RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
zh_CN
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
所提出的方案描述了使用实验室混合器进行样品均质化,通过微波辅助湿酸消解使用68wt%HNO3和30wt%H2O2的混合物对食品样品进行酸消解,以及使用电感耦合等离子体质谱法进行多元素测定。
样品制备对于元素测定至关重要,并且有多种技术可供选择,其中一种技术涉及均质化,然后是酸消解。在制备阶段的样品处理过程中需要特别小心,以消除或尽量减少潜在的污染和分析物损失。均质化是一种同时减小粒径和均匀分布样品组分的过程。均质化后,样品进行酸消解,其中在高温下用酸和辅助化学品消解,将固体样品转化为液态。在这个过程中,原始样品中的金属与酸反应形成水溶性盐。通过酸消解制备的样品适用于使用电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、原子吸收光谱法、电化学方法和其他分析技术进行元素分析。这项工作详细介绍了使用电感耦合等离子体质谱法制备用于多元素测定的食品样品。分步程序包括使用带有陶瓷刀片的实验室大小的混合器进行均质化过程,然后使用微波辅助湿酸消解在密闭容器中进行酸消解。5.0 mL 68 wt% HNO3 和 1.0 mL 30 wt% H2O2 的混合物用作辅助试剂。本指南对这两个阶段所涉及的过程进行了说明。
元素分析是确定各种样品元素组成的分析过程。它可用于控制人体中金属(尤其是重金属1)的摄入量,因为它们的高浓度可能会导致不必要的健康问题。重金属也是主要的环境污染物之一,因此,控制它们在环境中的存在是必要的2.此外,元素分析可用于确定食品的地理来源3 ,并控制食物和水资源的质量4。此外,它还用于测定土壤中的微量和宏量营养素5 ,并通过检查矿物和沉积物的化学成分6 来深入了解整个历史的地质过程。还进行了研究,以确定电气和电子废物中稀有金属的存在,以便进一步进行金属再生7,评估药物治疗的成功8,并验证金属植入物的元素组成9。
电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS) 和电感耦合等离子体发射光谱法 (ICP-OES) 是用于各种样品元素分析的常用技术10。它们可以同时测定多种元素,检测限 (LOD) 和定量限 (LOQ) 低至 ng/L。一般来说,与 ICP-OES12 相比,ICP-MS 具有更低的 LOD 值11 和更宽的线性浓度范围。测定元素组成的其他技术是微波诱导等离子体发射光谱法13和原子吸收光谱法(AAS)的几种变体,包括火焰原子吸收光谱法、电热原子吸收光谱法2、冷蒸气原子吸收光谱法和氢化物产生原子吸收光谱法14.此外,使用不同的电分析方法可以进行低LOD和LOQ的元素测定,特别是阳极剥离伏安法15,16。当然,还有其他方法可以确定样品的元素组成,但它们不像上述方法那样经常使用。
使用激光诱导击穿光谱和 X 射线荧光17 对固体样品进行直接元素测定是可行的。然而,对于使用 ICP-MS、ICP-OES 和 AAS 进行元素测定,必须将固体样品转化为液态。为此,使用酸和辅助试剂(在大多数情况下是H2O2)进行酸消解。酸消解在高温和高压下进行,将样品的有机部分转化为气态产物,并将金属元素转化为水溶性盐,从而将它们溶解在溶液中18。
酸消解主要有两种类型,开血管消解和闭合容器消解。开式容器消解具有成本效益14 ,但有局限性,例如最高消解温度,它与常压下酸的沸腾温度一致。样品可以在热板、加热块、水浴、砂浴2和微波19上加热。通过以这种方式加热样品,产生的大部分热量会损失到周围环境20中,从而延长消解时间14。开式容器消解的其他缺点包括更大的化学品消耗量,来自周围环境的污染的可能性更大,以及由于挥发性组分的形成及其从反应混合物中蒸发而可能损失分析物21。
