微敞开体系快速石墨消解-ICP-OES法测定植物样品中的磷和钾

徐爱平 文典 杜瑞英 彭锦芬 陈永坚 李梅霞

[1. 广东省农业科学院农业质量标准与监测技术研究所 广东广州 510640；2. 农业农村部农产品质量安全风险评估实验室（广州） 广东广州 510640；3. 农业农村部农产品质量安全检测与评价重点实验室 广东广州 510640；4. 广东农科监测科技有限公司 广东广州 510640]

磷和钾是控制植物生长和发育过程的重要元素，植物在生长过程中需要大量的磷和钾。磷元素不仅是植物体内许多重要化合物的组成成分，而且还以多种途径参与植物体内的各种生理代谢过程，在人类赖以生存的土壤、植物和动物生态系统中起着不可或缺的作用[1]。钾元素可增强植物的抗逆性、抗病能力和光合作用[2]，对淀粉和糖分的形成有重要作用；此外，钾还能促进植物对氮、磷的吸收，有利于蛋白质的形成[3]。合理的磷钾配比有利于植物分生、叶片生长，同时可提高光合作用能力和碳水化合物的运输能力[4]，因此，磷和钾对植物的生长极其重要。

电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)技术是近几十年发展起来的分析测试新技术，具有检出限低、测定线性范围宽、干扰小、精密度高等特点，可对多种元素同时进行测定，能满足复杂机体大量元素分析，在食品、药品、卫生、生物和环境等各领域有广泛应用[5-8]。

目前，植物样品中磷和钾的测定参照食品标准，现行标准主要有GB 5009.87—2016、GB 5009.91—2016和GB 5009.268—2016。磷的测定包括对苯二酚-亚硫酸比色法、钒钼黄比色法和ICP-OES法，钾的测定方法包括火焰分光光度法、火焰原子发射光谱法、ICP-OES和电感耦合等离子体发射质谱法(ICP-MS)[9-11]。其中，采用比色法测定植物样品中的磷，操作步骤多，过程繁琐[12]，实验过程中会使用到如对苯二酚等有毒试剂，在有条件的实验室，应尽量放弃使用这种传统的比色方法。火焰原子吸收光谱法、火焰原子发射光谱法和ICP-MS法灵敏度高，但线性范围相对较窄，测定时需对待测溶液进行大倍数稀释，其中每次稀释后要加入氯化铯等掩蔽剂，应用复杂[13-14]。GB 5009.268—2016中，第一法采用ICP-MS测钾，第二法采用ICP-OES测磷和钾，方法为指导性的，没有具体解决这2种元素的同时测定问题。因此，根据实际工作需要，有必要探索快速、简便、准确的能同时测定植物样品中磷和钾含量的方法。

本研究利用管盖带孔聚四氟乙烯消化管，构建一套新型石墨消解法[15]，待样品快速消解定容后，用ICP-OES同时测定磷和钾，简便、快速、有效，为植物中磷和钾的同时测定提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 仪器 iCAP6000型ICP-OES（美国热电公司）；聚四氟乙烯消化管（LabTech仪器股份有限公司）；DigiBlock ED54（LabTech仪器股份有限公司）；万分之一分析天平（METTLER TOLEDO，瑞士）；Milli-Q超纯水仪（美国）。

1.1.2 试剂 硝酸（优级纯，J.T.Baker）；高氯酸（优级纯，广州化学试剂厂）；磷和钾单元素标准溶液（1 000 μg/mL），由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供；GSB-1大米、GSB-2小麦、GSB-5圆白菜、GSB-25胡萝卜和GSB-27大葱为国家标准物质。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理 称取具有代表性的样品，干样0.30 g（精确到0.000 1 g），湿样2.0～5.0 g（精确到0.01 g，折合干物质0.3 g左右），分别置于消化管中，加入硝酸+高氯酸混酸（9+1）10.0 mL，盖上管盖，置于石墨消解仪加热孔中冷消化过夜；第二天开始升温消化，升温程序为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，后期伴有白烟冒出，确定为消化终点；关闭电源停止加热，15 min后加入10.0 mL超纯水，盖上管盖，利用余温回流20 min；取出整个管架冷却至室温，随后将消化液用1%硝酸转移至比色管中，用1%硝酸定容至25.00 mL，备用。

1.2.2 标准溶液的配制 ICP-OES法测磷和钾具有较宽的线性范围，经实验优化，采用垂直观测方式，磷和钾在0～200 mg/L有良好的线性关系，考虑到样品中磷和钾以及酸含量对测定的影响，将标准溶液逐级稀释，配制成所需混合使用液，介质为2%的硝酸，磷和钾混合标准使用液中磷的浓度为0、1.25、2.50、5.00、7.50、10.0 mg/L；钾的浓度为0、12.5、25.0、50.0、75.0、100.0 mg/L。

1.2.3 仪器测定条件 ICP-OES测定磷和钾的分析波长分别为213.618和766.490 nm，射频功率为1.15 kW，冷却气流量为18 L/min，辅助气流量0.5 L/min，等离子氩气流量为22 L/min，泵速50 r/min，进样稳定时间15 s，管道清洗时间10 s，爆光时间30 s。

