李愛陽(yáng)，陳宇，殷子懿，陳林

1(湖南工學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)，421002)2(湖南中醫(yī)藥研究院 中醫(yī)研究所，湖南 長(zhǎng)沙，410013)

糙米是稻谷去除稻殼后保留胚芽、糠層和胚乳的全谷米粒，因其富含膳食纖維、γ-氨基丁酸、酚類物質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)，被認(rèn)為是綠色健康食品[1-3]。此外，糙米的麩皮和胚芽層完整，使其具有堅(jiān)果口味和豐富的質(zhì)感[4]。糙米作為全球多個(gè)國(guó)家膳食結(jié)構(gòu)中的重要組成食物，不僅能提供能量來源，還能提供人體必需的微量元素[5-7]。然而，水稻的生長(zhǎng)特性極易從其生長(zhǎng)環(huán)境中吸收重金屬元素，一旦積累到谷粒中重金屬元素超標(biāo)，就會(huì)對(duì)人類健康構(gòu)成危害。因此，準(zhǔn)確測(cè)定糙米中的微量元素含量具有十分重要的意義。

糙米中多種微量元素的測(cè)定已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，主要分析技術(shù)包括：原子吸收(atomic absorption spectrometry, AAS)[8-10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES)[11-13]和電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[14-16]。其中，ICP-MS具有極低的檢測(cè)限和高靈敏度，并能滿足多元素同時(shí)測(cè)定的需求，但I(xiàn)CP-MS分析維護(hù)成本高，面對(duì)復(fù)雜干擾需采用碰撞/反應(yīng)池(collision/reaction cell, CRC)技術(shù)或高分辨ICP-MS[high resolution, (HR)-ICP-MS]才能徹底消除，儀器價(jià)格昂貴且操作要求高；AAS的線性范圍窄，單元素分析特性不能滿足多元素快速測(cè)定的高通量分析需求，對(duì)于難熔元素和非金屬元素的分析靈敏度低。ICP-OES線性范圍寬且能滿足多元素快速測(cè)定需求，但應(yīng)用于糙米中多元素的測(cè)定仍具挑戰(zhàn)性：即使在高溫等離子體條件下，常規(guī)液體霧化樣品引入難電離元素的電離不充分，導(dǎo)致這些元素的分析靈敏度低；糙米中部分元素含量低，尤其是難電離毒理性元素As、Sn、Sb、Hg，而ICP-OES的檢測(cè)限偏高，導(dǎo)致這些元素難以檢出。氫化物發(fā)生(hydride generation, HG)技術(shù)能將難電離元素轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性氫化物，極大地提高了這些元素在等離子體中的輸送、霧化和激發(fā)效率，與常規(guī)液體霧化樣品引入方式相比，能降低元素的檢出限(limit of detection, LOD)達(dá)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)[17-19]，但揮發(fā)性氫化物的形成需使用氫化物發(fā)生進(jìn)樣裝置，對(duì)于樣品中氫化物和非氫化物元素的測(cè)定需要更換不同的進(jìn)樣系統(tǒng)，操作復(fù)雜繁瑣，不能滿足大批量樣品中多元素的快速分析要求。多模式進(jìn)樣系統(tǒng)(multimode sample introduction system, MSIS)在雙重模式下兼具常規(guī)液體霧化和氫化物發(fā)生功能，能同時(shí)測(cè)定氫化物元素和非氫化物元素[20]。

本文將糙米進(jìn)行微波消解，在MSIS雙重模式下，采用ICP-OES對(duì)糙米中的氫化物元素(As、Se、Sn、Sb、Hg)和非氫化物元素(Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb)同時(shí)進(jìn)行測(cè)定，通過構(gòu)建快速自動(dòng)曲線擬合技術(shù)(fast automatic curve fitting technology, FACT)模型消除測(cè)定過程中的光譜干擾和背景干擾，建立了糙米中多種微量元素快速準(zhǔn)確測(cè)定的分析方法。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

