微波消解-電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)法測定固體中獸藥制劑中金屬元素

劉占通 張崇威 韓 立 李 娜

(河南省農畜水產品檢驗技術研究院,鄭州 450008)

2019年農業農村部公告第194號規定,除中藥和抗球蟲外,養殖環節禁止使用所有促生長類藥物,自此藥物飼料添加劑退出歷史舞臺。而中獸藥因其低毒、無藥殘、無耐藥性、價格低廉、符合法規要求等優勢[1],在獸藥市場脫穎而出。中獸藥的崛起,勢必給行業帶來商機,但檢測手段的滯后,使得不法分子有機可乘。通過添加違禁物質,特別是具有特定作用的金屬元素,以達到非法獲利的目的。例如,養殖環節增加銅、鋅的攝入可促進動物生長、改善動物皮毛顏色[2],增加有機鉻和有機砷的攝入,可刺激動物生長、改善肉質并具有殺菌作用[3-4],錳元素是動物生長不可或缺的微量元素,特別是母畜缺乏會導致很多疾病,硒元素的刻意攝入,提高了動物食品中硒元素含量,更是迎合了越來越受到熱捧的富硒食品。而鉀、鈉、鎂、鈣、磷等常量元素在動物的生長過程中更是不可或缺。但金屬元素的長期攝入,將通過食物鏈富集,最終對土壤環境及人體健康造成影響[5-6]。其中 Fe、Ca、Se、K、P等屬于有益元素[7],但長期過量使用慢性中毒,鐵過量會造成運動失調、肌肉痙攣及呼吸困難,硒過量會造成貧血、關節強直,鋅過量會造成貧血、生長發育遲緩等[8]。Pb、Cr、Cd、As、Cu等重金屬元素的過量攝入會對肝臟造成毒害,甚至引發各類病變乃至癌癥[9-10]。但國家對中獸藥中金屬元素的含量未做明確規定。因此,建立中獸藥中金屬元素檢測方法顯得十分必要。

目前,金屬元素檢測前處理消解方法主要有濕法消解、干法消解和微波消解[11-12]。微波消解具有操作簡單、成本低、空白值低等優點,逐漸成為主流消解方式[13-14]。儀器方法主要有原子吸收光譜法[15-17]、原子熒光光譜法[18-19]、電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)[20-23]、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[24-27]。原子吸收光譜儀及原子熒光光譜儀靈敏度高,但不能同時進行多元素檢測。ICP-OES及ICP-MS均具有靈敏度高、檢出限低,分析速度快,多元素同時檢測等優點[28],但ICP-OES在線性寬度及受基體干擾方面優于ICP-MS,且能同時測定微量元素及常量元素而不產生污染。目前,對于中獸藥中金屬元素檢測的ICP-OES方法還未有報道。因此,通過對樣品前處理及儀器參數的比較研究,建立一種高效、便捷、準確測定中獸藥中多金屬元素的分析方法具有現實意義。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

Cr、As、Cd、Pb、Na、Mg、K、Mn、Fe、Cu、Zn、Se、Ca、P單元素儲備標準溶液(1000 μg/mL)購自中國計量科學研究院,Ni內標溶液(100 μg/mL)購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

60%硝酸(優級純,德國Merck公司);過氧化氫(優級純,天津市科密歐化學試劑有限公司);水為超純水(18.2 MΩ·cm),由Milli-Q超純水系統制得。

1.2 儀器與設備

PQ9000電感耦合等離子體光譜儀(德國耶拿分析儀器有限公司)、AB204-N電子分析天平(梅特勒-托利多(上海)有限公司)、EHD-40趕酸儀(北京東航科儀儀器有限公司)、MARS 6 Classic微波消解儀(美國CEM公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品來源

黃芩顆粒、益母生化散、麻杏石甘散、扶正解毒散、七清敗毒顆粒5種固體中獸藥制劑均來自市場隨機采購,包裝完好。為防止污染,樣品不做處理,實驗時直接稱取樣品。

1.3.2 樣品前處理

取固體中獸藥制劑約0.5 g(精確至0.001 g)于消解罐中,加6 mL硝酸及1 mL過氧化氫,蓋內蓋后靜置過夜。置微波中消解后冷卻至室溫,置趕酸儀上趕酸,趕酸儀溫度從室溫升至170 ℃,并在170 ℃保持1.5 h,將消解液趕至約0.5 mL,冷卻至室溫,用水分3～5次清洗內壁并轉移清洗液至25 mL量瓶中,加適當濃度內標溶液,用水定容至刻度。同時做試劑空白實驗。

