Automatically Generated

Summary

Den presenterte protokollen beskriver prøvehomogenisering med en laboratorieblander, syrefordøyelse av matprøver ved bruk av en blanding av 68 vekt% HNO₃ og 30 vekt% H₂O₂ via mikrobølgeassistert våtsyrefordøyelse og multielementbestemmelse utført med induktivt koblet plasmamassespektrometri.

Abstract

Prøvepreparering er avgjørende for elementær bestemmelse, og ulike teknikker er tilgjengelige, hvorav den ene involverer homogenisering etterfulgt av syrefordøyelse. Spesiell forsiktighet er nødvendig under prøvehåndtering i forberedelsesfasen for å eliminere eller minimere potensiell forurensning og analytttap. Homogenisering er en prosess som samtidig reduserer partikkelstørrelsen og fordeler prøvekomponentene jevnt. Etter homogenisering gjennomgår prøven syrefordøyelse, hvor den fordøyes med syrer og hjelpekjemikalier ved forhøyede temperaturer, og omdanner faste prøver til flytende tilstand. I denne prosessen reagerer metaller i den opprinnelige prøven med syrer for å danne vannløselige salter. Prøver fremstilt gjennom syrefordøyelse er egnet for elementær analyse ved hjelp av teknikker som induktivt koblet plasmamassespektrometri, induktivt koblet plasma optisk emisjonsspektroskopi, atomabsorpsjonsspektroskopi, elektrokjemiske metoder og andre analytiske teknikker. Dette arbeidet beskriver fremstilling av matprøver for bestemmelse av flere elementer ved bruk av induktivt koblet plasmamassespektrometri. Den trinnvise prosedyren innebærer homogeniseringsprosessen ved bruk av en blander i laboratoriestørrelse med keramiske blader, etterfulgt av syrefordøyelse i lukkede kar ved bruk av mikrobølgeassistert våtsyrefordøyelse. En blanding av 5,0 ml 68 vekt% HNO₃ og 1,0 ml 30 vekt%_H2O2tjener som hjelpereagens. Denne veiledningen gir en forklaring på prosessene som er involvert i begge stadier.

Introduction

Elementær analyse er en analytisk prosess for å bestemme elementær sammensetning av forskjellige prøver. Det kan brukes til å kontrollere inntaket av metaller i menneskekroppen (spesielt tungmetaller¹) siden deres høye konsentrasjoner kan forårsake uønskede helseproblemer. Tungmetaller er også en av de viktigste miljøforurensningene, derfor er kontroll av deres tilstedeværelse i miljøet nødvendig². Videre kan elementær analyse brukes til å bestemme den geografiske opprinnelsen til matvarer³ og for å kontrollere kvaliteten på mat- og vannressurser⁴. I tillegg brukes det til bestemmelse av mikro- og makronæringsstoffer i jord⁵ og for å få innsikt i geologiske prosesser gjennom historien ved å undersøke den kjemiske sammensetningen av mineraler og sedimenter⁶. Det er også gjort studier for å bestemme tilstedeværelsen av sjeldne metaller i elektrisk og elektronisk avfall for ytterligere metallregenerering⁷, for å evaluere suksessen til medikamentelle behandlinger⁸, og for å verifisere den elementære sammensetningen av metallimplantater⁹.

Induktivt koblet plasmamassespektrometri (ICP-MS) og induktivt koblet plasma optisk emisjonsspektroskopi (ICP-OES) er ofte brukte teknikker for elementær analyse av forskjellige prøver¹⁰. De tillater samtidig bestemmelse av flere elementer med deteksjonsgrenser (LOD) og kvantifiseringsgrenser (LOQ) så lave som ng / L. Generelt har ICP-MS lavere LOD-verdier¹¹ og et bredere lineært konsentrasjonsområde sammenlignet med ICP-OES¹². Andre teknikker for å bestemme elementær sammensetning er mikrobølgeindusert plasma optisk emisjonsspektrometri¹³ og flere varianter av atomabsorpsjonsspektroskopi (AAS), inkludert flammeatomabsorpsjonsspektroskopi, elektrotermisk atomabsorpsjonsspektroskopi², kalddampatomabsorpsjonsspektroskopi og hydridgenerering atomabsorpsjonsspektroskopi¹⁴. Videre er elementær bestemmelse med lav LOD og LOQ mulig med forskjellige elektroanalytiske metoder, spesielt med anodisk strippevoltammetri^15,16. Selvfølgelig finnes det andre metoder for å bestemme elementær sammensetning av prøver, men de brukes ikke så ofte som de ovennevnte metodene.

Direkte elementær bestemmelse av faste prøver er mulig ved bruk av laserindusert nedbrytningsspektroskopi og røntgenfluorescens¹⁷. For elementær bestemmelse med ICP-MS, ICP-OES og AAS er det imidlertid nødvendig å konvertere faste prøver til flytende tilstand. Til dette formål utføres syrefordøyelse ved bruk av syrer og hjelpereagenser (i de fleste tilfeller_H2O2). Syrefordøyelse utføres ved forhøyet temperatur og trykk, omdanner den organiske delen av prøven til gassformige produkter og omdanner metallelementene til vannløselige salter, og løser dem dermed i løsningen¹⁸.

