石墨消解—电感耦合等离子体质谱法测定烟叶中12种微量元素

2017-05-30邓杰戴林建杨苏周田

热带作物学报 2017年9期

邓杰戴林建杨苏周田

摘要采用石墨消解-电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）同时测定烟叶中硼（B）、钛（Ti）、铬（Cr）、锰（Mn）、镍（Ni）、铜（Cu）、砷（As）、硒（Se）、钼（Mo）、镉（Cd）、铯（Cs）、钡（Ba） 12种微量元素。样品的前处理采用硝酸和过氧化氢混合溶液，通过石墨消解仪进行消解，建立了一种新的前处理消解方法。用此检测体系对来自湖南湘西3个地区的烟叶样品进行了测定，研究并发现了以上微量元素随产地、部位的不同而在烟叶中存在一定的含量差异。该方法相对标准偏差：1.25%～8.93%，回收率：93.07%～104.75%，适用于烟叶中多种微量元素含量的测定。

关键词石墨消解；电感耦合等离子体质谱；烟叶；微量元素

中图分类号 O657 文献标识码 A

Determination of 12 Minor and Trace Elements

in Tobacco by Graphite Digestion-ICP-MS

DENG Jie， DAI Linjian*， YANG Su， ZHOU Tian

College of Agronomy， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan 410128， China

Abstract A method for the determination of B， Ti， Cr， Mn， Ni， Cu， As， Se， Mo， Cd， Cs， Ba in tobacco by ICP-MS with graphite digestion was studied. A new graphite digestion method was used in the pretreatment of the samples， decomposed in a mixture of HNO3 and H2O2. In this paper， the samples of tobacco produced in three tobacc-o zones of Xiangxi， Hunan were determined. The results indicated that the level of elemental content in tob-acco varies according to region and stalk positions.The relative standard deviation was 1.25%-8.93% and the recoveries for the spiked standards ranged from 93.07% to 104.75%. This method is suitable for the determination of minor and trace elements in tobacco.

Key words Graphite digestion； ICP-MS； tobacco； minor and trace elements

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.09.029

微量元素是烟株营养的重要组成部分，其与烟草的生长发育和品质形成密切相关，而烟草在生长过程中因为地理环境和其他因素会导致烟叶内微量元素含量的差异，因此，快速准确地测定烟叶中的微量元素对于烟草工作者具有重要意义[1-3]。

電感耦合等离子体质谱技术（ICP-MS）以其检出限低、线性范围宽、准确性好、多元素同时检测等优点广泛应用于元素分析领域[4-5]，近年也越来越多的应用于烟草样品的元素检测，但前处理较多使用的是微波消解和电热板消解[6-8]。石墨消解采用石墨材料做加热体，温度均匀性好，一次消解样品数多并在常压下进行消解，是一种安全有效的元素分析前处理方法，前人曾使用智能石墨消解仪前处理，电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）测定烟叶中的元素[9]。对此，笔者建立了一种石墨消解方法对烟叶样品进行前处理，并结合使用电感耦合等离子体质谱检测同时测定了湖南龙山、花垣、桑植3个烟区烟叶中的12种微量元素。旨在建立一种新的烟叶元素检测体系，并考察湘西地区烟叶中元素的含量水平及其分布。

1 材料与方法

1.1 材料

材料：供试烤后烟叶样品取自龙山、花垣、桑植3个地区，品种为k326，选取上中下3个部位的烟叶。

试剂：HNO3（65%，优级纯，德国Merck公司）、H2O2（30%，分析纯，广东西陇化工有限公司）、Ar（纯度大于99%）；混合环境标液（美国Agilent公司，货号8500-6940）、钛单元素标准溶液（国家标准物质研究中心，货号GSB04-1757-2004）、混合内标溶液（美国Agi1ent公司，货号5188-6525）。

仪器：7700型电感耦合等离子体质谱仪（美国Agi1ent公司）、HanonSH220石墨消解仪（海能仪器公司）、Milli-QElement超纯水处理系统（电阻率>18.2 MΩ·cm，美国Millipore公司）、GR-200电子分析天平（感量0.000 1 g，日本And公司）。

