基于ASE提取ICICPMS联用测定茶叶中CrⅢ和CrⅥ的研究

在自然界中分布甚广而稀散，几乎存在于所有物质之中。铬可以形成从-2到+6多种价态化合物，最常见的是Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）[1]。对于铬而言，Cr（Ⅲ）是人体必需的元素，参与人体多种生理活动，而Cr（Ⅵ）则有剧毒[2，3]。NY659-2003标准中茶叶的总铬限量为5.0 mg/kg[4]，但这并不能反映饮茶中铬对人体的潜在危害，需要对三价和六价铬的含量做进一步的测定[5，6]。 
　　由于受到提取液pH的影响，Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）同时提取和测定具有一定难度，低pH环境由于提高了氧化还原电位，可能会导致Cr（Ⅵ）被还原为 Cr（Ⅲ），高pH则可能会导致Cr（Ⅲ）沉淀为Cr（OH）3。铬的不同形态对环境和人体健康有着明显不同的影响，因此对铬不同形态进行分析在环境科学、医药学、食品科学方面具有十分重要的意义[7]。 
　　单一的仪器检测技术很难同时完成精确测定Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ），采用联用技术是当前元素形态分析的重要手段[8-13]。加速溶剂萃取（Accelerated solvent extraction，ASE）法是一种基于高压条件下，降低溶剂黏度，增加物质溶解度和溶质扩散效率， 提高萃取效率的快速萃取固体或半固体样品的前处理方法[14]，ASE已在环境、药物、食品、化工等领域得到广泛应用[15]。 
　　本研究以EDTA二钠盐以及硝酸铵溶液为提取液，采用加速溶剂萃取技术（ASE）对茶叶中2种价态铬进行提取，经过离子色谱（IC）分离后使用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）分析测定，建立了茶叶中Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）的测定方法，初步明确茶叶中2种价态铬的含量现状。 
　　1 材料与方法 
　　1.1 仪器与试剂 
　　Dionex ASE 200型快速溶剂萃取仪；Dionex ICS 3000型离子色谱仪；Thermo Fisher ICap Q型ICP-MS；Orion 3 Star pH计。 　　硝酸；氨水（Sigma，色谱纯）；EDTA二钠盐（Sigma，色谱纯）；六价铬标准溶液（1 000 mg/L，国家计量标准物质中心）；三价铬标准溶液（1 000 mg/L），超纯水（电阻率18.2 MΩ/cm） 
　　1.2 溶液的配制 
　　流动相（0.075 mol/L NH4NO3）：1 L水中加入约4 mL硝酸和5 mL氨水，10%硝酸溶液或10%氨水调pH为7.1左右；提取溶液（0.04 mol/L EDTA）： 1 L流动相中加入13.3 g EDTA二钠盐，用10%硝酸溶液或10%氨水溶液调节pH 7.1左右。Cr（Ⅲ）-EDTA标准储备液（1 mg/L）：取0.05 mL Cr（Ⅲ）标准溶液，加入0.38 g EDTA（2Na），去离子水稀释50 mL，调pH为7.1，在70 ℃水浴下保持1 h。Cr（Ⅵ）标准储备液（1 mg/L）：取0.05 mL Cr（Ⅵ）标准溶液，去离子水稀释50 mL，调pH为7.1。 
　　1.3 ASE提取条件及色谱条件 
　　将茶叶粉碎至30目左右，过筛。精密称取0.5 g粉碎后的茶叶样品，与石英砂混匀（分别经过10%NaOH和10%HNO3浸泡后，并用去离子水清洗至pH为中性），倒入垫有玻璃纤维素膜的锆提取池中，在设定的条件下提取。将提取液定容至50 mL， 0.45 μm滤膜过滤，待测。ASE提取条件见表1，离子色谱参数见表2。 
　　1.4 ICP-MS测定条件 
　　由于ICP-MS在测定52Cr时会受到35Cl16O1H+或40Ar12C+等多原子离子的干扰，为降低背景，采用碰撞池和动能歧视效应KED模式测定，参数条件见表3。 
　　2 结果与分析 
　　2.1 ASE提取条件优化 
　　2.1.1 样品池的选择 将茶叶粉碎至30目左右，过筛。精密称取0.5 g粉碎后的茶叶样品，与石英砂混匀（分别经过10%NaOH和10%HNO3浸泡后，并用去离子水清洗至pH为中性），倒入垫有玻璃纤维素膜的锆和不锈钢提取池中，在设定的条件下提取。将提取液定容至50 mL，0.45 μm滤膜过滤。结果表明，不锈钢样品池中Cr本底较高，且呈不规律状态溶出，而锆样品池基本无污染，因此选择锆样品池作为ASE提取样品池。 