1 000 mg/L的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；10 mg/L的Y、Bi內(nèi)標(biāo)溶液、65%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸、37%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸，德國(guó)Merck；L-半胱氨酸(生物純)、酒石酸、氫氧化鈉、硼氫化鈉(均為分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；不同產(chǎn)地的6種糙米，京東超市。硝酸采用亞沸蒸餾純化。

預(yù)還原劑：在4 g酒石酸中加入100 g/LL-半胱氨酸溶液20 mL，用超純水定容至100 mL，得到20 g/LL-半胱氨酸/40 g/L 酒石酸混合溶液。

還原劑：將0.5 g NaOH和1.5 g硼氫化鈉溶于超純水中并定容至100 mL，得到15.0 g/L硼氫化鈉/5.0 g/L氫氧化鈉混合溶液。

1.2 儀器與設(shè)備

5110電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，美國(guó)Agilent公司；MARs 5微波消解系統(tǒng)，美國(guó)CEM公司；Milli-Q超純水機(jī)，美國(guó)Millipore公司。

1.3 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取0.4 g經(jīng)粉碎糙米樣品置入微波消解系統(tǒng)反應(yīng)罐內(nèi)，用少量超純水潤(rùn)濕后加入65%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸2.5 mL，敞口消解20 min后置入微波消解系統(tǒng)進(jìn)行消解。消解完成后轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，加入37%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸3.5 mL，用超純水稀釋至刻度，得到樣品溶液。按相同條件制得空白溶液。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1.4.1 工作條件

ICP-OES：射頻功率1 350 W；等離子氣流速11.5 L/min；輔助氣流速1.0 L/min；泵速20 r/min；讀取時(shí)間20 s；重復(fù)次數(shù)3次；樣品提升延遲時(shí)間30 s；穩(wěn)定時(shí)間25 s；沖洗時(shí)間60 s；光譜/背景干擾校正，F(xiàn)ACT。

微波消解：功率1 600 W，3 min升溫至100 ℃，保持3 min；7 min升溫至150 ℃，保持3 min；7 min升溫至170 ℃，保持3 min；5 min升溫至190 ℃，保持10 min。

MSIS：樣品溶液引入流速0.5 mL/min；還原劑引入流速0.5 mL/min；預(yù)還原劑引入流速2.0 mL/min；霧化氣流速0.65 L/min。

1.4.2 ICP-OES分析

開啟MSIS雙重模式(圖1)，采用蠕動(dòng)泵將樣品溶液分兩路引入MSIS霧化室，一路經(jīng)通道2引入進(jìn)行常規(guī)液體霧化后導(dǎo)入ICP-OES，一路經(jīng)通道3與來自通道5的預(yù)還原劑在三通線圈均勻混合后進(jìn)入MSIS霧化室，與來自通道1的還原劑進(jìn)行氫化物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的氫化物蒸氣導(dǎo)入ICP-OES，所形成的廢液經(jīng)通道4排出。

圖1 在雙重模式下運(yùn)行的多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)(MSIS)Fig.1 Multimode sample introduction system (MSIS) operating in dual mode

分別配制0、1、5、20、100、500 μg/L的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr和0、0.1、0.5、2.0、10、50 μg/L的Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1 mg/L的Y和Bi內(nèi)標(biāo)混合溶液，采用ICP-OES測(cè)定，選擇FACT校正光譜/背景干擾，以分析元素信號(hào)強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素信號(hào)強(qiáng)度的比值(相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)溶液所對(duì)應(yīng)的濃度進(jìn)行回歸，利用ICP Expert軟件建立校準(zhǔn)曲線。在相同的條件下測(cè)定空白溶液和樣品溶液，根據(jù)樣品溶液中分析元素的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度，利用校準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品溶液中分析元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫化物發(fā)生條件的選擇

