石墨消解-原子荧光光谱法测定海洋生物体中的砷

张 临 岑 陈 符式锦 李晓敏 吴小龙 黄玉洁

(海南省生态环境监测中心,海口 570206)

砷是一种强毒性化学物质,海洋环境是砷循环的重要场所,海洋生物含有更高浓度的砷(<10～100 μg/g干重)[1],是海洋环境中的“砷库”[2],而海洋生物是人类食物中砷的重要来源,砷可通过海洋生物生长过程中逐步被海洋生物体吸收、蓄积等。因此,生物样品中砷的含量检测成为研究的重要内容之一[3-4]。消解前处理是海洋生物体检测最重要的一步,消解效果的优劣直接影响海洋生物体分析结果的准确性。常用的前处理方法主要有电热板消解、全自动消解和微波消解等[5-7]。现行的分析标准为海洋监测规范中电热板-原子荧光光谱法测定生物体中砷[8],在对海洋生物体消解前处理的过程中存在消解温度低、前处理时间长、消解不完全、重复性差、正确度差等诸多弊端,比较适用于海洋植物体的分析测定,海洋动物体中的砷大部分呈有机态[9],而有机态砷多以砷糖的形式存在[10-11],需要更高的温度才能完全消解释放。此次对电热板-原子荧光光谱法测定生物体中砷的方法进行了优化和改进,通过对消解仪器、消解温度、消解时间、消解管材质、消解液体系条件的优化,得出了一个正确度高、重现性好、快速检测各类型海洋生物体砷的石墨消解-原子荧光光谱法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

BAF-2000原子荧光光度计(北京宝德仪器有限公司),石墨高温消解仪(莱伯泰科分析仪器公司),MS204TS/02电子天平(METTLER TOLEDO),石英消解管(50 mL)、聚四氟乙烯消解管(50 mL)、比色管(25 mL)、容量瓶(100 mL)、烧杯等器皿在使用前经过20%的硝酸浸泡。

测砷仪器条件:负高压240 V,主、辅电流均为40 mA,炉温200 ℃,炉高8 mm,载气流量400 mL/min,屏蔽器流量800 mL/min。

硝酸(晶瑞电子材料股份有限公司)、高氯酸(广州化学试剂厂)、硫酸(广州化学试剂厂)、盐酸(广州化学试剂厂)、硼氢化钠(西陇科学)、氢氧化钠(天津市科密欧化学试剂有限公司)、过氧化氢(广州市金华大化学试剂有限公司)、硫脲(国药集团化学试剂有限公司)、抗坏血酸(阿拉丁试剂公司)。

扇贝成分分析标准物质GBW10024(GSB-15)(中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所)、黄鱼粉中元素成分分析标准物质GBW10253(北京北方伟业计量技术研究院)、芹菜成分分析标准物质GBW10048(GSB-26,中国地质科学院地球物理地球化学勘察研究所)。砷单元素标准溶液103018(生态环境部环境发展中心环境标准样品研究所)。

1.2 实验方法

准确称取0.1～0.2 g(精确至0.000 1 g)海洋生物体干样、0.5～2.0 g(精确至0.000 1 g)海洋生物体湿样于消解管中,依次加入9 mL硝酸和3 mL高氯酸,混匀,使样品与消解液充分接触。若有剧烈化学反应,待反应结束后再将样品置于石墨高温消解仪中消解,升温至120 ℃消解1 h,继续升温至170 ℃消解至溶液剩余1～2 mL,取下冷却至室温,加入2～5 mL硫酸,继续升温至280 ℃消解至溶液剩余1～2 mL,取下冷却至室温,将消解液转移至25 mL比色管中,用纯水冲洗消解管内壁2～3次,将所有洗涤液并入比色管中,加入2 mL 10%的硫脲-抗坏血酸,用纯水定容至刻度,摇匀后静置30 min后测定。空白试样的制备除了不加样品,其余步骤与样品处理步骤相同。

2 结果与讨论

2.1 消解仪器优化

对电热板消解、微波消解、超级微波消解、全自动消解、石墨高温消解5种不同前处理消解方式进行比对实验,采用的有证标准物质包含了植物体和动物体,分别是芹菜、扇贝和黄鱼粉标准物质,由实验结果可知(图1),5种前处理方式消解后的芹菜测定结果回收率为93.1%～98.9%,说明这5种消解方式都适用于海洋植物体标准物质的消解,而扇贝和黄鱼粉两个动物体的标准物质只有经过超级微波消解和石墨高温消解后测定结果才是准确的,回收率为89.2%～101%。其他3种消解前处理方式测定结果均偏低,回收率仅为13.5%～20.3%。考虑到超级微波消解仪器价格较高,普及推广度低,综合考虑选择仪器成本低,普及推广度高的石墨高温消解仪。

