一种植物源性初级农产品中硅含量的测定方法、微波消解液及其应用

摘要

本发明属于农产品分析技术领域，具体涉及一种植物源性初级农产品中硅含量的测定方法、微波消解液及其应用。本发明首先利用微波消解仪在密闭的硝酸、氢氟酸、氯化钾溶液体系中消解试样，之后采用动能歧视碰撞池‑电感耦合等离子体质谱仪进行测定。其中，硝酸用于消解有机质基体，过量氢氟酸用于溶解二氧化硅，氯化钾与之配合促进试样中二氧化硅消解完全；通过优化微波消解条件，该方法能在加速硅消解的同时提高硅的回收率。同时，本发明选用高丰度的28Si提高灵敏度，并配置耐腐蚀进样系统，采用动能歧视碰撞池技术消除氮、氢、氧等元素的多原子离子对28Si的质谱干扰，降低方法检出限，从而实现植物源性初级农产品中微量甚至痕量硅的测定。

说明书

技术领域

本发明属于农产品分析技术领域，具体涉及一种植物源性初级农产品中硅含量的测定方法、微波消解液及其应用，尤其是采用微波消解-碰撞池电感耦合等离子体质谱法测定植物源性初级农产品中硅含量的方法。

背景技术

硅具有较高的熔点和密度，化学性质比较稳定。硅除了能与氢氟酸和碱液反应外，不溶于其他无机酸。自然界中硅主要以二氧化硅或硅酸盐形式存在，二氧化硅是酸性氧化物，不溶于水，能与氢氟酸作用生成气态SiF

植物体内硅的形态主要是硅胶(SiO

现有技术中，中国专利CN108802012A及期刊论文《食品及食品添加剂中不可溶性硅检测方法的研究》的技术方法雷同，公开了一种微波消解-电感耦合等离子体发射光谱测定食品及食品添加剂中硅含量的方法，该方法取样量为0.5g左右，先加入8mL硝酸、1mL过氧化氢进行微波消解(微波消解程序1见表)，消解完毕，在固体残渣中加入7mL硝酸、5mL盐酸、3mL氢氟酸进行二次微波消解(微波消解程序2见表)，该方法对于食品试样的消解存在以下不足：1)加入盐酸参与消解的反应机理不明，实质上加入盐酸并不能加快反应的进行，反而会因为大量盐酸的存在而削弱硝酸的氧化性，显著降低样品有机基体消解的速度；2)二次消解在最高180℃下消解10分钟，且又不存在催化加速的条件下，二氧化硅转化为可溶性硅酸盐的效率很低，致使结果的回收率低。

中国专利CN101762632A公开了一种微波消解ICP-MS法测定石脑油中硅含量的方法，经分析，该方法存在以下不足：首先，微波消解后将消解样品在电热板上从8mL蒸发至2mL，该过程会导致已溶解的硅以SiF

此外，中国专利CN105259245A公开了一种保健食品中硅含量的检测方法，该方法采用马弗炉灰化样品，之后经氢氧化钠高温熔融、热水提取后，再用电感耦合等离子体质谱法测定试样中硅的含量。该方法的样品准备过程类似于传统硅的碱熔前处理，尚有如下缺陷：1)用热水浸提氢氧化钠和二氧化硅共熔体，溶液会呈现强碱性，而氢氧化钠同样会腐蚀含硅进样系统而使硅析出，从而干扰质谱法测定硅；2)有机硅在高温灰化过程中会有少量损失，致使测定结果偏低。中国专利CN103091304A还公开了一种复合维生素片中硅含量的测定方法，采用硝酸、高氯酸的混合酸处理样品基体，氢氟酸溶硅，等离子体发射光谱法测定硅含量。该方法在消解处理后，先加入纯化水稀释至80mL，之后在15-25℃下加入5-6mL氢氟酸反应45-60min，由于灰分中的二氧化硅与氢氟酸在该条件下的反应效率非常的低，硅的回收率仍存在很大问题。

综上所述，现有的方法均不适用于植物源性初级农产品中硅含量的测定。因此，亟需开发一种能够高效、快速、准确地测定植物源性初级农产品中硅含量的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种植物源性初级农产品中硅含量的测定方法，先采用特定的微波消解液消解试样，再采用碰撞池-电感耦合等离子体质谱法进行测定，具有操作简便、检出限低、准确度和精密度高、节能环保、分析效率高的优点。

同时，本发明还提供一种微波消解液，在加速硅消解的同时提高硅的回收率。

最后，本发明再提供一种微波消解液在微波消解植物源性初级农产品并测定硅含量中的应用。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种植物源性初级农产品中硅含量的测定方法，包括以下步骤：

(1)样品制备：称取试样于消解罐中，加入微波消解液在密闭条件下微波消解，消解完全后取出定容，得到待测样品溶液；

所述微波消解液由硝酸、氢氟酸和氯化钾组成，用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：氯化钾(质量g)为4-6:0.8-1.2:0.05-0.2；

(2)样品测定：取步骤(1)中待测样品溶液于电感耦合等离子体质谱仪上进行测定，测试条件为：采用动能歧视碰撞池技术，监测质量数为28硅。

本发明的方法在样品制备时采用特定组成的微波消解液消解试样，其中，硝酸用于消解有机质基体，过量的氢氟酸用于溶解二氧化硅，少量的氯化钾与之配合能促进试样中二氧化硅消解完全，该微波消解液能在加速硅消解的同时提高硅的回收率。同时，本发明在检测时选用高丰度的