1.3.3 標準工作溶液配制

以3%硝酸溶液為介質,按照表1所示,對各元素濃度梯度進行逐級稀釋,作為標準工作溶液,同時加入Ni標準溶液(100 μg/mL)作為各元素內標溶液,內標溶液上機濃度為100 μg/L。

表1 14種元素在標準系列溶液中的濃度Table 1 Concentration of 14 elements in standard series solutions

1.3.4 儀器條件

微波消解程序升溫參數:第一步為經15 min從室溫升至150 ℃并保持5 min;第二步經3 min從150 ℃升到170 ℃,保持5 min;第三步經3 min從170 ℃升到190 ℃,保持25 min。ICP-OES主要工作參數見表2。

表2 ICP-OES主要工作參數Table 2 Working parameters of ICP-OES

2 結果與討論

2.1 消解方式的選擇

檢測金屬元素的樣品消解方式一般有4種:濕法消解、干法消解、高壓消解和微波消解。通過對前處理消解方式的比較,結果表明:濕法消解設備簡單,操作容易,但易造成污染,受實驗人員操作影響較大,精密度差;干法消解溫度一般為500～600 ℃,造成易揮發元素損失,檢測結果偏低,如鉛、硒、砷、隔等元素;高壓消解法操作簡便,重現性好,酸用量少使得空白本底值較低,但在消解有機物含量高或者消解酸體系中含有高氯酸時易發生爆炸;微波消解法是在密閉空間進行消解,有效防止了交叉污染,減少揮發性元素損失,且實現自動化操作。本實驗比較了濕法消解酸體系為硝酸-硫酸(1∶1),高壓消解酸體系為硝酸-高氯酸,微波消解法酸體系為硝酸-過氧化氫(6∶1)以及干法消解,對固體中獸藥制劑做5平行陽性添加并進行消解處理,經ICP-OES測定,扣除本底后對各元素平均回收率進行結果比較,如圖1所示。

圖1 不同前處理方式對各元素平均回收率的影響Figure 1 Effects of different pre-treatment methods on the average recoveries of each element.

由圖1可見,微波消解法前處理對大部分元素回收率明顯優于其他3種前處理結果,對固體中獸藥制劑中多種金屬元素同時檢測具有明顯優勢。

2.2 微波消解參數選擇

因硝酸具有強酸性及強氧化性,是微波消解的主要用酸,常用消解液體系為硝酸-鹽酸、硝酸-氫氟酸、硝酸-高氯酸,同時加入過氧化氫促進氧化。鹽酸的氧化性較弱,分解有機物能力差,且對后續的測定造成干擾[29];高氯酸在高溫高壓下容易與有機物中羥基反應生成不穩定高氯酸酯發生爆炸[30];而氫氟酸一般針對硅酸鹽基質的消解[31],且對儀器部件如石英霧化室、霧化器和矩管有腐蝕作用。因此,實驗采取儀器廠家推薦兩種方法進行比較,即5 mL硝酸(60%)、6 mL 硝酸(60%)、6 mL硝酸(60%)+1 mL過氧化氫。同時分別設170、180、190 ℃ 3個最高消解溫度,分別加酸經消解、趕酸、轉移并定容后,做正交實驗。結果表明:溫度為170或180 ℃時,消解后溶液均呈現不同程度的渾濁,如圖2中①所示;消解溫度為190 ℃時,添加5 mL硝酸微波消解后消解液有渾濁,如圖2中②所示;添加6 mL硝酸微波消解后消解液無渾濁,但顏色顯黃色,如圖2中③所示;添加6 mL硝酸+1 mL過氧化氫后消解液清澈透明,無固體雜質,結果如圖2中④所示。

圖2 不同消解液體系消解后消解溶液狀態Figure 2 Digestion solution status of different digestion liquid systems after digestion.

