本方案描述了使用实验室混合器进行样品均质化,通过微波辅助湿法酸消解法,采用68 wt% HNO3 和30 wt% H2O2 via 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。
方法文章
本方案描述了使用实验室混合器进行样品均质化,通过微波辅助湿法酸消解法,采用68 wt% HNO3 和30 wt% H2O2 via 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,目前有多种可用的技术,其中一种包括均质化处理,随后进行酸消解。在样品制备过程中的样品处理阶段需格外小心,以消除或尽量减少潜在的污染和待测物损失。均质化是一种同时减小颗粒尺寸并使样品组分均匀分布的过程。均质化完成后,样品需进行酸消解,即在高温条件下使用酸和辅助化学试剂对样品进行消解,将固体样品转化为液态。在此过程中,原始样品中的金属与酸反应生成水溶性盐。通过酸消解制备的样品适用于多种元素分析技术,如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、电化学方法及其他分析技术。本研究详细描述了采用电感耦合等离子体质谱法进行多元素测定的食品样品制备过程。该分步操作包括使用带陶瓷刀片的实验室混合器进行均质化处理,随后在密闭容器中采用微波辅助湿法酸消解进行酸消解。消解过程中使用的辅助试剂为5.0 mL 68 wt% HNO3 与1.0 mL 30 wt% H2O2 的混合液。本指南对这两个阶段所涉及的流程进行了详细说明。
元素分析是一种用于确定各种样品元素组成的分析过程。该方法可用于监控金属(尤其是重金属1)进入人体的情况,因为高浓度的金属可能导致不良健康问题。重金属也是主要的环境污染物之一,因此有必要对其在环境中的存在进行监控2。此外,元素分析还可用于确定食品的地理来源3,以及控制食品和水资源的质量4。同时,它也被用于测定土壤中的微量和常量营养元素5,并通过分析矿物和沉积物的化学成分,揭示历史上地质过程的演变6。研究还利用元素分析检测电子电气废弃物中稀有金属的存在,以实现金属的再生回收7,评估药物治疗的效果8,以及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光谱发射法(ICP-OES)是常用于各类样品元素分析的技术10。它们可同时测定多种元素,检出限(LOD)和定量限(LOQ)可低至 ng/L 级别。通常情况下,与 ICP-OES 相比,ICP-MS 具有更低的检出限11以及更宽的线性浓度范围12。其他用于测定元素组成的分析技术包括微波诱导等离子体发射光谱法13,以及多种原子吸收光谱法(AAS)变体,如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发生原子吸收光谱法14。此外,利用不同的电化学分析方法,特别是阳极溶出伏安法,也可实现低检出限和定量限的元素测定15,16。当然,还有其他方法可用于样品元素组成的测定,但其使用频率不及上述方法。
利用激光诱导击穿光谱和X射线荧光技术可直接对固体样品进行元素测定17。然而,若需采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)和原子吸收光谱(AAS)进行元素分析,则必须将固体样品转化为液态。为此,需使用酸类及辅助试剂(大多数情况下为H2O2)进行酸消解。酸消解在高温高压条件下进行,可将样品中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类,从而使其溶解于溶液中18。
