微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究

1、微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究第26卷第3期田宝珍等:微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究15微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究lZo田宝珍曹福苍雷鹏鲞曲久耀c一一(中国科学院生态环境研究中心,北京100085)一29/摘要叙述了镘艘消样制衅技术直凄亍新鲜生#梓品妊AAS定.率褥良好圻结果.HN()3+H2()2是最佳消船体爰.在密封吝器高温高王消蜉连一提夸工作效率:主的.勘样擞量分析f款;皮府南军津J丰事关镶词谩渡消解生物样品擞量分析烈)段埘lfJ个于现代分析仪器的发展创建了快速准确的微量元素测定仪器,需要相应的高效样品预处理技术与之匹配.生物样品不能直接分析,需先

2、分解有机物,使结合的欲测元素释放消解是一种很好的样品预处理技术.水是典型的极性分子,以水做溶剂的反应体系通常均可以在微波作用下促进化学反应.大量文献报道表明,具有密闭性操作的微波消解与常规湿法消化相比有以下优点:(1)快速溶样,比常规方法快4100倍;(2)显着地节省能源,提高了消解样品的效率;(3)大大减少所用样品量和试剂量;(4)由于是密闭操作,减少交叉污染及挥发损失;(5)实现了样品消解自动化,提高了工作效率和结果的重现性;(6)由于独特的消解条件.可用硝酸取代价昂易爆的高氯酸,降低成本;(7)自动化操作,使人可远离酸雾环境,改善了工作条件,有利于人身安全;(8)微波消解罐容易清洗,湿法

3、消解容器则需热酸清洗,很费事;(9)可在高温高压条件下操作,进一步提高效率.因此,微波消解特别适用于微量和超微量金属元素的分析.MDS.2000(cEM)微渡消解系统使用的是这种先进的预处理技术.Kingston用大量实验数据和理论计算深入阐述了有机物消解?第一作者:学士,助理研究员国家自然科学基金资助项目(批准号:59838300)收稿时间:19990702的特点和MDS81微波仪的实用性_l一1.使用微波消解的关键是设置一个适当的消解程序.与无机类样品相比,在消解生物样品时,有其不同的特点.Ducros等使用的微波仪磁控管的功率仅为200W,与湿法消解的结果进行比较否定了H2s04+02消

4、解液体系,并建立了最佳消解程序共消耗HN025mL1029mI,消解时间是100min.在大气压下完成_3一.Lippo等用微波消解法处理苔藓和黑麦草,认为仪用硝酸消解不完全,用t-LN02+H202方可消解完全J.Nieuwenhuize等则在封闭的消解罐中用王水消解土壤和沉积物,3步的微波功率是逐步增加的.作者特别强调一种微波炉和一种基质(包括样品和消解液体系)需建立特有的最佳消解程序_5j.文湘华等推荐对天然河流沉积物使用0.1g样品用2mLHxo3+1mLH2+1mLHF,消解30min(630W100%功率).Chakraborty消解动物组织的程序用12.5min可保证完全消解J.

5、标准生物样品在消解前通常用冷冻干燥法制成干粉状固体,通常国家标准样品都是这样处理的,这样样品可以长期保存,并可测得较低的微量元素值,我们消解处理并测定了5种标样的5种微量元素,与确定值比较.16食品与发酵工业FoodandFermentafionIndustriesVo.26No.3冷冻干燥是一种理想的干燥样品的方法,在冰冻状态下,真空升华除去水分,易挥发微量元素的损失降至最低.但是冷冻干燥需要特殊的大型冻干设备,且耗能,耗时.为节约能源,提高效率,我们按照国家标准食品分析方法试验了新鲜的生物样品直接微波消解制样,供AAS(原子吸收光谱)测定.鲜样与干样不同,含有大量水分,相当于稀释了消解液,

6、降低了消解液的浓度,消解时的条件与干样有区别.本文探讨了鲜样直接微波消解的规律及与此相关的几个问题,并推荐了适宜的消解程序.1买验与方法MDS-2000(美国CEM公司)微波样品预处理系统.最大功率630W,最大操作温度200,最大操作压力1.38MPa(14.O8kg/cm).应用于消解样品的容器为120mL容量高级复合罐(垒氟代烷氧基乙烯Perfluomalkoxy).炉腔内有一可旋转的支架,最多放置12个消解罐,同时消解.在消解过程中,持续监测消解罐内压力,并选择适当的微渡发射功率,使消懈罐内压力低于安全值.每个消解罐配有压力安全阀及排气管,炉腔内有排气系统,避免炉内酸气腐蚀设备.预先将