糙米樣品中的微量元素通常以穩(wěn)定的高氧化態(tài)存在，選擇還原酸對(duì)樣品進(jìn)行酸化還原有利于提高分析元素的氫化物發(fā)生效率[21]。鹽酸兼具酸化和還原性，能使高氧化態(tài)分析物轉(zhuǎn)化為低氧化態(tài)或基態(tài)原子。在糙米樣品的預(yù)處理過程中，本實(shí)驗(yàn)選擇鹽酸對(duì)消解溶液進(jìn)行酸化還原?？疾炝瞬煌葵}酸對(duì)氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg的影響，結(jié)果見圖2-a。As和Sb的氫化物AsH3和SbH3為四面體結(jié)構(gòu)，含一對(duì)孤對(duì)電子的弱極性分子；Sn氫化物SnH4為正四面體結(jié)構(gòu)，不含孤對(duì)電子的非極性分子，在酸度適中的介質(zhì)中，有利于SnH4、AsH3和SbH3產(chǎn)生；Se氫化物H2Se為四面體結(jié)構(gòu)，是含2對(duì)孤對(duì)電子的極性分子，較低酸度不利于H2Se產(chǎn)生，而Hg氫化物發(fā)生產(chǎn)物為基態(tài)原子蒸氣，受酸度的影響較小。因此，當(dāng)鹽酸體積分?jǐn)?shù)在低含量范圍(5%～10%)變化時(shí)，As、Sn、Sb的信號(hào)強(qiáng)度隨鹽酸的體積分?jǐn)?shù)增大而增大，而Se、Hg的信號(hào)強(qiáng)度基本無(wú)變化；隨后增大鹽酸含量，As、Sn、Sb的信號(hào)強(qiáng)度變化不大，而Se的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大，Hg的信號(hào)強(qiáng)度仍然維持平穩(wěn)；當(dāng)鹽酸體積分?jǐn)?shù)增高至14%時(shí)，As、Sn、Sb的信號(hào)強(qiáng)度開始緩慢下降，但Se的信號(hào)強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，Hg的信號(hào)強(qiáng)度仍然無(wú)明顯變化。由于5種氫化物元素中As的信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較低，本實(shí)驗(yàn)選擇鹽酸體積分?jǐn)?shù)為14%，確保了As的信號(hào)強(qiáng)度最大而其余氫化物元素也具有較大信號(hào)強(qiáng)度。通過在線加入由20 g/LL-半胱氨酸/40 g/L酒石酸組成的預(yù)還原劑與樣品溶液混合，提高了分析元素的氫化物發(fā)生效率。

a-鹽酸含量;b-硼氫化鈉含量圖2 濃度對(duì)氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg的影響Fig.2 Effect of concentrations on hydride-generation elements As, Se, Sn, Sb, and Hg

硼氫化鈉與酸反應(yīng)產(chǎn)生的H2，可與樣品溶液中的低氧化態(tài)的As、Se、Sn、Sb反應(yīng)形成氫化物蒸氣，并能將基態(tài)原子Hg還原形成蒸氣。在氫化物發(fā)生反應(yīng)過程中，硼氫化鈉含量的增加導(dǎo)致生成的水蒸氣也逐漸增多，由于SnH4為非極性分子，AsH3和SbH3為弱極性分子，SnH4不會(huì)受到水偶極距溶解影響，AsH3和SbH3受到水偶極距溶解的影響較小；而H2Se為強(qiáng)極性分子，受水偶極距溶解的影響，在水蒸氣中極易形成弱酸被硼氫化鈉的穩(wěn)定劑(NaOH)中和吸收，導(dǎo)致H2Se的產(chǎn)率降低；Hg蒸氣的信號(hào)強(qiáng)度取決于H2的生成量，較大濃度硼氫化鈉會(huì)生成更多H2?？疾炝瞬煌饸浠c濃度對(duì)As、Se、Sn、Sb、Hg氫化物發(fā)生的影響，從圖2-b可以看出，隨著硼氫化鈉濃度的增大，各元素的信號(hào)強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)硼氫化鈉的質(zhì)量濃度為10 g/L時(shí)，As和Hg的信號(hào)強(qiáng)度繼續(xù)增大，Sn和Sb的信號(hào)強(qiáng)度增幅變小，而Se的信號(hào)強(qiáng)度趨于平緩，當(dāng)硼氫化鈉的質(zhì)量濃度增大至15 g/L時(shí)，Se的信號(hào)強(qiáng)度開始降低。為確保所有分析物具有較大信號(hào)強(qiáng)度，本實(shí)驗(yàn)選擇15 g/L硼氫化鈉為還原溶液，并加入0.5%的NaOH穩(wěn)定硼氫化鈉溶液。

