全自動石墨消解法在檢驗糧食中總砷的應用

胡學春，任凌云，王麗娟，金增偉，吳真真，趙 瑩，王瑞杰

（1. 山東省糧油檢測中心，濟南 250100；2. 山西糧食質量監測中心，太原 030024）

在樣品檢測工作中，樣品的前處理是整個分析工作的關鍵步驟，也是最耗時的一步，對分析方法的準確度、精密度、檢測限、重現性都有直接的影響[1]，特別是無機元素樣品的消化處理，更是一個復雜且關鍵的步驟。樣品前處理是關系到檢測結果準確性的重要環節，而樣品分析全過程中人員耗時90%以上為樣品前處理，檢測結果的誤差也主要是化驗人員操作的不一致造成的，而樣品前處理結束后的儀器分析誤差一般是系統誤差，是可以控制的。

目前，無機元素檢測樣品前處理普遍采用的方法有濕法消解法、壓力罐消解法、微波消解法、灰化法、過硫酸銨灰化法、回流消解法等，消解完全的樣品經趕酸、轉移、定容、搖勻后上機分析。以上消解方法按大類可分為濕法和干法，濕法的優點是對于大多數樣品都是適合的，缺點是硝酸和高氯酸分解產生的NO2、Cl2等酸霧對人體損害大，嚴重污染環境，難以形成批量化操作，消解速度慢，有時甚至需要再加酸進行二次消解，甚至會有一定的危險，為解決批量化消解和難消解樣品如油料、植物油等問題，開發出壓力罐消解法和微波消解法，壓力罐消解法解決了難消解樣品的消解問題，但危險度大、時間長、難以形成批量消解，微波消解儀引入后，解決了大批量樣品的消解問題，消解批量大、速度快，國家制定了標準，該法普遍受到認可，但是冷卻、趕酸、轉移、定容又耗費了大量時間，總體速度也不快；干灰化法由于溫度太高容易使部分元素流失導致結果偏低[2]，受馬弗爐腔體大小的限制，一次只能消化數個樣品，大米結構緊密，淀粉含量高，比較難被消解[3]，一般樣品按標準操作不能完全灰化，再用硝酸溶解進行二次消化還需要很長時間，總之，灰化法費時、費力、不能成批量操作，為解決樣品難灰化問題，技術人員研究了加入過硫酸銨氧化樣品，達到完全灰化的目的，加入過硫酸銨的時間是在碳化冷卻后，加2.00～3.00 g覆蓋于樣品上面，繼續炭化至不冒煙，由于過硫酸銨屬于易燃、易爆品，尤其在樣品還沒有完全冷卻時，極易發生爆炸，增加了工作的危險性。濕法和干灰化法共同的缺點都是需要將消化完全的樣品經過趕酸、轉移、定容，國家標準要求定容體積一般為10 mL或者25 mL，這個體積的容量瓶瓶口小，溶液不易倒入，容易造成樣品溶液轉移損失，且清洗三次很容易超過容量瓶的體積，為保證不超過容量瓶體積，只能用更少量的清洗液，又會造成樣品轉移不徹底，影響檢測結果的準確度和精密度。

石墨消解法是建立在濕法消解的基礎上，將硝酸和高氯酸以蠕動泵或注射泵自動、連續、定量加入到消化管中，通過程序升溫實現自動消化和趕酸，通過超聲波測量液體高度實現自動定容，經過凸輪旋轉達到自動搖勻，最后將消解好的糧食樣品通過原子吸收分光光度計（AA）、原子熒光光度計（AFS）等儀器定量檢測溶液中的金屬離子含量，從稱樣到消化完畢大概用時4 h，每批次可以同時消解60～80個樣品，整批樣品消解所用時間是微波消解法的1/3左右。

目前無機元素常用的定量分析儀器有 AA、AFS、電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP）和電感耦合等離子體發射光譜-質譜聯用儀（ICP-MS），現在的分析儀器已經具有自動進樣、自動扣背景、自動分析數據等自動化程度很高的功能，解決樣品消解的自動化是實現檢測全過程自動化的關鍵。

隨著全自動石墨消解儀的生產和應用，石墨消解法因具有自動化程度高、通道多、準確度高、精密度好的優點，且該設備實現了加酸、消化、趕酸、定容、搖勻等樣品前處理全過程的自動化，因此，“GB 5009.12—2017食品安全國家標準 食品中鉛的測定”把該方法列為樣品前處理的第一法，為石墨消解法的推廣應用建立了標準依據。但因為標準給出的實驗條件無法一次性將樣品消解完全，有時甚至二次加酸也不能完全消解，實驗人員普遍認為石墨消解儀不好用。本文經過大量的實驗，確定了糧食的消解條件，實現了一次性批量、完全消解糧食樣品。該方法的應用，可以把檢驗人員從繁雜的勞動中解脫出來，把更多的時間用來研究檢測方法，保證檢測結果的準確性。

