微敞開體系快速石墨消解-ICP-OES法測定植物樣品中的磷和鉀

徐愛平 文典 杜瑞英 彭錦芬 陳永堅 李梅霞

[1. 廣東省農業科學院農業質量標準與監測技術研究所 廣東廣州 510640；2. 農業農村部農產品質量安全風險評估實驗室（廣州） 廣東廣州 510640；3. 農業農村部農產品質量安全檢測與評價重點實驗室 廣東廣州 510640；4. 廣東農科監測科技有限公司 廣東廣州 510640]

磷和鉀是控制植物生長和發育過程的重要元素，植物在生長過程中需要大量的磷和鉀。磷元素不僅是植物體內許多重要化合物的組成成分，而且還以多種途徑參與植物體內的各種生理代謝過程，在人類賴以生存的土壤、植物和動物生態系統中起著不可或缺的作用[1]。鉀元素可增強植物的抗逆性、抗病能力和光合作用[2]，對淀粉和糖分的形成有重要作用；此外，鉀還能促進植物對氮、磷的吸收，有利于蛋白質的形成[3]。合理的磷鉀配比有利于植物分生、葉片生長，同時可提高光合作用能力和碳水化合物的運輸能力[4]，因此，磷和鉀對植物的生長極其重要。

電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)技術是近幾十年發展起來的分析測試新技術，具有檢出限低、測定線性范圍寬、干擾小、精密度高等特點，可對多種元素同時進行測定，能滿足復雜機體大量元素分析，在食品、藥品、衛生、生物和環境等各領域有廣泛應用[5-8]。

目前，植物樣品中磷和鉀的測定參照食品標準，現行標準主要有GB 5009.87—2016、GB 5009.91—2016和GB 5009.268—2016。磷的測定包括對苯二酚-亞硫酸比色法、釩鉬黃比色法和ICP-OES法，鉀的測定方法包括火焰分光光度法、火焰原子發射光譜法、ICP-OES和電感耦合等離子體發射質譜法(ICP-MS)[9-11]。其中，采用比色法測定植物樣品中的磷，操作步驟多，過程繁瑣[12]，實驗過程中會使用到如對苯二酚等有毒試劑，在有條件的實驗室，應盡量放棄使用這種傳統的比色方法。火焰原子吸收光譜法、火焰原子發射光譜法和ICP-MS法靈敏度高，但線性范圍相對較窄，測定時需對待測溶液進行大倍數稀釋，其中每次稀釋后要加入氯化銫等掩蔽劑，應用復雜[13-14]。GB 5009.268—2016中，第一法采用ICP-MS測鉀，第二法采用ICP-OES測磷和鉀，方法為指導性的，沒有具體解決這2種元素的同時測定問題。因此，根據實際工作需要，有必要探索快速、簡便、準確的能同時測定植物樣品中磷和鉀含量的方法。

本研究利用管蓋帶孔聚四氟乙烯消化管，構建一套新型石墨消解法[15]，待樣品快速消解定容后，用ICP-OES同時測定磷和鉀，簡便、快速、有效，為植物中磷和鉀的同時測定提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 儀器 iCAP6000型ICP-OES（美國熱電公司）；聚四氟乙烯消化管（LabTech儀器股份有限公司）；DigiBlock ED54（LabTech儀器股份有限公司）；萬分之一分析天平（METTLER TOLEDO，瑞士）；Milli-Q超純水儀（美國）。

