原子荧光光谱法同时测定粮食中砷汞总量的条件选择及干扰控制

姚 晶 任 蓉 樊 婷 苏春燕 汪海峰

(1 苏州市吴中区粮油质量监测中心，江苏 苏州 215156；2 南京财经大学食品科学与工程学院，南京 210003)

前言

目前，砷汞总量测定方法为现行国家标准方法GB 5009.17—2014和GB 5009.11—2014，均为原子荧光光谱法[1-2]，其原理是在一级反应器中，被测金属元素与初生态氢H*反应生成气态的氢化物，在气液分离器内，气态氢化物逸出，在原子化器被检测器检测到产生信号[3]，此方法操作简便、干扰少、检出限低、灵敏度高，已被广泛使用[4-6]。虽然仪器推荐的使用条件相似，但是，在实际测定过程中，针对不同的测定要求，应选择最适的工作条件，同时，还应充分考虑到干扰对仪器的稳定性和灵敏度的影响，特别是在检测过程中气相干扰和液相干扰因素带来的影响，而国内关于干扰因素的研究少有报道。因此，本文通过考察不同工作条件，对仪器工作条件进行优化，同时研究对仪器稳定性和灵敏度的影响，分析归纳相关规律，以期通过有效控制，获得更好的稳定性和灵敏度，保证测试结果的准确。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

6500型双通道原子荧光光度计(北京海光仪器有限公司)，Topex微波消解平台(上海屹尧仪器科技发展有限公司)，明澈超纯水机(美国默克密理博)，FA2004电子天平(上海衡平仪器仪表厂)，空调(广州美的集团)，HTC-1型温湿度计(得力集团)。

盐酸(GR)，硝酸(GR)，氢氧化钾(GR)，硼氢化钾(99%，天津南开允公合成技术有限公司)。

汞标准储备溶液(1 000 mg/mL，5%硝酸，GBW(E)083186)、BW30018-1000-N-50砷标准溶液(1 000 mg/mL，2%硝酸)均购自坛墨质检标准物质中心；高纯氩(ωAr≥99.99%，苏州金宏气体有限公司)；其余试剂均为分析纯，所有试剂均现配现用，实验用水为二次去离子水。

检测样品为稻谷，由苏州市吴中区粮食购销总公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 检出限和重复性的测定

1.2.2 仪器条件的选择

分别考察原子荧光光谱仪的仪器条件原子化高度(8、9、10、11 mm)，负高压(250、260、270、280、290、300 V)，灯电流(As灯30、40、50、60、70 mA、Hg灯10、15、20、25、30 mA)，载气流量(200、300、400、500、600 mL/min)等4个主要因素对仪器的影响，对同一标准溶液进行自动稀释，自动进样，延迟时间1 s，读数时间19 s，峰面积定量，稳定性和灵敏度测试方法同1.2.1，选择最佳仪器工作参数。

1.2.3 干扰因素的控制

环境温度干扰：在最佳的仪器工作条件下，考察不同环境温度对测定的影响。通过空调设定温度，以温度计数值为确定测试温度，待室温到达设定值后，恒温平衡30 min后开始测试，保持室温波动在设定值±0.5 ℃以内，依次设定不同温度(16、18、20、22、24、26 ℃)对稳定性和灵敏度的干扰，测试方法同1.2.1。

光源稳定性干扰：在最佳的仪器工作条件下，考察不同预热时间测定的影响，依次考察不同预热时间(10～50 min)对稳定性和灵敏度的干扰，测试方法同1.2.1。

试剂干扰：在最佳仪器工作条件下，相同环境最温度预热30 min后，依次考察5%(V/V)不同种类酸(HCl、HNO3、H2SO4、HAc)、不同浓度(V/V)酸(1%、3%、5%、7%、9%)、不同浓度KBH4(5、10、15、20、25、30 g/L)对稳定性和灵敏度的干扰，测试方法同1.2.1。

1.2.4 样品测试

样品经清理混匀后，经实验磨碎过筛后放入广口瓶备用。称取粉碎制样0.5 g(精确到0.001 g)至消解内管，加入5.0 mL硝酸后进行微波消解，微波消解条件为10 ℃/min升温至120 ℃，保温5 min；5 ℃/min升温至160 ℃，保持5 min；5 ℃/min升温至180 ℃，保持20 min，消解液冷却后加超纯水定容至10 mL，摇匀待测。加标试样在加入硝酸后加入一定体积标准溶液达到目标浓度，对样品按最佳仪器条件，控制干扰因素稳定情况下进行测定，同时做空白实验和平行实验，加标回收率实验的加标量如表1所示。

