于兆水 ， 陳海杰 ， 張雪梅 ， 張 勤

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

隨著我國工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，大量的有毒有害物質(zhì)進(jìn)入土壤和生物體內(nèi)，致使我國部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境趨于惡化，解決環(huán)境問題成為當(dāng)今社會(huì)的重要議題。檢測(cè)生物樣品中微量元素含量不僅可以監(jiān)測(cè)環(huán)境污染程度，而且能夠預(yù)警食品衛(wèi)生安全，并且可以為合理施肥，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供科學(xué)依據(jù)。

電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)具有檢出限低、線性范圍寬、譜線簡(jiǎn)單及多元素同時(shí)測(cè)定等特點(diǎn)，已在地質(zhì)、冶金、石油、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體及核材料等科學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-7]?？墒瞧胀↖CP-MS主要應(yīng)用在微量及痕量元素的測(cè)定，對(duì)于含量較高的主量元素的測(cè)定比較困難，需要稀釋到較低濃度才能測(cè)定，這樣就限制了主量元素與微量元素特別是痕量元素的同時(shí)測(cè)定；并且普通ICP-MS的質(zhì)譜干擾和基體效應(yīng)也不容忽視。近年發(fā)展起來的帶有法拉第杯檢測(cè)器的雙聚集扇形磁場(chǎng)高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(HR-ICP-MS)不僅可以解決大多數(shù)的同質(zhì)異位素重疊干擾、多原子分子離子重疊干擾以及雙電荷離子干擾等質(zhì)譜干擾問題[8-15]，而且有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基體樣品中的主、次及痕量元素的同時(shí)測(cè)定。

作者建立了準(zhǔn)確、快速同時(shí)測(cè)定生物樣品中55種元素的分析方法，探索了微波消解生物樣品的實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化了高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的工作參數(shù)，為各待測(cè)元素選擇恰當(dāng)?shù)姆直媛?，并以國家一?jí)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證了方法的可行性，結(jié)果令人滿意。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與主要試劑

Element XR型高分辨率電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(賽默飛世爾科技有限公司)；MARS微波消解儀(美國CEM公司)。內(nèi)標(biāo)溶液：10 (g/L銠溶液，與樣品溶液同時(shí)用蠕動(dòng)泵分別引入，在樣品混合線圈內(nèi)混合后進(jìn)入霧化器霧化；標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)液：分別含1 μg/L Li、1 μg/L B、1 μg/L Na、1 μg/LSc、1 μg/L Co、1 μg/L Ga、1 μg/L Y、10 μg/L Rh、1 μg/L In、1 μg/L Ba、1 μg/L Lu、1 μg/L Tl、1 μg/L U。實(shí)驗(yàn)中所用試劑均為BVⅢ電子純。

1.2 儀器工作參數(shù)

儀器工作參數(shù)：入射功率 1 450 W，霧化氣流量1.05 L/min，冷卻氣流量16 L/min，輔助氣流量0.8 L/min，真空度1～3×10-6Pa, 掃描方式電掃描，分辨率高、中、低，采樣深度-2 mm，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速 10 rpm，采樣錐孔徑1.1 mm，截取錐孔徑0.75 mm。

1.3 樣品分析步驟

稱取0.2500 g樣品于微波消解內(nèi)罐中，用少量去離子水潤濕后，加入新配置的逆王水2.5 mL，放置過夜，再加入0.10 mL氫氟酸，置于聚四氟乙烯微波消解罐中，旋緊蓋子，放入微波消解儀進(jìn)行消化。消解完畢自然冷卻至室溫，打開蓋子，將消解溶液轉(zhuǎn)移至25 mL塑料比色管，用去離子水稀釋至刻度，搖勻。移取上述清液2 mL于10 mL塑料比色管中，用去離子水定容至6 mL，搖勻后上機(jī)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 各元素分辨率的選擇

電感耦合等離子體質(zhì)譜法的干擾主要是由質(zhì)譜峰疊加、同質(zhì)異位素、多原子離子及雙電荷離子等原因引起的質(zhì)譜干擾。通過調(diào)諧儀器工作參數(shù)、選擇無干擾同位素和恰當(dāng)?shù)姆直媛士梢杂行Ы档湍酥料祟惛蓴_。