7、新鲜食品(肉类,蔬菜和水果等)用水清洗干净,擦干表面水分,除去不可食用部分(蒂,核等)后,将皮和肉分离并切块,用食品加工机粉碎为约1Film见方的碎屑,然后置干净的塑料袋中储存.准确称取35g浆状样品(视样品含水率而定)于120mI微波消解罐内,分别加入4mL浓硝酸和3mL双氧水,每一次消懈均带1份同步操作的消懈空白,加入同样的消解液,以作比较,消除试剂及环境中本底.设置适当的消解程序,进行样品消解.消解结束后,待温度降至室温后,取出消解罐,将消解液倒八备好的容量瓶,并用去离子水清洗2次以上,洗液并入消解液,并定容至25mL,备作元素分析用石墨炉原子吸收法(美国PE一3100)分析Cu,Ni,

8、Mn,Pb,cd等元素所用试剂:HNO3(高纯)北京化学试剂研究所生产;H,n(优级纯)北京化工厂生产2结果与讨论2.1微波消解法与标准生物样品确定值的比较我们用微波消解一GFAAS(石墨炉原子吸收光谱)法分析了几种标准生物样品,获得了较好的结果.所得结果与标准确定值比较列于表1.表1标准生物样品确定值与本实验测定值比较表:测定值指此工作AAS测定结果第26卷第3期田宝珍等:微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究l7从表1可见测定值与标准确定值非常一致,此结果和大量同类研究工作结果相同,微波消解作为生物样品预处理方法是可行的.有些文献报道回收率偏低,多为消解不完全有残渣,过滤除渣时损失所致

9、.此表中Cu,Ni,Mn的结果较好,Cd的回收率62.69%95.65%,Pb的回收率58%157.14%,和标准值偏离较大,可能与这2种元素含量很低又是挥发性元素,Pb的环境本底高,易污染有关.2.2与新鲜生物和植物样品直接消解有关的问题用微波消解法处理生物样品,消解液体系的选择是关键因素之一有机物的消解需始终保持强氧化性的酸性条件,常用的生物样品消解液多为混合体系,主要有:HN03+H2o2+HF,HNO3+H2()2,HNO+HC104+H2OHC1一HN03.硝酸,硫酸和盐酸为3种最重要的无机酸,在湿法消解中常常使用,但因某些金属的硫酸盐和氯化物为不溶物或微溶物,为避免消解产物出现沉淀

10、,造成测定误差,我们只选用HNO做消解液组分,优点是所有金属的硝酸盐均为易溶盐,且硝酸又是一种强氧化剂,使有机物易于消解.其次,它的沸点较低,为l2O.恰在消解罐的安全使用范围内(200以下).定容后,浓度>20%的HNO母液将产生较大的噪音干扰信号,严重影响测定结果,我们没有使用消解效果稍好的5mLHN03/25mL,而选用4mLHNO,/25mL.HF对土壤和沉积物的消解是必不可少的组分,但对生物样品影响不大.o2是一种弱酸性氧化剂,在较低温度下即可分解成高能态活性氧,降解某些有机物,如腐植酸等.与浓HNO共用,大大提高混合液的氧化能力,可完全破坏有机物.且分解产物简单,对反应基质影

11、响很小.其它体系消解有机物效果均不如HN03+H2o2.从以上分析可知,HNO3+H202是最适宜的微波消解液组合-4,我们用此体系消解了大量新鲜食品,如猪肉,猪肝,贻贝,鱼肉,蔬菜和水果,获得澄清透明的消解液.证明了它是有机物微波消解的最佳体系为操作方便起见,消解液均在消解前一次性加入.本仪器最大微波消解功率为630W.以100%表示,以1%递增.消解罐内条件以压力值控制.在高温高压条件下,容器内实际达到的温度大大高于酸液的沸点,这使消解的效率提高.在设置程序时应注意:使用大功率操作时,样品升压快,达到预置压力时间短,节省时间,但压力不稳定.很容易超出设置压力.使用小功率操作时,消解罐升压慢

