微波消解-碰撞池-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定芝麻中痕量的锗

巩佳第 段晓婷 章 路 孙玉梅 郭利攀 余程凤

(绿城农科检测技术有限公司 杭州 310052)

芝麻作为一种油料作物，有较高的营养价值。芝麻中富含不饱和脂肪酸和多种植物活性成分，可预防动脉粥样硬化等心血管疾病。同时，芝麻富含多种对人体有益的元素，张京京等[1]报道显示，黑芝麻中钾、铁、锌、镁比白芝麻高25%～65.7%，而白芝麻中硒的含量比黑芝麻高34.6%。张珠宝等[2]报道显示，有机和常规栽培的黑芝麻中含有丰富的矿质元素，且均未检出有害重金属As、Cd和Pb。但目前国内外报道的文献中对芝麻中锗的含量少有报道。有研究表明，锗在许多食物中均有较高的含量[3]，一方面锗可以提高和改善药用植物的品质，促进细胞生长[4-5]；另一方面有机锗具有一定的抗癌能力、提高免疫力、清除自由基延缓衰老等多种药用功效，同时毒性较低具有一定的保健功能[6-8]。

在地球化学调查中，锗分布广泛，土壤、水体、植物中锗的含量差异较大，除检测样品本身差异以外，不同检测方法的灵敏度也有影响。目前锗的检测技术主要有分光光度法、电化学分析法、离子色谱法、原子荧光分光光度法、原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体质谱法等[9-15]。目前分光光度法文献报道较多，应用广泛，但含有荧光酮类等显色的试剂，前处理过程繁琐，所用试剂多有毒有害，不适用于批量检测；原子荧光分光光度法和原子吸收分光光度法线性范围较窄，一般只有1～3个数量级。而电感耦合等离子体质谱法可同时结合同位素选择、内标校正、碰撞池模式等[16-17]几种方式消除干扰，检测灵敏高，线性范围宽，目前已广泛应用于各个领域。同时微波消解的前处理方法相对简单，可实现批量处理，提高检测通量。

本文采用微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定芝麻中痕量的锗。考察了碰撞模式和普通模式下，各干扰因素对锗的影响，同时在线引入内标元素103Rh以减少基体干扰。基于增敏效应的机制，有机醇对元素信号强度有增强的特性[18]，本文考察了不同类型有机醇对锗元素的增敏效应，增强锗上机检测信号强度，提高检测灵敏度。并通过国家标准物质以及加标回收的方式验证，旨在建立微波消解-碰撞池-电感耦合等离子体质谱法测芝麻中痕量的锗元素。同时，采用本文建立的方法对20批次的芝麻中锗的含量进行测定，分析比较了黑芝麻和白芝麻中锗含量的差异。

1 实验部分

1.1 材料和试剂

硝酸(HNO3，优级纯，上海傲班科技有限公司)，过氧化氢(H2O2，优级纯，国药集团化学试剂有限公司)，甲醇、乙醇、正丁醇、正戊醇(分析纯，上海凌峰化学试剂有限公司))，；异丙醇(分析纯，广州金华大化学试剂有限公司)，氩气[Ar，高纯氩气 (>99.999%)]，氦气[He，高纯氦气(>99.999%)]。

锗(Ge)元素标准物质(1 000 mg/L)、调谐液[锂(Li)、钴(Co)、铟(In)、铀(U)、铈(Ce)，1 000 mg/L)]、内标元素标准物质铑(Rh) (1 000 mg/L)均为有证标准物质单元素溶液，除铀购于核工业北京化工冶金研究院外，其余元素均购于国家有色金属及电子材料分析测试中心。采用硝酸水溶液(1%)逐级稀释标准溶液配制标准工作溶液系列。生物成分分析标准物质-蒜粉GBW10022(GSB-13)、玉米GBW10012(GSB-3)、河南小麦GBW10046(GSB-24)、豆角GBW10021(GSB-12)，绿茶GBW10052(GSB-30)、猪肝GBW10051GSB-29)、紫菜GBW10023(GSB-14)均购于地球物理地球化学勘查研究所。

黑芝麻和白芝麻样品，随机购于市场。

1.2 仪器和设备

iCAP Q电感耦合等离子体质谱仪(美国ThermoFisher公司)；BSA224S天平(感量为0.1 mg，德国赛多利斯公司)；ETHOS ONE密闭微波消解系统(意大利MILESTONE公司)；EH20B石墨加热赶酸装置(莱伯泰科科技有限公司)；Milli-Q去离子水发生器(美国Millipore公司)；DFT-200A高速粉碎机(温岭市林大机械有限公司)。

