微波消解—常壓消解—電感耦合等離子體質譜法測定植物樣中的鍺

方曉青， 胡偉康， 張飛鴿， 吳 晶， 左天樂

(1.湖北省地質實驗測試中心，湖北 武漢 430034; 2.湖北省華祥計量技術有限公司，湖北 武漢 430022)

鍺是一種重要的稀有元素，屬于人體必需的微量元素之一，具有抗腫瘤、抗衰老、提高免疫力、促進新陳代謝等作用。植物、食品中鍺含量的檢測早已引起國內外學者的關注，由于其在植物體內含量極低，對檢測手段提出了更高的要求。植物樣中有機質含量較高，要準確測定鍺，消除有機質是首要目標。目前樣品前處理技術大致可分為敞開消解和密閉消解兩大類，敞開消解包括干灰化消解[1-3]和濕法消解[2-4]，密閉消解包括高壓密閉罐消解[2]和微波消解[3-4]。

植物中鍺的檢測方法主要有：原子吸收光譜法[4-5]、分光光度法[6-12]、原子熒光光譜法[1,11-15]和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[3,16-17]等。其中，分光光度法使用熒光酮類等顯色試劑，所用試劑多有毒有害，且前處理過程繁瑣，不適用于批量檢測；原子熒光光譜法和原子吸收光譜法線性范圍較窄；ICP-MS具有靈敏度高、線性范圍寬、分析快速等優點，在日常樣品痕量分析中已顯示出其獨特的優勢。馬海萍等[16]采用ICP-MS對農產品標準物質進行測定，采用微波消解進行預處理，操作簡便，但檢出限偏高(0.025 mg/kg)，而一般植物樣中鍺的含量均<0.025 mg/kg，因此該方法不適用于大部分植物樣中鍺的測定。

本文采用微波消解—常壓消解的方式，建立了ICP-MS測定植物樣中鍺的方法。采用微波消解—常壓消解方式提高鍺的溶出率；對硫酸、氫氟酸用量及常壓消解時間進行優化，進一步改善方法的分析性能；通過數學校正模型扣除儀器測定過程中存在的干擾，保證測試結果準確可靠。該項工作可為相關研究提供數據支持和技術參考。

1 實驗部分

1.1 儀器

微波消解儀(MARS6型，美國CEM公司)；恒溫消解儀(BHW-09C20型，上海博通化學科技有限公司)；電感耦合等離子體質譜儀(X2型，美國Thermo Fisher公司)。

1.2 試劑

鍺標準儲備溶液(鍺濃度1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)；鍺標準溶液(采用鍺標準儲備液逐級稀釋成100 ng/mL)；硝酸(上海傲班科技有限公司，優級純)；氫氟酸(北京化工廠，優級純)；硫酸(國藥集團，優級純)；過氧化氫(國藥集團，CMOS級)。

1.3 儀器工作條件

儀器工作條件見表1和表2。

表1 微波消解實驗條件

表2 ICP-MS工作條件

1.4 標準曲線繪制

鍺工作曲線溶液的配制：吸取適量的鍺標準溶液，以2%硝酸配制成標準中間液1 mg/L，用2%硝酸溶液定容至刻度，搖勻。使用時分別移取適量的標液并用2%硝酸配制成鍺濃度分別為0.1、0.5、1.0、2.0、5.0 μg/L的標準系列工作溶液。將電感耦合等離子體質譜儀開機調試好，穩定30 min后，由低到高依次測定標準系列工作溶液，繪制標準曲線。

1.5 樣品處理

準確稱取0.500 0 g(±0.000 5 g，含水分較多的樣品可適當增加取樣量至1 g)樣品于微波消解聚四氟乙烯內罐中(糖分或淀粉含量高的樣品先在電熱板上低溫加熱去除有機質)，加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫溶液，蓋上內蓋，旋緊罐蓋，按照微波消解儀標準操作步驟進行消解。冷卻后取出，緩慢打開罐蓋排氣，用少量水沖洗內蓋，將消解罐中溶液轉移至聚四氟乙烯坩堝中，加1 mL硫酸和3 mL氫氟酸，蓋上坩堝蓋，置于電熱板上，升溫至100℃。消解3 h后揭蓋，繼續升溫至260℃趕酸，待濃煙冒盡且電熱板降溫至160℃，加2 mL硝酸提取，趕酸至<0.5 mL，用蒸餾水定容至10 mL，混勻待測，同時做空白試驗。