表1 加标回收实验的加标量

2 结果与讨论

2.1 仪器条件的选择

为了获得稳定可靠的测定结果，必须对仪器的测定条件进行优化选择。

2.1.1 原子化器高度

表2给出了不同的原子化器高度对测定元素的精密度和检出限的影响。

从表2数据可知，随着原子化器高度的增加，As的稳定性和灵敏度均渐下降，可知As的最佳原子化器高度为8 mm；Hg的稳定性先降后升，灵敏度均渐下降，当原子化器高度为10 mm时，Hg的稳定性和灵敏度最佳。在双通道同时测定时，仅可设置同一高度，因此，选择10 mm作为设定值，此时Hg已为最佳，As的稳定性和灵敏度较最佳时亦下降较小。

表2 原子化器高度的选择

Table 2 Selection of atomizer height

原子化器高度/mmAsRSD/%DL/(ng·mL-1)HgRSD /%DL/(ng·mL-1)80.530.008 31.40.007 290.540.008 01.10.004 7100.770.009 00.440.003 5111.10.009 01.30.003 5

2.1.2 负高压

负高压是施加在阳极和阴极间的电压，直接决定光电倍增管的放大倍数，负高压增大，灵敏度随之提高，但负高压增大的同时，信号噪声增大，稳定性降低，因此，测定时须选择最合适的负高压，见表3。

表3 负高压的选择

从表3可以得出，负高压由250至300 V时，As和Hg的稳定性均先升后降，灵敏度均随着电压增加，不断提高，每增加20 V，灵敏度约提高一倍。在双通道同时测定时，仅可设置同一负高压，实验选择270 V作为设定值，此时As、Hg稳定性均为最佳，灵敏度亦较好。

2.1.3 灯电流

灯电流在一定范围内与产生荧光强度存在线性关系，随着灯电流的增加，荧光强度逐渐增强，但电流增大，噪声增大，稳定性下降。因此要根据测定要求，选择合适的灯电流，见表4。

从表4可以得出，随着灯电流增大，As、Hg的检出限不断提高，但稳定性不断下降，当As灯电流60 mA，Hg灯电流15 mA时，灵敏度分别为0.010 9、0.002 6 ng/mL，已满足检测要求，且稳定性较好，灯电流继续提高，虽然灵敏度仍有所提高，但稳定性显著下降，在满足分析灵敏度的要求下，应尽量选择较小的灯电流作为工作电流，以延长灯的使用寿命，因此，As、Hg灯电流分别设置为60、15 mA。

2.1.4 载气流量

由于载气流量的大小直接影响Ar-H2火焰的形状、大小，对仪器的灵敏度和稳定性均有较大的影响，因此，在测定时应选择合适测定的载气流量，见表5。

从表5数据可知，载气从200 逐渐增大至600 mL/min时,稳定性和灵敏度均呈现先升后降的趋势，载气流量小时，火焰焰型圆矮，稳定性和灵敏度均较低，随着载气增大，火焰焰型逐渐变直变高，稳定性和灵敏度提高，在载气流速为300 mL/min，As、Hg的稳定性和灵敏度均为最佳，载气流量继续增大，稳定性和灵敏度又开始下降。

表4 灯电流的选择

表5 载气流量的选择

2.2 干扰因素的控制

2.2.1 环境温度的干扰控制

根据原子荧光光谱仪工作原理可知，环境温度在测定过程中，主要影响氢化物的发生效率，氢化物的逸出、传输及其热稳定性，会同时引起液相干扰和气相干扰，因此，测定时应对环境温度要严格控制，避免引起干扰，见表6。

表6 环境温度的干扰

从表6可知，当环境温度低于20 ℃时，反应不充分，氢化物发生效率偏低，稳定性较差，灵敏度不高，线性达不到测定要求；当环境温度达到20 ℃以上时，稳定性、灵敏度较好，且线性符合测定要求；当环境温度达到26 ℃时，空白荧光强度增高，噪声增大，灵敏度和标准曲线线性较好，但稳定性已有所下降，虽然目前国内仪器标识的工作环境温度范围较宽，在实际测定中，应控制在20～25 ℃为宜。

2.2.2 光源稳定性

光源的稳定性对原子荧光光谱会产生一定影响，这是原子光度光谱仪的光学结构所决定的，由于国产的仪器光路系统是无色散系统，一般采用日盲光电倍增管检测荧光信号，当光源不够稳定，荧光信号比发射和吸收信号更弱，此时检测器则容易受到散射光的干扰，因此，可通过提前预热，使工作灯稳定来避免干扰，见表7。

表7 光源稳定性的干扰

从表7可知，当预热时间不足时，稳定性较差，灵敏度不高，线性系数低，仪器达不到测定要求，经过30 min预热后，各项指标均得到了明显的改善，此时，稳定性、灵敏度、线性相关系数均较好，符合测定要求。因此，在操作时，为了保证光源稳定性，至少使仪器稳定30 min再开始测定，可以有效避免光源不稳定带来的干扰。

