应用氢化物发生-微波等离子体原子发射光谱 分析食用菌中总砷含量

李爱阳，黄建华

（1.湖南工学院材料科学与工程学院，湖南 衡阳 421002；2.湖南省中医药研究院中药研究所，湖南 长沙 410013）

砷是广泛分布于自然环境中的非金属元素，自然活动和人为因素的影响使环境中砷的含量持续增加，导致砷在食物链中积聚[1-3]。国际癌症组织将砷及其化合物列为一类致癌物，在砷的各种形态中，无机砷（III）、砷（V）被证明具有致癌性，而有机砷化合物的毒性较小[4]。 世界卫生组织明确指出，饮食是人类接触砷的主要途径，表明受到砷污染的食物、水和其他饮料会对健康构成潜在风险[5]。食用菌对重金属的富集能力远超过绿色植物[6]，食用菌中的砷含量受品种、产地环境及加工生产过程等因素的影响，GB 2762—2017《食品中污染物限量》对食用菌中总砷含量制定限量为0.5 mg/kg[7]。因此，为确保食用菌的食用安全，需要对食用菌中的砷进行测定，以鉴定砷含量超出国家标准规定值的潜在危害。

砷的第一电离能很高（9.79 eV），采用原子光谱技术直接测砷缺乏灵敏度。砷及其多数化合物可被硼氢化钠（NaBH4）还原成挥发性砷的氢化物，由于砷的氢化物能更有效地传输、雾化和激发，与传统液体雾化样品引入技术相比，能明显提高砷的检测灵敏度，降低砷的检出限（limit of detection，LOD）[8-10]。氢化物的形成取决于氧化态，较低的氧化态更容易转化为氢化物，因此，砷（III）比砷（V）更易被NaBH4还原转化为砷的氢化物。目前，有关元素砷的测定已有大量文献报道，采用的分析方法主要有氢化物发生-原子荧光光谱（hydride generation-atomic fluorescence spectrometry，HG-AFS）法[11-13]、原子吸收光谱（atomic absorption spectroscopy，AAS）法[14-16]、电感耦合等离子体原子发射光谱（inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy，ICP-OES）法[17-19]和电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICPMS）法[20-22]。HG-AFS法具有灵敏度高、LOD低、线性范围宽且谱线简单的特点，是最成熟的分析方法，但受荧光猝灭和散射光干扰的影响，稳定性不佳；AAS法具有选择性好、分析范围广及抗干扰能力理想的特点，但由于原子化温度低，砷的原子化效率不理想，检测能力有限，使用易燃气体存在安全隐患；ICP-OES采用高温ICP为激化光源极大提高砷的电离效率，具有灵敏度高、稳定性好、线性范围宽及准确性好的优势，但由于食品中砷含量通常很低，ICP-OES的LOD通常难以达到检测要求；ICP-MS具有极高的灵敏度和极低的LOD，尤其是使用碰撞反应池（collision reaction cell，CRC）和电感耦合等离子体串联质谱（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）技术几乎可以无干扰测定砷[23-25]，但ICP-MS仪器价格昂贵，实验环境要求高。气体成本是影响元素分析成本的重要因素之一，上述分析方法均需采用昂贵的高纯氩气为工作气或乙炔、氧化亚氮为燃料气，为实现持续供气，还需配备专用贮气设备和供气场所，导致分析运行和维护成本高，对于偏远地区、实际工作现场还将面对气体采购困难或气体运输不便的难题。微波等离子体原子发射光谱（microwave plasma-atomic emission spectroscopy，MP-AES）采用微波磁控管产生水平磁场与垂直电场，激化氮气产生稳定的等离子体，自带多模式样品引入系统（multimode sample introduction system，MSIS）既可作为氢化物元素的反应系统，也可以作为常规元素分析的雾化室[26-28]，分析各种复杂基质样品中的无机元素有分析运行成本低、高样品通量的优点[29-31]。本实验采用湿法消解对食用菌样品进行预处理，采用MSIS将消解溶液中的砷转化为气态氢化物，应用MP-AES测定食用菌中的总砷含量，旨在为快速、准确测定食用菌中总砷的含量提供新方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

食用菌样品分别为产自江西的茶树菇、鸡腿菇，产自湖南的香菇、草菇、金针菇、花菇、杏鲍菇、黑木耳、双孢蘑菇、珍珠菇，产自湖北的牛肝菌、猴头菌，购于湖南长沙市大型超市。

1 000 mg/L砷单元素标准溶液、硫脲（优级纯）、碘化钾（优级纯） 国药集团化学试剂有限公司；NaBH4（优级纯）、氢氧化钠（优级纯）、质量分数65%硝酸、质量分数95%～97%硫酸、质量分数37%盐酸 德国Merck公司；砷（III）溶液标准物质、砷（V）溶液标准物质 北京北方伟业计量技术研究院；国家标准参考物质GBW10022（蒜粉） 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所；实验用水由Milli-Q超纯机制得。

