谷物中鍺的干灰化-氫化物發生-原子熒光光譜法測定

劉海濤 林建奇 姚夢楠 煉曉璐 魏洪敏

[摘要]建立一種干灰化-氫化物發生-原子熒光光譜法測定谷物中鍺的方法。采用控溫程序的干灰化為前處理方式，實現谷物中鍺的原子熒光光譜法測定。灰化程序：第一步，200℃保持10min;第二步，500℃保持20min的條件下，稱樣2g的谷物樣品灰化效果良好。優化儀器參數和試劑濃度條件，考察燈電流、負高壓、載氣、酸濃度、還原劑濃度等對鍺熒光強度的影響。結果表明，鍺元素濃度0～30μg/L，線性相關r為0.999，方法檢出限為0.12μg/kg，方法精密度（n=7）在3.9%～5.8%，加標回收率為94.5%～104.5%。該方法操作簡單、高效、穩定性良好，適用于谷物中鍺的批量檢測。

[關鍵詞]谷物;鍺;干灰化;氫化物發生;原子熒光光譜法

中圖分類號：TS210.7 文獻標識碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.202002

鍺是一種典型的稀散金屬元素。它在地殼里的含量約為1.5ppm，土壤樣品中鍺約含0.2μg/g。在諸多礦物中，它常常以伴生形式存在，常和鉛、鋁等元素混在一起[1]。痕量鍺是動植物必需的營養元素，它對生理作用起著重要的作用，具有生物電解質作用，能夠加快血液循環，提高代謝并促進身體的自然治愈力等[2-3]。近年來，對于鍺的分布以及含量的研究逐漸被關注。王岙等[4]研究了保健品鍺的石墨爐法測定，鍺元素以有機鍺的形式被廣泛用于藥物、保健品等產品，但長期使用或服用易引起中毒。因此對于富鍺產品，不宜過于盲從，應該科學理性對待。

自古以來，“民以食為天”。谷物作為人類每天食用的主食，涵蓋的范圍較廣，包括大米、小麥、玉米、豆類等及其他雜糧。由于鍺的存在很分散且土壤中含有痕量的鍺，作為賴以土壤生長的谷物，有必要進行鍺元素檢測，可為人類的健康提供參考。目前的測試方法主要有：電感耦合等離子質譜法、分光光度法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、極譜法、離子色譜法等。對于樣品的前處理，李丹等[5]、邢銀娟等[6]采用HF+H3PO4+HNO3或者HF+H3PO4+HNO3+H2SO4對樣品電熱板濕法消解、微波消解、高壓密封罐消解等，費時費力且存在易引入誤差干擾。還有鞏海娟等[10]以氧化性混合酸為消解介質，利用高通量密閉微波處理，結果良好但是依然步驟較為繁瑣。因此筆者建立了干灰化法處理，磷酸溶解，快速測定的氫化物-原子熒光光譜法測定，該方法簡便、準確、快速，為谷物中鍺的檢測方法提供完善和參考。

1 原理

樣品經馬弗爐一定溫度下灰化，在磷酸酸性介質中，溶液中的Ge4+和硼氫化鉀還原劑進行氧化還原反應，如（1）、（2）反應式，生成揮發性的氣態氫化物鍺化氫（GeH4），在氬氣作為載氣的作用下進入原子熒光原子化器進行原子化。在鍺空心陰極燈釋放特殊光源譜線的照射下，原子化后的基態鍺原子被激發至高能態，由于在高能態的鍺原子很不穩定，在去活化的過程中以發射出特征波長的鍺原子熒光回到基態，在一定鍺元素濃度下，發射出的熒光強度和濃度符合朗伯-比爾定律，兩者呈線性關系。以此為基準，通過外標法對未知樣品的鍺元素進行定量測試。