　　2.1.2 ASE参数优化 按照表4对添加价态铬标准样品1.0 mg/L的茶叶样品进行不同的处理，每组处理重复1次，得到各个处理的回收率，再采用数据处理软件进行差异显著性比较，从而得到温度、静态时间、压力和循环次数等ASE最佳参数。将提取温度、静置时间、提取压力和循环次数4个因素标记为A、B、C、D，按照表1所示4个水平设计单因素试验，考察不同因素对提取效率的影响。结果表明，参数B、C、D同一条件下，因素A提取温度对提取效率的影响明显，且在A3后处于平稳，该现象与铬元素随着温度上升溶解度增加对应；在确定因素A的最佳温度为80 ℃后，进一步分析因素B对提取效率的影响，结果说明增加浸泡时间可增加溶出率，且在5 min后趋于平稳，因此确定因素B为5 min；在确定因素A和B后，考察压力对提取的影响，发现提取压力越高，溶出率越高，且效果显著，因此选择1 600 psi；在此基础上，分析了因素D对提取效率的影响，随着循环次数的增加，提取效率D2条件下趋于稳定，说明适当的循环次数能将样品内铬提取完全。因此选择在80 ℃下静态5 min，循环2次，即A3B3C4D2为本研究ASE最佳提取条件。 
　　2.2 色谱分离条件优化 
　　2.2.1 硝酸铵的浓度 用IC进行分离时，流动相离子强度会直接影响保留时间和分离度，对不同浓度 （0.05～0.15 mol/L硝酸铵）的流动相进行对比。试验表明，随着硝酸铵浓度的增加，保留时间缩短，峰形有明显改善，但Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）分离度变差。另外，流动相离子浓度越大，ICP-MS的维护频率越高。因此，综合考虑分离度，峰性和大批量样品分析的时间成本，流动相条件选择0.075 mol/L硝酸铵。 
　　2.2.2 提取液中EDTA量优化 本方法中Cr（Ⅲ）是与EDTA络合后保留在色谱柱上，由于茶叶提取过程中会溶解部分的Ca、Mg、Mn、Fe等阳离子，这些离子也同样与EDTA络合，从而影响了Cr（Ⅲ）的峰形和测定精度。取等份的茶叶，分别用10、20、40和80 mmol/L的EDTA在上述ASE条件下提取，得到谱图1。从Cr（Ⅲ）的峰图得到10 mmol/L EDTA络合下Cr（Ⅲ）峰出现分叉，而80 mmol/L EDTA络合下的Cr（Ⅲ）峰高降低显著，40 mmol/L EDTA可以较好地消除峰分叉，并且峰高降低影响较小，因此选择40 mmol/L的EDTA作为本试验中的提取液浓度。 
　　2.2.3 方法的准确度和精密度 使用流动相将 Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）标准储备液稀释，配制成0.1、0.5、1.0、5.0和10.0 μg/L的混合标准溶液，在上述色谱条件下测定，得到如下工作曲线和谱图（图2至图4）。为验证该方法的准确度和精密度，选取红茶和绿茶两类样品进行加标回收试验（表5、图5），计算加标回收率；同时进行7次平行样的独立分析，计算方法精密度。从表5可见，方法的相对标准表差均不高于3.9%；在1.0 μg/L的加标水平下，Cr（Ⅲ）和Cr（Ⅵ）的回收率分别为86.2%～89.2%、78.8%～79.4%。从图6可以看出，0.1 μg/L混合标准溶液的峰高的信噪比S/N>10，得出在离子色谱进样量为100 μL，质谱采用He碰撞池和动能歧视效应KED模式下，该方法对两种价态Cr的检出限均达到了0.03 μg/L，说明两种价态Cr的定量下限在0.1 μg/L以下，可以满足实际样品测定。 
　　2.2.4 实际样品测定 按照上述提取步骤和检测方法对市售茶叶样品分别抽取4个绿茶和4个红茶进行了测定（图7和表6）。所测茶样中有2个红茶样品和一个绿茶样品中未检到Cr（Ⅵ），并且在所测抽查样品中Cr（Ⅵ）含量显著低于Cr（Ⅲ）。 　　

　　3 小结 
　　研究采用ASE批量提取，将高灵敏度的ICP-MS与耐酸碱的IC联用，建立了茶叶中超痕量铬价态分析的方法。将所建立的方法用于实际分析并以加标回收试验验证了其对不同茶类样品的适用性，该方法操作简单，自动化程度高，重复性好，灵敏度满足日常检测要求，可批量操作，为茶叶中Cr（Ⅲ）与Cr（Ⅵ）分析测定提供了参考。