盐酸超声提取-火焰原子吸收光谱法测定加热不燃烧卷烟烟丝中钾、钙、钠、镁的含量

段 勤,温光和,杨雪燕,杨 屹,田飞宇,肯生叶

(云南养瑞科技集团有限公司,昆明 650501)

加热不燃烧卷烟(HNB)是利用特殊热源对烟丝只加热不燃烧的一种新型烟草制品[1],其与传统卷烟烟丝品质的差异是当前研究的热点,如文献[2]采用电子扫描显微镜、热重分析仪和X 射线光电子能谱仪等检测手段,比对了两者的物理和化学性能差异。钾、钙、钠、镁含量对卷烟品质有重要影响,如:钾、钠可以增强卷烟的支持火力,具有助燃作用;钙、镁是重要灰分元素;钙还能提高烟草的填充值[3]。传统卷烟的相关研究较多,而HNB 的系统性研究较少。

传统卷烟的检测方法有离子色谱法[4-5]、连续流动法[6-7]、原子吸收光谱法。相关标准包括YC/T 173-2003《烟草和烟草制品钾的测定 火焰光度法》、YC/T 217-2007《烟草和烟草制品 钾的测定连续流动法》、YC/T 174-2003《烟草和烟草制品钙的测定 原子吸收法》、YQ/T 74-2016《再造烟叶钙的测定 离子色谱法》、YC/T 175-2003《烟草和烟草制品 镁的测定 原子吸收法》、YC/T 274-2008《卷烟纸中钾、钙、钠、镁的测定 火焰原子吸收光谱法》。其中,离子色谱仪和连续流动仪价格昂贵,对操作人员素质要求高,应用推广难。原子吸收光谱法相关标准中,YC/T 274-2008分析对象为普通卷烟纸,YC/T 174-2003、YC/T 175-2003 仅适用于烟草及烟草制品中钙、镁含量的测定,前处理方法为干法灰化,其操作复杂、耗时长、易造成目标元素损失,而且操作潜在危险性较高。本工作采用盐酸超声提取法对样品进行前处理,耗时短、酸用量小、操作简单且相对安全,并参考文献[8],运用火焰原子吸收光谱法分别测定了造纸法、稠浆法、辊压法和干法制备的HNB烟丝中钾、钙、钠、镁含量,可为HNB烟丝中相关元素分析提供技术参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

Nov AA 400P 型火焰原子吸收光谱仪;MS204S型电子天平;JP-030 型超声清洗机;TDL-40B型离心机;Milli-Q IQ7000型纯水机;MJBL25B3型搅拌机。

单元素标准溶液(市售):1 000 mg·L-1。

单元素标准储备溶液:取适量单元素标准溶液(市售),用水稀释配制成10 mg·L-1钾、钠、镁单元素标准储备溶液和100 mg·L-1钙标准储备溶液。

单元素标准溶液系列:取适量单元素标准储备溶液,用水逐级稀释,配制成0,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0 mg·L-1的钾、钠单元素标准溶液系列,0,2,4,6,8,10 mg·L-1的钙标准溶液系列,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 mg·L-1的镁标准溶液系列。

盐酸为优级纯;试验用水为去离子水,电阻率为18 MΩ·cm。

试验样品分别为国外某品牌用造纸法制备的HNB烟丝(1＃)、国外某品牌用稠浆法制备的HNB烟丝(2＃、3＃)、国内某品牌用辊压法制备的HNB烟丝(4＃)、国内某品牌用干法制备的HNB 烟丝(5＃)。

1.2 仪器工作条件

仪器工作参数见表1。

表1 仪器工作参数Tab.1 Working parameters of the instrument

1.3 试验方法

将样品于100 ℃干燥2 h,用搅拌机打成粉末,过0.425 mm(40 目)的筛网。分取0.1 g 样品于100 mL具塞锥形瓶中,加入0.05 mol·L-1盐酸溶液50 mL,超声提取20 min,以3 000 r·min-1转速离心4 min。取上清液5 mL,用水定容至50 mL,用于其中钙、钠的测定;取上清液1 mL,用水定容至100 mL,用于其中钾、镁的测定。随同做空白试验。

