白酒中铅的石墨炉原子吸收法测定方法研究.doc

酿酒2013年第2期93页-97页白酒中铅的石墨炉原子吸收法测定方法研究张志刚1，2 向双全1，21. 甘肃省固态发酵工程技术研究中心 甘肃 徽县 742308；2.金徽酒股份有限公司 甘肃 徽县 742308摘要：目的：建立石墨炉准确高效测定蒸馏酒中铅含量的方法。方法：以石墨炉测定蒸馏酒中重金属铅含量为宗旨，考察样品前处理、灰化温度、原子化温度、基本改进剂等因素。结果：通过实验条件优化，样品峰的拖尾现象得到解决，背景峰面积显著减小，灵敏度、精密度、准确度得到提高，校正曲线从原来的0.999869提高到0.999923。结论：该方法能最大程度改善样品峰的前延、双峰和拖尾现象，具有简洁、高效、准确、灵敏度高的优点，对于蒸馏酒铅含量测定方法提供一定的参考，结果达到国家标准要求。关键词：石墨炉；蒸馏酒；样品前处理；灰化温度；原子化温度；铅含量由于蒸馏酒在生产加工过程中原辅材料、生产储存设备、包装材料含有铅，造成蒸馏酒中含有铅。因此铅是蒸馏酒中主要的卫生指标，是卫生学评价的必测项目。国标方法GB5009.122003和GB5009.902003规定用硝酸、高氯酸湿法消化，此方法前处理过程较为烦琐。考虑蒸馏酒经发酵蒸馏后基体中其它固形物质含量极少，主要成分是水、乙醇以及微量呈香呈味物质。因此测定蒸馏酒中铅可采用石墨炉原子吸收法直接测定其含量。铅是公认的影响中枢神经发育的环境毒素之一。据了解，铅元素进入人体后，除极少部分排出体外，大部分溶于血液中，主要损害神经系统、造血系统、消化系统和肾脏，还损害人体的免疫系统，使机体抵抗力下降，铅对婴幼儿及学龄前儿童智力发育危害极大1-5。鉴于铅对人类健康百害而无一益，所以铅含量大小也是衡量传统固态白酒质量的优劣的重要指标之一。铅的测定通常采用石墨炉原子吸收光谱法、氢化物原子荧光光谱法、火焰原子吸收光谱法、二硫腙比色法6-9。二硫腙比色法灵敏度差且操作繁琐；火焰原子吸收光谱法灵敏度低，无法满足蒸馏酒中铅的测定；氢化物原子荧光光谱法灵敏度较高，但测定时条件控制要求严格，操作也较繁琐；本文采用低温水浴除去乙醇和大部分水，加入硝酸消化，再用石墨炉原子吸收法测定蒸馏酒中铅含量。本方法消除了蒸馏酒中乙醇的干扰，能准确、快速测定蒸馏酒中铅的含量。1 实验部分1.1 仪器和试剂1.1.1 仪器所用的玻璃仪器均用硝酸（1+5）浸泡过夜，用纯水反复冲洗，最后用去离子超纯水冲洗干净。(1) 美国PE 公司AA800 型原子吸收光谱仪，（配横向加热石墨炉和纵向Zeeman 扣背景装置以及AS-800自动进样器）；(2) WinLab32-AA 光谱数据工作站（美国PE 公司）；(3) 致冷水循环器；(4) 铅空心阴极灯；(5)横向加热平台石墨管；1.1.2 试剂(1) 去离子超纯水；(2) 硝酸(3) 硝酸溶液（1+99）(4) 磷酸二氢铵溶液（5g/L） 称取0.5g 磷酸二氢铵溶于去离子水，并用去离子水稀释至100ml。(5) 铅标准贮备液（1000ug/ml）介质为10%硝酸(进口) (6) 铅标准使用液（20ng/ml）准确吸取铅标准贮备液2.00ml 于100ml 容量瓶中，加硝酸溶液（1+99）定容，摇匀。此液每毫升相当于20ug 铅。再取此液5.00ml 于100ml容量瓶中，加硝酸溶液（1+99）定容，摇匀。此液每毫升相当于1.0ug 铅。再取此液2.00ml于100ml 容量瓶中，加硝酸溶液（1+99）定容，摇匀。此液每毫升相当于20ng 铅。