李愛(ài)陽(yáng), 符 靚, 陳 林

1. 湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院, 湖南 衡陽(yáng) 421002 2. 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045 3. 湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410013

引 言

植物精油是從芳香植物的葉、芽、果實(shí)、花、嫩枝、根和種子中提取的脂溶性天然復(fù)雜化合物，作為芳香植物的次生代謝產(chǎn)物具有揮發(fā)性和濃郁香味。 精油的主要成分由萜烯類化合物以及酚類、醇類、醚類、醛類和酮類組成[1]，其含量因植物部位和植物種類的不同而存在差異，這些混合物在產(chǎn)生香味的同時(shí)具有生物活性，廣泛用于防腐、食品保存以及作為抗菌、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜、抗炎和局部麻醉藥物，且比相應(yīng)的合成藥物具有更低的副作用[2]。 植物精油的品質(zhì)主要取決于其有機(jī)成分，但所含無(wú)機(jī)成分同樣影響植物精油的品質(zhì)和安全性，尤其是植物精油具有高滲透性，能以活躍的分子態(tài)滲透皮膚組織，經(jīng)淋巴腺吸收后進(jìn)入血液[3]，其所含的重金屬元素也極易隨植物精油進(jìn)入人體對(duì)健康構(gòu)成威脅，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26516—2011對(duì)精油中重金屬元素含量制定了Pb≤40 mg·kg-1，As≤10 mg·kg-1，Hg≤1 mg·kg-1的標(biāo)準(zhǔn)。 因此，對(duì)植物精油中重金屬元素含量進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定非常必要。

植物精油中的重金屬元素主要來(lái)源于芳香植物的自然生長(zhǎng)環(huán)境、精油的生產(chǎn)加工以及工業(yè)“三廢”的污染，植物精油提取方法主要采用蒸餾萃取工藝[4]，因此，植物精油中重金屬元素含量通常很低。 電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)由于具有低檢出限、多元素檢測(cè)能力、高樣品通量和低樣品消耗等優(yōu)點(diǎn)，是植物精油中多種痕量元素測(cè)定的技術(shù)選擇[5-7]，我國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局制定了ICP-MS測(cè)定精油中多種重金屬元素的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SN/T 2484—2010)。 然而，ICP-MS對(duì)于高鹽樣品的耐受力差，分析維護(hù)費(fèi)用高，常規(guī)四極桿ICP-MS(ICP-QMS)無(wú)法徹底消除質(zhì)譜干擾的強(qiáng)烈影響，即使是帶碰撞反應(yīng)池(CRC)技術(shù)的ICP-MS也難以消除一些特殊干擾(如同質(zhì)異位素、雙電荷離子、二聚體等)，需采用價(jià)格昂貴的電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)或扇形磁場(chǎng)ICP-MS(SF-ICP-MS)才能徹底消除[8-10]。 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-OES)具有超高基質(zhì)耐受能力，高靈敏度和分析效率，配合準(zhǔn)確的光譜干擾校正技術(shù)，可用于復(fù)雜樣品中多元素的快速分析[11]。 對(duì)于重金屬元素As，Sn，Sb和Hg的測(cè)定，由于這些元素具有較高的第一電離能，采用傳統(tǒng)的液體霧化進(jìn)樣，ICP-OES的檢測(cè)限偏高，通常使用蒸氣發(fā)生反應(yīng)裝置將這些元素轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性蒸氣，從而更加有效地運(yùn)輸、霧化和激發(fā)，提高這些元素的檢出能力[12]，但需使用額外的蒸氣發(fā)生裝置，與不可形成蒸氣元素同時(shí)測(cè)定時(shí)需要切換進(jìn)樣系統(tǒng)，操作復(fù)雜煩瑣，不利于樣品中多元素的高通量分析。 多模式進(jìn)樣系統(tǒng)(MSIS)既可作為蒸氣發(fā)生裝置又可作為傳統(tǒng)霧化室，能同時(shí)對(duì)可形成蒸氣和不可形成蒸氣元素進(jìn)行測(cè)定。 研究中利用硝酸-雙氧水對(duì)植物精油進(jìn)行微波消解，在MSIS的雙重模式下，采用ICP-OES對(duì)植物精油中可形成蒸氣元素As，Sn，Sb，Hg和不可形成蒸氣元素Cr，Ni，Cd，Pb的含量進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)構(gòu)建自動(dòng)曲線擬合技術(shù)(FACT)模型校正光譜干擾，以期提高ICP-OES的高通量檢測(cè)能力。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及參數(shù)