图1 不同前处理消解方式下标准物质砷含量回收率

2.2 消解温度、时间和消解管材质优化

采用3种消解条件(表1)分别对有证标准物质、海洋生物体实际样品,海洋生物体实际样品加标进行消解前处理,有证标准物质为芹菜、扇贝和黄鱼粉,海洋生物体实际样品为海草、鱼类、贝类。实验结果表明(图2),3种消解条件对生物体实际样品的消解效果是一样的,测定结果无明显差异。对于有证标样的测定结果来看是消解条件2、3的效果最好,消解条件1的黄鱼粉标准物质测定值偏低,考虑是聚四氟乙烯材质消解管导热性的问题,聚四氟乙烯消解管与消解液之间存在大约10 ℃的温度差,导致消解液消解温度不够,样品消解不完全,测定值偏低。在条件1的基础上进行了温度优化,将消解温度提高10 ℃以确保消解液达到相应的消解温度,由实验结果可知(图2),温度优化后的条件2各类型标准物质测定结果是准确的,消解效果好,同时在实际分析过程中发现聚四氟乙烯消解管在290 ℃高温下受热会膨胀变形,影响实验操作。在条件2基础上对消解管材质进行了优化,选用导热性好的石英材质消解管,由于石英导热性好,消解管与消解液之间温度差小,故采用120、170、280 ℃的阶梯消解温度,据实验结果可知(图2),石英材质消解管在120 ℃消解1 h,170 ℃消解至消解液剩余1～2 mL,280 ℃消解至消解液剩余1～2 mL的消解条件前处理效果最佳,适用于各类海洋生物体样品的测定。

表1 消解条件优化

图2 不同的消解条件下各类型样品消解效果

2.3 消解液体系优化

生物样品中含有大量的无机物和有机质,需要一些强酸进行消解[12],单纯的硝酸不能使生物中有机砷完全消解,只能与其他酸组成混合消解液,以增强消解液的氧化性[13]。选用硝酸-过氧化氢-硫酸和硝酸-高氯酸-硫酸两种消解液体系。两种消解液体系对海洋生物体样品中砷含量测定的结果表明(图3),硝酸-过氧化氢-硫酸消解液体系对各类型海洋生物体样品消解效果较差,测定结果偏低,回收率为59.0%～71.8%。 而使用硝酸-高氯酸-硫酸消解液体系消解效果好,各类型海洋生物体样品测定结果准确,回收率为97.4%～100%。由此可见,硝酸-高氯酸-硫酸消解液体系的消解效果优于前者。通过实验对比发现,改进后的硝酸-高氯酸-硫酸消解液体系具有超强氧化能力,能够充分氧化被蛋白质和脂肪结合的有机砷,使得海洋生物体中砷完全消解,适用于各类型的海洋生物体的消解,同时还具备了无需放置过夜、无需补加硝酸、操作简便和可控、前处理时间短、结果准确的优点。

图3 不同消解液体系消解各类型样品消解效果

2.4 硼氢化钠浓度和酸度优化

原子荧光光谱法测定砷时,硼氢化钠溶液浓度过低无法形成稳定的氢火焰进行测定,硼氢化钠溶液浓度过高时形成强烈的氢火焰和稀释AsH3气体而干扰测定[14-16]。由实验结果可知,测定砷最佳盐酸酸度为5%,硼氢化钠溶液最佳浓度为1%,在此条件下,样品与还原剂反应充分,荧光强度值高且稳定(见图4、5)。

图4 盐酸浓度与荧光强度的关系

图5 硼氢化钠浓度与荧光强度的关系

2.5 方法检出限

根据文献[17-18]中对测定检出限的要求进行检出限的测定。配制7份浓度均为0.05 μg/L的待测样品,采用与样品相同的前处理步骤处理样品并上机测定。经仪器分析可知,方法的检出限为0.005 mg/kg,测定下限为0.02 mg/kg。

2.6 方法的正确度

选取3种不同类型的标准物质芹菜GSB-26、扇贝GSB-15、黄鱼粉GBW10253进行6次平行测定,由实验结果(表2)可知测定平均值均在正确值范围内,相对误差为-1.0%、1.1%和-1.0%。其次,分别对3种不同类型的海洋生物体实际样品:海草、鱼类、贝类,通过加入一定量的扇贝成分分析标准物质进行加标回收实验。根据实验数据可知(表3),实际样品的加标回收率在93.4%～95.8%,实验的正确度满足相关质控要求。

表2 不同类型标准物质测定正确度

表3 不同类型海洋生物体实际样品测定正确度

2.7 方法的精密度

选取3份不同种类的海洋生物体实际样品进行6次测定,由实验结果(表4)可知,各类型海洋生物体实际样品测定值的相对标准偏差在1.3%～4.8%,实验的精密度满足相关质控要求。

表4 不同类型海洋生物体实际样品测定精密度

2.8 方法比对实验

为了保证方法的适用性和准确性,对石墨消解-原子荧光光谱法与微波消解-电感耦合等离子体质谱法(GB 5009.11—2014)[19-20]进行方法比对,进一步采用F检验法和t检验法检验两种仪器测定结果的显著性差异,由实验结果可知(表5),各类型样品F值为0.05～0.32。经查单边F值表,当置信度为97.5%时,F0.025(4,4)=9.60,F

表5 本法与GB 5009.11—2014方法检测结果比对

3 结论

本法改进了消解仪器、消解温度、时间、消解管材质、消解液体系、硼氢化钠浓度和酸度,与电热板消解相比,各类型海洋生物体样品测定结果准确。石墨高温消解仪为包裹性受热,而且能高温消解,解决了电热板消解单面受热不均、消解温度低导致生物体消解不完全的问题。经过优化的硝酸-高氯酸-硫酸消解液体系,在消解过程中不再补加硝酸,同时调整了消解酸的比例和酸的加入顺序,解决了现行分析方法中电热板消解时硝酸与高氯酸比例小的问题。各类型海洋生物体样品加入混合消解液后就能放置到石墨高温消解仪中进行消解,样品不用静置过夜,大大地缩短检测时间。该法具有消解效率高、消解完全、消解过程可控、操作简单、快速、结果正确度高等优点,适用于各类海洋生物体砷的测定。