与开放式容器系统相比,封闭容器系统更便于有机和无机样品的消解。密闭容器系统利用各种能源来加热样品,例如传导加热和微波22。使用微波的消解方法包括微波诱导燃烧23、单反应室系统24和常用的微波辅助湿酸消解(MAWD)25,26。MAWD 允许在更高的工作温度下进行消解,范围在 220 °C 和 260 °C 之间,最大压力高达 200 bar,具体取决于仪器的工作条件27。
MAWD的效率和速率取决于几个因素,包括样品的化学成分,最高温度,温度梯度,反应容器中的压力,添加的酸的量和所用酸的浓度28。在 MAWD 中,由于与开放式容器系统中更持久的消解相比,反应条件升高,可以在几分钟内实现完全的酸消解。MAWD 中需要较低的酸的体积和浓度,这符合当前的绿色化学指南29。在MAWD中,与开血管消解相比,需要较少量的样品进行酸消解,通常高达500mg的样品就足够了30,31,32。可以消化较大数量的样品,但它们需要更多的化学品。
由于 MAWD 仪器自动控制反应条件,并且人在加热过程中不会直接接触化学品,因此 MAWD 比开放式容器消解更安全。但是,在向反应容器中添加化学物质时,该人应始终谨慎行事,以防止它们与身体接触并造成伤害。反应容器也需要缓慢打开,因为在酸消解过程中,反应容器内部的压力会积聚。
虽然酸消解是制备用于元素测定的样品的有用技术,但执行该技术的人员应了解其可能的局限性。酸消解可能并不适合所有样品,尤其是那些具有复杂基质的样品以及那些反应性高或可能发生爆炸反应的样品。因此,应始终评估样品成分,以选择适当的化学品和反应条件,以便完全消解,从而溶解溶解溶液中所有所需元素。用户必须考虑并解决的其他问题是样品制备过程中每一步的杂质和分析物损失。酸消解必须始终按照特定规则或使用方案进行。
下面描述的方案提供了在实验室大小的混合器中对食品样品进行均质化的说明,清洁混合器组件、正确称量样品、添加化学品、通过 MAWD 进行酸消解、在消解完成后清洁反应容器、制备样品进行元素测定以及使用 ICP-MS 进行定量多元素测定的程序。按照以下说明,应该能够制备适合元素测定的样品并对消解样品进行测量。
1.样品均质化
2.搅拌机清洗
3.样品称量
4.加酸
5. 微波辅助湿酸消解
6.反应容器清洗
7. 使用ICP-MS进行多元素测定
均匀
所有样品均用实验室干燥器干燥至恒定质量,以消除任何水分。将样品转移到干燥器中,使其冷却至室温,而不会结合周围环境的水分。然后使用实验室混合器将食品样品均质化,以获得细粉。所得均质颗粒大小均匀,分布均匀,确保用于酸消解的子样品(从较大样品中抽取的样品)具有代表性。在塑料刮刀的帮助下,样品很容易从混合烧杯中取出,但干肉样品除外,由于其脂肪含量较高,去除起来更具挑战性。较高的脂肪含量使样品部分粘附在混合烧杯的玻璃壁上。新鲜、干燥和均质样品的比较如 图 2 所示。
仪器的组件必须用超纯水多次清洗,以消除混合器中残留的所有食物颗粒。
必须确保样品的称量质量不超过反应容器中允许的最大值。使用分析天平在恒温下进行称量,并使用塑料刮刀避免金属刮刀可能产生的金属污染。
酸消解
方案中使用的所有样品都是含有不同量碳水化合物、蛋白质和脂肪的食品样品。HNO3 与 H2O2 结合, 适用于这些分子的消化,不需要其他化学物质。由于HNO3 会形成烟雾,因此在通风橱中处理了这些化学品。将化学品加入TFM-PTFE反应容器后,将盖盖安装在反应容器的顶部,并密封良好,以避免可能的污染和分析物损失。反应容器对称分布在机架中,以确保微波系统内的微波照射均匀。
在酸消解过程中,微波系统的门是关闭的,直到方案结束才能打开门。酸消解的整个过程可以在设备的屏幕上监控,显示温度随时间的变化(图7)。