本實(shí)驗(yàn)所用儀器(HR-ICP-MS)具有高(R=10 000)、中(R=4 000)、低(R=300)三種分辨率，三種分辨率模式下各元素靈敏度理論比值大致為1∶10∶100，在低分辨率模式下靈敏度最高。對(duì)于微量和痕量元素測(cè)定同位素按照豐度高、干擾小，尤其是沒有同質(zhì)異位素干擾的原則進(jìn)行選擇；對(duì)于主量元素(包括Na、Mg、Al、Ca、K、S、P)，由于含量高，信號(hào)強(qiáng)度太大容易造成檢測(cè)器的損壞，減少檢測(cè)器的使用壽命，因此選擇豐度低、干擾少的同位素測(cè)定。通過考察各元素的理論質(zhì)譜干擾并用標(biāo)準(zhǔn)溶液實(shí)驗(yàn)，Li7、Be9、 Rb85、Sr88、Nb93、Mo95、Cd111、Sb121、Cs133、Pr141、Nd146、Sm147、Tb159、Dy163、Ho165、Er166、Tm169、Yb172、Lu175、Hf178、Hg202、Tl205、Pb208、Bi209、Th232、U238等的干擾可以忽略，不影響準(zhǔn)確測(cè)定，選擇在低分辨率模式測(cè)定；B11、Na23、Mg24、Al27、P31、S32、Ca44、Sc45、Ti47、V51、Cr52、Mn55、Fe56、Co59、Ni60、Cu63、Zn66、Ge72、Y89、Ba137、La139、Ce140、Eu153、Gd157等受多原子離子影響較大，需要將其與干擾分開才能準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)驗(yàn)表明在中分辨率(R=4 000)模式可與多原子離子分開，選擇在中分辨率(R=4 000)模式測(cè)定；而K39，As75，Se77，Br79，I127只有在高分辨率(R=10 000)模式時(shí)才能與干擾分開，因此選擇在高分辨率(R=10 000)模式測(cè)定。

2.2 共存基體的影響

在ICP-MS測(cè)定中，當(dāng)待測(cè)溶液中可溶性固體含量較高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致儀器漂移引起測(cè)定誤差，并且對(duì)待測(cè)元素具有增強(qiáng)或抑制效應(yīng)，為減小這種基體效應(yīng)，一般采用樣品稀釋、內(nèi)標(biāo)校正或減小稱樣量的方法，但是減小稱樣量可能會(huì)導(dǎo)致降低取樣代表性，同時(shí)也會(huì)增大稱量的不確定度。作者以Rh做內(nèi)標(biāo)，試驗(yàn)不同稀釋因數(shù)(稀釋因數(shù)=稀釋體積/稱樣量)對(duì)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10015(菠菜)中各元素測(cè)定的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)稀釋因數(shù)較小時(shí)，由于溶液中可溶性固體總量較高，基體對(duì)Li、B、Al、S、K、Ca、Rb、Sr等元素呈現(xiàn)增強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)Cr、Zn、Ge、Se、I、Hg等元素則呈現(xiàn)抑制效應(yīng)，對(duì)其他元素影響較??；當(dāng)稀釋因數(shù)為300時(shí)，各元素回收率趨近于100%，這表明通過稀釋可以有效地降低溶液中可溶性固體總量，減小乃至消除基體效應(yīng)，但是稀釋因數(shù)過大又會(huì)使測(cè)定誤差加大，使測(cè)定的不確定度增加，測(cè)定下限變壞，使得痕量元素難以準(zhǔn)確測(cè)量。因此本實(shí)驗(yàn)選擇稀釋因數(shù)為300。

2.3 樣品消解方法

生物樣品的消解一般采用干法灰化、濕法消解、密閉高壓消解和微波消解法等，干法灰化和濕法消解容易造成易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，使測(cè)定結(jié)果偏低；密閉高壓消解法耗時(shí)較長(zhǎng)，一般需要數(shù)小時(shí)；而微波密閉消解法是均勻、快速的內(nèi)部加熱方法，在高溫、高壓條件下使有機(jī)物快速分解，樣品消解完全。

