石墨消解-原子熒光光譜法測定海洋生物體中的砷

張 臨 岑 陳 符式錦 李曉敏 吳小龍 黃玉潔

(海南省生態環境監測中心,海口 570206)

砷是一種強毒性化學物質,海洋環境是砷循環的重要場所,海洋生物含有更高濃度的砷(<10～100 μg/g干重)[1],是海洋環境中的“砷庫”[2],而海洋生物是人類食物中砷的重要來源,砷可通過海洋生物生長過程中逐步被海洋生物體吸收、蓄積等。因此,生物樣品中砷的含量檢測成為研究的重要內容之一[3-4]。消解前處理是海洋生物體檢測最重要的一步,消解效果的優劣直接影響海洋生物體分析結果的準確性。常用的前處理方法主要有電熱板消解、全自動消解和微波消解等[5-7]。現行的分析標準為海洋監測規范中電熱板-原子熒光光譜法測定生物體中砷[8],在對海洋生物體消解前處理的過程中存在消解溫度低、前處理時間長、消解不完全、重復性差、正確度差等諸多弊端,比較適用于海洋植物體的分析測定,海洋動物體中的砷大部分呈有機態[9],而有機態砷多以砷糖的形式存在[10-11],需要更高的溫度才能完全消解釋放。此次對電熱板-原子熒光光譜法測定生物體中砷的方法進行了優化和改進,通過對消解儀器、消解溫度、消解時間、消解管材質、消解液體系條件的優化,得出了一個正確度高、重現性好、快速檢測各類型海洋生物體砷的石墨消解-原子熒光光譜法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

BAF-2000原子熒光光度計(北京寶德儀器有限公司),石墨高溫消解儀(萊伯泰科分析儀器公司),MS204TS/02電子天平(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)、燒杯等器皿在使用前經過20%的硝酸浸泡。

測砷儀器條件:負高壓240 V,主、輔電流均為40 mA,爐溫200 ℃,爐高8 mm,載氣流量400 mL/min,屏蔽器流量800 mL/min。

硝酸(晶瑞電子材料股份有限公司)、高氯酸(廣州化學試劑廠)、硫酸(廣州化學試劑廠)、鹽酸(廣州化學試劑廠)、硼氫化鈉(西隴科學)、氫氧化鈉(天津市科密歐化學試劑有限公司)、過氧化氫(廣州市金華大化學試劑有限公司)、硫脲(國藥集團化學試劑有限公司)、抗壞血酸(阿拉丁試劑公司)。

扇貝成分分析標準物質GBW10024(GSB-15)(中國地質科學院地球物理地球化學勘察研究所)、黃魚粉中元素成分分析標準物質GBW10253(北京北方偉業計量技術研究院)、芹菜成分分析標準物質GBW10048(GSB-26,中國地質科學院地球物理地球化學勘察研究所)。砷單元素標準溶液103018(生態環境部環境發展中心環境標準樣品研究所)。

1.2 實驗方法

準確稱取0.1～0.2 g(精確至0.000 1 g)海洋生物體干樣、0.5～2.0 g(精確至0.000 1 g)海洋生物體濕樣于消解管中,依次加入9 mL硝酸和3 mL高氯酸,混勻,使樣品與消解液充分接觸。若有劇烈化學反應,待反應結束后再將樣品置于石墨高溫消解儀中消解,升溫至120 ℃消解1 h,繼續升溫至170 ℃消解至溶液剩余1～2 mL,取下冷卻至室溫,加入2～5 mL硫酸,繼續升溫至280 ℃消解至溶液剩余1～2 mL,取下冷卻至室溫,將消解液轉移至25 mL比色管中,用純水沖洗消解管內壁2～3次,將所有洗滌液并入比色管中,加入2 mL 10%的硫脲-抗壞血酸,用純水定容至刻度,搖勻后靜置30 min后測定。空白試樣的制備除了不加樣品,其余步驟與樣品處理步驟相同。

2 結果與討論

2.1 消解儀器優化

對電熱板消解、微波消解、超級微波消解、全自動消解、石墨高溫消解5種不同前處理消解方式進行比對實驗,采用的有證標準物質包含了植物體和動物體,分別是芹菜、扇貝和黃魚粉標準物質,由實驗結果可知(圖1),5種前處理方式消解后的芹菜測定結果回收率為93.1%～98.9%,說明這5種消解方式都適用于海洋植物體標準物質的消解,而扇貝和黃魚粉兩個動物體的標準物質只有經過超級微波消解和石墨高溫消解后測定結果才是準確的,回收率為89.2%～101%。其他3種消解前處理方式測定結果均偏低,回收率僅為13.5%～20.3%。考慮到超級微波消解儀器價格較高,普及推廣度低,綜合考慮選擇儀器成本低,普及推廣度高的石墨高溫消解儀。

圖1 不同前處理消解方式下標準物質砷含量回收率

2.2 消解溫度、時間和消解管材質優化

采用3種消解條件(表1)分別對有證標準物質、海洋生物體實際樣品,海洋生物體實際樣品加標進行消解前處理,有證標準物質為芹菜、扇貝和黃魚粉,海洋生物體實際樣品為海草、魚類、貝類。實驗結果表明(圖2),3種消解條件對生物體實際樣品的消解效果是一樣的,測定結果無明顯差異。對于有證標樣的測定結果來看是消解條件2、3的效果最好,消解條件1的黃魚粉標準物質測定值偏低,考慮是聚四氟乙烯材質消解管導熱性的問題,聚四氟乙烯消解管與消解液之間存在大約10 ℃的溫度差,導致消解液消解溫度不夠,樣品消解不完全,測定值偏低。在條件1的基礎上進行了溫度優化,將消解溫度提高10 ℃以確保消解液達到相應的消解溫度,由實驗結果可知(圖2),溫度優化后的條件2各類型標準物質測定結果是準確的,消解效果好,同時在實際分析過程中發現聚四氟乙烯消解管在290 ℃高溫下受熱會膨脹變形,影響實驗操作。在條件2基礎上對消解管材質進行了優化,選用導熱性好的石英材質消解管,由于石英導熱性好,消解管與消解液之間溫度差小,故采用120、170、280 ℃的階梯消解溫度,據實驗結果可知(圖2),石英材質消解管在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的消解條件前處理效果最佳,適用于各類海洋生物體樣品的測定。