酸消解主要有两种类型:敞口容器消解和密闭容器消解。敞口容器消解成本较低14,但存在一些局限性,例如消解最高温度受限于常压下酸的沸点温度。样品可在电热板、加热块、水浴、沙浴2以及微波系统中加热19。采用此类加热方式时,大量产生的热量会散失到周围环境中20,从而延长消解时间14。敞口容器消解的其他缺点还包括试剂消耗量较大、环境污染物更易引入、以及由于生成挥发性组分并从反应混合物中蒸发,可能导致待测分析物损失21。
与开放式容器系统相比,密闭容器系统在有机和无机样品消解方面更为便捷。密闭容器系统利用多种能量源对样品进行加热,例如传导加热和微波22。采用微波的消解方法包括微波诱导燃烧23、单反应腔系统24,以及广泛使用的微波辅助湿法酸消解(MAWD)25,26。MAWD可在较高的操作温度下进行消解,温度范围通常为220 °C至260 °C,最高压力可达200 bar,具体参数取决于仪器的工作条件27。
微波辅助消解(MAWD)的效率和反应速率取决于多种因素,包括样品的化学组成、最高温度、温度梯度、反应容器内的压力、所添加酸的用量以及所用酸的浓度28。由于反应条件更为剧烈,MAWD可在数分钟内完成彻底的酸消解,而敞口容器体系中的消解则耗时更长。MAWD所需的酸体积和浓度更低,符合当前绿色化学的指导原则29。在MAWD中,所需样品量较敞口容器消解更少,通常样品量不超过500 mg即可满足要求30,31,32。虽然也可消解更大质量的样品,但需要使用更多的化学试剂。
由于MAWD仪器可自动控制反应条件,且在加热过程中人员不会直接接触化学试剂,因此与敞口容器消解相比,MAWD操作更安全。然而,在向反应容器中添加化学试剂时,操作人员始终应谨慎操作,以防止试剂与身体接触造成伤害。此外,反应容器也需缓慢开启,因为在酸消解过程中容器内部会积聚压力。
尽管酸消解是制备用于元素测定样品的一种有用技术,但操作人员应了解其可能存在的局限性。酸消解可能并不适用于所有样品,特别是那些基质复杂、高度反应性或可能发生爆炸性反应的样品。因此,必须始终评估样品组成,以选择适当的化学试剂和反应条件,确保完全消解并使所有目标元素溶解于溶液中。用户还必须考虑并在每一步样品制备过程中解决杂质引入和待测物损失等问题。酸消解必须始终依据特定规则或使用标准操作程序进行。
以下所述方案提供了在实验室规模混合器中均质化食品样品的操作说明,包括混合器部件的清洗、样品的准确称量、化学试剂的添加、通过微波辅助消解(MAWD)进行酸消解、消解完成后反应容器的清洗、样品的元素测定前处理,以及使用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)进行多元素定量测定。按照以下说明操作,即可制备适用于元素分析的样品,并完成消解后样品的测定。
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1. 样品匀浆
2. 混合器清洁
3. 样品称量
4. 加酸
5. 微波辅助湿法酸消解
6. 反应容器清洗
7. 使用ICP-MS进行多元素测定
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均质化
所有样品均使用实验室干燥器干燥至恒重,以去除任何水分。将样品转移至干燥器中,使其在不吸收周围环境中水分的情况下冷却至室温。随后使用实验室混合器对食品样品进行均质化处理,以获得细粉。所得均质化颗粒大小均匀且分布均匀,确保用于酸消解的子样品(从较大样品中取出的样品)具有代表性。除干燥肉类样品外,其余样品均可借助塑料刮刀轻松从混合器烧杯中取出;由于干燥肉类样品脂肪含量较高,更难完全取出,因其部分会黏附在混合器烧杯的玻璃壁上。新鲜、干燥及均质化样品的对比见图2。
必须使用超纯水多次清洗仪器的各个部件,以彻底清除混合器中残留的所有食物颗粒。
必须确保样品的称重质量不超过反应容器允许的最大值。称重在恒定温度下使用分析天平进行,并使用塑料刮勺以避免因金属刮勺可能带来的金属污染。
酸消解
本方案中使用的所有样品均为含有不同量碳水化合物、蛋...