12、,样品达到设置压力所需时间长,但升压速度稳定,通常不易超出预置压力其次,消解样品的重量和消解液的容量也影响消解罐内压力升高的速度.通常压力越大,温度越高.样品消解得越快,越完全.除去仪器设置和样品量等因素外,操作方式对消解过程也有影消解,此时浓酸性氧化剂和有机物剧烈反应,氧化还原反应的化学能和微波能共同作用.能使罐内温度和压力迅速升高.通常我们有一个错误的认识:认为消解罐内压力能达到1,37100kPa,证明是密封良好的,隔绝空气的,因此不会有元素的损失或污染实际不然.当微波炉内不洁净或周围环境有严重污染时,对样品的测定会有干扰,强酸性的消解液对环境中的污染物有很强的捕集作用,尤其在空气污染比

13、较严重的冬季更明显,多造成某些元素测定值的正误差.因此微波消解应在清洁的环境中进行_8J.2.2,3消解样品种类的影响不同种类的样品由不同组分组成,它们在消解过程中表现出不同特征.通常无机物的消解过程比较简单.其升压规律和微波功率成正比.而生物样品的消解比土壤及沉积物复杂且不同种样品之间差别很大,土壤中含有机质时,也会多多少少显示有机物的消l8食品与发酵工业FoodandFermentationIndustries.26No.3解特征.生物样品在消解时表现为反应更剧烈,更迅速,且大量放热和释放气体.值得注意的是消解温度和消解压力是2个不同的概念,因此在消解过程中,不同组分的样品随性质不同显示出

14、不同的升温升压曲线.升温和升压的规律不完全相同,主要由于氧化反应的气体产物造成的.我们使用的消解系统是用压力控制反应过程的.微渡功率可由消解程序设置来控制,氧化还原反应释放的能量无法人为控制,它的释放常常是瞬间的,压力度可回落.而压力的升高有时难以复原,这是因为消解罐内压力的升高是由水蒸气压,消解液酸蒸气压和反应气体产物的混合造成的,水蒸气压和酸蒸气压可恢复,而有机物的氧化还原反应产生的气体产物CO2,NO等残留在罐内无法排除.因此,密闭容器消解有机物时比矿物,陶瓷,土壤,沉积物和合金等无机物产生的压力大,且压力和温度变化规律不同.消解过程中观察到有一个触发氧化还原反应迅速进行的压力突变点(见

15、表2).碳水化合物在HNO中于140时迅速分解,反应在12rain内完成,实际我们观察到此时容器内的压力还很低,温度升高后,压力随即迅速升高.通常消解压力的突变稍迟于温度的突变,由于热消解产生了大量气体,导致压力升高.这是有机物微渡消解的特征(见图1),无机物则不同,由于反应中没有大量气体释放,温度和压力的升降是同步的(见图2)J.围1牛肝样品在HN中消解的温度和压力曲线圈疆图2金属zn在王水中消解的温度和压力曲线图2X,每种样品有一个特定的压力突变点和峰值,达到此峰值以后,压力便开始降低.如香蕉是含糖量最高的水果之一,也是我们实验中遇到的样品中释放热量最高的样品.消时在几s内就突变至827.

16、37kPa以上,苹果此类样品消解时,应当先设置低能量消解.这样既能利用反应热辅助微渡消解,又不致于失去控制,使罐内压力太大,或温度太高.在生物样品中反应过压过热这个问题很重要,需要特别注意.通常含糖量少的蔬菜样品,如芹菜,冬瓜,黄瓜等,与消解液的反应较时,可用较高的功率和设置较高的压力.基于以上原因,在消解生物样品时,最好分类消解,反应性质相同的样品同批消解,反应性质不同的样品分批消解.微波消解生物样品时.由于残留气体产物的影响,密闭罐中的残留压力仍然可能保持在68.95482.63kPa之间.表2列出了数种样品的消解参数.表2表明新鲜生物样品的峰值压力与样品本身的结构组成有关(如碳水化合物,

17、糖分,含水率等),亦与消解的样品量,设置的功率,设置的压力有关.含糖量低的样品突变点压力值较高,如圆白菜(344.4kPa),冬瓜(289.58kPa),茄子(262.00kPa).它能达到的压力峰值较低.含糖和淀粉量较高的样品开始剧烈反应的突变点较低,如香蕉肉第26卷第3期田宝珍等:微波消解制样技术用于生物样品微量分析的研究19(82.74kPa),马铃薯肉(68.95kPa),梨肉(103.42kPa),苹果肉(206.84kPa),它们初始反应达到的最高压力为1.48MPa,种样品的样品量的增加突变点压力降低,而最高峰值压力逐渐升高,因此在设置第一步消解压力值时.应设置较低功率和压力.微