KBH4+3H2O+H+=H3BO3+K++8H*???? （1）

8H*+Ge4+=GeH4（g）+2H2（g）?? ? （2）

式中：H*為活化性氫。

2 材料與方法

2.1 儀器設備

原子熒光光譜儀（AFS-8510）：北京海光儀器有限公司;鍺空心陰極燈：北京有色金屬研究院;萬分之一電子天平：北京賽多利斯科學儀器有限公司;超純水機（UPW-20N）：北京歷元儀器公司;研缽、電熱板（EH35A plus）：北京萊伯泰科有限公司;TE系列一體式陶瓷纖維馬弗爐：北京盈安美城科學儀器有限公司;移液槍（100μg/L、1 000μg/L）：大龍科技;陶瓷坩堝（20mL，帶蓋）、篩網（80目）、大米/大豆標準物質（GSB-1/GSB-4）：地球物理地球化學勘察研究所。

2.2 試劑及耗材

鍺標準液（1 000mg/L）：中國計量院;磷酸（優級純）、硫脲（分析純）、硼氫化鉀（優級純）、氫氧化鈉（優級純）：國藥試劑;分析用水（超純水）;氬氣（99.99%純度）。

還原劑溶液：于50mL燒杯中依次加入5g氫氧化鈉，20mL高純水，溶解。再加入30g的硼氫化鉀，溶解。采用高純水將以上混合溶液轉移至1 000mL容量瓶，并定容，混勻。

載流溶液：于1 000mL容量瓶中，加入30mL磷酸，并定容，混勻。

硫脲溶液：于50mL燒杯中稱量10g硫脲，加入30mL純水，于電熱板上加熱并攪拌至溶解，移入100mL容量瓶，并用純水定容，搖勻待用。

2.3 樣品

谷物中，以大米、大豆、玉米為主，于北京順義區超市采購，隨機選取三種樣品。

2.4 樣品前處理以及試驗方法

除了玉米，大米和大豆均是風干好的。將采購的玉米棒包裹的葉子剝掉，于通風處風干1周（按北京天氣）。通過四分法，分別取三種樣品100g。通過研缽進行研磨，分別過80目篩網，塑封袋保存待用。

于陶瓷坩堝中，稱取2g樣品，帶上蓋子;將稱好樣品的陶瓷坩堝放置于馬弗爐中，設置馬弗爐灰化程序（見表1），啟動灰化。灰化結束，取出冷卻。

在灰化后的谷物樣品中，加入7.5mL磷酸，沿坩堝內壁淋洗確保所有樣品灰徹底溶解，并用純水多次清洗轉移入25mL比色管。接著，加入5mL硫脲溶液，純水定容至刻度，搖勻待測。同時，做試劑空白試驗。

2.5 儀器參數條件

鍺空心陰極燈電流80mA，光電倍增管負高壓270V，爐高8mm，氬氣載氣流量500mL/min，氬氣屏蔽氣流量1 000mL/min，延遲時間5s，讀數時間12s，進樣體積1.0mL。

2.6 標準曲線配制

將鍺標準液稀釋成1mg/L。取7個25mL比色管，依次加入10mL純水，7.5mL磷酸，5.0mL硫脲溶液。再用移液槍依次加入0L，25L，50L，125L，250L，500L，750L的1mg/L鉛標準溶液，高純水定容，搖勻。得到的標準曲線系列濃度依次為0μg/L，1μg/L，2μg/L，5μg/L，10μg/L，20μg/L，30μg/L。

2.7 方法學評價

方法學的評價涉及試驗方法的準確性和可靠性，是驗證試驗方法是否可行的關鍵[7-9]。因此結合本試驗方法實際，筆者分別設計了以下試驗驗證項目：準確性、加標回收率、精密度以及檢出限，并對這些驗證項目的結果進行分析，以此作為評估方法學的可行依據。

