MC  >> Vol. 1 No. 1 (October 2017)

    微波消解在农业化学中的应用研究进展
    Progress in Microwave Digestion in Agricultural Chemistry

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作者:  

马密霞:北京联合大学,北京;
胡文祥:北京神剑天军医学科学院华北祥鹄微波化学联合实验室,北京

关键词:
微波消解土壤农作物农业化学Microwave Digestion Soil Crops Agricultural Chemistry

摘要:

本文概述了微波消解处理样品的优点,综述了微波消解在农业化学中的应用研究。

This paper summarizes the advantages of treatment samples with microwave digestion and the application of microwave digestion in agricultural chemistry.

1. 引言

目前,样品中金属元素的测定方法很多,常用的有:火焰原子吸收光谱(FAAS))、石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)、原子荧光光谱(AFS)、等离子体发射光谱(ICP)等方法 [1] [2] [3] [4] 。这些方法都需要对样品进行前处理,使样品中的金属元素变成溶于水的可测状态。准确测定样品中的微量或痕量元素的关键是样品的前处理,样品的处理方法包括:高温灰化法、低温灰化法、湿法分解法、微波消解法等 [5] [6] 。其中,微波消解法具有消解时间短,消解能力强、样品消解完全,消耗溶剂少、避免了挥发损失和样品的污染等。微波消解技术已广泛应用于生物、地质、冶金、煤炭、医药、食品等领域的样品处理过程中。本文综述了微波消解在农业化学方面的应用,为分析工作者提供一定的参考。

2. 微波消解在农业化学中的应用

2.1. 土壤的微波消解

土壤是农业生产重要的自然资源,是植物生长发育吸收水分和矿物质养分的载体。随着人类对重金属的开采、冶炼和加工活动的日益增多,土壤污染不断加重。重金属对土壤的污染,会影响植物的生长发育,降低作物的产量和品质,土壤中的重金属被植物吸收进入食物链后,会进一步对人体健康和生态系统造成严重的危害。因此,快速测定土壤中的重金属含量,及时了解土壤污染状况,对于土壤品质、环境评价及人类健康有着重要的实际意义。

我国土壤质量金属测定的国家标准方法(GB/T17138-17141-1997) [7] 规定了Hg,Cd,Pb,Cr,Cu,Zn,Ni,As 8种重(类)金属元素在土壤中的最高允许浓度值,并针对不同元素给出了不同的分析方法。这些分析方法大都需要样品的前处理 [8] 。土壤中金属元素含量测定的关键步骤是样品的前处理。近年来,微波消解在样品前处理的应用较多。通常土壤的微波消解程序:取一定量的土壤样品(如:0.25 g),置于微波消解专用的聚四氟乙烯内罐中,加入一定量组成的酸体系,加入HNO3-HClO4-HF (或HNO3-HCl-HClO4-HF)进行消解 [9] 。如:按照表1微波程序进行消解。影响微波消解效率的主要因素包括消解试剂的种类、加入酸量、消解温度、样品用量及加热时间等 [10] [11] 。样品消解的是否完全,消解程序的选择尤为重要,根据土壤的类型可选择不同的消解程序 [12] 。

2.2. 茶叶的微波消解

茶叶是中华民族重要的饮品之一,其清香或醇厚的味道深受人们的喜欢。茶中的多种微量元素对人体有益,而其中的重金属元素,则会危害人体健康。因此,测定茶叶中的重金属元素,对把握黑茶制作工艺过程,控制黑茶质量有非常重要的意义 [13] 。

茶叶的微波消解完全与否是能够准确测定茶中金属元素的关键。通常的微波消解程序是取一定量的茶叶样品(0.1~0.3 g),置于微波消解专用的聚四氟乙烯内罐中,加入酸体系5 mL硝酸和1 mL双氧水(或5 mL HNO3、2 mL HCl和2 mL HF) [14] ,如:按照表1微波程序进行消解,消解完全后,冷却,将消解液加热赶酸,一般温度控制在120℃~200℃,蒸至溶液剩余约0.5 mL (注意防止烧干)。稍冷,转移至容量瓶中定容,以备测定。

茶叶中含有机物,不同种类的茶叶所含有的有机物和无机物的种类和数量稍有差别,故对茶叶样品进行微波消解时,要根据茶叶产地和种类的不同,选择不同的温度、压力、升温时间和保持时间等微波消解程序 [15] [16] [17] 。湿法消解和干法消解得到的样品测定其金属元素含量时稍有差别 [18] ,卢垣宇 [19] 比较了几种不同的消解方法及检测方法测定绿茶中铅含量,湿法消解和微波消解后使用质谱仪测铅都能得到较好的回收率;但是湿法消解时间长,酸用量较大,样品空白较高,故在日常检测中使用微波消解更好。绿茶分别用干法消解、湿法消解、微波消解后,用原子吸收分别测定绿茶消解液中铅的含量时,需要加入基体改进剂,才能得到较准确的结果。因此,茶叶样品的前处理方法对测定结果有较大的影响。