1.2 仪器与设备

4200 MP-AES仪（配有MSIS附件、MicroMist玻璃雾化器） 美国Agilent公司；Milli-Q超纯水仪 美国Millipore公司；电热板 中国济南欧莱博技术有限公司。

1.3 方法

1.3.1 MP-AES条件

功率1 000 W；雾化气流速0.45 L/min；泵速20 r/min； 读取时间20 s；重复次数3 次；样品提升延迟时间40 s；稳定时间20 s；快速线性干扰校（fast linear interference correction，FLIC）模型校正背景；气源为Agilent 4107氮气发生器。

1.3.2 样品与空白溶液的预处理

将收集的新鲜食用菌依次用自来水和超纯水洗净，自然晾干后放入（70±2）℃的烘箱中干燥至质量恒定，用制粉机粉碎过60 目筛，混合均匀后封装于干燥器中。准确称取1.0 g食用菌粉于锥形瓶中，加入65%硝酸20 mL，95%～97%硫酸2 mL，静置30 min，于电热板加热消解，若消解溶液出现浑浊每次补加65%硝酸2 mL，继续消解至消解溶液呈无色或淡黄色，加热赶酸至不再冒白烟后冷却至室温，用质量分数12%的盐酸溶液转移至25 mL容量瓶中，加入2 mL预还原剂（50 g/L硫脲+ 10 g/L碘化钾），用12%盐酸溶液定容，待测。采用相同的处理步骤制备样品空白溶液。

1.3.3 MP-AES分析

采用MSIS作为砷的氢化物发生装置（图1），还原剂（1.2% NaBH4溶液+1.0%氢氧化钠溶液）经通道1引入MSIS顶部，样品经通道3连接MSIS底部，废液通过通道4排出，由于没有非氢化物元素进行测定，无需使用传统雾化技术，因此堵住闲置的样品通道2。

图1 MP-AES的MSIS原理图Fig. 1 Schematic diagram of the multimode sample introduction system for MP-AES

采用质量分数12%盐酸介质分别配制质量浓度为0、5、10、20、50、100 μg/L砷标准溶液，将样品溶液、标准溶液和空白溶液按MP-AES条件进行测定，建立砷的校准曲线以得到样品溶液中砷含量。

1.4 数据处理

MP-AES实验数据采用自带的Agilent MP Expert软件进行自动分析处理，实验图表采用Origin 9.0绘制。

2 结果与分析

2.1 氢化物产生条件的优化

由于氯离子的还原性，盐酸作为非氧化性酸并非氢化物发生的首选样品载流介质[32]。固定还原剂NaBH4溶液质量分数1.2%，考察不同质量分数盐酸为载流介质下砷信号强度的变化情况。从图2a可知，随着盐酸质量分数的增大，砷的信号强度也逐渐增大，当盐酸质量分数高于6%后，砷的信号强度增速变缓，质量分数12%～24%盐酸溶液的砷信号强度无明显增加，过高质量分数的盐酸溶液会与碱性还原剂NaBH4反应，不利于生成氢化物。12%盐酸溶液的砷信号强度仍然接近最高水平。固定盐酸质量分数12%，考察NaBH4质量分数对砷信号强度的影响，从图2b可知，质量分数低于0.5% NaBH4溶液的砷信号强度很低。随着NaBH4质量分数的增大，砷的信号强度逐渐增大，1.2% NaBH4溶液的砷信号强度最大，随后增大NaBH4质量分数产生的过量氢气稀释三氢化砷气体，因此砷的信号强度降低。所以本实验选择质量分数12%盐酸溶液为载流介质，1.2% NaBH4溶液为还原剂。

图2 氢化物发生试剂盐酸质量分数（a）和NaBH4质量分数（b）对 砷信号强度的影响Fig. 2 Effect of hydride generation conditions of HCl concentration (a) and NaBH4 concentration (b) on As signal intensity