酸消解完成后,消解样品的溶液冷却至室温,在通风橱中打开反应容器。它们尽可能缓慢地打开。如果压力释放得太快,即使是反应混合物的小液滴也可能逸出,导致分析物损失。当反应容器打开时,释放出黄色或黄橙色气体(图8)。烟雾的着色可归因于 NO2,它在较高温度下形成橙色烟雾。反应容器中的压力增加是由于食品样品被HNO3氧化,导致形成CO2、H2O、NO等气体。反应容器脱气后,消解样品的淡黄色或无色溶液残留在反应容器中,表明MAWD已实现全酸消解。溶液中没有残留可见颗粒进一步证实了这一点。
样品制备的最后一步是用超纯水稀释消解的样品,以降低残留酸度(RA)。高RA值会通过增加背景信号来干扰测量。稀释还降低了液体样品26中金属离子的浓度。当将消解样品的溶液转移到容量瓶中时,反应容器的组分用超纯水彻底冲洗以完全转移分析物。出现的一个问题是,可能含有目标分析物的小滴超纯水粘附在反应容器的壁上。用超纯水稀释至25 mL标记后,所有样品均变为无色。消解样品的最终溶液含有水溶性盐,因为样品中存在的金属元素与HNO3 反应形成高度可溶性硝酸盐。元素分析技术可以确定形成水溶性盐的金属离子。过滤稀释后的溶液时,重要的是要丢弃前几滴,以确保去除任何颗粒或污染物。过滤后,将溶液密封以防止任何泄漏,然后储存在冰箱中。
酸消解过程的主要局限性是样品通量。MAWD 系统一次只能消化有限数量的样品。此外,每个消解和后续样品制备步骤可能需要几个小时才能完成。此外,反应容器清洁也很耗时,但将样品之间的交叉污染风险降至最低至关重要。
使用ICP-MS进行多元素测定
对于每个元素,构建了一条校准曲线。它们是通过绘制强度与分析物浓度的函数关系而获得的(图9)。所有测量元素的线性浓度范围在1.0 μg/L至50.0 μg/L之间。
每个元素的LOD和LOQ分别使用公式1和公式2计算。在两个方程中,s空白表示校准空白(10 次重复)的多次测量的标准偏差38,39,而 b1 表示校准曲线的斜率。
(1)
(2)
Mn、Cu、Fe和Zn的LOD分别为0.5 ng/L、2.8 ng/L、2.8 ng/L和3.2 ng/L。Mn、Cu、Fe和Zn的LOQ分别为1.6 ng/L、9.2 ng/L、9.5 ng/L和10.8 ng/L。
对每个样品进行六次重复消化。在不使用标准溶液加标样品的情况下对每个样品进行三次重复消解,并在添加已知量分析物标准品溶液的情况下进行三次重复消解,以测试整个方法的准确性(加标回收率测试40)和精密度。为了在消解程序之前进行准确测定,将 37.5 μL 的 100 mg/L ICP 多元素标准溶液移液到含有样品的反应容器中,这导致加标样品中的浓度增加 15.0 μg/L,稀释了 10 倍。这也相当于每测量一个金属离子每克样品增加15.0μg。分别使用 Rec 和相对标准偏差 (RSD) 确定准确度和精密度。
分析方法的准确性可以通过尖峰恢复测试来评估。为此,将已知量的分析物标准品的溶液加入到样品中,然后在与未加标41的样品相同的反应条件下消解。使用公式 3 计算 Rec,其中 γi 是消解后加标样品的测得浓度,而 γt 表示通过考虑分析物标准品添加溶液的增加,未加标样品的测定浓度。γi 和 γt 是三个重复的平均值。当Rec在80.00%-120.00%42范围内时,该分析方法被认为是准确的。
(3)
使用RSD评估分析方法的精密度。它描述了通过多次重复测量获得的独立结果之间的一致性。RSD使用公式4计算,其中 sm 表示浓度测定的重复测量的标准偏差,而
表示测定浓度的平均值。如果 RSD 值低于 20.00%43,则认为分析方法准确。
(4)
在ICP-MS测量之前,所有样品都用超纯水稀释10倍(对于第一组测量)。稀释降低了引入分析仪的基质组分的浓度。此外,通过稀释样品,RA降低。高 RA 可能会影响等离子体电离效率或导致基质干扰问题。如果第一组测量后分析物的浓度低于LOQ,则稀释因子应低于10。使用校准曲线对金属离子进行定量。计算结果的值应具有与用于校准的标准解相同的精度(有效数字的数量相同)。样品中金属离子的含量以μg/g重量(μg/g)表示。这是通过将分析样品的测量质量浓度乘以稀释因子来获得原始消解样品中的浓度来实现的。然后将该质量浓度乘以消解样品的体积 (25 mL),然后除以匀浆样品的初始称量质量数(初始加权质量数是称重到反应容器中用于 MAWD 的样品的质量数)。所有值都报告为三次重复的平均值。