1.2 方法

1.2.1 样品的前处理将烟叶样品置于烘箱45 ℃烘干，用粉样机粉碎后过80目筛。称取过筛后粉末烟样0.3 g，精确至0.1 mg，置于石墨消解管中，加入6 mL HNO3，注意贴靠管壁滴入，以洗脱粘在管壁的粉末烟样，静置片刻。然后将消解管放置于石墨消解仪中，将温度设定为80 ℃。60 min后加入2 mL H2O2，然后将温度调至140 ℃，管内开始冒深棕色黄烟。60 min后再加入2 mL H2O2，保持140 ℃恒温加热。待30 min后黄烟基本消失时，再次加入2 mL H2O2，升温至180 ℃持续加热至管内溶液澄清，注意时刻观察管内溶液防止蒸干碳化，继续加热至白烟冒尽后，取下消解管稍冷，用超纯水分几次冲洗管壁并移至50 mL的容量瓶，定容至刻度。元素测定前，取瓶内溶液稀释至100倍供ICP-MS测定。用同样的方法制备一份空白样品。

1.2.2 标液的配制临用前将钛元素标液配置加入到混标使用，注意加入前保持浓度一致，其余元素标液用安捷伦混合环境标液稀释。按梯度关系分别精密量取一定体积的标准溶液注入空的50 mL PET样品瓶中，用2%的硝酸稀释定容，得到浓度分别为0、5、10、20、40 μg/mL的混合标液。

1.2.3 ICP-MS测定采用内标法对测定进行校正，待仪器调谐完毕后，将内标进样管依次插入按浓度梯度顺序排列的标准溶液、空白溶液、待测烟叶样品溶液中进行ICP-MS测定。为避免样品交叉污染，每次测试都用2% HNO3与超纯水分别冲洗管路，然后进行下一个样品的测定，仪器具体工作参数见表1；待测元素同位素的选取和内标元素的选择等见表2。

2 结果与分析

2.1 线性关系和检出限

在选定的仪器条件下，以目标元素含量对目标元素与内标元素的强度响应比值进行线性回归，得到各元素的标准工作曲线和相关系数，结果显示各元素的线性关系较好，相关系数在0.999 1～0.999 9之间。对空白样品进行测定，依据IUPAC规定，以3倍标准偏差对应的浓度为其方法检出限，除Ti和Ba的检出限（分别为0.474 μg/L和0.431 μg/L）較高外，其他微量元素的检出限均保持在较低的阈值，具体测试结果见表3。

2.2 精密度与回收率

按1.2所述方法对样品进行检测，平行实验6次，计算其RSD值，结果在1.25%～8.93%，能够满足烟叶样品分析的要求。再使用上述精密度测试所用样品，按1.2.1的前处理方法处理后加入计算量的标准溶液，然后按后续步骤进行回收率测定，除Mo的回收率为93.07%外，其他元素的回收率均高于95%，B、Mn、Cu的回收率超过100%，说明该方法回收率较好，具体测试结果见表4。

2.3 样品检测结果

选取湘西地区3个烟区的不同部位烟叶样品，按1.2所述方法进行测定，从检测结果来看，湘西地区的烤烟Cu、Mn含量丰富，而Mo含量偏低，其他元素含量都在正常范围之内，其中龙山烟区的B、Ni和花垣烟区的Ti、Cr、Cu、As、Ba以及桑植烟区的Mn、Se、Mo、Cd、Cs的含量高于其他地区。对上、中、下3个部位的烟叶进行分析，除了B、Se、Mo外，其他微量元素的分布规律都是下部叶明显高于上部叶和中部叶，具体测定结果见表5。

3 讨论

3.1 样品前处理

前处理消解中会用到的试剂一般有HF、H2O2、HNO3、HCl、HClO4、H2SO4等。长期使用HF会对 ICP-MS矩管和雾化室产生腐蚀作用，而H2SO4、HCl等消解中产生离子较多，导致较高的背景值，对分析结果产生一定干扰。杨远等[9]在使用石墨消解仪对烟叶前处理时采用了HNO3和HClO4的消解液组合，该组合虽能对烟叶彻底消解但需静止过夜，耗费时间过长。本文采用了HNO3和H2O2的消解液体系，HNO3是icp前处理体系中较常使用的酸介质，具有较强的氧化性，而且其中所含有的O、N、H元素在等离子体中所夹带的气体也含有，不会加入新的元素干扰，而H2O2是消解中常用到的氧化剂，与硝酸混合使用能加强其氧化性，并能减少氮氧化物的生成，因而可加速有机样品的消化，其元素组成与水相似，同样不会带来新的元素干扰。关于HNO3和H2O2的用量主要是取决于消解效果而选择，综合前人在烟草微量分析的多篇报告[10-13]，笔者试验了5、6、7 mL HNO3与4、6、8 mL H2O2混合消解烟样的效果，经比较发现，当5 mL HNO3与H2O2混合时，在一定范围内H2O2剂量加至最大得到的最终消解液还是呈微黄色并带有絮状沉淀，即未消解完全；而当6、7 mL HNO3与6 mL H2O2作为消解液时最终得到的消解液为澄清透明。综合剂量和消解效果的考虑，最后选择6 mL HNO3和6 mL H2O2（分3次加入）。另外笔者多次试验注意到，靠近内侧的消解管加热速度稍快于外围的消解管，加入试剂和消解结束的取管顺序应合理安排，避免管内蒸干和碳化的现象，尽量减少人为误差，保持试验结果的一致性。