2 方法2.1 实验原理 原子分光光度法是用校正曲线进行定量一种动态分析方法，有标准曲线法、标准加入法等，其中最常用的是标准曲线定量方法，由低浓度到高浓度依次测定各标准溶液的信号强度值，以信号强度为纵坐标，待测元素浓度为横坐标，绘制标准曲线，在同样的测试条件下，测定待测试样的信号强度值，由标准曲线求得待测试样溶液中被测元素的浓度。但在石墨炉法测定重金属元素含量时，如果样品的峰形不理想，用其它方法也不能改善时，需要用标准加入法，将标准溶液由少到多呈一定的梯度加入到样品溶液中，通过标准加入法校准曲线救求出样品的浓度。2.2 实验条件的选择2.2.1 蒸馏酒的前处理方法 取酒样10ml，加0.3ml硝酸，常温放置10分钟，待产生氮氧化合物气体减弱后放入水浴中低温加热消解，至1-2ml，注意防止炭化。加水少量赶酸1-2次，至1-2ml。定容10ml。2.2.2标准曲线制作 标准曲线范围 0-20.0g/L。 按 2.2.1 消化赶酸后，配制成20g/L 铅标准液，利用AS-800自动进样器自动稀释为0，4.0，8.0，12.0，16.0，20g/L 铅标准系列，绘制标准曲线。 2.2.3样品测定 将消化液转移至进样杯中，由自动进样器加样 20L，测定其浓度。2.2.4仪器工作条件波长283.3nm，灯电流6mA，狭缝0.7nm，横向加热，纵向塞曼背景校正，进样体积20L。石墨炉升温程序如表1。表1 石墨炉升温程序步骤温度(C)斜坡时间(秒)保持时间(秒)载气流量（ml/min）干燥1100152250干燥21101020250干燥3130520250灰化5001040250原子化1800030清洗24001S32503 结果与结论 3.1 消化方式选择 本文比较了微波消解、湿法消化、干灰化法10-12,微量酸消化,其中微波消解具有溶样时间短、耗能低、试剂用量少、污染轻、防止组分损失的特点，但不适用于大量样品的测定，可用于超标样品的复测；干灰化法能耗率高，样品容易污染，回收率较低，不适于蒸馏酒中铅的前处理；微量酸消化具有取样量少、用酸量少、稀释倍数少、成本少、适于大量样品的测定等特点，需要注意的是添加酸的准确度；采取低温水浴消解，防止由于受热不均而产生暴沸、碳化；微量酸消化的回收率(96.89%99.51%)可以达到要求，所以选择微量酸消化作为前处理方法。3.2 酸度的影响 通过测定不同酸度对结果的影响，发现，用 1-10%的HNO3对酒样进行稀释，对测定结果无明显影响。若酸度过高将会缩短石墨管使用寿命甚至损坏石墨管，同时也略增背景吸收，所以本试验采用3%的硝酸。3.3 基体改进剂的选择 本实验中选用磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、硝酸镁、磷酸二氢铵+硝酸镁混合溶液作为基体改进剂。经过对比不加以上基体改进剂时样品吸光度更大，背景峰更小，所以本方法不使用基体改进剂。3.4 干燥温度和时间 干燥温度和时间的选择与样品粘滞性、基体成分、进样量有关。本试验总体积为 25l，蒸馏酒样基体复杂，若采用一步干燥或升温时间太快，保持时间短，样品液易爆溅且信号降低，因此采用100、110、 130温度和保留时间的三步干燥法。找到最佳干燥温度和时间的依据是：石墨炉升温程序中干燥步骤开始第 5s至 10s 期间，将观察镜放到石墨管进样口上方，若镜面上出现水珠，表明溶剂已被蒸出；升温程序中干燥步骤结束前10s，以同样方法观察，若镜面上不出现水珠，就表明溶剂已被蒸干。3.5 灰化温度和时间的选择 灰化温度和时间的选择是原子吸收分析中最重要的一步， 要在保证被测组分没有明显损失的前提下使干扰基体尽可能排除，所以尽量采用较高的温度和较长的时间，在原子化之前使酒样中的有机物分解，无机共存物在不损失待测元素铅的情况下蒸发，从而尽可能减少原子化阶段出现的背景干扰。