2 结果与讨论

2.1 前处理方法的选择

相关前处理方法主要有干法灰化、湿法消化、微波消解、溶剂振荡提取和盐酸超声提取等,采用这5种方法处理样品1＃(目前研究较多的样品类型),所得4种元素的测定结果见图1。

图1 不同前处理方法所得测定结果Fig.1 Determined results obtained with different pretreatment methods

由图1可知,5种方法所得钾和钠的测定结果相差不大,而盐酸超声提取所得钙和镁的测定结果显著高于其他方法的,因此试验选择盐酸超声提取作为前处理方法。

2.2 盐酸超声提取条件的选择

在使用提取剂盐酸溶液超声提取样品时,钾、钙、钠、镁元素会形成离子态从样品进入溶液,进而被测定,而提取剂的浓度及用量、提取时间对提取过程均有直接影响。

试验首先考察了不同盐酸溶液浓度(0,0.02,0.05,0.08,0.10 mol·L-1)及用量(30,40,50,60,70 mL)对样品1＃中4种元素测定结果的影响,结果见图2。由图2可知:4种元素的含量随盐酸溶液浓度的增加先增加后缓慢减小,当盐酸溶液浓度为0.05 mol·L-1时,4 种元素含量达到最大值;并且4种元素的含量随盐酸溶液用量的增加先增加后减小,当盐酸溶液用量为50 mL时,4种元素含量达到最大值。因此,试验选择盐酸溶液浓度为0.05 mol·L-1,用量为50 mL。

图2 不同盐酸溶液的浓度及用量所得测定结果Fig.2 Determined results obtained with different concentrations and different amounts of hydrochloric acid solution

试验继续考察了超声提取时间(10,20,30,40,50 min)对样品1＃中4种元素测定结果的影响,结果见图3。由图3可知,不同提取时间所得钠的测定结果相差不大,在20 min时钾、钙和镁的测定结果显著高于其他提取时间的,因此试验选择的盐酸超声提取时间为20 min。

图3 不同提取时间所得测定结果Fig.3 Determined results obtained with different extraction time

2.3 标准曲线、检出限和测定下限

按照仪器工作条件测定单元素标准溶液系列,以各元素的质量浓度为横坐标,其对应的吸光度为纵坐标绘制标准曲线,线性参数见表2。

按照仪器工作条件重复测定水11次,计算测定值的标准偏差(s),以3s与线性回归方程斜率(k)的比值计算检出限(3s/k),用3倍检出限计算测定下限,所得结果见表2。

表2 4种元素的线性参数、检出限和测定下限Tab.2 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination for 4 elements

2.4 重复性试验

按照试验方法平行分析样品1＃6次,计算测定值的相对标准偏差(RSD)。结果显示,钾、钙、钠、镁测定值的RSD 分别为4.2%,4.9%,2.9%,4.5%,说明方法的重复性较好。

2.5 回收试验

按照试验方法对样品1＃进行3个浓度水平的加标回收试验,计算回收率,结果见表3。

表3 回收试验结果Tab.3 Results of test for recovery

由表3 可知,钾、钙、钠、镁的回收率分别为90.0%～104%,90.0%～100%,90.0%～104%,90.0%～99.2%,表明方法准确度较高。

2.6 样品分析

按照试验方法分析5种样品,所得结果见表4。由表4可知,5种样品中4种元素含量的差别较大。样品1＃中钾、钙和镁含量均较其他方法所制样品中的高;样品2＃、3＃由同一方法所制,其中4种元素含量基本一致,其中钠含量和造纸法的一致,显著低于辊压法和干法所制样品中的钠含量;样品4＃、5＃中钠的含量高于其他方法所制样品中的,其中样品4＃中镁的含量低于其他方法所制样品中的,样品5＃中钠的含量均高于其他方法所制样品中的。

表4 样品分析结果Tab.4 Analytical results of samples

本工作以盐酸超声提取法处理样品,火焰原子吸收光谱法测定HNB 烟丝中钾、钙、钠、镁元素的含量,该方法简便、灵敏、准确,适用于HNB烟丝中钾、钙、钠、镁元素含量的测定,可为HNB烟丝中的元素分析提供技术支持。针对不同方法制备的HNB烟丝中的钾、钙、钠、镁元素含量差异较大是否会对HNB品质产生影响,本单位将会开展进一步研究。