2 結果與討論

2.1 植物樣前處理研究與優化

2.1.1微波消解體系

常用的消解試劑有硝酸、硫酸、鹽酸、過氧化氫、高氯酸、氫氟酸等，在溫度高于86℃和鹽酸存在條件下鍺(Ⅳ)與鹽酸形成易揮發的四氯化鍺而損失[18]，因此對應使用的酸體系有硝酸—硫酸、硝酸—過氧化氫等。考慮到消解體系是密閉狀態，所以盡量不選擇高氯酸，最終選擇硝酸作為主要消解試劑，加入過氧化氫加快消解時間和提高消解效果。通過多次試驗確定，在加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫的試劑后，樣品消解的效果最佳。

選取GBW10023(紫菜)、GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)等4種涵蓋水生植物、茶葉、糧食、蔬菜的生物國家一級標準物質進行條件實驗。稱取0.500 0 g標準物質，加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫，按照表1的微波消解實驗條件消解后，置于電熱板上趕酸至小體積后定容至10 mL，進行ICP-MS上機測量，結果如表3所示。

表3 微波消解后標準物質測定值

結果表明，微波消解后，標準物質測定值僅為推薦值的1/2左右，且GBW10023(紫菜)和GBW10052(綠茶)樣品消解后有不溶沉淀物，可能是有機質未消解完全或者樣品中含有二氧化硅，導致鍺的溶出率偏低，還需用強氧化性的硫酸和氫氟酸進行進一步消解。

此時Label[j]數組記錄了所有共同連通域的標號，但共同連通域的標號是斷序的，不利于連通域的個數統計，因此還需要按照其出現的次序對其進行排序并且輸出連通域的個數。

2.1.2微波消解—常壓消解體系

為了驗證微波消解—常壓消解加酸種類對鍺溶出率的影響，同樣選取GBW10023(紫菜)、GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)等4種不同類型的生物國家一級標準物質進行條件實驗。

(1) 硫酸加入量的優化。稱取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫，按照表1的微波消解實驗條件消解后，將溶液轉移至聚四氟乙烯坩堝中，分別加入不同體積的硫酸(0、1、2和3 mL)，蓋上坩堝蓋，100℃消解3 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進行ICP-MS上機測量。比較加入不同體積硫酸消解后的標準物質的測量值，結果如圖1所示。

圖1 不同體積硫酸加入的條件實驗結果

結果表明，加入硫酸對測量結果的影響非常明顯，4種不同類型標準物質的測量值均有明顯提高，但硫酸量加到>1 mL之后，鍺含量的變化并不明顯，因此采用硫酸的加入量為1 mL。標準物質測定值與其推薦值相比，還是有明顯差別，但硫酸的加入提高了鍺的溶出率。

(2)氫氟酸加入量的優化。稱取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫，按照表1的微波消解實驗條件消解后，將溶液轉移至聚四氟乙烯坩堝中，均加入1 mL硫酸，并分別加入不同體積的氫氟酸(0、1、3和5 mL)，蓋上坩堝蓋，100℃消解3 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進行ICP-MS上機測量。比較加入不同體積氫氟酸消解后的標準物質的測量值，結果如圖2所示。

圖2 不同體積氫氟酸加入的條件實驗結果

結果表明，隨著氫氟酸的加入，標準物質的測量值均有明顯提高。加入1 mL氫氟酸后，隨著氫氟酸體積的增加，GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)的測量值沒有明顯提高，而GBW10023(紫菜)的測量值增加明顯，氫氟酸越多，對紫菜的消解效率越高，可能是因為紫菜中硅的含量較高(推薦值為(0.83±0.16)%)。對于硅含量較高的植物樣，可適當增加氫氟酸體積至5 mL，其他樣品僅需加3 mL。考慮到加入氫氟酸的體積越大，空白越高，從而影響樣品的檢出限，當氫氟酸的加入體積為3 mL時，紫菜的鍺的測量值也在推薦值的不確定度范圍內，因此采用氫氟酸加入量為3 mL。

(3) 常壓消解時間的優化。常壓消解時間的長短也會影響樣品中鍺的消解效果。稱取樣品0.500 0 g，加入6 mL硝酸和1 mL過氧化氫，按照表1的微波消解實驗條件消解后，將溶液轉移至聚四氟乙烯坩堝中，均加入1 mL硫酸和3 mL氫氟酸后蓋上坩堝蓋，在100℃分別消解1、2、3和4 h后升溫至260℃趕酸，待白煙冒盡且電熱板溫度降至160℃，加2 mL硝酸，趕酸至硝酸體積<0.5 mL后定容至10 mL，進行ICP-MS上機測量。比較不同常壓消解時間消解后的標準物質的測量值，結果如圖3所示。