3 結果與討論

3.1 測試條件優化

原子熒光光譜儀采用一定負高壓下的僅對近紫外光源敏感的日盲光電倍增管（PMT）作為檢測器，檢測的穩定性與負高壓大小息息相關。負高壓決定日盲光電倍增管的光電信號放大倍數，直接影響儀器的噪聲。并且經原子化后的基態原子，能否最大限度地躍遷并釋放較強的原子熒光，取決于特殊光源的空心陰極燈的光源強度，而這個光源強度強弱來源于給空心陰極燈供電的電流大小。作為原子熒光光譜儀分析，必須把硬件的狀態調至最佳，才能保證整體的測試是穩定的。筆者分別對負高壓以及燈電流進行了梯度試驗：固定燈電流為默認電流80mA，負高壓從250V、260V、270V、280V、290V、300V、310V、320V、330V、340V，鍺的熒光強度逐漸上升，340V負高壓狀態下熒光強度最高，但是穩定性不是很理想（相對標準偏差大于15%）。基于此，每個負高壓條件下均進行穩定性試驗，最后選擇負高壓270V（相對標準偏差1.2%），電流為空心陰極燈出廠默認值，配合負高壓調整至足夠的熒光強度以及較好的穩定性[10-12]。

除此之外，氫化物發生原理是一個實時、在線、動態的氧化還原的化學反應過程，當產生了穩定的氫化物之后，應確保原子化過程是正常的，基態原子激發后去活化產生的熒光不猝滅而被檢測器檢測到，這就要求屏蔽氣足夠而且穩定。本試驗過程，筆者為保證屏蔽氣防止熒光猝滅，將屏蔽氣調整至1 000mL/min，調整載氣大小：300mL/min、400mL/min、500mL/min、600mL/min，以此試驗穩定性。載氣大小影響著能否及時徹底地促進氧化還原反應以及徹底地將產生的氫化物氣態物質送入原子化器，避免氫化物殘留至管壁引起記憶效應帶來的不穩定。結果表明，當載氣在500mL/min時，穩定性比較理想（相對標準偏差小于1%），過大的氣流量使得流路過程產生湍流現象，反而引起氧化還原反應的不穩定，最終影響儀器測定的穩定性。因此，最后選擇載氣500mL/min，屏蔽氣1 000mL/min作為谷物中鍺的測定參數條件[13-16]。

3.2 還原劑濃度和樣品酸度的選擇

在條件優化中提到了儀器硬件方面的調整，對于原子熒光光譜分析原理中，鍺之所以可以采用該儀器進行分析，主要的一個化學特性就是酸化的四價鍺離子可以和還原劑硼氫化鉀氧化還原成氣態氫化鍺。所以這是鍺元素分析的核心特性，涉及酸介質、酸介質濃度、還原劑濃度是否匹配。本試驗選擇磷酸為酸介質，主要原因是磷酸可以和四價鍺離子反應成絡合物而相對穩定地存在于溶液中，便于檢測。在對磷酸和還原劑濃度的梯度試驗中，見圖2。本試驗選擇30%的磷酸（V/V）以及3%的硼氫化鉀（m/m）以確保鍺的氫化物反應順利進行，并得到準確穩定的分析數據。

3.3 干擾實驗

谷物中的Fe、Cu、Mn、Zn、Ca等金屬元素含量較高ppm級別[17-18]。在氫化物發生反應過程，過高含量的這些元素總是對檢測存在影響，試驗發現，Cu大于500ppm使得鍺的檢測結果嚴重偏低。筆者采用一定濃度的硫脲進行掩蔽試驗，發現改善效果明顯。故在灰化過后的溶樣中加入2%的硫脲（m/m）以起到信號掩蔽劑的作用。