ICP-OES儀，5110，Agilent公司；微波消解儀，MARs 5，CEM公司；ICP-MS，NexION 350，Perkinelmer公司。

ICP-OES工作參數(shù)： RF功率，1.4 kW；等離子體流速，12 L·min-1；輔助所流速，1.1 L·min-1；霧化氣流速0.65 L·min-1；泵速，25 r·min-1；讀取時(shí)間，20 s；重復(fù)次數(shù)，3次；樣品提升延遲時(shí)間，35 s；穩(wěn)定時(shí)間，30 s；沖洗時(shí)間，55 s；背景與干擾校正，F(xiàn)ACT。

1.2 試劑

1 000 mg·L-1的Cr，Ni，As，Cd，Sn，Sb，Hg和Pb單元素儲(chǔ)備溶液，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；氫氧化鈉(分析純)、硼氫化鈉(分析純)、L-半胱氨酸(生物純)、酒石酸(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；65%(W/W)硝酸、30%(W/W)雙氧水、37%(W/W)鹽酸，德國(guó)Merck公司；8種植物精油樣品(薄荷精油、檸檬精油、玫瑰精油、薰衣草精油、茉莉精油、丁香精油、迷迭香精油、花椒精油)購(gòu)買于大型超市。

1.3 樣品處理

稱取約0.4 g植物精油樣品于微波消解反應(yīng)罐中，依次加入2.5 mL硝酸和1.0 mL 雙氧水，敞開(kāi)罐蓋預(yù)消解30 min，密封反應(yīng)罐，按表1設(shè)定程序進(jìn)行消解。 消解結(jié)束后，采用沸水浴將消解溶液趕酸，用15%(V/V)的鹽酸轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容，至少靜置30 min后測(cè)定。 采用相同步驟制備空白溶液。

表1 微波消解操作參數(shù)Table 1 Operation parameters of microwave digestion

1.4 方法

應(yīng)用ICP-OES的MSIS進(jìn)行測(cè)定，采用五通道蠕動(dòng)泵開(kāi)啟MSIS的雙重模式(見(jiàn)圖1)。 樣品溶液分別從通道B和通道C進(jìn)入MSIS霧化室。 來(lái)自通道B的樣品在MSIS中進(jìn)行傳統(tǒng)霧化后，由氬氣帶入等離子體中分析不可形成蒸氣元素Cr，Ni，Cd和Pb，來(lái)自通道C的樣品進(jìn)入MSIS前與來(lái)自通道E的預(yù)還原溶液(2%L-半胱氨酸/4%酒石酸)經(jīng)三通接頭混合，進(jìn)入MSIS霧化室后與來(lái)自通道A的還原劑(1.5%硼氫化鈉/0.5%氫氧化鈉)反應(yīng)，形成蒸氣由氬氣帶入等離子體中分析可形成蒸氣元素As，Sn，Sb和Hg，霧化室產(chǎn)生的廢液經(jīng)通道D排出。

圖1 用于雙重模式的多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)(MSIS)Fig.1 Multimode sample introduction system (MSIS) setup for dual mode

2 結(jié)果與討論

2.1 蒸氣發(fā)生條件的優(yōu)化

植物精油樣品中的As，Sn，Sb，Hg通常以高氧化態(tài)As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)，Hg(Ⅱ)穩(wěn)定存在，其中，As，Sn和Sb氣態(tài)氫化物的形成強(qiáng)烈依賴于元素的氧化態(tài)，較低的氧化態(tài)更容易轉(zhuǎn)化為氫化物，因此，在分析之前有必在將As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)還原為低價(jià)態(tài)As(Ⅲ)，Sn(Ⅱ)，Sb(Ⅲ)。 鹽酸具有還原性，是蒸氣發(fā)生常用的預(yù)還原劑，能將As(Ⅴ)，Sn(Ⅳ)，Sb(Ⅴ)還原為低價(jià)態(tài)As(Ⅲ)，Sn(Ⅱ)，Sb(Ⅲ)，Hg(Ⅱ)還原為基態(tài)原子，本實(shí)驗(yàn)選擇鹽酸作預(yù)還原劑。 固定硼氫化鈉的濃度為1.5%，考察了不同鹽酸濃度下As，Sn，Sb和Hg信號(hào)強(qiáng)度的變化情況。 從圖2(a)可以看出，隨著鹽酸濃度的增大，As，Sn和Sb的信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增大，Hg的信號(hào)強(qiáng)度則保持平穩(wěn)，當(dāng)鹽酸濃度達(dá)到15%后，As的信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，Sn和Sb的信號(hào)強(qiáng)度繼續(xù)增大，但增幅趨于平緩，Hg的信號(hào)強(qiáng)度基本不變，表明鹽酸濃度的變化不影響Hg的測(cè)定，選擇鹽酸濃度為15%。 為防止鹽酸在MSIS中由于酸堿反應(yīng)被逐漸消耗導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降，實(shí)驗(yàn)通過(guò)在線加入2%L-半胱氨酸/4%酒石酸補(bǔ)償可形成蒸氣元素的信號(hào)損失，提高蒸氣發(fā)生效率，穩(wěn)定分析信號(hào)強(qiáng)度。