18、波消解生物样品时可选择:(1)冷一低热一高热;(2)低热一冷一高热等分步逐级加热;(3)敞口水浴加热消解一密闭微波消解.有机物的消解适宜于缓慢分步加热法.提高微波消解效率的方法还有如下几种,但要适当掌握,合理使用:(1)增加消解液的量和浓度有利于快速消解,但过量将增加背景值,干扰测定;(2)延长消解时间,有利于消解完全(3)设置较大的消解压力和温度,压力越大,消解完成得越快.设置压力一般为689.48827.37kPa,不可超出1.03MPa,品应有一种专用的消解程序,最好按样品种类分批消解.如圆白菜适宜80%功率,551.58kPa作为消解程序的第一步;而含糖量高,反应剧烈的苹果则应将50%

19、功率,275.79kPa作为消解程序的第一步.我们消解完全的标准是使生物样品中的有机物完全分解,消解液为澄清,透明的溶液.对此有的文献持不同的观点,认为澄清的溶液未必消解完全,金属有可能以络合态或螯合态存在.我们认为在这种强氧化性消解液中,可溶态的消解产物不可能为高分子质量的有机物,更不可能是低分子质量的有机物,它们均比生物样品本身更易分解,因此不可能将生物样品消解掉而留下更易消解的有机物.曾有文献报道微酸性双氧水将腐植酸降解为草酸等低分子有机物,而此消解液比双氧水的氧化性强得多,因此我们认为此时样品已经消解完全.有时测定结果偏高或偏低,可能是其它原因所致.Kingston和Jassie仅用H

20、N03消解并测定了牛肝(含糖类,蛋白质和脂类)消解的有机组分,发现仅存邻,间及对硝基苯甲酸,而无糖类,蛋白质和脂肪酸.同一作者证明了面粉消解后氮基酸的浓度仅剩0.005mg/,没有发现来自样品中有机分解产物的干扰.说明微波难以破坏的是苯环中的键.因此消解产物对通常金属的AAS和ICP分析,没有明显的2O食品与发酵工业FoodandF印nenrati0nlndustresVo|.260.3干扰.而在高温高压的HN03+HzOz混合体系,由于氧化能力提高了,将比HNO体系消解得更完全,从许多报道和我们的结果看,金属离子基本释放完全.由于目前还没有新鲜的标准生物样品,因此无法用我们的数据与标准数据比

21、较,只能根据外观判断.但可以用微波消解与常规消解测定值比较,今后还将继续类似的工作.我们从大量实验中得出经验最佳消解程序如下:称取35g未脱水的新鲜食品样品放入120mL消解罐中,加入4mLHNO3和3mLH2,每次消解12个样.设置如下4步消解程序:3O%8O%功率,206,84344,74kPa,2050min;9O%100%功率,689,48kPa1,03MPa,3O50rain;80%100%功率,551.58689,48kPa,3050rain;(90%100%功率,689.48827,37kPa,1030rain.此程序适用于食品及生物样品的微波消解.微波消解生物样品试验中,消解罐

22、的损坏是一个严重的问题,因其成本较高,必须注意延长其使用寿命.除上文提及的有关注意事项外.其它的防止消解罐损坏的办法是:(1)适当减少样品量,降低有机组分氧化还原反应对消解的不利影响;(2)对于含水率高的鲜样的处理也可在消解前用微波将其适当烘干,再加酸消解;(3)将样品与消解液混合后静置,或敞口水浴加热,待其释放一部分热量及气体产物后,再密封消解.这时氧化还原反应造成的干扰大大减弱.3结论此文阐述了新鲜的生物样品直接微波消解及应注意的问题:消解液体系的选择;微波功率的选择;最佳消解程序的选择;不同样品的反应规律;压力及温度与消解罐安全使用的关系.结果证明,鲜样直接微波消解用于微量元素分析是可行的.可以得到消解完全的样品,和比较准确的测定结果.参考文献lKingstonHM.JassieLBAnal_chem.1986,58:2534254l2KingstonHM1assieLB分析化学中的微波制样技术原理及应用北京:气象出版社.19923DucrosV,RuffieuxD,BelinNetalAna一4LppoH,SarkelaA.AtomicSpectroscopy,1995,16(4):1541575WenXianghua,WuLingzheng,ZhangYunJAna1.Chem.1997