2.2 分析譜線的選擇

根據(jù)ICP Expert譜線庫(kù)提供的分析譜線優(yōu)先排序和潛在的干擾，選擇靈敏度高并能避開譜線重疊干擾的波長(zhǎng)為分析譜線。對(duì)于高靈敏譜線存在重疊干擾，而無(wú)干擾譜線的靈敏度過低不能滿足分析要求時(shí)，需要對(duì)選擇的高靈敏譜線進(jìn)行重疊干擾校正。以Cd為例，Cd波長(zhǎng)為226.502和214.439 nm處的2條高靈敏分析譜線均受到了Fe譜線干擾，其中，F(xiàn)e波長(zhǎng)為226.505 nm處譜線與Cd在226.502 nm處的譜線峰間距離僅為3 pm，現(xiàn)有ICP-OES的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法完全分開這2條譜線，當(dāng)樣品中Fe含量很高時(shí)，F(xiàn)e譜線226.459 nm也會(huì)對(duì)Cd在226.502 nm處的譜線形成尾翼干擾。Cd在214.439 nm處的譜線與Fe波長(zhǎng)為214.445 nm處譜線的峰間距離為6 pm，雖然受到的干擾比Cd譜線226.502 nm小，但I(xiàn)CP-OES仍然無(wú)法分離這2條譜線，同時(shí)，在高濃度Fe基質(zhì)中Cd在226.502 nm處的譜線還會(huì)受到Fe在214.457 nm處譜線的重疊干擾。本實(shí)驗(yàn)選擇Cd的分析波長(zhǎng)為214.439 nm，采用FACT對(duì)Fe譜線干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)光譜校正。

分別測(cè)定Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液、Fe標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白溶液，收集相應(yīng)的光譜響應(yīng)信息構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，對(duì)模型進(jìn)行高斯曲線擬合，將譜峰轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)描述。檢驗(yàn)剩余結(jié)構(gòu)的殘差，如果殘差足夠大，則將其擬合到其他高斯分布中[22]。因此，F(xiàn)ACT模型為高斯峰與相對(duì)小的殘差之和，通過算法將分析譜線從原始光譜中解析出來。從圖3可以看出，利用FACT模型可將Cd譜線214.439 nm處受到的Fe干擾峰完全分離，從而校正光譜重疊干擾。由于在建模過程中使用了空白溶液響應(yīng)數(shù)據(jù)，因此，F(xiàn)ACT能同時(shí)校正背景干擾?；贔ACT能同時(shí)校正光譜重疊和背景干擾，本實(shí)驗(yàn)分別選擇Cr 267.716 nm、Mn 257.610 nm、Fe 238.204 nm、Ni 231.604 nm、Cu 327.395 nm、Zn 213.857 nm、Mo 202.032 nm、Sr 216.596 nm、Pb 220.353 nm、As 188.980 nm、Se 196.026 nm、Sn 189.925 nm、Sb 217.582 nm、Hg 194.164 nm為分析譜線進(jìn)行測(cè)定。

圖3 采用FACT模型校正Fe對(duì)Cd的譜線重疊干擾Fig.3 Correction of spectral overlap interference of Fe on Cd using FACT model

