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四种仪器分析法测定预混饲料中镉元素的含量

2023-12-26 327 上传者：管理员

摘要：探究火焰原子吸收光谱（FAAS）法、石墨炉原子吸收光谱（GFAAS）法、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）法、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法4种仪器分析法测定预混饲料中镉元素含量的差异。试验比较了各分析方法的检出限及线性范围，通过测试标准参考样品判断仪器的准确度，借助实际样品加标回收率试验测试其精密度，并评估酸度差异及基质干扰对4种仪器的影响程度。结果表明，FAAS受样品基质干扰最小，试样酸度差异对其影响也较小，线性范围较宽，为2个数量级，检出限较高；GFAAS受样品基质干扰较大，试样酸度差异对其影响也较大，线性范围窄，仅为1个数量级，检出限低；ICP-AES受样品基质影响较小，受试样酸度差异的影响最大，其线性范围宽，检出限较高；ICP-MS受样品基质影响最大，受试样酸度差异的影响最小，其线性范围宽，检出限低；4种分析方法在标准参考样品准确度测试过程中测定值均与标准值无显著差异。说明4种仪器分析方法均能准确测定样品中镉的含量，且各有优缺点。

关键词：
基质干扰
火焰原子吸收光谱(FAAS)法
电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)法
电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法
石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)法
镉元素
预混饲料
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镉（Cd）是有毒重金属元素，毒性较大且无法被生物降解，为慢性蓄积性毒物，过量摄入会对机体的生产、繁殖造成不良影响，甚至会引起器官病变、造成生物体死亡[1,2]。镉元素可在食物链中传递[3]，因此饲料中的镉元素最终也会影响人体。被镉元素污染的食物会影响人体的肾、肺、骨骼和生殖系统等[4]，镉于2012年被世界卫生组织列入1类致癌物清单，为确定致癌物。为保障畜牧业健康发展、食品安全以及居民健康，需对饲料中的镉元素进行监测。

检测镉元素的仪器分析方法主要有火焰原子吸收光谱（FAAS）法[5]、石墨炉原子吸收光谱（GFAAS）法[6,7]、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）法[8]以及电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法[9,10]等。在中华人民共和国国家标准（GB/T13082—2021）中，推荐应用FAAS以及GFAAS 2种吸收光谱方法测定饲料中的镉元素[11]，但另外2种方法在实际工作中也被普遍采用[12,13]。基于此，本研究考察这4种仪器分析法测定不同预混合饲料中镉元素含量的差异，旨在为更准确、高效地分析预混饲料中的镉含量提供参考。

1、材料与方法

1.1 供试试剂及样品

65%硝酸（GR，德国默克集团），氢氟酸、30%过氧化氢（GR，国药集团化学试剂有限公司），1 000 mg/L镉标准溶液（坛墨质检科技股份有限公司），饲料中镉标准参考样品（编号CQCM101468，广州佳途科技股份有限公司），试验用水为一级水。5个预混饲料样品均购于市场，各样品编号及对应外观如图1所示。

1.2 主要仪器

Pin AAcle 900T型火焰/石墨炉原子吸收光谱配镉（Cd）空心阴极灯（FAAS/GFAAS）、Optima 8000型电感耦合等离子体发射光谱仪配交叉流动雾化器（ICP-AES），购于美国珀金埃尔默股份有限公司；7700 Series型电感耦合等离子体质谱仪配同心雾化器（ICP-MS），购于美国安捷伦科技有限公司；Arium ComfortⅠ-TOC-8 L型超纯水装置，购于德国赛多利斯集团；Multiwave PRO-HP型微波消解仪，购于奥地利安东帕（上海）商贸有限公司。

1.3 仪器工作条件

1.3.1 火焰原子吸收光谱

图1 5个预混饲料样品

检测波长为228.80 nm,火焰类型为空气-乙炔，灯电流为4 m A，氧化剂流量为10.00 L/min，乙炔流量为2.50 L/min，狭缝宽度为0.7 nm，背景矫正方式为氘灯。

1.3.2 石墨炉原子吸收光谱

检测波长为228.80 nm，灯电流为4 m A，干燥温度/时间为110℃/30 s，灰化温度/时间为300℃/20 s，原子化温度/时间为1 500℃/5 s，除残温度/时间为2 450℃/3 s，背景校正方式为氘灯，狭缝宽度为0.7 nm，进样量为20μL。1.3.3电感耦合等离子体发射光谱检测波长为228.80 nm，射频功率为1 300 W，气体为Ar，等离子体气流量为15 L/min，辅助气流量为0.2 L/min，雾化器气流量为0.65 L/min，蠕动泵速为1.5 m L/min，观测方式为轴向观测，等离子体稳定时间为15 min。1.3.4电感耦合等离子体质谱射频功率为1 550 W，载气为He，等离子体气流量为1.03 L/min，蠕动泵速为每秒0.10转，雾化室温度为2℃，碰撞气流量为4.5 m L/min，采样锥为镍锥，采样深度为8 nm。

