使用均质化和微波辅助湿法酸消解制备食品样品以进行ICP-MS多元素测定

摘要

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。

摘要

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。

引言

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

方案

1. 样品匀浆

1. 使用洁净的陶瓷刀将食品样品（西兰花、蘑菇、香肠和面条）手动切成较小的块状，以加快干燥过程。准备足够的样品，确保至少进行6次酸消解重复实验（干燥后样品的最小质量应为1500 mg）。
   注意：增加样品的表面积可使更大比例的样品暴露于加热的周围空气中，从而提高水分蒸发速率。
2. 将样品放入250 mL玻璃烧杯中，并使用烘箱在105 °C下干燥至恒重。
3. 从烘箱中取出装有样品的玻璃烧杯，并将其放入干燥器中。
4. 让样品冷却至室温。
   注意：样品必须在恒定温度下称重，以确保重量准确反映其质量。温度变化会影响所测样品的体积和密度。
5. 打开干燥器，将装有样品的玻璃烧杯转移至分析天平上，称量玻璃烧杯与样品的总重量。
6. 称重完成后，将样品重新放回烘箱中。
   注意：如果样品在干燥过程中明显收缩，可使用塑料刮刀将其转移至较小的玻璃烧杯中，以便更方便地称重。
7. 重复步骤1.3至1.6的操作，直至样品达到恒重。
8. 将干燥后的非均质样品放入混合器烧杯中（参见材料表），确保样品体积不超过混合器烧杯的最大容量。
9. 将混合器烧杯插入混合器中，并关闭防护门（图1）。
10. 按下启动

结果

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一致，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，其部分样品会粘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，以彻底清除混匀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。

酸消化
本方案中使用的所有样品均为食品样品，含有不同量的.......

讨论

均质化
由于样品结构和成分复杂且不均匀，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具有可重复性。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，将颗粒尺寸减小至均匀粒径，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。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、形状及其在均质装置组件上黏附的能力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碎

材料

本文使用的材料清单

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。