以下要素的报告内容±
秒米。西兰花样品中Cu、Mn和Zn的含量分别为5.9±0.5 μg/g、32.5 ± 2.7 μg/g和42.8 ± 0.2 μg/g。西兰花样品中测定的Fe质量浓度超过了校准曲线线性浓度范围的上限(即50.0 μg/L)。因此,将样品的溶液用超纯水稀释2倍,并对该溶液进行ICP-MS测量。结果表明,西兰花含铁量为63.0±1.9 μg/g。
对于蘑菇,Zn、Fe、Cu和Mn的含量分别为35.6±1.4 μg/g、30.4±1.3 μg/g、18.5±1.0 μg/g和5.4 ± 0.3 μg/g。香肠含有 42.2 ± 0.9 μg/g 的铁、25.1 ± 2.6 μg/g 的 Zn 和 1.0 ± 0.1 μg/g 的铜。用ICP-MS对稀释10倍的消解液进行多元素测定,发现Mn浓度低于线性浓度范围的下限(即1.0 μg/L)。因此,香肠样品的原始溶液仅稀释5倍,并用ICP-MS重复多元素测定。经测定,香肠样本中Mn含量为每克0.9±0.3微克。面条含有5.4±2.8微克/克的锌、10.3±1.2微克/克的铁、1.6±0.3微克/克的铜和7.5±0.2微克/克的锰。
所有4个样品中所有分析物的Rec均在80.00%-120.00%范围内,表明该分析方法的准确性。计算结果表明,分析方法准确,除了面条样品中Zn的RSD值低于20.00%外,其余值均低于20.00%。结果见 表2。

图 1:用于食品样品均质化的实验室混合器。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 2:新鲜、干燥和均质样品的比较。 (A-D) 西兰花、蘑菇、香肠和面条的新鲜样品。(E-H) 西兰花、蘑菇、香肠和面条的干燥样品。(I-L) 西兰花、蘑菇、香肠和面条的均质样品。请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:在分析天平上称量样品。 这是通过打开上翻盖从上方完成的。 请点击这里查看此图的较大版本.

图4:微波系统。 用于酸消解的微波系统,带有侧面触摸屏,用于选择反应条件和监控酸消解过程。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:用于微波辅助酸消解的组件。 (A) 带有 14 个反应容器的架子,用于微波炉室内的酸消解。(B) TFM-PTFE反应容器由3个部分组成。一旦容器用盖子封闭,样品和气体都不能从反应容器中逸出或进入。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 6:在通风柜中打开时反应容器的内部。 (A) 烟雾呈黄橙色是由于酸消解过程中产生的NO 2 。(B)大部分气体从反应容器中逸出后,消解样品溶液呈黄色。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 7:温度随时间的变化。 该图显示了使用 MAWD 进行酸消解期间温度随时间变化的变化。T2 代表反应容器内反应混合物的温度。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 8:打开通风橱下方的反应容器,释放黄橙色气体。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 9:Mn 的校准曲线示例。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 10:用于多元素测定的 ICP-MS 仪器。 请点击这里查看此图的较大版本.