Det er to hovedtyper av syrefordøyelse, fordøyelse av åpne kar og fordøyelse av lukkede kar. Fordøyelsen av åpne beholdere er kostnadseffektiv¹⁴ , men har begrensninger, for eksempel maksimal fordøyelsestemperatur, som sammenfaller med koketemperaturen til syrer ved atmosfærisk trykk. Prøven kan varmes opp på kokeplater, varmeblokker, vannbad, sandbad² og mikrobølger¹⁹. Ved å varme opp prøven på den måten går mye av den genererte varmen tapt til omgivelsene²⁰, noe som forlenger fordøyelsestiden¹⁴. Andre ulemper ved fordøyelsen av åpne beholdere inkluderer større kjemisk forbruk, større mulighet for forurensning fra omgivelsene og mulig tap av analytter på grunn av dannelsen av flyktige komponenter og deres fordampning fra reaksjonsblandingen²¹.

Lukkede beholdersystemer er mer praktiske for fordøyelsen av organiske og uorganiske prøver sammenlignet med åpne fartøysystemer. Lukkede beholdersystemer benytter en rekke energikilder for å varme opp prøvene, for eksempel ledningsoppvarming og mikrobølger²². Fordøyelsesmetoder som bruker mikrobølger inkluderer mikrobølgeindusert forbrenning²³, enkeltreaksjonskammersystemer²⁴ og ofte brukt mikrobølgeassistert våtsyrefordøyelse (MAWD) ^25,26. MAWD tillater fordøyelse ved høyere driftstemperaturer, mellom 220 °C og 260 °C og maksimalt trykk opp til 200 bar, avhengig av instrumentets arbeidsforhold²⁷.

Effektiviteten og hastigheten til MAWD avhenger av flere faktorer, inkludert den kjemiske sammensetningen av prøvene, maksimal temperatur, temperaturgradienten, trykket i reaksjonsbeholderen, mengden syrer tilsatt og konsentrasjonen av syrer som brukes²⁸. I MAWD kan fullstendig syrefordøyelse oppnås på få minutter på grunn av de forhøyede reaksjonsbetingelsene sammenlignet med langvarige fordøyelser i åpne karsystemer. Lavere volumer og konsentrasjoner av syrer er nødvendig i MAWD, noe som er i tråd med gjeldende retningslinjer for grønn kjemi²⁹. I MAWD er det nødvendig med en mindre mengde prøve sammenlignet med fordøyelsen av åpne kar for å utføre syrefordøyelse, vanligvis er opptil 500 mg prøve tilstrekkelig 30,31,32. Større prøvemengder kan fordøyes, men de krever en større mengde kjemikalier.

Siden instrumentet for MAWD automatisk kontrollerer reaksjonsbetingelsene og personen ikke kommer i direkte kontakt med kjemikaliene under oppvarming, er MAWD tryggere å betjene enn fordøyelser av åpne beholdere. Imidlertid bør personen alltid fortsette med forsiktighet når han legger til kjemikalier til reaksjonsbeholderne for å forhindre at de kommer i kontakt med kroppen og forårsaker skade. Reaksjonsbeholdere må også åpnes sakte ettersom trykket bygges opp inne i dem under syrefordøyelsen.

Selv om syrefordøyelse er en nyttig teknikk for å forberede prøver for elementær bestemmelse, bør personen som utfører den være klar over dens mulige begrensninger. Syrefordøyelse kan ikke være egnet for alle prøver, spesielt de med komplekse matriser og de som er svært reaktive eller kan reagere eksplosivt. Derfor bør prøvesammensetningen alltid evalueres for å velge passende kjemikalier og reaksjonsbetingelser for fullstendig fordøyelse som løser opp alle ønskede elementer i løsningen. Andre bekymringer som brukeren må vurdere, og adressere er urenheter og tap av analytter ved hvert trinn i prøvepreparering. Syrefordøyelse må alltid utføres i henhold til spesifikke regler eller ved bruk av protokoller.

Protokollen beskrevet nedenfor gir instruksjoner for homogenisering av matprøver i en mikser i laboratoriestørrelse, en prosedyre for rengjøring av blanderens komponenter, riktig veiing av prøven, tilsetning av kjemikalier, utførelse av syrefordøyelse av MAWD, rengjøring av reaksjonsbeholderne etter at fordøyelsen er fullført, klargjøring av prøvene for elementær bestemmelse og utførelse av en kvantitativ bestemmelse av flere elementer med ICP-MS. Ved å følge instruksjonene nedenfor, bør man kunne forberede en prøve som er egnet for elementær bestemmelse og utføre målinger av fordøyede prøver.