本试验以含10.925g/L铅的原酒样品液为研究对象，先以1600为原子化温度考察灰化温度，梯度为300、350、400、450、500、550、600、650、700依次得到不同的峰型，见图1。通过测定绘制灰化温度-吸光度、背景值曲线来确定最佳灰化温度，结果如图 2 可知，当灰化温度大于 550时，吸光度开始下降。本法选择 500，斜坡升温 15s、保持 40s 进行灰化。灰化时间的长短依基体性质和量而不同，同样通过绘制灰化时间-吸光度、背景值曲线来确定最佳灰化时间，试验结果是，当灰化时间大于30 秒时，吸光度开始出现平台。本实验选择500、保持40s 进行灰化。图1 不同灰化温度下的峰型3.6 原子化温度和时间的选择 原子化是升温程序中将被测元素转化为自由原子的阶段，是整个原子吸收光谱分析升温程序中最关键的环节，直接影响原子化效率和测定灵敏度。原子化温度取决于被测元素的性质。原子化温度过低，待测元素不能被完全原子化,温度过高将缩短石墨管使用寿命，峰型开叉，所以选择原子化温度的宗旨是原子化程度最高的最低温度。本文考察了从1100、1200、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2100作为原子化温度的试验，结果如图3所示，当原子化温度为1800时吸光度最高，且背景吸收趋于平稳，并观察各温度下的原子吸收信号峰，见图4，发现当原子化温度低于1600时易产生双峰或拖尾峰，当原子化温度为1800时，峰型较好，吸光度也最大，吸收信号回到基线的时间为2s，所以本试验选择原子化时间为3s。而较低的原子化温度和较短的原子化时间将有利于延长石墨管的使用寿命。找到最佳灰化、原子化温度和时间的依据是：做单点标准时出现的峰形平滑、对称、无前延、无拖尾、无毛刺。具体做法是：先用推荐条件做单点标准，看峰形图，若峰形图符合上述条件，就可直接用推荐条件进行相应的分析测定，若峰形图不符合上述条件，应根据实际峰形图一步步地改变操作条件，直至得到满意的峰形图。前延峰的形成主要是因为灰化温度过低造成；拖尾峰的形成主要是因为原子化温度偏低造成；毛刺峰的形成主要是因为原子化温度过高造成。出现这些峰形后，可每次50的梯度改变温度条件（时间条件可不用更改）继续做单点标准，直至得出平滑、对称、无前延、无拖尾、无毛刺的峰形图，如图5所示，当灰化温度为500，原子化温度为1800，吸收峰尖锐，对称，无前延或拖尾现象，表明已找到最好的灰化、原子化条件。图4 各原子化温度下的峰型 图5 500灰化，1800原子化峰型3.7 背景信号 常规改进剂中含有的杂质可使背景信号值增高，尽管塞曼扣除背景能力较强，但是在扣除背景的同时也降低了分析灵敏度，所以本试验不添加任何基体改进剂，经过优化样品前处理，干燥、灰化、原子化阶段，同样可达到非常好的分析效果。3.8 净化温度和时间的优化 找到最佳净化温度和时间的依据是：一方面保证做下一个样无残留（即使用足够长时间和足够高的温度），另一方面保护石墨管，延长使用寿命（即使用尽可能短的时间、尽可能低的温度） 。具体做法是：做完单点标准后不空烧石墨管，接着做空白，将空白当作样品来做两次（因为好的空白基本上是没有杂质的），然后看峰形图。若做出的结果有明显的峰，则说明石墨管内有残留，应适当提高净化温度或延长净化时间，直至所做的峰形图呈现没有明显峰的锯齿状图 （新石墨管第一次使用前必须经过净化处理）。2.6 工作曲线及检出限 本法对 0.020.0g/L 范围内的测定呈良好的线性关系，优化前相关系数为0.999869，见图5，优化后相关系数为0.999923，见图6。检出限根据IUPAC给出的光谱学检出限的定义连续测定11次试剂空白响应值，K=3时计算方法检出限为0.047mg/L。