1.4 试验方法

1.4.1 标准曲线的绘制

用2%(m∶m，下同）硝酸逐级稀释镉标准溶液（1 000 mg/L）以配置标准系列溶液，得到浓度为0.000 5、0.001 0、0.002 0、0.003 0、0.004 0、0.005 0、0.010 0、0.020 0、0.040 0、0.100 0、0.200 0、0.400 0、1.000 0、2.000 0、4.000 0、10.000 0 mg/L的系列标准溶液，上机测试，分别以吸收光谱吸光度、发射光谱谱线强度、质谱111Cd的CPS（每秒的计数）为纵坐标（Y），质量浓度为横坐标（X），采用外标法作图，得到各仪器的线性范围、回归方程及相关系数（r）。

1.4.2 样品消解条件的优化

设置4种消解酸，分别是HNO36.0 m L、HNO35.5 m L+30%H2O20.5 m L、HNO35.5 m L+HF 0.5 m L、HNO35.0 m L+HF 0.5 m L+30%H2O20.5 m L。准确称取样品0.3～0.4 g（精确至0.000 1 g）于消解罐内胆中，加入消解酸，旋紧罐盖，置于微波消解仪中消解。待消解完毕后将消解罐放入赶酸板中，于140℃加热赶除过量酸至约0.5 m L，用水少量多次冲洗消解罐及罐盖，收集消解液至10 m L塑料离心管中并定容。

1.4.3 准确度试验

为探究不同仪器对检测准确度的影响，按照“1.4.2”优化的消解条件平行消解7份镉标准参考样品，采用4种仪器进行测试，若测试结果超出仪器对应的线性范围，则取适量样液用2%的硝酸稀释后再次上机测试。

1.4.4 加标回收率试验

为判断仪器的精密度，按照“1.4.2”优化的消解条件，分别对5个样品进行单水平加标回收试验（n=7），通过4种仪器对各加标样品及原样品进行测定。

2、结果与分析

2.1 线性关系的考察

线性范围大的仪器可以更方便地检测不同含量的样品，反之则有可能需要对处理后的样液进行稀释或浓缩以适应仪器，引入不必要的误差。标准溶液经上机测试，分别以测定镉元素的吸收光谱吸光度、发射光谱谱线强度、质谱111Cd的CPS（每秒的计数）为纵坐标（Y），质量浓度为横坐标（X），采用外标法作图，得到各仪器的线性范围、回归方程及相关系数（r），详见表1。

表1 各仪器的线性范围、回归方程、相关系数及检出限

各仪器的检出限通过重复测试空白溶液11次，以3倍标准差（3σ）计算得出。由表1可知，ICP-MS和GFAAS的检出限明显低于ICP-AES、FAAS，且ICP-MS的检出限最低，但在实际检测中ICP-MS因其自身耐盐性及样品复杂性等会出现检出限较此理论值有所升高而稍高于GFAAS的情况。4种仪器的r均大于0.995 0，表明线性关系较好。

2.2 样品消解条件的优化

饲料样品的消解方式主要有干法灰化消解[14]、混合酸湿法消解[15]以及微波湿法消解[16]等。巩佳第等[17]、李慧娟等[18]和葛亚明等[19]的研究比较这3种消解方式对饲料样品中元素检测的影响，综合考虑方法的重复性、准确性以及对环境的污染程度，本研究采用微波湿法消解方式对样品进行处理。

为保证样品消解完全，探究了5个预混饲料样品在4种组成的酸、消解温度分别为170℃和180℃、消解20 min后的消解液状态，在ICP-MS仪器上测定各自的镉元素含量（n=3），结果如表2所示。在不加入氢氟酸的情况下，消解完成后消解罐底部均有明显未消化完的黑色沉淀，加入过氧化氢变化不明显；在消解温度为170℃时，即使加入少量氢氟酸，消解罐底部的沉淀量也明显减少，但仍有少量沉淀物剩余。结果表明，加入氢氟酸可以有效促进样品的消解，而加入过氧化氢对结果没有明显影响；样品在消解温度为180℃时消解更彻底。本研究选择的优化消解条件为消解温度180℃，HNO35.5 m L+HF 0.5 m L。优化后的微波消解程序如表3所示。