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均质化
由于样品结构和组成的复杂性和不均匀性,在进行酸消解前必须对样品进行均质化处理,以确保元素测定结果的可重复性。均质化的目的是消除组成异质性和分布异质性。通过混合样品,可使各组分在样品中均匀分布,从而最小化分布异质性。同样,通过将颗粒尺寸减小至均匀的粒径,可降低组成异质性44。从均质样品中取得的子样品必须与原始样品具有相同的组分比例,才能具有代表性45。
通过施加外力将样品破碎成更小的颗粒,从而实现均质化46。样品可通过切割、切碎、剪切、压碎、研磨或混合等方式进行均质化处理。然而,选择合适的方法必须考虑样品的硬度、脆性、磨蚀性、弹性、形状及其在均质器组件表面的黏附能力47。
样品可用研钵和研杵手动研磨,或使用多种研磨机(如刀式研磨机、切削研磨机、球磨机、混合研磨机等)以及其他类型的均质器进行粉...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢斯洛文尼亚研究署提供的经费支持(资助编号:P2-0414、P2-0118、J1-2470、NK-0001 和 J1-4416)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氩气 | Messer | 7440-37-1 | Ar 5.0 气体(纯度 99.999%)。 |
| AS-10 自动进样系统 | Shimadzu | 连接至 ICP-MS 的自动进样器,包含 68 个样品端口。 | |
| 移液枪 | Sartorius | 200 µL、1 mL 和 5 mL 的自动移液枪。 | |
| Balance XSE104 | Mettler Toledo, Columbus, Ohio, USA | 最大称重质量为 120 g 的分析天平。 | |
| 陶瓷刀 | 用于切割新鲜食品样品的陶瓷刀。 | ||
| 干燥器 | 带有硅胶颗粒的玻璃干燥器。 | ||
| ETHOS LEAN | Milestone, Sorisole, Italy | 用于在由 TFM-PTFE 制成的密闭 100 mL 容器中进行湿法酸消解的微波系统。 | |
| 通风橱 | 带有可调节气流的实验室通风橱。 | ||
| 玻璃烧杯 RASOTHERM | CarlRoth GmbH + Co.KG | 50 mL、250 mL 玻璃烧杯 | |
| 玻璃漏斗 | 可插入容量瓶瓶口的小型玻璃漏斗。 | ||
| 氦气 | Messer | 7440-59-7 | He 5.0 气体(纯度 99.999%)。 |
| 过氧化氢 | ThermoFisher Scientific | 7722-84-1 | 100 体积的 30 wt.% 过氧化氢溶液,分析纯试剂。 |
| ICP 多元素标准溶液 VIII | Supelco | 109492 | 含 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)的 100 mg/L ICP 多元素标准溶液,溶于 2% 稀硝酸中。 |
| ICPMS 2030 | Shimadzu | 用于消解样品多元素分析的电感耦合等离子体质谱系统。 | |
| ICP-MS 调谐溶液 A | CarlRoth GmbH + Co.KG | 250 mL 调谐溶液,含 6 种元素(Be、Bi、Ce、Co、In、Mn),溶于 1% 硝酸中。 | |
| KIMTECH 紫色丁腈手套 | Kimberly-Clark GmbH | 一次性紫色丁腈手套(S、M 或 L 尺码)。 | |
| 实验服 | 任意供应商 | / | |
| Mixer B-400 | BÜCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland | 带陶瓷刀片的实验室混合器。 | |
| 硝酸 | ThermoFisher Scientific | 7697-37-2 | 硝酸,痕量分析级,68 wt%,密度 1.42,Primar Plus,适用于痕量金属分析。 |
| 塑料离心管 | Isolab | 50 mL 带螺帽的塑料离心管,一次性使用。 | |
| 塑料注射器 Injekt | B. Braun | 2 支一次性 20 mL 注射器。 | |
| 自动进样器用塑料管 | Shimadzu | 046-00147-04 | 自动进样器用塑料管,容量 15 mL,直径 16 mm,长度 100 mm。 |
| 塑料废液容器 | 用于清除反应容器清洗后残留化学品的塑料容器。 | ||
| 防护眼镜 | / | ||
| 样品(西兰花、香肠、面条、西葫芦、蘑菇) | 新鲜样品,在实验过程中干燥至恒重并均质化处理。样品购自当地商店。 | ||
| 刮勺 | 塑料刮勺。 | ||
| Sterilizator Instrumentaria ST 01/02 | Instrumentaria | 温度可调的干燥器。 | |
| 注射器滤器 | CHROMAFIL Xtra | 729212 | 带聚丙烯外壳和亲水性聚酰胺膜的注射器滤器。滤膜直径 25 mm,孔径 0.2 µm。 |
| 超纯水 | ELGA Labwater, Veolia Water Technologies | 电阻率为 18.2 MΩcm 的超纯水,由实验室水纯化系统制得。 | |
| 容量瓶 | 25 mL 玻璃容量瓶。 |
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