由圖2可見,消解體系為6 mL硝酸+1 mL過氧化氫時,消解效果理想。若添加消解液后靜置過夜再進行消解,不但效果更佳,還可有效防止爆管現象。

2.3 趕酸溫度的選擇

進樣溶液酸度過高,易造成進樣管等儀器部件的過早老化,且基質效應顯著[32],因此,應嚴格控制進樣溶液中酸的濃度。趕酸溫度的高低對于揮發性元素特別是As的回收率有顯著影響,溫度高于190 ℃趕酸2 h對As回收率有明顯影響,回收率為82%?？疾煸嚇咏浵夂笾萌脍s酸儀中從室溫升至130、150、170、190、210 ℃ 5個溫度點,趕酸至消解液約0.5 mL,各趕酸溫度對應As回收率如圖3所示。

圖3 趕酸溫度對As回收率的影響Figure 3 Effect of acid driving temperature on As recovery.

由圖3可見,趕酸溫度為130～170 ℃時,As回收率無明顯變化,當趕酸溫度升至190 ℃時,As回收率顯著下降,因此,為保證揮發性元素的準確測定及提高檢測效率,將趕酸溫度設置為170 ℃。

2.4 分析譜線波長的選擇

PQ9000電感耦合等離子體光譜儀針對測定的每種元素,自帶多行業多種推薦特征譜線。選擇特征分析譜線應綜合考慮譜線靈敏度、共存元素干擾、背景干擾及該元素線性范圍[33],遵循檢出限低、靈敏度高、干擾小、信噪比高的原則。實驗選取每種元素推薦的食品行業2～3條譜線,比較各譜線樣品溶液與標準溶液峰形,選取無雜峰干擾、靈敏度高的分析譜線,并選擇合適的背景點扣除背景。通過分析,最終確定14種元素的分析線如表3所示。

表3 待測元素分析譜線Table 3 Analysis lines for elements to be tested

2.5 方法可行性驗證

實驗通過試劑加標回收、進樣前樣品溶液加標并扣除本底后回收驗證前處理方法及儀器條件的可行性。各元素回收率及精密度見表4。

表4 各陽性添加回收率及精密度比較Table 4 Comparison of recoveries and precision for each positive addition(n=5)

由表4可知,各方式加標回收率均在90.0%～110%,無明顯差異。試劑添加回收率與樣品處理液添加回收一致,說明前處理過程中雜質去除干凈,有機物消解完全,待測元素損失少,儀器條件設置恰當。

2.6 線性方程與靈敏度

按照設定的儀器參數條件,對各元素標準系列濃度點進行測定,以各元素儀器響應信號強度與Ni標液儀器響應信號強度比值為縱坐標,各元素濃度點為橫坐標,進行線性擬合。同時對10份樣品空白按照實驗方法進行前處理并測量,以10次空白溶液各元素響應強度與Ni標液響應強度比值所對應的元素含量的3倍標準偏差為方法檢出限[34]。線性結果如表5所示。

表5 各元素線性方程及檢測限Table 5 Linear equation and detection limit of each element

2.7 實際樣品檢測

采用上述檢測方法對市場上隨機購買的黃芩顆粒、益母生化散、麻杏石甘散、扶正解毒散、七清敗毒顆粒5種固體中獸藥制劑進行元素分析,結果見表6。

表6 樣品元素分析結果Table 6 Analysis results of elements in samples /(mg·kg-1)

結果顯示,不同種類中獸藥的不同金屬元素含量差別較大,即使同一金屬元素差別也較明顯,如重金屬As及Mg、Mn、Ca元素最大相差約100倍,Cr及Pb相差約200倍,Fe最大相差大于300倍,Cu、Zn最大相差也在30倍以上,這與中獸藥的生長環境、加工炮制工藝緊密相關[35],但不排除為達到經濟效益人為因素的添加。隨著全國獸用抗菌藥使用減量化行動的實施,中獸藥是替抗減抗的首選藥物,中獸藥質量事關畜產品質量安全,因此中獸藥中金屬元素的含量測定方法研究至關重要。

3 結論

建立了微波消解-ICP-OES同時測定固體中獸藥制劑中常見的14種常量元素及痕量元素的方法,通過對消解方式的選擇、消解酸體系及消解溫度、趕酸溫度的優化,分析譜線波長的選擇,最大程度地去除雜質,提高了分析元素檢測靈敏度,各元素檢出限在0.1～1.0 mg/kg,并提出了試劑空白添加、樣品空白添加、空白樣品處理液添加相比較以判斷前處理效果的方法,方法回收率在90.0%～110%,RSD均小于10%,具有較好的準確度和精密度。方法前處理操作簡便,成本低、效率高,為固體中獸藥制劑中同時測定多種元素提供參考。