Protocol

1. Eksempel homogenisering Bruk en ren keramisk kniv til å kutte matprøvene (brokkoli, sopp, pølser og nudler) manuelt i mindre biter for å fremskynde tørkeprosessen. Forbered nok prøver for minst 6 replikater av syrefordøyelsen (sørg for at minimumsmassen av de tørkede prøvene er 1500 mg).MERK: Økning av prøvens overflateareal utsetter en større del av prøven for den oppvarmede omgivende luften, noe som øker fordampningshastigheten til vannet. Legg prøven i et 250…

Representative Results

HomogeniseringAlle prøvene ble tørket til en konstant masse med laboratorietørketrommelen for å eliminere fuktighet. Ved å overføre prøven til en tørkemaskin kunne den avkjøles til romtemperatur uten å binde fuktighet fra omgivelsene. Matprøvene ble deretter homogenisert ved hjelp av laboratorieblanderen for å oppnå et fint pulver. De resulterende homogeniserte partiklene var jevne i størrelse og jevnt fordelt, slik at underprøver (prøver trukket fra en større prøve) som ble brukt t…

Discussion

Homogenisering
For å sikre reproduserbare resultater i elementær bestemmelse, er det nødvendig å homogenisere prøver før syrefordøyelse på grunn av deres komplekse og inhomogene struktur og sammensetning. Homogenisering tar sikte på å eliminere konstitusjonell og fordelingsmessig heterogenitet. Blanding av prøven minimerer fordelingsheterogenitet ved jevnt omfordelt komponenter gjennom hele prøven. På samme måte, ved å bringe partikkelstørrelsen ned til en ensartet størrelse, redusere…

Materials

Ar gas	Messer	7440-37-1	Ar 5.0 gas (purity 99.999%).
AS-10 Autosampler system	Shimadzu		Autosampler connected to the ICP-MS, containing 68 ports for samples.
Automatic pipettes	Sartorius		200 µL, 1 mL, and 5 mL automatic pipettes.
Balance XSE104	Mettler Toledo, Columbus, Ohio, USA		Analytical balance scale with a maximum weighing mass of 120 g.
Ceramic knife			Ceramic knife used for cutting fresh food samples.
Dessicator			Glass desiccator with lumps of silica gel.
ETHOS LEAN	Milestone, Sorisole, Italy		Microwave system for wet acid digestion in closed 100 mL vessels made of TFM-PTFE.
Fume hood			Laboratory fume hood with adjustable air flow.
Glass beakers RASOTHERM	CarlRoth GmbH + Co.KG		50 mL, 250 mL glass beakers
Glass funnels			Small glass funnels fitting into the neck of volumetric flasks.
He gas	Messer	7440-59-7	He 5.0 gas (purity 99.999%).
Hydrogen peroxide	ThermoFisher Scientific	7722-84-1	Hxdrogen peroxide 100 volumes 30 wt.% solution. Laboratory reagent grade.
ICP multi-element standard solution VIII	Supelco	109492	100 mg/L ICP multi-element standard solution containing 24 elements (Al, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Ga, K, Li, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Se, Sr, Te, Tl, Zn) in 2 % dilute nitric acid.
ICPMS 2030	Shimadzu		Inductively coupled plasma mass spectrometry system for multi-element analysis of digested samples.
ICP-MS Tuning Solution A	CarlRoth GmbH + Co.KG		250 mL tuning solution containing 6 elements (Be, Bi, Ce, Co, In, Mn) in 1 % nitric acid.
KIMTECH Purple Nitrile gloves	Kimberly-Clark GmbH		Disposable Purple Nitrile gloves (S, M or L).
Laboratory coat	Any available supplier		/
Mixer B-400	BÜCHI Labortechnik AG, Flawil, Switzerland		Laboratory mixer with ceramic blades.
Nitric acid	ThermoFisher Scientific	7697-37-2	Nitric acid, trace analysis grade, 68 wt%, density 1.42, Primar Plus, For Trace Metal Analysis.
Plastic centrifuge tubes	Isolab		50 mL plastic centrifuge tubes with screw caps, single use.
Plastic syringes Injekt	B. Braun		2 pice, single use 20 mL syringes.
Plastic tubes for autosampler	Shimadzu	046-00147-04	Plastic tubes for autosampler, 15 mL capacity, 16 mm diameter, 100 mm length.
Plastic waste containers			Plastic containers for the removal of chemicals after the cleaning procedure of reaction vessels.
Protective googles			/
Samples (broccoli, sausage, noodles, zucchini, mushrooms)			Fresh samples, which were dried to a constant weight and homogenized during the procedure. The samples were purchased from a local shop.
Spatula			Plastic spatula.
Sterilizator Instrumentaria ST 01/02	Instrumentaria		Dryer with adjustable temperature.
Syringe filters	CHROMAFIL Xtra	729212	Syringe filters with polypropylene housing and polyamide hydrophilic membrane. Membrane diameter 25 mm, membrane pore size 0.2 µm.
Ultrapure water	ELGA Labwater, Veolia Water Technologies.		Ultrapure water with a resistivity of 18.2 MΩcm, obtained with laboratory water purification system.
Volumetric flasks			25 mL glass volumetric flasks.