图5 优化前的标准曲线图 图6 优化后的标准曲线图2.7 准确度与精密度实验 酒样中分别增加 5.0、10.0g/L 铅标准，用本方法消解后平行测定6次，其回收率见表2，回收率范围 97.89% 102.99%。表2 精密度和准确度试验（n=6）样品号均值ug/LRSD%添加5ug/L均值 回收率（%）添加10ug/L均值 回收率（%）12.4371.877.660 102.9912.265 98.5522.8861.787.916 100.3812.630 97.8933.5981.548.584 99.8313.462 99.142.7 干扰实验 分别加入 1g 蒸馏酒中常见的几种离子 K、Na、Ca、Mg、Mn、Fe、Zn、Cu定容至 1mL（相当于 1mg/L）,经过测定，两者测定值没有显著性差异，故蒸馏酒中铅的测定不受这几种离子的影响。2.8质量控制图 为了判断铅的监测质量是否合格，出具监测数据是否准确、可靠，采用绘制质量控制图的方法检验其准确程度。以12g/L铅标准物质测定浓度值绘制各元素质控图见图 7。从图 7可以看出，铅元素质控图中没有连续 7 点位于中心线的同一侧，也没有连续的 7 个点逐渐上升或下降。20 个点均落入上下控制限内，说明所得数据没有失控。由此说明采用 AA800 型原子吸收光谱仪监测的数据是准确可靠的。 n12345678910x12.12411.56111.57712.37112.00511.21312.02311.90412.21111.683n11121314151617181920x12.16912.2112.17711.97311.83712.0611.99112.00212.1111.953X均=11.958S=0.273ug/L测定次数图7 铅质量控制图3 讨论 本文通过对石墨炉测定蒸馏酒中铅含量方法进行全程系统分析，优化各步骤分析条件，最终使该方法测定铅含量准确、高效、简洁，达到国标要求，所测数据有效。同时笔者也将使用石墨炉测定铅含量方法注意事项总结如下：首先，在此过程中使用的器具必须用20%的硝酸浸泡过夜，然后用去离子水、去离子蒸馏水反复清洗。试验过程中稀释液使用去离子蒸馏水，背景很小，效果非常好。处理酒样时酸度不要太大，可以在1%3%之间，赶酸时不要将样品蒸干，每次留1ml左右，该步骤的操作是影响样品回收率的关键。蒸馏酒有机物含量高，可以将干燥阶段设为3次，使酒样中的铅不损失且又使能挥发基体逐步挥发，相当于又增加了一次样品前处理。在不损失铅元素的前提下灰化温度不要低，能高尽量高，否则背景较高或出现前延峰。原子化温度过低会造成拖尾峰或记忆效应，原子化温度太高，谱图会开叉。测定Pb用NH4H2PO4作为基体改进剂不好，若要使用应用Pd（NO3）2，温度可为900/1900度；若遇到固形物大的高盐样品时必须使用Pd（NO3）2灰化温度要1100度效果才好。部分复杂基体有机物常常会与金属离子螯合，改变原子化过程，此时需要加入某些试剂，或用标准加入法。尽量稀释样品溶液，基体浓度大，灰化原子化会提前，且谱图形状变坏。在石墨炉法测定重金属元素含量时，如果样品的峰形不理想，用其它方法也不能改善时，需要用标准加入法，将标准溶液由少到多呈一定的梯度加入到样品溶液中，通过标准加入法校准曲线救求出样品的浓度。以上操作方法供同行交流，有不妥之处欢迎探讨指正。作者简介：张志刚（1964-），男，大学，白酒国家评委，高级酿酒师，高级食品安全师，主要从事白酒酿造、勾调的应用技术研究、产品开发和技术管理工作。1985年师从于五粮液勾兑创始人范玉平、总工唐万裕学习白酒酿造和品评技术。历任五粮液技术中心产品开发室主任