表2 消解温度及酸组成对消解结果的影响

表3 优化后的微波消解程序

2.3 标准参考样品准确度测试

由表4可知，各仪器所测数值均在参考样品标准值范围内，且测值结果经t检验，所得t均小于t0.05,6，说明4种仪器分析方法的测定结果与标准值在95%置信水平下均无显著差异。因此，本研究使用4种仪器对结果准确度未造成影响。

2.4 加标回收率试验

加标回收试验的添加量应与原样品中待测物含量相近，一般为样品中含量的0.5～2.0倍[20]。基于“2.2”中5个样品在最优消解条件下的预测值，分别对5个样品进行单水平加标回收试验（n=7），通过4种仪器对各加标样品及原样品的同一消解后样液进行测定，考察不同仪器对结果精密度及回收率的影响，各样品加标量及不同仪器测定的加标样品回收率和相对标准偏差（RSD）见表5。

由表5可知，4种仪器的回收率在95.1%～103.5%,RSD在1.22%～5.32%。说明使用不同仪器样品的回收率产生了差异。考虑影响最大的因素是各样品处理后的酸度无法完全统一和不同样品中的元素差异引起基质效应。

2.5 试样酸度的影响

经处理定容后的样液p H与0.9%～4.5%的硝酸溶液相近，为探究酸度对各仪器检测镉元素的影响程度，配置硝酸浓度分别为0.5%、1.0%、2.0%、3.0%、5.0%与测试样品浓度相近的标准溶液，以2%硝酸为空白校正，各仪器所用标准溶液浓度及测定结果如图2所示。随着硝酸浓度的升高，FAAS法的吸光度呈升高趋势；GFAAS法的吸光度及ICP-MS的CPS呈先升后降趋势，并在硝酸浓度为2.0%时GFAAS法的吸光度及ICP-MS的CPS最高；ICP-AES法的情况较为特殊，其谱线强度在硝酸浓度为0.5%～1.0%呈下降趋势，而后呈先升后降趋势，也在硝酸浓度为2.0%时达最高值。计算各仪器所得数据的变异系数（CV），以此判断酸度对测定结果引起的波动大小。4种仪器的CV分别为2.001%(FAAS）、2.319%(GFAAS）、4.924%(ICP-AES）、1.572%(ICP-MS）。可以看出，在日常检测中，ICP-MS受酸浓度变化影响程度最小，其次是FAAS，而ICP-AES受酸浓度影响程度最大。

表4 标准参考样品准确度测试结果

表5 各样品的加标量及不同仪器所测回收率、相对标准偏差

2.6 基质效应

通过比较基质标准曲线与溶剂标准曲线斜率判断基质效应对各仪器的影响程度。将5个饲料样品进行消解，按照“2.2”优化条件下的测定值，参考“2.1”各仪器线性范围，对消解液进行适当稀释，绘制各仪器线性范围内的5个饲料样品的基质标准曲线，得到各基质标准曲线斜率如表6所示。当基质标准曲线斜率大于溶剂标准曲线斜率时，认为存在基质增强，测定基质中镉元素含量时若使用普通酸溶液会导致测定值偏大；反之，则存在基质抑制，测定值会偏小。分析基质标准曲线斜率与溶剂标准曲线斜率的比值（斜率比），各仪器斜率比范围分别为0.990～1.006(FAAS）、0.978～1.033(GFAAS）、0.976～1.002(ICP-AES）、0.966～1.034(ICP-MS），可以看出FAAS受基质影响最小，ICP-MS受基质影响最大。

图2 不同硝酸浓度对4种仪器测定结果的影响

表6 4种仪器的基质标准曲线斜率与溶剂标准曲线斜率

3、小结

FAAS受样品基质干扰最小，试样酸度差异对其影响也较小，线性范围较宽，为2个数量级，检出限较高；GFAAS受样品基质干扰较大，试样酸度差异对其影响也较大，线性范围窄，仅为1个数量级，检出限低；ICP-AES受样品基质影响较小，受试样酸度差异的影响最大，其线性范围宽，检出限较高；ICP-MS受样品基质影响最大，受试样酸度差异的影响最小，其线性范围宽，检出限低。4种方法在标准参考样品准确度测试过程中测定值均与标准值无显著差异，因此不同方法的检测结果均有其参考价值，而具体方法应该对照实际样品、检测要求和操作人员水平等对4种仪器进行选择。

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