2.3. 大米的消解

大米结构紧密,有机物尤其是淀粉含量高,较难被消解 [20] [21] ,因此,在选择消解程序时,要考虑有机物的完全消解条件 [22] [23] [24] 。常学东 [25] 用ICP-MS法测定大米中的铅,比较了三种消解方法,结果显示,经过国家一级标物实验证明,湿法消解和微波消解并不适用于大米中铅的测定,而高压罐消解经过条件优化可以作为大米中铅测定的最佳方法。但在他的消解程序中,高压罐消解时间很长(如表2),而且没有说明三种消解程序需要的压力。若使用微波消解仪,选择表1的消解程序,控制压力上限,也许会得到不同的结论。孙有娥 [26] 用原子吸收光谱法测定大米中镉含量时,采用四种消解方法(压力消解罐消解法、湿法消解法和干法灰化法、微波消解法)消解样品,之后用石墨炉原子吸收光谱法测定其中重金属镉的含量。结果显示,四种样品消解方法各有优缺点,其中微波消解法准确性、方便性和自动化更高。检验工作中要根据实际条件、能力和需求选用合适的消解方法。另外,卢伦等 [27] 用电感耦合等离子体质谱法测定大米中几种重金属元素含量,采用微波消解法,应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术同时测定了大米中Pb、As、Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Se 8种元素的含量,优化了测定条件。结果表明,该方法具有简便、灵敏、准确的特点,适用于大米中Pb、As、Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Se含量的检测。

2.4. 蔬菜的微波消解

蔬菜主要通过根系从土壤中吸收、富集重金属,蔬菜中积累的重金属可通过食物链进入人体,危害人体健康。对蔬菜中重金属的检测,多采用微波消解处理蔬菜样品,然后用仪器进行测定。

黄晓纯 [28] 等人利用微波消解法对蔬菜样品进行前处理,分别用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定圆白菜和大米中的砷、镉、铬、铜、镍、铅和锌,用氢化物发生-冷原子荧光光谱法(HG-CAFS)测定圆白菜和大米中的汞。结果显示,除了砷元素以外(含量较低),其余元素的测定值与标准值基本相符,

Table 1. Microwave digestion program

表1. 微波消解程序

Table 2. Pressure tank digestion condition

表2. 高压罐消解条件

GBW 10010 (大米)和GBW 10014 (圆白菜)。样品的两种前处理方法均具有较好的准确度和精密度,在保证测定结果质量的前提下,低压高通量微波消解法用酸量更少,分析样品量更多,更加适合大批量蔬菜样品的前处理,有效提高样品的处理效率。

李延升 [29] 建立了微波消解–电感耦合等离子体质谱法测定蔬菜中5种重金属含量的方法。采用微波消解处理样品,用ICP-MS进行测定。结果:在测定条件下,5种重金属在各自的线性范围内相关系数均 > 0.999。该方法样品处理简单、快速、检出限较低、检测准确、灵敏度高,回收率和精密度等各项技术指标均符合方法学要求,适用于蔬菜中多种重金属的测定。

微波消解—石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜中的金属元素也是常用的方法 [30] ,为了防止干扰,通常加入磷酸二氢铵作为基体改进剂,然后测定蔬菜中的金属元素。该方法具有灵敏度高、稳定性好、检出限低、回收率高等特点,能满足蔬菜中镉含量的测定。

朱美荣 [31] 使用微波消解样品,石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜和水果中铅、镉、镍、铬的方法。样品经过预消化,再经微波消解,并优化仪器测定条件。结果铅、镉、镍、铬的标准曲线相关系数都大于0.99,该方法精密度高,样品加标回收率好,可作为检测蔬菜水果中铅、镉、镍、铬含量可靠的方法。

刘克克 [32] 建立微波消解—石墨炉原子吸收光谱法,用于蔬菜中微量镉的测定。结果:在优化的最佳微波消解条件和仪器检测条件下,方法具有很好的准确度和灵敏度,表现出稳定性好、检出限低、回收率高等特点,能满足蔬菜中镉含量的测定。

2.5. 其它样品的消解

微波消解技术具有样品溶解完全、污染少、节约试剂和方便快捷等特点。目前,已经在环境污染治理、矿石、动植物、食品、玩具及药物等方面得到了广泛应用。如青干草、竹笋、干果、中草药、贝类等,均可采用微波消解进行样品的前处理,陈国友 [33] 应用微波消解ICP-MS法同时测定青干草中20种元素的研究,杨萍 [34] 微波消解ICP-MS同时测定竹笋中的18种元素,杨武琳 [35] 应用微波消解/ICP-MS法同时测定贝类产品中16种金属元素的含量,均得到可靠的结果。另外,使用微波消解技术消解样品后进行测定,多种金属和重金属的检测都能得到准确的结果 [36] [37] 。

3. 结束语

微波消解是一种先进、高效的样品前处理方法,由于在高压密闭体系中进行,有效地避免了样品的损失和污染。微波消解技术使现代分析技术不断发展,使分析结果精确度不断提高;它具有样品处理时间短、操作简便、挥发性元素不易损失等优点。因此,随着现代化分析仪器的不断应用,微波消解技术将得到更为广泛的发展和应用。

文章引用:
马密霞, 胡文祥. 微波消解在农业化学中的应用研究进展[J]. 微波化学, 2017, 1(1): 28-33. https://doi.org/10.12677/mc.2017.11006

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