溶液浓度，纵坐标为ICP-MS 仪器测定的样品元素计数值(CPS)与内标元素测定的计数值比率，相关系数为R=0.999 9。

图1 ICP-MS测定植物样品As含量的标准曲线Figure 1 The standard curve used for the As determination in plant samples by ICP-MS.

1.4 数据处理与统计分析

测量值xi的算术平均值为样品As估计值，标准偏差用贝塞尔公式计算，即：

相对标准偏差(RSD)/%=标准偏差/计算结果算术平均值×100%；

仪器检出限=3倍空白标准偏差。

2 结果与讨论

2.1 样品消解与质谱测定模式的选择

植株样品前处理常用消解用酸有HNO3、HClO4和H2O2试剂。HClO4为易爆物，与H2O2相比沸点较高，赶酸过程时间较长，另氯离子对砷具有较大的质谱干扰，待测液中存在40Ar35Cl、40Ca35Cl 等干扰75As测定。ICP-MS测定模式中，氦气碰撞模式利用惰性气体He碰撞消除多原子离子的干扰，原理是基于动能歧视效应：多原子离子比同等质量的分析物离子直径大，横截面大，在碰撞池中与碰撞气有更多的碰撞概率，且离子能量低，在一个适当截止电压下，可阻止它们离开碰撞池，能量较高的分析物离子通过碰撞池到达分析器。该模式能在一定程度上消除多原子离子40Ar35Cl、40Ca35Cl 对75As测定的质谱干扰。No gas 模式基响应的信号会高些，但没法消除质谱干扰。

表2结果表明：与HNO3+H2O2消解空白溶液相比，HNO3+HClO4的消解空白溶液中75As测定结果明显偏高，尤其是No gas非碰撞模式下HNO3+ HClO4消解液空白值远远大于He碰撞模式。

表2 两种消解模式下空白实验和大米标准物质中As测定结果Table 2 The As concentration in two digestion solutions of blank and standard substances determined ICP-MS with different two modes

两种模式下国家标准物质GBW10010a(GSB-1a，大米)标准值为(0.08±0.01) μg/g，GBW10016a(GSB-7a，大米)标准值为(0.10±0.02) μg/g。No gas 测定模式下，HNO3+HClO4消解样品中砷含量均不在标准确认值范围内，而在He模式下两种消解方法得到的样品砷含量均在标准确认值范围内。因此，为减少75As测定的质谱干扰，植株样品前处理消解宜用HNO3+H2O2试剂，ICP-MS法测定应采用He碰撞模式。

2.2 方法准确度实验

在5个植物样品种，加入不同浓度的As标准溶液，消解后定容至50 mL，ICP-MS法测定消解液中As含量。加标回收实验测定结果见表3，As加标回收率在87.0%～104%。

表3 As加标回收实验结果Table 3 The recovery of As content added to plant samples determined by ICP-MS

测定国家生物成分分析标准物质GBW10011(GSB-2，小麦)和GBW10020(GSB-11，柑橘叶)中砷含量，见表4。检测出结果与标准确认值对比，两者相符合。

表4 标准物质As含量测定结果Table 4 The As content in standard substances determined by ICP-MS

2.3 方法精密度实验

对5个植物样品分别重复5次平行消解，利用ICP-MS法测定样品中砷含量测定结果列于表5。结果表明：当植物样品中As含量在极低的痕量水平，如玉米籽粒中As含量在0.005 mg/kg时，相对标准偏差近30%，玉米和小麦秸秆、小麦籽粒、烟草等样品中As含量相对较高，相对偏差在3.0%～8.5%，小于10%。

表5 植物样品As含量测定结果的重复性Table 5 The precision of As concentrations in plant samples determined by ICP-MS

2.4 方法检出限

用ICP-MS对样品消解试剂空白连续测定24次，结果见图2。根据IUAP测定值标准偏差的3倍估计方法检出限，计算得出ICP-MS仪器检出限为0.055 μg/L。植物样品测定称样量约0.5 g，定容至50 mL，依此计算，得到方法检出限为0.005 5 μg/g。

图2 ICP-MS测定As空白实验信号值Figure 2 The signal values of As concentration of blank experiment by ICP-MS.

3 结论

植物样品因为含有较高的有机物质，微波消解为密闭性，易产生过多的气体而压力过高；所以本文采用敞口消解植物样品。75As 测定易受到40Ar35Cl、40Ca35Cl 等质谱干扰，因此样品消解避免使用HClO4、HCl等含氯酸，本方法建立了硝酸-过氧化氢消解植物样品，选择硝酸作为消解用强酸，添加H2O2促进有机物分解，可以得到清凉的消解液，同时通过后期升温，赶去过高的硝酸，消解液中硝酸浓度降低，有利于保护后端的ICP-MS采样和截取Ni锥。ICP-MS选择He碰撞反应模式，仪器调谐充分，这样可降低多原子74Ge1H、40Ar35Cl、40Ca35Cl以及双电荷离子150Sm2+、150Nd2+对75As测定的干扰。

综上所述，本实验建立了植物样品硝酸-过氧化氢敞口消解方法，消解液中As(75As)采用电感耦合等离子体质谱仪He碰撞模式测定，以72Ge为内标元素。方法检出限为0.005 μg/g，灵敏度相对较高；2种国家生物成分分析标准物质GBW10011(GSB-2，小麦)和GBW10020(GSB-11，柑橘叶)的砷测定值在标准确认值范围内，样品加标回收率在87.0%～104%，方法准确度较高；重复测定相对标准偏差均小于10%，重现性好。本实验建立的方法可满足植物砷测定需求。