1 材料與方法

1.1 原料與儀器

HNO3（AR，GR）：南京化學試劑股份有限公司；HClO4（AR）：天津政成化學制品有限公司；HL-60型石墨消解儀：濟南精銳科學儀器儀表有限公司；AFS-933型原子熒光光度計：北京吉天儀器有限公司；T6新世紀型分光光度計：北京普析通用儀器有限責任公司；GIS 500型紅外溫度計：臺灣泰仕電子工業股份有限公司；電子分析天平，感量0.1 mg：梅特勒-托利多國際貿易（上海）有限公司；BLK-560K型垂片式旋風磨：浙江伯利恒儀器設備有限公司；大米標準物質，GBW 100356，GBW 10044：鋼鐵研究總院分析測試研究所。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品處理

小麥、玉米、糙米樣品用垂式旋風磨粉碎至90%通過40目篩，合并篩上和篩下物。

1.2.2 石墨消解法

小麥、玉米、糙米的消解方法，參考 GB 5009.12—2017并進行調整。

GB 5009.12—2017中固體試樣的消解方法，對于小麥、玉米、糙米是不能完全消化的，一般需要二次加酸消化，因為高氯酸和硝酸的危險性，加酸需要冷卻后操作，這對于實驗人員來說，需要逐一檢查，又要長時間等待，是不能接受的。本文經過不斷的探索、研究，確定了以下消化條件，可以滿足小麥、玉米、糙米，在樣品量是1.5 g時，一次消解完全，消解后殘留溶液約2 mL，溶液呈無色或淡黃色。

本研究方法為：稱取粉碎后的試樣(1.5±0.1) g（精確至0.000 1 g）于聚四氟乙烯消化管中，加入16 mL硝酸和4 mL高氯酸，在石墨消解儀中加熱消解（參考條件：120 ℃/1 h；升溫至180 ℃/0.5 h、升溫至200～220 ℃/0.3 h，消化液一般呈無色透明或略帶黃色。若消化液呈棕褐色，再加5 mL硝酸，消解至冒白煙，消化液呈無色透明或略帶黃色，用水定容至50 mL（為防止儀器過載，保持被檢元素濃度大致一致），自動搖勻3 min。同時做試劑空白試驗。消化液上機分析。

1.2.3 微波消解法

小麥、玉米、糙米的消解方法：取稱試樣(0.48±0.005) g（精確至0.001 g）于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，按照微波消解的操作步驟消解試樣。冷卻后取出消解罐，在電熱板上于 140～160 ℃趕酸至1 mL左右。消解罐放冷后，將消化液轉移至25 mL容量瓶中，用少量水洗滌消解罐2～3次，合并洗滌液于容量瓶中并用水定容至刻度，混勻備用。同時做試劑空白試驗。消化液上機分析。

1.2.4 AFS-933儀器條件

光電倍增管負高壓：270 V；原子化器高度：8 mm；燈電流：A道 60 mA；載氣流量：400 mL/min；屏蔽氣流量：800 mL/min。

1.3 石墨消解儀指標測試

1.3.1 自動程序升溫試驗

石墨消解儀啟動自動加熱程序，設置升溫至250 ℃，測定升溫時間的重復性。

1.3.2 120 ℃孔間溫差測試

取花生油 14.0 g加入到聚四氟乙烯消解管中，加熱到 120 ℃，待油的溫度穩定后（約需50 min），測定不同孔的油溫。

1.3.3 自動定容體積測試

設定定容體積10 mL，自動加入蒸餾水，在分析天平上稱量加入水的質量 m，同時測量水的溫度（t=28.0 ℃）。消化管在標準溫度20 ℃時等實際容量按公式1計算：

式中：V20—標準溫度 20 ℃時被檢器具的實際容量，mL；ρB—砝碼密度，取8.00 g/cm3；ρA—測定時實驗室內的空氣密度，取0.001 2 g/cm3；ρw—蒸餾水t℃時的密度，28.0 ℃時蒸餾水的密度為0.996 262 3 g/cm3；β—被測器具的體脹系數，聚四氟乙烯的β=10×10-5℃-1；t—檢定時蒸餾水的溫度，℃；m—被檢消化管內所能容納水的表觀質量，g。

同理，測定25 mL、50 mL定容的實際體積。

1.3.4 自動旋搖效果測試

1.3.4.1 最佳吸收波長的確定 準確吸取25.00 mL 0.1 mol/L的硫酸溶液，置于玻璃消化管中，準確加入100 μL 5 %的甲基紅乙醇指示劑，搖勻，在400～580 nm范圍內每隔20 nm測定吸光度A。

1.3.4.2 搖勻時間的確定 消化管中加入25.00 mL 0.1 mol/L的硫酸溶液，準確加入100 μL 5 %的甲基紅乙醇指示劑，做8個平行搖勻試驗，搖勻速度3 r/s，分別搖勻1、2、3 min，在最佳吸收波長下，分別測其吸光度值A。