3.4 干灰化條件摸索

由于鍺屬于低溫揮發性元素，鍺的化合物易于揮發，用石墨爐原子吸收法測鍺，為避免鍺在灰化階段以揮發性GeO（710℃升華）形式損失，需加入基體改進劑，起到穩定鍺的作用。還有研究表明，鍺的化合物如GeCl4以及其他鹵素化合物是揮發性氣體。所以，在灰化過程需試驗并考慮灰化溫度以及樣品中是否含有大量的鹵素元素、是否在灰化過程對鍺的揮發起到作用。試驗初期，選取灰化溫度為300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃，在干凈的坩堝中加入1mL的10g/L的鍺標準溶液分別在不同灰化溫度下進行試驗，發現在550℃以上鍺的含量開始損失5%，700℃時鍺的含量損失20%。因此，為了保證徹底灰化且不損失，灰化溫度定為500℃，保持20min。由于實際灰化樣品時，出現了谷物樣品粉末在升溫過程容易爆燃現象，因此為緩解該現象設置了干燥步驟200℃，保持10min，并配備蓋子，有效緩解升溫灰化過程造成損失，確保所有樣品徹底灰化，以達到準確測試的目的。

3.5 標準曲線以及方法檢出限

按1.6標準曲線點，依次測試擬合，一次線性回歸方程為：y=182.36x+12.28，線性相關r=0.999 2。方法檢出限采用連續測試11次樣品空白濃度值，并計算11次空白濃度的標準偏差SD=0.08μg/L，最后方法檢出限以DL=3×SD計算，得到檢出限為0.24μg/L，AFS-8510原子熒光光譜儀的進樣體積為1mL，而實際樣品稱樣重量為2g，那么換算后本方法的方法檢出限為0.12μg/kg。

3.6 準確度試驗

查詢谷物相關的標準物質，選取大米/大豆標準物質：GSB-1（標準值Ge：5μg/kg）、GSB-4（標準值Ge：2.5μg/kg）。通過灰化，磷酸直接溶解上機檢測，結果實測值：GSB-1，4.82μg/kg;GSB-4，2.64μg/kg。相比之下，實測結果和標準值相當，準確度良好。

3.7 精密度以及加標回收試驗

考察實際樣品的加標回收率和精密度，以驗證穩定性以及灰化處理是否可靠。同準確度測試方法，分別對大米、大豆、玉米樣品進行檢測，由于谷物中鍺的含量均較低，因此加標回收試驗選擇加標2μg/kg（通過加入標準溶液換算），每個加標平行7次試驗，得出結果計算精密度。得出精密度3.9%～5.8%，回收率為94.5%～104.5%，兩者數據均符合實際樣品檢測需求（見表2）。

4 結 論

相比混酸消解的前處理方式，本文應用馬弗爐控溫程序的干灰化處理-磷酸直接溶解的氫化物發生-原子熒光光譜法對谷物中鍺的檢測，分析結果良好，檢出限、精密度、回收率均滿足檢測需求，為谷物中鍺元素的分析提供方法參考。另外，鍺是人體必需的元素，通過本試驗的分析，常規谷物中均含有一定痕量的鍺，可為人們日常的飲食健康提供參考。

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Determination of Germanium in Grain By Dry Ashing-Hydride Generation-Atomic Fluorescence Spectrometry

Liu Haitao，Lin Jianqi，Yao Mengnan，Lian Xiaolu，Wei Hongmin

（Beijing Haiguang Instrument Co.，Ltd.，Beijing 101312）

Abstract：Method for the determination of germanium in grain by dry ashing-hydride generation-atomic fluorescence spectrometry was established. The determination of germanium in grain by atomic fluorescence spectrometry （afs） was realized by dry ash pretreatment with temperature control program. In the ashing process： in the first step， keep it at 200℃ for 10min; In the second step， under the condition of keeping at 500℃ for 20min， the grain sample of 2g had good ashing effect. The influence of lamp current， negative high voltage， carrier gas， acid concentration and reducing agent concentration on the fluorescence intensity of germanium was investigated. The results showed that the concentration of germanium was 0～30μg/kg， linearly correlated was better than 0.999， the detection limit of the method was 0.12g/K， the method precision（n=7）was between3.9%～5.8%，and the standard recovery was between 94.5%～104.5%.The method is simple， efficient and stable， and is suitable for the bulk detection of germanium in grain.

Key Words：grain，germanium，dry ash，hydride generation，AFS

收稿日期：2020-02-14

作者簡介：劉海濤，男，碩士，高級工程師，主要從事項目管理。