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稻米及其制品中砷形态萃取及分析方法应用研究

2014-04-25

目前常用于植物样品砷形态萃取的萃取剂为甲醇、水或者不同浓度的甲醇和水的混合物,配合搅拌、超声和微波加热等辅助方法对植物样品中的砷形态进行萃取。这些方法已成功应用于龙虾、褐藻、海草、鱼及海洋贝类砷形态的萃取分析。然而海洋生物中的砷与陆生植物中的砷形态有较大不同,海洋生物中的砷以有机砷为主,而陆生植物体内,尤其是水稻样品内无机砷占主要部分。由于无机砷和有机砷的极性不同,采用的萃取剂也不尽相同,成功应用于海洋生物的砷形态萃取方法未必适用于陆生植物。还有一些研究人员利用磷酸、三氯乙酸和氢氧化钠进行植物样品砷形态的萃取,但效果都不尽如人意。中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室孙国新副研究员选择并优化了萃取剂、使用体积、样品重量、萃取时间及温度、微波萃取程序、离心时间与转速等影响微波辅助萃取效率的条件,建立了萃取稻米及其制品中砷形态的新方法,并将其广泛应用于绿藻、蓝细菌、四膜虫、人工胃液和雄黄酒的砷形态萃取分析中。

1.砷形态萃取方法研究

为了准确分析大米及其制品中的砷形态,一个快速、简便、高效的砷形态萃取方法是必要的前提。理想的砷形态前处理方法要求既要有良好的回收率又要保持样品中砷的原始形态。通常形态样品的分析要三个步骤来完成:样品的萃取,形态的分离,各形态的检测。在这三步中最关键的步骤无疑是样品的萃取,即把样品中的不同形态的砷从复杂的生物体中提取出来,同时又不改变其形态。

该研究选择标准物质(NIST 1568a rice flour)进行萃取,其标准砷浓度为0.29 ± 0.01 mg/kg。研究选择并优化了萃取剂、使用体积、样品重量、萃取时间及温度、微波萃取程序、离心时间与转速等影响微波辅助萃取效率的条件,建立了测定稻米及其制品中砷形态的新方法。称取0.2 g粉碎的大米样品到50 ml的尖底聚四氟乙烯塑料离心管中,加入10 ml 1% (v/v) HNO3,微波辅助萃取程序为温度缓慢升至55 °C,保持10 min;然后再升至75 °C,保持10 min;最后升到95 °C,保持30 min。冷却后定容,充分混合后在5000 rpm下离心10 min,上清液用0.45m微孔滤膜过滤,是比较理想的萃取条件,萃取效果最好,其萃取效率达到100.6%。与已报道的结果比较,大米标志物(CRM)中砷形态相同,进一步加标萃取证明此萃取方法在萃取过程中并没有改变砷的形态,各砷形态仍然稳定存在。说明这是一个简便、快捷、可靠的砷形态萃取方法。

另外,用该方法对稻米及其制品中砷形态萃取的应用潜力进行了探讨,购买了各种稻米及其制品,采用上述方法萃取分析(图1),结果表明该方法可以实现对稻米及其制品中砷形态的有效萃取,砷形态的检测限(LOD)为0.00007 mg As/L,样品的加标回收率为86.6%107.2%,获得了满意的结果。

 

2. 砷形态检测研究

砷形态的检测采用高效液相色谱与电感耦合等离子体质谱联用HPLC-ICP-MS)方法,因为电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)拥有很多突出的优点,如灵敏度高,耗样量少、速度快、检出限低、线性范围宽等。砷的检出限低于ng/ml水平,因此特别适合微量甚至痕量砷化物的形态分析。

As(III)As(V)DMAMMA在分离条件下大多数是以离子型化合物存在,能够被离子交换色谱柱分离,而且酸度系数(pKa)值相差也比较大,在适宜的pH条件下均能以阴离子的形式存在,或同时以阳离子及阴离子形式存在(DMA),因此可以用离子交换机理来进行分离。经理论推定和详细的实验探索,分析用色谱柱选择阴离子交换柱PRP-X100250 × 4.1 mm10 μm),并配有保护柱(11.2 mm12-20 μm),柱温30°C。经过多次选择尝试,详细研究了可能影响砷形态分离的因素,确定流动相采用6.6 mM 磷酸氢二胺((NH4)2HPO4)和6.6 mM的硝酸氨(NH4NO3混合液,最适宜pH6.2 (优级纯硝酸调节)。流动相用超纯水配制,配好后通过0.45 μm的滤膜,以免污染样品分离柱。在此pH下,As(III)主要以不带电荷的亚砷酸(H3AsO2)形式存在,在阴离子色谱柱上无保留;DMA以分子和阴离子各占一半的形式存在,在阴离子色谱柱上有一定保留;MMA完全以阴离子的形式存在,因此在阴离子色谱柱上保留强于DMA;而As(V)HAsO42-的形式存在,带有两个负电荷,在这几种离子中保留时间最长,最后流出,从而使这几种砷的形态被相互分离。高效液相色谱的自动进样体积为50 μL,流动相流速为1 ml/min。为了减少ICP-MS仪器自身造成的误差,选择与砷原子量相近的钇(Y)作为内标。在短短10 min内成功地完全分离四种砷形态,出峰顺序如图2

 

该萃取分析方法随后在绿藻、蓝细菌、四膜虫、雄黄酒的砷形态分析检测中进行了广泛应用。因绿藻、蓝细菌、四膜虫均生长在液体培养基中,因此在原分析方法的基础上对样品的前处理过程进行了如下改进。将样品及培养基的混合溶液分批转移到50 ml聚乙烯离心管中,离心收集藻体(5000 rpm6 min),并用去离子水清洗收集到的细胞2次,最后用磷酸缓冲液(1 mM K2HPO45 mM MES0.5 mM Ca(NO3)2)室温浸泡10分钟,以去除吸附于细胞表面的砷。将收集的藻样置于真空冷冻干燥机,低温冷冻干燥,取干燥后样品0.02 g加入10 ml 1%的优级纯硝酸微波消解,微波辅助萃取程序同稻米。用HPLC-ICP-MS测定藻体砷形态。结果证明该方法可成功分离萃取上述样品中的不同砷形态,萃取效率在90%以上,且在分析检测过程中各形态砷稳定存在,相互之间无转化。

微波辅助萃取结合HPLC-ICP-MS方法分析稻米中的砷形态,在实际应用中展现出了广阔的前景,为准确测量稻米中无机砷,满足我国严格的国家标准(无机砷限量指标0.15 mg/kg)提供了可靠的技术支撑。对于研究水稻中砷的吸收、积累、迁移转化以及人体健康风险评估都具有重要的意义。

另外,食品安全是当前国家高度重视的一项工作,关系到居民人身健康的问题,已经引起了社会各界的广泛关注。简捷、高效、快速的分析检测方法是确定食品是否安全的基础。污染物的总量可在一定程度上反应食品的质量,然而污染物的形态更是应该关注的重点,因为不同形态的污染物毒性相差甚远,对人体的危害程度也完全不同。“稻米及其制品中砷形态萃取及分析方法”的建立为食品样品砷形态的分析检测奠定了基础,并在山东省分析测试中心接受的委托样品和济南市环境监测中心站的实际监测工作中得到了广泛应用