3.2 分析条件的确定

为防止样品溶液中的悬浮固体堵塞雾化器，本试验采用了耐高盐的Babington雾化器。同时为了减少信号漂移和基体效应对测量造成的影响，根据实验前的半定量分析结果，在线加入Sc、Ge、In作为内标元素[14]。因为As、Se的电离难度较大，因此射频功率加大至1 550 W，并将它们的采集积分时间调整为1 s，用内标元素能校正有效克服仪器的漂移，保证测定的准确性。Mo的检测采用美国环保署所推荐的干扰方程进行校正[15]，因为95Mo的检测易受ArOK+多原子离子干扰，且95Mo丰度较低（15.92%），本实验采用98Mo（丰度为24.13%）进行测定，采用干扰方程来扣除98Ru所产生的干扰。通过以上设置对消解后的烟叶样品进行检测，发现检测元素的相关系数、检测限和精密度等均能满足痕量分析的要求。

4 结论

（1）样品检测结果表明不同地区间烤烟微量元素含量有一定的差异，说明了烟草中微量元素的含量具有明显地域性，这与烟草品质的形成也具有一定关联，有助于烟草研究工作者深入了解不同烟区的烟叶品质，充分发挥地域优势和合理利用烟叶资源，对卷烟配方也有一定参考意义。

（2）建立了一种石墨消解前处理，电感耦合等离子体质谱法同时测定烟叶中B、Ti、Cr、Mn、Ni、Cu、As、Se、Mo、Cd、Cs、Ba 12种微量元素的方法，其相对标准偏差：1.25%～8.93%，回收率：93.07%～104.75%。本方法的测定结果在精确度上稍低于微波消解前处理检测体系[16-17]，但整体来看，石墨消解法一次消解样品数量多，而且在常压下进行，安全稳定，操作也较为简单，尤其对于一些缺少微波消解条件的实验室，该方法体系适用于烟叶中多种微量元素的同时测定。

参考文献

[1] 韩富根. 烟草化学[M]. 北京：中国农业出版社， 2010.

[2] 周冀衡，朱小平，王彦亭，等. 烟草生理与生物化学[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社， 1996.

[3] 查录云，谢德平，王庭选，等. 微量元素锰铜锌对烤烟质量影响的研究[J]. 烟草科技， 1996（1）： 43-45.

[4] Javis K E， Gray A L， Houk R S. 电感耦合等离子体质谱手册[M]. 尹明，李兵，译. 北京：原子能出版社， 1997： 146-150.

[5] 石杰，李力，胡清源，等. 煙草中微量元素和重金属检测进展[J]. 烟草科技， 2006（2）： 40-45.

[6] 王秀季，李爱荣，熊宏春，等. 微波消解ICP-MS测定烟草中痕量稀土元素[J]. 理化检验：化学分册， 2006， 42（7）： 553-556.

[7] 蔚亦沛，别振英，罗旭，等. 湿法消解-ICP-MS法测定烟用接装纸中的二氧化钛[J]. 中国烟草科学， 2015， 36（1）： 10-13.

[8] 孙雨安，宋世秋，王国庆，等. 微波消解/ICP-MS法测定烟草中微量元素含量[J]. 光谱学与光谱分析， 2010， 30（7）： 1 968- 1 971.

[9] 杨远，邓飞跃，肖立青，等. 湿法消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定烟叶中22种元素[J]. 中国烟草学报， 2013（3）： 11-17.

[10] 王洪波，郭军伟，王晓瑜，等. 电感耦合等离子体质谱法快速测定新鲜烟叶中的9种营养元素[J]. 烟草科技， 2014（6）： 41-44.

[11] 王浩雅，马金晶，卢伟，等. 微波消解-ICP-MS测定烟叶中的营养元素[J]. 江苏农业科学， 2012（9）： 276-278.