2.3.1 消解液的選擇

按照試驗(yàn)方法，比較了硝酸、硝酸-過氧化氫、鹽酸、王水和逆王水等消解體系，結(jié)果表明逆王水的消解能力最強(qiáng)，能將有機(jī)物完全破壞，消解試液呈無色。因此選擇逆王水消解試樣，并試驗(yàn)?zāi)嫱跛昧康挠绊?。分別用1.0 mL，1.5 mL，2.0 mL，2.5 mL，3.0 mL，3.5 mL逆王水來消解生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10015(菠菜)，試驗(yàn)結(jié)果表明，2.5 mL逆王水可以將0.2 500 g試樣(GBW10015)分解完全，消解液呈無色。

進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，僅選用逆王水作為消解液，某些元素(例如Al、Ti、Sc、Fe等)不能完全進(jìn)入溶液，致使測(cè)定結(jié)果偏低，這與高壓密閉消解[16]實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。因此進(jìn)一步試驗(yàn)在逆王水中加入HF對(duì)各元素回收率的影響，結(jié)果表明加入0.1 mL HF能有效地將各元素完全溶解進(jìn)入溶液，各元素的測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值吻合。本實(shí)驗(yàn)選擇2.5 mL逆王水和0.1 mL氫氟酸混合酸作為消解液。

2.3.2 微波消解程序的確定

本實(shí)驗(yàn)所用微波消解儀的輸出功率可根據(jù)樣品數(shù)量、加熱溫度等自動(dòng)調(diào)整，因此，僅對(duì)消解時(shí)間、消解溫度、升溫時(shí)間等進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化。消解過程中消解罐內(nèi)的溫度由消解裝置的溫度傳感器控制，微波功率由預(yù)先設(shè)定的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明按照表1微波消解程序可以將樣品完全消解，各元素能定量進(jìn)入溶液。

表1 微波消解程序

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

在傳統(tǒng)分析方法中一般采用測(cè)定各元素標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的信號(hào)強(qiáng)度，以元素標(biāo)準(zhǔn)濃度對(duì)信號(hào)強(qiáng)度作圖繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代儀器均配有數(shù)據(jù)自動(dòng)處理系統(tǒng)，所測(cè)數(shù)據(jù)完全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理過程，節(jié)省了人力。

本研究同時(shí)測(cè)定生物樣品中55種元素，由于不同元素具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，各元素存在的穩(wěn)定形式、存在介質(zhì)也不盡相同，因而將眾多元素配制在同一溶液中是非常困難的，尤其是痕量元素濃度大多低于0.Xng/mL水平，各元素從高濃度逐級(jí)稀釋至0.Xng/mL將會(huì)引入很大誤差；如果采取分組配制標(biāo)準(zhǔn)溶液的方法，基體效應(yīng)將會(huì)明顯增加。本研究探索采用生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消解溶液繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線的方法，采用生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消解溶液做標(biāo)準(zhǔn)，可以使所研究各元素存在于同一溶液中，即可在一定程度上減小基體效應(yīng)，也可減小配制標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的誤差。因此，只要所選生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)能夠完全消解，所研究各元素能完全進(jìn)入溶液即可。

通過研究各個(gè)國家一級(jí)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，考慮各元素含量應(yīng)該適中；定值元素足夠多，初步選定GBW10015(菠菜)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，以空白做零點(diǎn)，以兩點(diǎn)法繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。分別測(cè)定GBW10015(菠菜)、GBW10016(茶葉)、GBW10020(柑橘葉)、GBW10021(豆角)、GBW10023(紫菜)五個(gè)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中各元素含量，以測(cè)定值對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行最小二乘法線性回歸，求得相關(guān)系數(shù)。從表2可以看出，各元素的相關(guān)系數(shù)均大于0.99，表明各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中各元素的測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合較好，也進(jìn)一步證明了本文所提出的樣品消解方法是可以將所選生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)完全消解，所研究各元素能完全進(jìn)入溶液。

表2 各元素相關(guān)系數(shù)

2.5 方法檢出限

按照本文擬定的分析方法，對(duì)空白溶液進(jìn)行12次測(cè)定，以測(cè)定值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度，同時(shí)考慮稱樣量和稀釋倍數(shù)，得到方法檢出限，結(jié)果見表3。