固定鹽酸濃度為15%，選擇硼氫化鈉作為還原劑為蒸氣發(fā)生反應(yīng)提供氫源，考察了不同硼氫化鈉濃度下，As，Sn，Sb和Hg信號(hào)強(qiáng)度的變化情況。 從圖2(b)可以看出，隨著硼氫化鈉濃度的增大，As，Sn，Sb和Hg的信號(hào)強(qiáng)度也逐漸增大，當(dāng)硼氫化鈉濃度分別為1.5%，1.2%，1.5%和1.0%時(shí)，As，Sn，Sb和Hg的信號(hào)強(qiáng)度分別達(dá)到最大，隨后As，Sn和Sb的信號(hào)強(qiáng)度逐漸下降，而Hg的信號(hào)強(qiáng)度小幅度下降，考慮到Hg的信號(hào)強(qiáng)度大于As，Sn和Sb，即使硼氫化鈉的濃度達(dá)到1.5%時(shí)，Hg的信號(hào)強(qiáng)度仍然在1 700左右。 因此，實(shí)驗(yàn)選擇硼氫化鈉的濃度為1.5%，并加入0.5%的氫氧化鈉穩(wěn)定硼氫化鈉溶液。

圖2 鹽酸(a)和硼氫化鈉(b)濃度對(duì)As，Sn，Sb，Hg信號(hào)強(qiáng)度的影響

2.2 光譜干擾及校正

利用ICP Expert軟件的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)光譜強(qiáng)度和潛在光譜重疊干擾選擇最佳波長(zhǎng)通常可以避免光譜干擾，然而，當(dāng)高靈敏譜線存在光譜干擾而無(wú)干擾譜線提供的靈敏度不足以滿足分析要求時(shí)，所選擇的高靈敏譜線面臨的光譜重疊干擾必需進(jìn)行校正，以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。 Cd的發(fā)射光譜在214.439和226.502 nm處有兩條高強(qiáng)度譜線，但均存在Fe光譜重疊干擾，Cd在226.502 nm受到來(lái)自Fe在226.459和226.505 nm處譜線的干擾，Cd在214.439 nm受到Fe在214.445 nm處的譜線干擾，實(shí)驗(yàn)選擇靈敏度高且干擾相對(duì)較小的Cd 214.439 nm為分析波長(zhǎng)，但面臨著Fe 214.445 nm的重疊干擾。 FACT以解卷積方式能從原始光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)中解析出分析譜線，通過(guò)數(shù)據(jù)建模技術(shù)實(shí)時(shí)校正光譜干擾[13]。 本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)空白溶液、100 μg·L-1的Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液、10 000 mg·L-1的干擾元素Fe標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測(cè)定，利用FACT對(duì)獲得的所有光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。 從圖3可以看出，高濃度Fe對(duì)低濃度Cd產(chǎn)生了嚴(yán)重譜線重疊干擾，通過(guò)FACT建?？梢院芎玫貙d的光譜線從Fe的干擾線中解析出來(lái)，校正了Fe光譜對(duì)Cd的重疊干擾。 Pb的干擾與Cd相似，Pb的最靈敏離子線220.353 nm受到來(lái)自Fe在220.352 nm處存在的譜線重疊干擾，實(shí)驗(yàn)采用FACT進(jìn)行校正。 在FACT建模過(guò)程中包含的空白溶液響應(yīng)數(shù)據(jù)還能同時(shí)校正背景干擾，基于所有分析元素均存在背景干擾，實(shí)驗(yàn)對(duì)所有元素的測(cè)定均采用FACT校正光譜干擾。