2.2 分析谱线的选择

MP-AES采用MP为激化光源，具有与ICP-OES不同的分析特征，ICP的等离子体温度为6 000～8 000 K，而MP仅为5 000 K左右，低温不会诱导砷元素完全电离。此外，与氩气ICP相比，MP不能有效地诱导样品的热分解，虽然减少光谱干扰，但可供选择的发射光谱线比ICP少。分别配制Ca、Mg、K、Na、Fe质量浓度分别为50、50、50、50、5 mg/L，Co、Ni、Be、Cu、Zn质量浓度分别为50、50、50、500、500 μg/L的单元素标准溶液，向各单元素标准溶液中加入质量浓度50 μg/L的砷标准溶液，考察食用菌中常见元素对砷元素测定的影响。采用MP Expert调用预设砷谱线波长分别为193.695、234.984、188.979 nm。从表1可知，As 193.695 nm灵敏度最高，因此常被推荐为砷的分析谱线，然而As 193.695 nm受到Fe 193.663、193.390、194.002 nm的干扰，其他元素无干扰。虽然通过氢化物发生铁谱线的响应极低，但在食用菌样品中，铁含量通常比砷高1 000 倍，采用193.695 nm为砷的分析线在线性范围内无法获得良好的线性响应，特别是在线性范围内的低浓度区间；而As 234.984 nm为次灵敏线，其受到Fe 234.830 nm、Co 234.737 nm、Be 234.861 nm的干扰，且Be原子线的强度比在234.984 nm处砷高400 倍以上，其他元素在234.984 nm无干扰。砷在188.979 nm的谱线强度虽然比在193.695、234.984 nm低，但无光谱重叠干扰。因此，本实验选择188.979 nm为砷的分析谱线。

表1 砷的分析谱线选择Table 1 Election of analytical spectral line for As

2.3 光谱干扰及校正

MP-AES的光谱干扰由光谱重叠、背景干扰组成。分析谱线选择188.979 nm虽消除光谱重叠干扰，但仍然存在由基质成分及MP光源发射杂散光引起的背景干扰，本实验采用FLIC模型进行校正。分别测定空白、纯干扰物、纯分析物溶液，使用光谱建模技术从原始光谱中分离分析信号，从而自动校正背景干扰[26]。本实验采用校准空白溶液（12%盐酸溶液）为干扰物建模。从图3可知，FLIC模型对砷元素在188.979 nm波长处提供校正模型，校正模型中未发现干扰，表明已校正背景干扰。

图3 FLIC模型校正砷（188.979 nm）校准标样的背景干扰Fig. 3 FLIC model corrected the background interference for arsenic calibration standard sample (at 188.979 nm)

2.4 校准曲线与LOD

采用建立的方法分析系列标准溶液，以As 188.979 nm波长处的信号强度与其对应的质量浓度进行线性回归分析，得到砷的校准曲线为y=1.65×10－4x+1.18×10－3，在3.1～100 μg/L范围内呈良好的线性关系（线性相关系数为0.999 9）。取样品空白溶液重复分析10 次，得到砷的信号强度，计算10 次砷信号强度的标准差，以3 倍标准差对应质量浓度为检测仪器的LOD，砷的LOD为0.93 μg/L，根据样品的取样量和稀释因子，换算方法LOD为0.023 mg/kg。

2.5 方法的验证

采用质量浓度30 μg/L砷（III）、砷（V）标准物质溶液对预还原剂（50 g/L硫脲+10 g/L碘化钾）还原效果进行校准验证，采用国家标准参考物质GBW10022（蒜粉）对分析方法的准确性进行验证，每个样品平行测定6 次，结果见表2。砷（V）的测定值与认定值一致，回收率为101.0%，因此预还原剂的还原效率高。砷（III）、GBW10022（蒜粉）的测定值与认定值基本一致，其对应回收率分别为99.7%、97.6%，因此分析方法有理想的准确性。标准物质的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）在1.3%～2.1%之间，因此本分析方法的精密度高。

表2 砷（III）、砷（V）标准物质及标准参考物质GBW10022 （蒜粉）的分析结果（n=6）Table 2 Results of MP-AES for arsenic (III) and arsenic (V) standards and standard reference material GBW10022 (garlic powder) (n= 6)

2.6 样品分析

采用本实验方法测定湖南、湖北、江西的12 种食用菌中总砷含量，同时采用GB 5009.11—2014《食品中总砷及无机砷的测定》的HG-AFS法进行对比分析[33]， 每个样品重复测定6 次，结果见表3。本实验方法与GB 5009.11—2014的分析结果基本一致，RSD均小于5%。12 个食用菌中的总砷含量在0.087～0.482 mg/kg之间，因此所有食用菌中总砷含量均未超出GB 2762—2017限量值。

表3 不同食用菌样品中总砷的分析结果（n=6）Table 3 Results of MP-AES and HG-AFS for total arsenic in different varieties of edible fungi samples (n= 6)

3 结 论

建立MP-AES准确测定不同食用菌中总砷含量的分析方法。采用氢化物发生将砷转变为砷的氢化物，有效解决低温时MP砷电离效率低的难题，选择As 188.979 nm波长为分析谱线以避开所有谱线重叠干扰，采用FLIC模型校正背景干扰，本实验方法准确、可靠，砷的LOD为0.93 μg/L。与以往原子光谱分析技术相比较，MP-AES的操作成本更低。此外，MP-AES无需人工值守、操作，节省人力资源，且可进行样品高通量分析。本研究中，不同产地的12 种食用菌的总砷含量在0.087～0.482 mg/kg之间，均低于GB 2762—2017规定的总砷限量标准。