圖3 常壓消解時間的條件實驗結果

結果表明，常壓消解時間對GBW10052(綠茶)、GBW10045(湖南大米)和GBW10048(芹菜)的測量值沒有明顯影響，而GBW10023(紫菜)的測量值提高明顯，消解時間越長，紫菜的消解效率越高。為了保證紫菜類植物樣的鍺的消解效率，選取常壓消解時間為3 h進行前處理。

2.2 干擾和消除

2.2.1質譜型干擾

在ICP-MS測量中，質譜干擾主要有同量異位素疊加干擾、難熔氧化物離子干擾、多原子復合離子干擾及雙電荷離子干擾等，其中質譜峰疊加、多原子復合離子所形成的干擾較為嚴重[19]。選擇的最佳ICP-MS工作條件見表2，在此工作條件下，鈰氧化物的產率<3%，138Ba的雙電荷產率<3%。針對質譜型干擾，可以通過兩種方法來克服：①選擇測量元素的同位素；②通過校正方程進行校正。

(1) 鍺同位素的選擇。盡量避免選擇有大量干擾元素存在及干擾機理復雜的測量同位素，這樣可以有效降低部分質譜干擾。鍺主要有70Ge、72Ge、74Ge等3個同位素，在測定鍺時，主要受到70Zn和140Ce2+對70Ge、144Sm2+和144Nd2+對72Ge、148Sm2+和148Nd2+對74Ge的干擾。植物樣中釤和釹的含量很低，可選擇74Ge作為測量同位素，干擾相對較小且74Ge的靈敏度也較高。

(2) 干擾校正方程。對選擇同位素仍然不能有效避免的質譜干擾，可以通過校正方程進行數學模式干擾校正。校正方程中的干擾系數用釹純標準溶液測定和計算得出。配制釹濃度分別為100、500、1 000 μg/L的單標溶液，按照表2的ICP-MS工作條件進行檢測，得到不同濃度下74Ge、146Nd和148Nd的強度響應值，計算出釹對鍺的干擾系數，如表4所示。

由表4計算出146Nd對74Ge的干擾系數為0.001 4，

表4 釹對74Ge的干擾情況

則測定鍺時，選定的測定同位素的校正方程為：

C74Ge,校=C74Ge,測-0.001 4C146Nd

式中：C74Ge,校為鍺的校正結果；C74Ge,測為鍺的測定結果；C146Nd為釹的測定結果。

2.2.2非質譜型干擾

非質譜型干擾主要包括基體抑制干擾、空間電荷效應干擾、物理效應干擾等[20]。非質譜型干擾程度與樣品基體性質有關，通過內標法、儀器條件最佳化等措施可以消除。內標元素的選擇原則：被測溶液中不含所選內標元素且該元素的測定干擾較少，質量數與被測元素比較接近。基于此，本方法選用103Rh作為內標元素，其濃度為2.0 μg/L。

2.3 檢出限

按照本方法進行空白樣品制備，測試12份空白樣品，以3倍的標準偏差計算檢出限，用4倍檢出限來估算測定下限，得到鍺的檢出限為0.59 ng/g，測定下限為2.36 ng/g。

2.4 精密度與準確度

按照本方法選取了6個不同類型的生物國家一級標準物質進行8次測定，并計算精密度和準確度，結果如表5所示。

由表5可看出，測量平均值均在推薦值的不確定范圍內，標準物質的精密度均<15%。

表5 方法準確度和精密度實驗結果

3 結論

本文采用微波消解—常壓消解前處理方式和ICP-MS測定了生物國家一級標準物質中鍺的含量，對比研究了不同的硫酸、氫氟酸用量及常壓消解時間對標準物質的消解效果，探究了最優的樣品處理方法。結果表明，鍺的檢出限為0.59 ng/g，測定下限為2.36 ng/g，相對誤差(RE)為3.78%～13.7%，相對標準偏差(RSD,n=8)為4.51%～11.6%。該方法檢出限低，精密度、準確度良好，都能滿足分析要求，適用于植物樣中痕量鍺的測定。