1.1.2 試劑 硝酸（優級純，J.T.Baker）；高氯酸（優級純，廣州化學試劑廠）；磷和鉀單元素標準溶液（1 000 μg/mL），由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供；GSB-1大米、GSB-2小麥、GSB-5圓白菜、GSB-25胡蘿卜和GSB-27大蔥為國家標準物質。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理 稱取具有代表性的樣品，干樣0.30 g（精確到0.000 1 g），濕樣2.0～5.0 g（精確到0.01 g，折合干物質0.3 g左右），分別置于消化管中，加入硝酸+高氯酸混酸（9+1）10.0 mL，蓋上管蓋，置于石墨消解儀加熱孔中冷消化過夜；第二天開始升溫消化，升溫程序為120℃保持0.5 h，升至150℃保持0.5 h，然后升至210℃保持2.0 h，至消化液近干，后期伴有白煙冒出，確定為消化終點；關閉電源停止加熱，15 min后加入10.0 mL超純水，蓋上管蓋，利用余溫回流20 min；取出整個管架冷卻至室溫，隨后將消化液用1%硝酸轉移至比色管中，用1%硝酸定容至25.00 mL，備用。

1.2.2 標準溶液的配制 ICP-OES法測磷和鉀具有較寬的線性范圍，經實驗優化，采用垂直觀測方式，磷和鉀在0～200 mg/L有良好的線性關系，考慮到樣品中磷和鉀以及酸含量對測定的影響，將標準溶液逐級稀釋，配制成所需混合使用液，介質為2%的硝酸，磷和鉀混合標準使用液中磷的濃度為0、1.25、2.50、5.00、7.50、10.0 mg/L；鉀的濃度為0、12.5、25.0、50.0、75.0、100.0 mg/L。

1.2.3 儀器測定條件 ICP-OES測定磷和鉀的分析波長分別為213.618和766.490 nm，射頻功率為1.15 kW，冷卻氣流量為18 L/min，輔助氣流量0.5 L/min，等離子氬氣流量為22 L/min，泵速50 r/min，進樣穩定時間15 s，管道清洗時間10 s，爆光時間30 s。

2 結果與分析

2.1 前處理方法選擇

2.1.1 消解方法 實驗中采用干灰化法、燒杯濕化法和微敞開快速石墨消解法處理不同類型植物樣品。干灰化法處理樣品耗時長，普遍需要6～8 h，對部分復雜樣品要多次灰化，加入硝酸高溫消煮后才能完全消解，過程繁瑣，由于馬弗爐容量有限，很難處理大批量樣品；濕化法是實驗室常用的消化方法，設備簡單，但需隨時查看，以免濺出和燒干，降低測定含量。同時，常規濕法消解法中會采用玻璃儀器如燒杯、三角瓶、表面皿等作為消解容器，這些儀器的本底含量較高，可能會有部分鉀滲出。微敞開石墨消解是本項目組開發的一種快速全消解法，消化管為聚四氟乙烯材質，蓋上有小孔，既可減壓防爆，也有利于消解液的回流，充分消解樣品；加熱裝置為自動控制石墨儀，設置好升溫程序，開機后消解儀自動工作，4 h內能完成整個消解過程，方便快捷，無需看管。因此本實驗中選擇微敞開石墨消解法對待測樣品進行消解。

2.1.2 消解液 樣品常用消解液有雙氧水、鹽酸、硝酸、高氯酸、濃硫酸及其混合液。本實驗采用不同混合消解液進行消解比對，發現2種混合酸比較理想，一種是硝酸和高氯酸的混合酸（9+1），能有效地對不同類型植物樣品進行消解；另一種為硝酸和濃硫酸的混合酸（8+2），對基質簡單的樣品（如蔬菜、水果）的消化效果較好，對基質較復雜的植物樣品（如荔枝葉等）的消化不完全，后期混合酸呈淡黃色或褐色，需冷卻后加入2 mL雙氧水，以200℃加熱30 min方可完全消解。結合實驗室的實際情況，本研究采用第一種常見混合酸進行消化，樣品消化液除了可用于磷和鉀測定外，還可用于測定其它元素，消化過程也相對簡單。