1.3 实验方法

样品经高速粉碎机粉碎，置于聚乙烯塑料样品瓶中，备用。

称取试样0.3 g(精确到0.000 1 g)于聚四氟乙烯内罐中，加入6.00 mL硝酸、1.00 mL过氧化氢，按表1中微波消解仪程序对试样进行消解。待消解结束后冷却至室温，开盖排气，将消解罐置于石墨加热赶酸装置上，于100 ℃下赶酸至液体剩余1 滴，用正戊醇水溶液(3%)将消解试液转移至25.00 mL容量瓶中，定容、混匀备用，同时做试剂空白实验。按照优化后仪器条件上机检测，仪器操作条件详见表2。

表1 微波消解程序

表2 电感耦合等离子体质谱仪操作条件

2 结果与分析

2.1 前处理条件选择

目前的研究结果显示，生物样品中绝大多数元素检测的前处理消解中密闭体系消解优于敞口体系消解[14，19]。由于锗的氯化物在加热过程中易挥发，酸消解体系中应避免使用盐酸、高氯酸[20]。硝酸的氧化性强，质谱检测时带入的干扰少，前期的研究表明当硝酸用量大于4 mL时，生物成分中的元素能够得到较完全的释放。此外，密闭消解体系中，高压密闭消解虽然密闭性好、消解更彻底，但由于消解管壁较厚，赶酸时间长，不利于通量检测。综上，采用6.00 mL硝酸、1.00 mL过氧化氢的混酸体系，微波消解，保证消解效果的同时提高检测效率。

2.2 干扰影响及校正

由于锗具有多个同位素，不同的同位素间丰度差异大、存在的干扰项不同，采用ICP-MS法测定锗元素存在同量异位素、氧化物、双电荷和多原子离子等质谱干扰，比如16O1H55Mn(相对丰度比：99.75%，下同)、32S40Ar(94.64%)、56Fe16O(91.50%)、144Nd++(23.80%)对72Ge的干扰，14N59Co(99.63%)、146Nd++(17.19%)对73Ge的干扰，58Ni16O(68.11%)、148Nd++(5.76%)、74Se(0.90%)、148Sm++(11.3%)对74Ge的干扰，76Se(9.00%)对76Ge的干扰等。 此外，还存在以样品基体干扰为主的非质谱干扰。

在优化的仪器条件下，本文比较了标准模式和碰撞模式下 Ge元素的背景等效浓度，同时考察了70Ge、72Ge、73Ge、74Ge、76Ge等5种同位素在碰撞模式下，不同氦气流量对各同位素信号强度的影响，结果见表3。结果显示，采用标准模式，氦气流速0 mL/min，73Ge、74Ge背景等效浓度分别为8.627、5.252 ng/L，但是70Ge、72Ge、76Ge背景等效浓度较高，不适用于痕量检测。采用碰撞模式，氦气流量为3.0 mL/min，73Ge、74Ge的背景等效浓度均降至1.00 ng/L以下，满足测定要求。由于当氦气流量达到4.0 mL/min时，各同位素的信号强度损失严重。综上，为了获得较好的检测灵敏度，本文采用碰撞模式，碰撞气流速设为3.0 mL/min。

表3 不同氦气流量下锗同位素 背景等效浓度测定结果

在优化的仪器条件下，本文采用103Rh作为内标，校正由样品的基体效应引起的干扰。实验结果显示，103Rh元素浓度为5 μg/L时的信号强度与浓度为10.00 μg/L的锗同位素最大信号强度为同一数量级，实验选用浓度为5 μg/L的103Rh溶液作为内标溶液可有效降低基体效应。

2.3 有机醇的类别及浓度对锗元素信号强度的影响

为考察有机醇基体对元素的增敏效应，实验选择甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇、正戊醇等5种有机醇，配制浓度含量为1.00 μg/L锗标准溶液(均含有体积分数为1% 的HNO3)，含有机醇体积分数分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%。含有机醇锗标准溶液测定的信号强度与不含有机醇锗标准溶液的信号强度的比值为有机醇的增敏系数，不同有机醇最大增敏系数见表4。结果显示，5种有机醇基体对5种锗同位素均有增敏现象，最大增敏系数为3.00。5种有机醇随体积分数和有机醇中碳原子数目的增加，对锗的增敏系数也呈增加的趋势。当甲醇、乙醇体积分数为4.0%，异丙醇、正丁醇、正戊醇体积分数为3.5%时对锗的增敏系数减少。这与文献报道结果基本一致[18]。此外，由于过量的有机醇引入会导致炬管和锥上积碳而影响检测，本文选择引入体积分数为3%的正戊醇作为增敏剂。

