徐愛平 文典 杜瑞英 彭錦芬 陳永堅 李梅霞

[1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與監(jiān)測技術(shù)研究所 廣東廣州 510640；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全風險評估實驗室（廣州） 廣東廣州 510640；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測與評價重點實驗室 廣東廣州 510640；4. 廣東農(nóng)科監(jiān)測科技有限公司 廣東廣州 510640]

磷和鉀是控制植物生長和發(fā)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(nèi)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(nèi)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(tài)系統(tǒng)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(zhì)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(fā)射光譜(ICP-OES)技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的分析測試新技術(shù)，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(fù)雜機體大量元素分析，在食品、藥品、衛(wèi)生、生物和環(huán)境等各領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[5-8]。

目前，植物樣品中磷和鉀的測定參照食品標準，現(xiàn)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(fā)射光譜法、ICP-OES和電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)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(yīng)盡量放棄使用這種傳統(tǒng)的比色方法?；鹧嬖游展庾V法、火焰原子發(fā)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(shù)稀釋，其中每次稀釋后要加入氯化銫等掩蔽劑，應(yīng)用復(fù)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(dǎo)性的，沒有具體解決這2種元素的同時測定問題。因此，根據(jù)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(gòu)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(shù)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(yōu)級純，J.T.Baker）；高氯酸（優(yōu)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(zhì)。

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(zhì)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(guān)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(zhuǎn)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(jīng)實驗優(yōu)化，采用垂直觀測方式，磷和鉀在0～200 mg/L有良好的線性關(guān)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(zhì)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(wěn)定時間15 s，管道清洗時間10 s，爆光時間30 s。

2 結(jié)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(fù)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(shè)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(guī)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(fā)的一種快速全消解法，消化管為聚四氟乙烯材質(zhì)，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(shè)置好升溫程序，開機后消解儀自動工作，4 h內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(zhì)簡單的樣品（如蔬菜、水果）的消化效果較好，對基質(zhì)較復(fù)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(jié)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(fā)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(yīng)完成，然后升到較高溫度進行消化回流。將最高溫度設(shè)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(fā)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(yīng)延長，處理1、2、3最高消化溫度分別為190、200、210℃，結(jié)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(guān)信號，基體對結(jié)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(yīng)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(jié)合對應(yīng)信號強度，選擇213.618和766.490 nm作為磷和鉀分析譜線。大多數(shù)植物樣液稀釋5倍后上機測試，鉀和磷的測定結(jié)果基本在曲線范圍內(nèi)，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(jīng)過5倍稀釋后測定數(shù)據(jù)超出標準曲線的，需繼續(xù)稀釋，讓測定點落在曲線范圍的中上部。

ICP-OES數(shù)據(jù)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(yīng)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(wěn)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(fù)測定2次取平均值，以濃度為橫坐標，信號發(fā)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(guān)系數(shù)（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(shù)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(nèi)，譜線強度和對應(yīng)元素濃度呈良好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)（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(guān)系數(shù)和檢出限均能滿足磷和鉀檢測要求。

表2 方法線性關(guān)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(zhì)中的磷和鉀進行處理，每個樣品7個重復(fù)，測定結(jié)果取平均值，見表3。各標準物質(zhì)測定值均在標示值的范圍內(nèi)，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(jié)論

本研究系統(tǒng)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(jīng)硝酸和高氯酸消解，磷和鉀在標準溶液濃度范圍內(nèi)，線性范圍寬，可達200 mg/L；相關(guān)系數(shù)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。