表1 消解條件優化

圖2 不同的消解條件下各類型樣品消解效果

2.3 消解液體系優化

生物樣品中含有大量的無機物和有機質,需要一些強酸進行消解[12],單純的硝酸不能使生物中有機砷完全消解,只能與其他酸組成混合消解液,以增強消解液的氧化性[13]。選用硝酸-過氧化氫-硫酸和硝酸-高氯酸-硫酸兩種消解液體系。兩種消解液體系對海洋生物體樣品中砷含量測定的結果表明(圖3),硝酸-過氧化氫-硫酸消解液體系對各類型海洋生物體樣品消解效果較差,測定結果偏低,回收率為59.0%～71.8%。 而使用硝酸-高氯酸-硫酸消解液體系消解效果好,各類型海洋生物體樣品測定結果準確,回收率為97.4%～100%。由此可見,硝酸-高氯酸-硫酸消解液體系的消解效果優于前者。通過實驗對比發現,改進后的硝酸-高氯酸-硫酸消解液體系具有超強氧化能力,能夠充分氧化被蛋白質和脂肪結合的有機砷,使得海洋生物體中砷完全消解,適用于各類型的海洋生物體的消解,同時還具備了無需放置過夜、無需補加硝酸、操作簡便和可控、前處理時間短、結果準確的優點。

圖3 不同消解液體系消解各類型樣品消解效果

2.4 硼氫化鈉濃度和酸度優化

原子熒光光譜法測定砷時,硼氫化鈉溶液濃度過低無法形成穩定的氫火焰進行測定,硼氫化鈉溶液濃度過高時形成強烈的氫火焰和稀釋AsH3氣體而干擾測定[14-16]。由實驗結果可知,測定砷最佳鹽酸酸度為5%,硼氫化鈉溶液最佳濃度為1%,在此條件下,樣品與還原劑反應充分,熒光強度值高且穩定(見圖4、5)。

圖4 鹽酸濃度與熒光強度的關系

圖5 硼氫化鈉濃度與熒光強度的關系

2.5 方法檢出限

根據文獻[17-18]中對測定檢出限的要求進行檢出限的測定。配制7份濃度均為0.05 μg/L的待測樣品,采用與樣品相同的前處理步驟處理樣品并上機測定。經儀器分析可知,方法的檢出限為0.005 mg/kg,測定下限為0.02 mg/kg。

2.6 方法的正確度

選取3種不同類型的標準物質芹菜GSB-26、扇貝GSB-15、黃魚粉GBW10253進行6次平行測定,由實驗結果(表2)可知測定平均值均在正確值范圍內,相對誤差為-1.0%、1.1%和-1.0%。其次,分別對3種不同類型的海洋生物體實際樣品:海草、魚類、貝類,通過加入一定量的扇貝成分分析標準物質進行加標回收實驗。根據實驗數據可知(表3),實際樣品的加標回收率在93.4%～95.8%,實驗的正確度滿足相關質控要求。

表2 不同類型標準物質測定正確度

表3 不同類型海洋生物體實際樣品測定正確度

2.7 方法的精密度

選取3份不同種類的海洋生物體實際樣品進行6次測定,由實驗結果(表4)可知,各類型海洋生物體實際樣品測定值的相對標準偏差在1.3%～4.8%,實驗的精密度滿足相關質控要求。

表4 不同類型海洋生物體實際樣品測定精密度

2.8 方法比對實驗

為了保證方法的適用性和準確性,對石墨消解-原子熒光光譜法與微波消解-電感耦合等離子體質譜法(GB 5009.11—2014)[19-20]進行方法比對,進一步采用F檢驗法和t檢驗法檢驗兩種儀器測定結果的顯著性差異,由實驗結果可知(表5),各類型樣品F值為0.05～0.32。經查單邊F值表,當置信度為97.5%時,F0.025(4,4)=9.60,F

表5 本法與GB 5009.11—2014方法檢測結果比對

3 結論

本法改進了消解儀器、消解溫度、時間、消解管材質、消解液體系、硼氫化鈉濃度和酸度,與電熱板消解相比,各類型海洋生物體樣品測定結果準確。石墨高溫消解儀為包裹性受熱,而且能高溫消解,解決了電熱板消解單面受熱不均、消解溫度低導致生物體消解不完全的問題。經過優化的硝酸-高氯酸-硫酸消解液體系,在消解過程中不再補加硝酸,同時調整了消解酸的比例和酸的加入順序,解決了現行分析方法中電熱板消解時硝酸與高氯酸比例小的問題。各類型海洋生物體樣品加入混合消解液后就能放置到石墨高溫消解儀中進行消解,樣品不用靜置過夜,大大地縮短檢測時間。該法具有消解效率高、消解完全、消解過程可控、操作簡單、快速、結果正確度高等優點,適用于各類海洋生物體砷的測定。