2.6 方法驗(yàn)證

選擇國家一級(jí)生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10012(玉米)、GBW10016(茶葉)、GBW10023(紫菜)各平行稱取12份，按照本文擬定的分析方法進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表4。由表4可看出各元素的測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)推薦值較吻合，各元素相對(duì)誤差為0%～27%，精密度為0.8%～21.9%，大多元素精密度優(yōu)于10%，能夠滿足分析要求。

表3 方法檢出限

表4 方法準(zhǔn)確度和精密度

續(xù)表4

參考文獻(xiàn)：

[1] 李金英，郭冬發(fā)，姚繼軍，等.電感藕合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)新進(jìn)展[J].質(zhì)譜學(xué)報(bào).2002，23(3):164-179.

[2] 何小青，劉湘生，陳翁翔，等. 電感藕合等離子體質(zhì)譜技術(shù)新進(jìn)展[J].冶金分析2004，24(6)：26-35.

[3] 李冰，楊紅霞.電感禍合等離子體質(zhì)譜技術(shù)最新進(jìn)展[J].分析試驗(yàn)室，2003，22:94-100.

[4] 胡凈宇，王海舟. ICP-MS在冶金分析中的應(yīng)用進(jìn)展[J].冶金分析，2001，21:27-32.

[5] 李金英，姚繼軍. ICP-MS在放射性物質(zhì)分析中的應(yīng)用[J].國外分析儀器，2001，3:16-26.

[6] 陳杭亭，曹淑琴，曾憲津. 電感耦合等離子體質(zhì)譜方法在生物樣品分析中的應(yīng)用[J].分析化學(xué)，2001，29(5):593-600.

[7] 于兆水，張勤. 六極桿碰撞反應(yīng)池等離子體質(zhì)譜測(cè)定生物樣品中痕量鉻和釩[J].理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè)，2007，43(1)：11-14.

[8] 聶玲清，紀(jì)紅玲. 高分辨電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定純鐵和低合金鋼中痕量磷[J].冶金分析，2008，28(10)：19-22.

[9] 何曉梅，謝華林，聶西度，等. 高分辨等離子體質(zhì)譜法測(cè)定高純二氧化欽中痕量雜質(zhì)[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27(6)：1192-1196.

[10] KAZUHIRO NORISUYE, KEI OKAMURA, YOSHIKI SOHRIN,et al. Determination of240Pu/239Pu Ratio in the Ocean by Using HR-ICP-MS[J]. Analytical Sciences,2001, 17 (SUPPLEMENT):29-32.

[11] HUA LIN XIE, XI DU NIE, YOU GEN TANG. Quantification of Trace Amounts of Impurities in High Purity Cobalt by High Resolution Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J]. Chinese Chemical Letters 2006, 17(8): 1077-1080.

[12] XIAODONG BU, TIEBANGWANG,GENE HALL. Determination of halogens in organic compounds by high resolution inductively coupled plasma mass spectrometry (HR-ICP-MS)[J]. J.Anal.At.SPectorm.，2003，18:1443-1451.

[13] LU YANG, RALPH E. STURGEON,DENNIS PRINCE ,et al. Determination of vanadium in biological ?uids using HR-ICP-MS[J]. J.Anal.At.SPectorm.，2002，17:1300-1303.

[14] LUC MOENS, PETER VERREPT, RICHARD DAMS,et al. New high-resolution inductively coupled plasma mass spectrometry technology applied for the determination of V, Fe, Cu, Zn and Ag in human serum[J]. J.Anal.At.SPectorm.，1994，9:1075-1078.

[15] CRISTINA SARIEGOMUIZ, JUAN M. Marchante-Gayón, J. Ignacio García Alonso and Alfredo Sanz-Medel. Multi-elemental trace analysis of human serum by double-focusing ICP-MS[J]. J.Anal.At.SPectorm.，1999，14(2):193-198.

[16] 于兆水，孫曉玲，張勤.高壓密閉消解-電感耦合等離子體光譜法測(cè)定生物樣品中13種元素[J]. 理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè),2009，45(4)：406-409.