2.2.3 试剂的干扰

酸和硼氢化钾是反应体系重要的试剂，不同的试剂在反应过程中会影响还原态氢的生成速率、氢化物的逸出等，易造成气相干扰和液相干扰，因此，根据测定元素，应选择合适的试剂，并确定最佳的反应浓度。

2.2.3.1 酸种类的选择

不同酸种类对测定的影响见表8。

表8 酸种类的干扰

Table 8 Disturbance of acid types

酸As空白 IFRSD/%DL/(ng·mL-1)r空白 IFHg空白 IFRSD/%DL(ng·mL-1)rHCl154.0981.50.006 41.000 0966.5430.420.003 50.999 9HNO370.5191.50.006 50.999 9494.2731.00.003 20.999 8H2SO482.2841.90.007 60.999 7433.7411.80.003 70.999 7HAc56.3212.60.008 30.999 6317.982.40.005 50.999 7

2.2.3.2 HCl浓度的选择

不同HCl浓度对测定的影响见表9。

表9 HCl浓度的干扰

从表9可知，不同HCl浓度对As、Hg测定的干扰不同。随着HCl浓度的增加，测As时，空白荧光强度、RSD、DL和线性相关系数r逐渐提高，在浓度达到5%(V/V)时开始趋于稳定；而测Hg时，各项指标并未有较大波动，可见HCl浓度变化对测Hg带来的干扰不大。因此，在反应时，浓度应不低于5%(V/V)的HCl浓度，此时As、Hg的稳定性、灵敏度和线性相关系数都较好，特别是当反应体系中存在过渡金属元素干扰时，可选用较高的酸浓度，以克服液相干扰。

2.2.3.3 KBH4浓度选择

不同浓度KBH4对测定的影响见表10。

表10 KBH4浓度的干扰

从表10可知，还原剂KBH4浓度对As的影响较Hg的影响大，当KBH4浓度为5.0 g/L时，As的稳定性、灵敏度和线性相关系数均无法测得，但Hg已可以稳定测得，且满足测定要求，随着KBH4浓度的增大至15～20 g/L范围内时，As、Hg的稳定性、灵敏度和线性相关系数为最佳，当还原剂浓度继续增大，灵敏度较为稳定，但稳定性和线性系数开始下降。还原剂的作用是与酸反应后提供初生态的H*和被测元素形成金属氢化物，还原剂的浓度过大会带来液相干扰，容易引起过渡元素的干扰，同时还原剂浓度过高，生成的大量氢，荧光强度变幅增大，导致稳定性下降，灵敏度变差，因此，还原剂KBH4浓度较低为宜，应控制在15～20 g /L。

2.3 样品精密度和加标回收实验

国家标准[7]中规定，双道仪器的线性相关系数不小于0.997，As、Hg的重复性指标小于2%，检出限分别为0.06、0.005 ng/mL[4]，稻谷样品在最佳仪器条件、控制干扰因素稳定情况下进行测定，As的浓度为0.20 ng/mL，检出限为0.004 7 ng/mL，RSD为0.37%，线性相关系数r=0.999 9；Hg的浓度为0.023 ng/mL，检出限为0.001 5 ng/mL，RSD为0.44%，线性回归系数r=0.999 9，各项指标均优于标准规定，见表11。

表11 精密度和加标回收实验结果

粮食中As、Hg的测定，属于痕量分析，一般情况下被测物质含量小于0.1 μg/kg，国家标准[8]规定，变异系数应小于43%，加标回收率范围满足60%～120%，如表11显示，三组实验的变异系数均小于1.00%，满足标准要求。As加标回收率为95%～105%，Hg的回收率为80%～110%，均高于标准规定。

3 结论

通过考察主要工作条件对仪器稳定性和灵敏度的影响，研究分析归纳相关规律，并进行了优化，得出最佳工作条件为：原子化高度10 mm，负高压270 V、As灯电流60 mA、Hg灯电流15 mA、载气流量300 mL/min。在此基础上对产生干扰因素进行了研究，研究结果表明：环境温度应控制在20～25 ℃、至少预热30 min、首选HCl作为反应用酸，浓度应不低于5%(V/V)，还原剂浓度应控制在15～20 g/L，可获得更好的仪器测试效果；最后进行了三水平加标回收实验，结果显示，仪器经条件优化后，干扰因素在有效控制下，As的浓度为0.20 ng/mL，检出限为0.024 7 ng/mL，RSD为0.37%，线性相关系数r=0.999 9；Hg的浓度为0.023 ng/mL，检出限为0.001 5 ng/mL，RSD为0.44%，线性相关系数r=0.999 9，且稳定性好，灵敏度高，各项指标均优于标准规定。