2 結果與分析

2.1 標準曲線

標準曲線見圖1。線性方程：

I=98.11×C-10.51 相關系數：r=0.999 8

圖1 原子熒光光度計測試結果的標準曲線Fig.1 Standard curve of atomic fluorescence spectrometer test results

2.2 石墨消解儀指標測試結果

2.2.1 自動程序升溫試驗結果

石墨消解儀從室溫加熱至250 ℃，升溫時間(34±1) min，升溫時間具有很好的重復性，從而保證不同時間實驗時具有很好的重復性。

2.2.2 120 ℃孔間溫差測試結果

二次重復試驗的液體溫度平均值為 108.2～109.4 ℃，取包含因子k=2（置信概率約為95%）時，不確定度U(y)=0.9～1.0 ℃?？组g溫差具有很好的一致性和重復性，保證了每個樣品的受熱溫度即吸收熱量的一致性，從而保證不同樣品的消解效果一致，設定溫度120 ℃與實測溫度不一致，是因為傳熱和散熱的平衡，對消解效果不影響。

2.2.3 自動定容體積測試結果

實驗結果見表 1。10、25、50 mL 三種體積的測量結果分別為(10.006±0.031) mL、(24.99±0.03) mL 和(49.99±0.02) mL，滿足“JJG196—2006玻璃儀器檢定規程”中對B級容量瓶的容量允差分別為(10.000±0.040) mL、(25.00±0.06) mL 和(50.00±0.10) mL的要求。

對于定量分析，消化液定容體積的準確度，是影響分析結果的關鍵因素之一，本消解儀通過超聲波測定液面高程，在消化管橫截面積一定的情況下，液面高度即代表了體積，用紅外線測定液體的溫度，通過內置程序自動校準液體的體積。

表1 不同定容體積的平均值、相對標準偏差、不確定度Table 1 The average value, rsd and uncertainty of different constant volumes

2.2.4 自動旋搖效果測試結果

2.2.4.1 最佳吸收波長的確定結果 最佳吸收波長為520 nm，結果見圖2。

2.2.4.2 搖勻時間的確定結果 在確定最佳吸收波長520 nm下，分別測其吸光度值A。從搖勻1、2、3 min吸光度值A的RSD看，選擇搖勻1、2、3 min均可滿足搖勻的要求，為保證搖勻效果，選擇搖勻3 min。實際上，因為消化后的溶液體積很小，大約在 1 mL左右，加入稀釋液的沖力，相當于自動攪勻。

2.3 石墨消解法檢測大米標準物質結果的精密度和準確度試驗

按照 1.2.2石墨消解方法消化大米標準物質至溶液透明，用原子熒光光度計測定總As，結果見表2。

2.4 微波消解法檢測大米標準物質結果的準確度和精密度試驗

按照 1.2.3微波消解法消化大米標準物質至溶液透明，用原子熒光光度計測定總As，結果見表3。

表2 石墨消解法檢測結果Table 2 Results of graphite digestion method

2.5 微波消解法和石墨消解法檢測大米標準物質結果的精密度和準確度評價

用RSD評價精密度，用相對誤差評價準確度，微波消解法和石墨消解法試驗結果表明：測定大米標準物質中的總As，石墨消解法的準確度和精密度明顯好于微波消解法，主要原因是石墨法稱取的樣品數量是微波法的 3倍，樣品的代表性更高，消解液中被測元素的濃度更高，對于痕量分析來說，提高樣品的代表性和被測元素在溶液中的濃度，具有非常重要的意義。因為大米標準物質中總As含量較高，石墨消解法的定容體積是50 mL，而在實際檢測工作中，對于低濃度樣品來說，定容體積為25 mL或者10 mL，對檢驗結果的準確性會更有利。

表3 微波消解法檢測結果Table 3 Results of microwave digestion method

3 結論

石墨消解法就是在傳統濕法消解的基礎上，實現了自動加酸、自動程序控溫、自動消化、自動趕酸、自動定容、自動搖勻，減小了樣品前處理的系統誤差，提高了勞動效率。石墨消解法消解大米標準樣品的相對標準偏差為5.25%～6.86%，檢驗結果與標準值的相對誤差為 5.66%～7.55%，微波消解法消解大米標準樣品的相對標準偏差為8.67%～12.20%，檢驗結果與標準值的相對誤差為17.9%～21.7%。

石墨消解法稱樣數量是微波法的3倍，樣品更具有代表性，被測元素在消化液中的濃度更高，檢測結果的準確度和精密度明顯提高。石墨消解法有現行國家食品安全標準支撐。石墨消解儀升溫時間及溫度控制具有很好的重復性，從而保證不同時間實驗時具有很好的重復性。石墨消解儀孔間溫差具有很好的一致性，保證每個樣品的受熱溫度即吸收熱量的一致性，從而保證樣品消解效果的一致性。對石墨消解儀10、25、50 mL三種體積的校準結果滿足“JJG196—2006玻璃儀器檢定規程”中對B級容量瓶的容量允差的要求。