2 结果与分析

2.1 前处理方法选择

2.1.1 消解方法 实验中采用干灰化法、烧杯湿化法和微敞开快速石墨消解法处理不同类型植物样品。干灰化法处理样品耗时长，普遍需要6～8 h，对部分复杂样品要多次灰化，加入硝酸高温消煮后才能完全消解，过程繁琐，由于马弗炉容量有限，很难处理大批量样品；湿化法是实验室常用的消化方法，设备简单，但需随时查看，以免溅出和烧干，降低测定含量。同时，常规湿法消解法中会采用玻璃仪器如烧杯、三角瓶、表面皿等作为消解容器，这些仪器的本底含量较高，可能会有部分钾渗出。微敞开石墨消解是本项目组开发的一种快速全消解法，消化管为聚四氟乙烯材质，盖上有小孔，既可减压防爆，也有利于消解液的回流，充分消解样品；加热装置为自动控制石墨仪，设置好升温程序，开机后消解仪自动工作，4 h内能完成整个消解过程，方便快捷，无需看管。因此本实验中选择微敞开石墨消解法对待测样品进行消解。

2.1.2 消解液 样品常用消解液有双氧水、盐酸、硝酸、高氯酸、浓硫酸及其混合液。本实验采用不同混合消解液进行消解比对，发现2种混合酸比较理想，一种是硝酸和高氯酸的混合酸（9+1），能有效地对不同类型植物样品进行消解；另一种为硝酸和浓硫酸的混合酸（8+2），对基质简单的样品（如蔬菜、水果）的消化效果较好，对基质较复杂的植物样品（如荔枝叶等）的消化不完全，后期混合酸呈淡黄色或褐色，需冷却后加入2 mL双氧水，以200℃加热30 min方可完全消解。结合实验室的实际情况，本研究采用第一种常见混合酸进行消化，样品消化液除了可用于磷和钾测定外，还可用于测定其它元素，消化过程也相对简单。

2.1.3 消化温度程序 实验使用本项目组开发的新型消化管，在提升消化效率同时可降低元素损失[15]。开始采用较低温度主要是防止瀑沸、样品溅出，初始升温程序为：120℃保持0.5 h，升温至150℃保持0.5 h，样品剧烈反应完成，然后升到较高温度进行消化回流。将最高温度设为190、200和210℃开展对比实验，每隔0.5 h观察消化情况，当消化液近干并伴有大量白烟冒出为消化终点，记录最终消化时间。

磷和钾都是难挥发的元素，采用快速石墨消解，后面采用最高温度210℃进行消化，所需时间仅为3.5 h，由于使用温度低，消化时间也会相应延长，处理1、2、3最高消化温度分别为190、200、210℃，结果见表1。

表1 不同消化温度处理所需消化时间

2.2 上机条件选择

用ICP-OES进行元素分析时主要存在样品基体干扰和光谱干扰，由于植物样品中盐的含量相对较低，样品稀释后上机，检测器容易识别相关信号，基体对结果影响不大。光谱干扰方面，可以在仪器波长谱线库查找待测元素对应的谱线和附近干扰元素的谱线，选择时避开重叠和接近的其它元素谱线。通过对磷和钾谱线库的谱线进行分析，结合对应信号强度，选择213.618和766.490 nm作为磷和钾分析谱线。大多数植物样液稀释5倍后上机测试，钾和磷的测定结果基本在曲线范围内，对大米、面粉和玉米等磷和钾含量相对较低的样品，可不用稀释直接上机；对含量过高样品，经过5倍稀释后测定数据超出标准曲线的，需继续稀释，让测定点落在曲线范围的中上部。

ICP-OES数据采集分3种观测方式：垂直、水平和自动观测。垂直观测，光程较短，对应的线性范围大，适合植物中磷和钾这些大量元素测定。

测定中，使用的射频功率、冷却气流量、辅助气流量、等离子氩气流量、泵速、进样稳定时间、管道清洗时间和爆光时间等采用仪器默认值，能很好地完成磷和钾的测定。

2.3 标准曲线和检出限

按上述仪器工作条件，由低浓度至高浓度依次测定磷和钾系列标准混合工作溶液，每个点重复测定2次取平均值，以浓度为横坐标，信号发射强度为纵坐标制作磷和钾的标准曲线，具体见图1和2。

图1 钾的标准曲线

图2 磷的标准曲线

计算回归方程及相关系数（r），见表2。同时测定11份空白溶液钾和磷的含量，计算标准偏差，按公式MDL=t(n-1,0.99)×S计算该方法的检出限，其数值约为标准偏差的4倍。

从图1、2和表2可看出，两元素（磷、钾）在选定的线性范围内，谱线强度和对应元素浓度呈良好的线性相关关系，相关系数（r）分别为99.99%和99.98%，检 出 限 分 别 为0.8和6.6 mg/kg，由于植物中磷和钾的含量比较高，该方法线性范围、相关系数和检出限均能满足磷和钾检测要求。

表2 方法线性关系和检出限

2.4 方法的准确度和精密度

按1.2的实验方法对5种植物标准物质中的磷和钾进行处理，每个样品7个重复，测定结果取平均值，见表3。各标准物质测定值均在标示值的范围内，RSD小于3.62%（RSD小于10%，表明该方法准确、可靠）。

表3 精密度和加标回收试验(n=7)

3 结论

本研究系统地建立了微敞开体系石墨消解-ICP-OES法，同时测定植物样品中磷和钾含量，样品经硝酸和高氯酸消解，磷和钾在标准溶液浓度范围内，线性范围宽，可达200 mg/L；相关系数分别为99.99%和99.98%，方法检出限为0.8和6.6 mg/kg，相对标准偏差小于3.62%，表明该方法快速准确、灵敏度高、简单方便，适用于植物中磷和钾的检测。