2.3 方法的分析穩(wěn)定性

為評(píng)價(jià)長(zhǎng)時(shí)間分析過程的穩(wěn)定性，向樣品溶液中加入由10 μg/L的非氫化物發(fā)生元素和1 μg/L的氫化物發(fā)生元素組成的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，選擇Y為Cr、Mn、Ni、Mo、Cd、Pb的內(nèi)標(biāo)元素，Bi為Fe、Cu、Zn、Sr、As、Se、Sn、Sb、Hg的內(nèi)標(biāo)元素，每10 min測(cè)定1次，共測(cè)定12次，分析元素在120 min內(nèi)的歸一化相對(duì)強(qiáng)度的變化(圖4)?？梢钥闯?，幾乎所有分析元素每次測(cè)定的歸一化信號(hào)強(qiáng)度值均在(1±0.05)內(nèi)變化，表示方法在長(zhǎng)時(shí)間分析過程中的穩(wěn)定性良好。

圖4 在120 min內(nèi)加標(biāo)到樣品溶液中多元素 標(biāo)準(zhǔn)溶液的分析穩(wěn)定性Fig.4 Analytical stability of multi-element standard solutions spiked into sample solutions within 120 min

2.4 方法的線性與檢出限

利用選定的分析波長(zhǎng)和內(nèi)標(biāo)譜線對(duì)系列多元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，建立分析元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。對(duì)空白溶液重復(fù)測(cè)定11次，以測(cè)定結(jié)果3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)濃度為各元素儀器的LOD，乘以樣品的稀釋倍數(shù)為方法的檢出限(method detection limit, MDL)，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，所有分析元素在各自線性范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 6，表明方法具有良好的線性關(guān)系。各元素的LOD為0.01～1.06 μg/L，MDL為0.63～66.2 μg/kg。其中所有非氫化物元素均低于國(guó)標(biāo)GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》ICP-OES法所得到的LOD；氫化物元素除Se以外，均低于國(guó)標(biāo)GB 5009.268—2016電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法所得到的LOD。

表1 方法的線性與檢出限Table 1 Linearity of method and limit of detection

2.5 標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)GBW10045的分析

為評(píng)價(jià)分析方法的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)重復(fù)測(cè)定6次，比較測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)參考值的一致性，并采用加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，考察各元素的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)。表2結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的分析結(jié)果與參考值基本一致，各元素的平均加標(biāo)回收率為93.0%～106%，RSD為2.2%～4.9%，驗(yàn)證了分析方法準(zhǔn)確度和精密度高，能滿足實(shí)際檢測(cè)需要。

表2 標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)湖南大米(GBW10045)的分析結(jié)果Table 2 Analysis results of standard reference material Hunan rice (GBW10045)

2.6 樣品分析

應(yīng)用建立的方法分析了來自黑龍江、湖南、江西、遼寧、泰國(guó)、日本的6個(gè)不同產(chǎn)地的糙米(樣品編號(hào)分別為1、2、3、4、5、6)樣品，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6次，結(jié)果見表3。糙米中微量營(yíng)養(yǎng)元素的含量普遍高于精米，但稻谷吸收的重金屬元素主要分布在纖維素更多的部位[23]，糙米中重金屬元素的含量也比精米高。對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2022《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》，所有樣品中重金屬元素的含量均低于限量標(biāo)準(zhǔn)。盡管糙米的營(yíng)養(yǎng)高于精米，但仍需關(guān)注糙米中重金屬元素超標(biāo)對(duì)健康帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

表3 不同產(chǎn)地糙米樣品的分析結(jié)果(n=6) 單位：μg/kg

3 結(jié)論

本研究基于MSIS的雙重模式下能同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)霧化和氫化物發(fā)生，開發(fā)了ICP-OES同時(shí)測(cè)定糙米中氫化物元素和非氫化物元素的分析方法。方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需切換不同的進(jìn)樣系統(tǒng)，縮短了分析時(shí)間，降低了分析運(yùn)行成本。所有分析元素均具有高靈敏度、低LOD和良好的線性，整個(gè)測(cè)定過程穩(wěn)定性好，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，非常適合大批量樣品中氫化物元素和非氫化物元素的高通量檢測(cè)。雖然糙米中的微量營(yíng)養(yǎng)元素的含量高于精米，但仍需關(guān)注重金屬元素超標(biāo)所帶來的健康風(fēng)險(xiǎn)。