2.1.3 消化溫度程序 實驗使用本項目組開發的新型消化管，在提升消化效率同時可降低元素損失[15]。開始采用較低溫度主要是防止瀑沸、樣品濺出，初始升溫程序為：120℃保持0.5 h，升溫至150℃保持0.5 h，樣品劇烈反應完成，然后升到較高溫度進行消化回流。將最高溫度設為190、200和210℃開展對比實驗，每隔0.5 h觀察消化情況，當消化液近干并伴有大量白煙冒出為消化終點，記錄最終消化時間。

磷和鉀都是難揮發的元素，采用快速石墨消解，后面采用最高溫度210℃進行消化，所需時間僅為3.5 h，由于使用溫度低，消化時間也會相應延長，處理1、2、3最高消化溫度分別為190、200、210℃，結果見表1。

表1 不同消化溫度處理所需消化時間

2.2 上機條件選擇

用ICP-OES進行元素分析時主要存在樣品基體干擾和光譜干擾，由于植物樣品中鹽的含量相對較低，樣品稀釋后上機，檢測器容易識別相關信號，基體對結果影響不大。光譜干擾方面，可以在儀器波長譜線庫查找待測元素對應的譜線和附近干擾元素的譜線，選擇時避開重疊和接近的其它元素譜線。通過對磷和鉀譜線庫的譜線進行分析，結合對應信號強度，選擇213.618和766.490 nm作為磷和鉀分析譜線。大多數植物樣液稀釋5倍后上機測試，鉀和磷的測定結果基本在曲線范圍內，對大米、面粉和玉米等磷和鉀含量相對較低的樣品，可不用稀釋直接上機；對含量過高樣品，經過5倍稀釋后測定數據超出標準曲線的，需繼續稀釋，讓測定點落在曲線范圍的中上部。

ICP-OES數據采集分3種觀測方式：垂直、水平和自動觀測。垂直觀測，光程較短，對應的線性范圍大，適合植物中磷和鉀這些大量元素測定。

測定中，使用的射頻功率、冷卻氣流量、輔助氣流量、等離子氬氣流量、泵速、進樣穩定時間、管道清洗時間和爆光時間等采用儀器默認值，能很好地完成磷和鉀的測定。

2.3 標準曲線和檢出限

按上述儀器工作條件，由低濃度至高濃度依次測定磷和鉀系列標準混合工作溶液，每個點重復測定2次取平均值，以濃度為橫坐標，信號發射強度為縱坐標制作磷和鉀的標準曲線，具體見圖1和2。

圖1 鉀的標準曲線

圖2 磷的標準曲線

計算回歸方程及相關系數（r），見表2。同時測定11份空白溶液鉀和磷的含量，計算標準偏差，按公式MDL=t(n-1,0.99)×S計算該方法的檢出限，其數值約為標準偏差的4倍。

從圖1、2和表2可看出，兩元素（磷、鉀）在選定的線性范圍內，譜線強度和對應元素濃度呈良好的線性相關關系，相關系數（r）分別為99.99%和99.98%，檢 出 限 分 別 為0.8和6.6 mg/kg，由于植物中磷和鉀的含量比較高，該方法線性范圍、相關系數和檢出限均能滿足磷和鉀檢測要求。

表2 方法線性關系和檢出限

2.4 方法的準確度和精密度

按1.2的實驗方法對5種植物標準物質中的磷和鉀進行處理，每個樣品7個重復，測定結果取平均值，見表3。各標準物質測定值均在標示值的范圍內，RSD小于3.62%（RSD小于10%，表明該方法準確、可靠）。

表3 精密度和加標回收試驗(n=7)

3 結論

本研究系統地建立了微敞開體系石墨消解-ICP-OES法，同時測定植物樣品中磷和鉀含量，樣品經硝酸和高氯酸消解，磷和鉀在標準溶液濃度范圍內，線性范圍寬，可達200 mg/L；相關系數分別為99.99%和99.98%，方法檢出限為0.8和6.6 mg/kg，相對標準偏差小于3.62%，表明該方法快速準確、靈敏度高、簡單方便，適用于植物中磷和鉀的檢測。