表 1:ICP-MS 仪器的操作条件。请按此下载此表格。
表 2:西兰花、蘑菇、香肠和面条的 Rec 和 RSD 值。请按此下载此表格。
作者没有什么可透露的。
所提出的方案描述了使用实验室混合器进行样品均质化,通过微波辅助湿酸消解使用68wt%HNO3和30wt%H2O2的混合物对食品样品进行酸消解,以及使用电感耦合等离子体质谱法进行多元素测定。
作者感谢斯洛文尼亚研究机构的财政支持(批准号:P2-0414、P2-0118、J1-2470、NK-0001 和 J1-4416)。
| Ar 气体 | Messer | 7440-37-1 | Ar 5.0 气体(纯度 99.999%)。 |
| AS-10 自动进样器系统 | Shimadzu | 自动进样器连接到 ICP-MS,包含 68 个样品端口。 | |
| Sartorius | 200 & micro 自动移液器;L、1 mL 和 5 mL 自动移液器。 | ||
| 俄亥俄州哥伦布市梅特勒托利多 | XSE104 | 分析天平秤,最大称质量为 120 g。 | |
| 陶瓷刀 | 用于切割新鲜食品样品的陶瓷刀。 | ||
| Dessicator | 玻璃干燥器,带有硅胶块。 | ||
| ETHOS 精益 | 里程碑,意大利 | 索里索尔 | 用于在 TFM-PTFE 制成的密闭 100 mL 容器中进行湿酸消解的微波系统。 |
| 通风柜 | 带可调节气流的实验室通风柜。 | ||
| 玻璃烧杯 RASOTHERM | CarlRoth GmbH + Co.KG | 50 mL, 250 mL 玻璃烧杯 | |
| 玻璃漏斗 | 安装在容量瓶颈部的小玻璃漏斗。 | ||
| He 气体 | Messer | 7440-59-7 | He 5.0 气体(纯度 99.999%)。 |
| 过氧化氢 | ThermoFisher Scientific | 7722-84-1 | Hxdrogen peroxide 100 体积 30 wt.% 溶液。实验室试剂级。 |
| ICP 多元素标准溶液 VIII | Supelco | 109492 | 100 mg/L ICP 多元素标准溶液,含有 24 种元素(Al、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、K、Li、Mg、Mn、Na、Ni、Pb、Se、Sr、Te、Tl、Zn),溶于 2% 稀硝酸中。 |
| ICPMS 2030 | 岛津 | 电感耦合等离子体质谱系统,用于消解样品的多元素分析。 | |
| ICP-MS 调谐溶液 A | CarlRoth GmbH + Co.KG | 250 mL 调谐溶液,含有 6 种元素(Be、Bi、Ce、Co、In、Mn)的 1% 硝酸溶液。 | |
| KIMTECH 紫色丁腈手套 | Kimberly-Clark GmbH | 一次性紫色丁腈手套(S、M 或 L)。 | |
| 实验室涂层 | 任何可用的供应商 | / | |
| 混合机 B-400 | BÜCHI Labortechnik AG,瑞士弗拉维尔 | 带陶瓷叶片的实验室搅拌机。 | |
| 硝酸 | ThermoFisher Scientific | 7697-37-2 | 硝酸,痕量分析级,68 wt%,密度 1.42,Primar Plus,用于痕量金属分析。 |
| 塑料离心管 | Isolab | 50 mL 塑料离心管,带螺口盖,一次性使用。 | |
| 塑料注射器 Injekt | B. Braun | 2 pice,一次性使用 20 mL 注射器。 | |
| 用于自动进样器的塑料管 | Shimadzu | 046-00147-04 | 用于自动进样器的塑料管,容量为 15 mL,直径为 16 mm,长度为 100 mm。 |
| 塑料垃圾容器 | 用于在反应容器清洁程序后去除化学品的塑料容器。 | ||
| 保护性 googles | / | ||
| 样品(西兰花、香肠、面条、西葫芦、蘑菇) | 新鲜样品,在过程中干燥至恒重并均质化。样品是从当地商店购买的。 | ||
| 抹刀 | 塑料抹刀。 | ||
| Sterilizator Instrumentaria ST 01/02 | Instrumentaria | 温度可调的干燥机。 | |
| 针头式过滤器 | CHROMAFIL Xtra | 729212 | 带聚丙烯外壳和聚酰胺亲水膜的针头式过滤器。膜直径 25 mm,膜孔径 0.2 &μm。 |
| 超纯水 | ELGA Labwater,Veolia Water Technologies。 | 电阻率为 18.2 M&Omega 的超纯水;CM,用实验室净水系统获得。 | |
| 容量瓶 | 25 mL 玻璃容量瓶。 |