表4 不同有机醇对锗元素的最大增敏系数

2.4 标准曲线及检出限

在优化的仪器条件下，按实验方法处理样品和试剂空白，连续测定试剂空白溶液11次，以11次空白值标准偏差3倍(3s)计算检出限。由表5可知，72Ge、73Ge、74Ge等3种锗同位素的检出限分别为1.29、0.201、0.056 μg/kg，线性范围5.00～1 000 ng/L，72Ge、73Ge、74Ge线性相关系数0.999 7～1.000，满足相关检测要求。而70Ge和76Ge线性相关系数不足0.999，检出限较高，由于大部分食品中锗含量较低，70Ge和76Ge两种同位素不适用于食品中锗痕量检测的需求。

表5 线性相关参数及检出限

2.5 方法精密度和准确度实验

采用本文建立的方法，通过对蒜粉GBW10022(GSB-13)、玉米GBW10012(GSB-3)、河南小麦GBW10046(GSB-24)、豆角GBW10021(GSB-12)、绿茶GBW10052(GSB-30)、猪肝GBW10051(GSB-29)、紫菜GBW10023(GSB-14)等7种国家标准物质中锗含量的 6 次平行测定来验证方法的准确性和精密度。结果见表 6，本方法测定国家标准物质中只有74Ge的测定值均在认定值范围内，RSD为 2.5%～8.8%。除河南小麦中73Ge以外，其他标准物质中72Ge和73Ge均高于认定值，高出认定值的2.6～16.5倍。可能是由于72Ge同位素丰度比(27.40%)与144Nd2+(23.80%)同位素丰度比相当，而几种标准物质中Nd、Sm的含量是Ge的3～22倍，检测时受到144Nd2+、144Sm2+的干扰较为严重。73Ge的同位素丰度比只有7.8%，检测灵敏度较低，同时受质谱干扰较大，有报道显示，Nd、Fe对72Ge和73Ge的干扰明显[14]。综上，选择74Ge同位素作为目标测试同位素，方法精密度好、准确性高，能够满足芝麻中痕量锗元素含量测定的检测要求。

2.6 加标回收实验

为了进一步考察所建方法的准确度，分别对黑芝麻和白芝麻进行低、中、高3个浓度水平的加标回收实验，每个加标实验重复测定6次并计算相对标准偏差，结果见表7。结果表明，加标回收率范围在92.0%～106%，RSD为 2.6%～4.3%，表明所建立的方法精密度和准确度较好，满足分析检测要求。

表6 标准物质测定结果

表7 加标回收实验结果

2.7 实际样品检测

随机采购市场中售卖20批次的芝麻样品，根据芝麻籽粒颜色分为黑芝麻、白芝麻、黄芝麻、杂色芝麻。采用建立的方法对芝麻中的锗元素含量进行检测，每个试样重复测定3次，结果见表8。结果显示，整体上，芝麻样品中锗含量较低，最高值为黑芝麻-5，仅有11.0 μg/kg。各颜色芝麻籽粒中的锗元素含量平均值分别为白芝麻3.96 μg/kg、黑芝麻4.13 μg/kg、黄芝麻3.10 μg/kg、杂色芝麻3.99 μg/kg。各颜色芝麻籽粒中的锗元素含量差异不明显。

表8 市售芝麻样品中的锗元素检测结果

3 结论

建立了微波消解-碰撞池-ICP-MS测定芝麻中锗元素含量的方法。通过比较碰撞模式和标准模式下锗同位素信号强度和背景等效浓度，确定氦气流量为3.0 mL/min，碰撞模式可以去除大分子的多原子离子干扰，降低质谱干扰。通过在线引入5.0 μg/L的103Rh作为内标，降低非质谱的干扰。由于食品中锗含量较低，采用体积分数为3%的正戊醇作为增敏剂可增加74Ge的信号强度2.85倍，提高检测灵敏度。对不同种类的生物成分国家标准物质测定锗元素，测定结果与标准认定值吻合。本方法检出限低、精密度高、准确性好，能够满足芝麻中痕量锗元素含量的高通量检测需求。此外，方法同样适用于食品、农产品等痕量锗元素的测定。