圖3 采用FACT校正Cd 214.439 nm的光譜干擾Fig.3 Spectral interferences for Cd 214.439 nmcorrected using FACT

2.3 方法分析性能評(píng)價(jià)

配制濃度分別為0.0，5.0，20，100和200 μg·L-1的系列混合元素工作標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法對(duì)植物精油中的重金屬元素進(jìn)行定量分析，按實(shí)驗(yàn)方法建立分析元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線。 對(duì)空白溶液重復(fù)測(cè)定11次，以測(cè)定結(jié)果3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)濃度乘以樣品的稀釋倍數(shù)，計(jì)算分析元素方法的檢出限(MDL)，結(jié)果見(jiàn)表2。 8個(gè)分析元素的線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 7，均具有良好的線性，MDL為0.38～11.2 μg·kg-1，低于標(biāo)準(zhǔn)(SN/T 2484—2010)ICP-MS方法所得到的測(cè)定低限。

由于缺少精油標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)，為評(píng)價(jià)本法的準(zhǔn)確性，采用ICP-MS法與本法對(duì)同一薄荷精油進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算二者的相對(duì)誤差 (RE)，并對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行加標(biāo)回收，結(jié)果見(jiàn)表3。 兩種方法分析結(jié)果基本一致，RE在-2.1%～2.7%之間；本法的加標(biāo)回收率為95.4%～104%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.9%～4.9%。 驗(yàn)證了本法的準(zhǔn)確性好，精密度高。

表2 分析元素的線性和方法的檢出限(MDL)Table 2 The linearity and the method detection limit (MDL) of the analyte

表3 分析方法的準(zhǔn)確性和精密度(n=6)Table 3 Accuracy and precision of analytical method (n=6)

2.4 實(shí)際樣品分析

對(duì)薄荷精油、檸檬精油、玫瑰精油、薰衣草精油、茉莉精油、丁香精油、迷迭香精油、花椒精油共8種植物精油樣品進(jìn)行了重金屬元素分析，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定6次，分析結(jié)果見(jiàn)表4。 8種植物精油中重金屬元素的含量隨種類不同存在很大差異，Cr的含量在花椒精油中最高，在玫瑰精油和茉莉精油中沒(méi)檢出；Ni的含量在薰衣草精油中最高，在玫瑰精油、茉莉精油、丁香精油和迷迭香精油中沒(méi)檢出；As的含量在檸檬精油中含量最高，在薰衣草精油、茉莉精油和迷迭香精油中沒(méi)檢出；Cd的含量在玫瑰精油中最高，在薰衣草精油和迷迭香精油中沒(méi)檢出；Sn的含量在茉莉精油中最高，在檸檬精油、薰衣草精油、丁香精油、迷迭香精油和花椒精油中沒(méi)檢出；Sb的含量在茉莉精油中最高，在丁香精油中的含量最低；Hg在迷迭香精油中的含量最高，在玫瑰精油和薰衣草精油中沒(méi)檢出；Pb的含量在花椒精油中最高，在迷迭香精油中的含量最低。 所有植物精油樣品中重金屬元素As，Hg和Pb的含量均遠(yuǎn)低于GB/T 26516—2011制定的最高限量標(biāo)準(zhǔn)，植物精油中重金屬元素Cr，Ni，Cd，Sn和Sb的含量雖然沒(méi)有制定限量標(biāo)準(zhǔn)，但均處于極低水平。

表4 植物精油樣品分析結(jié)果(μg·kg-1，n=6)Table 4 Analysis results of plant essential oil samples (μg·kg-1, n=6)

3 結(jié) 論

針對(duì)同時(shí)測(cè)定可形成蒸氣和不可形成蒸氣元素需采用不同的進(jìn)樣系統(tǒng)，本研究將MSIS與ICP-OES相結(jié)合，確定了在MSIS的雙重模式下同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行傳統(tǒng)霧化和蒸氣發(fā)生反應(yīng)，建立了植物精油中可形成蒸氣重金屬元素As，Sn，Sb，Hg和不可形成蒸氣重金屬元素Cr，Ni，Cd，Pb的快速檢測(cè)方法。 與標(biāo)準(zhǔn)SN/T 2484—2010規(guī)定的ICP-MS法相比較，方法的最大優(yōu)勢(shì)是分析效率高，檢測(cè)限低，更適合大批量植物精油樣品中重金屬元素的高通量檢測(cè)分析。