作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所述微波消解液中各组分的用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：氯化钾(质量g)为5:1:0.1。例如，当取样量为0.25-1.00g时，所使用的的微波消解液为5mL硝酸、1mL氢氟酸、0.1g氯化钾混合而成的溶液。

作为一种优选的实施方式，所述硝酸为优级纯浓硝酸，HNO

作为一种优选的实施方式，步骤(1)中，所述微波消解的程序为：微波功率1000-1400W，一阶段：100-140℃，升温5-15min，保持5-10min；二阶段：160-190℃，升温5-15min，保持8-15min；三阶段：200-230℃，升温5-15min，保持10-20min。进一步优选地，所述微波消解的程序为：微波功率1200W，一阶段：120℃，升温10min，保持8min；二阶段：180℃，升温10min，保持10min；三阶段：210℃，升温10min，保持15min。

作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，所述电感耦合等离子体质谱仪配置耐氢氟酸腐蚀材质的雾化器、雾化室及蓝宝石中心管。具体可以选用聚四氟乙烯材质的同心雾化器和旋流雾化室，以消除检测过程中带来其他硅的干扰，提高检测准确度。

作为一种优选的实施方式，步骤(2)中，所述电感耦合等离子体质谱仪(型号为：iCAP RQ ICP-MS，厂家：Thermo Scientific(赛默飞科技公司))的测试条件为：

1)RF发射功率：1550W；

2)内标元素：钪0.5μg/mL；

3)氦气流量：3.2-4.8mL/min，优选为4.8mL/min；

4)雾化气体Ar流量：0.80mL/min；

5)冷却气体Ar流量：14mL/min；

6)碰撞池入口电压：-69.2V；

7)碰撞池出口电压：-37.9V；

8)采样深度为：5mm；

9)雾化室温度：0-4℃，优选为4℃；

10)采样方式：全定量；

11)扫描方式：跳峰；

12)扫描次数：50次；

13)测量次数：3次；

14)雾化器：聚四氟乙烯同心雾化器；

15)雾化室：聚四氟乙烯旋流雾化室；

16)中心管：蓝宝石中心管；

17)采样锥/截取锥：Nickel；

18)测试模式：动能歧视；

19)监测质量数：28。

作为一种优选的实施方式，所述测定方法还包括配制标准溶液、绘制标准工作曲线等步骤。所述配制标准溶液的操作为：取25mL浓度为1000μg/mL硅单元素标准溶液(国家标准样品GSB 04-1752-2004(a))于250mL容量瓶中，采用硝酸、氢氟酸、氯化钾的混合水溶液定容，之后依次稀释为1-100μg/mL的系列标准溶液，备用。所述混合水溶液中各组分的用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：水(体积mL)：氯化钾(质量g)为4-6:0.8-1.2:15-25:0.05-0.2。

进一步优选地，所述混合水溶液中各组分的用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：水(体积mL)：氯化钾(质量g)为5:1:20:0.1。例如，混合水溶液为5mL硝酸、1mL氢氟酸、20mL水、0.1g氯化钾混合而成的溶液。所述系列标准溶液的浓度为1.00μg/mL、2.00μg/mL、5.00μg/mL、10.0μg/mL、20.0μg/mL、50.0μg/mL、100μg/mL。

所述绘制标准工作曲线的操作为：取硝酸、氢氟酸、氯化钾的混合水溶液作为标准溶液空白(即空白溶液)，以及取上述系列标准溶液，分别于电感耦合等离子体质谱仪(型号为：iCAP RQ ICP-MS，厂家：Thermo Scientific(赛默飞科技公司))上进行测定，设置测试条件为：

1)RF发射功率：1550W；

2)内标元素：钪0.5μg/mL；

3)氦气流量：3.2-4.8mL/min，优选为4.8mL/min；

4)雾化气体Ar流量：0.80mL/min；

5)冷却气体Ar流量：14mL/min；

6)碰撞池入口电压：-69.2V；

7)碰撞池出口电压：-37.9V；

8)采样深度为：5mm；

9)雾化室温度：0-4℃，优选为4℃；

10)采样方式：全定量；

11)扫描方式：跳峰；

12)扫描次数：50次；

13)测量次数：3次；

14)雾化器：聚四氟乙烯同心雾化器；

15)雾化室：聚四氟乙烯旋流雾化室；

16)中心管：蓝宝石中心管；

17)采样锥/截取锥：Nickel；

18)测试模式：动能歧视；

19)监测质量数：28。

作为一种优选的实施方式，所述测定方法还包括样品空白制备、样品空白测定、硅含量计算等步骤。所述样品空白制备参照样品制备过程，得到样品空白溶液。所述样品空白测定参照样品测定过程。所述硅含量计算的具体操作为：将步骤(2)中待测样品溶液、所述样品空白溶液的检测结果分别代入标准工作曲线中，得到待测样品溶液、样品空白溶液中硅的浓度，之后再计算得到样品中硅的含量。所述样品中硅的含量的计算公式为：

式中，ω—样品中硅的含量，％；

c—待测样品溶液中硅的浓度，μg/mL；

c

V—样品消解后定容体积，mL；

m—试样质量，g。

本发明的方法通过优化微波消解条件以及ICP-MS的各项测定参数，选用

一种微波消解液，所述微波消解液由硝酸、氢氟酸和氯化钾组成，三者的用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：氯化钾(质量g)为4-6:0.8-1.2:0.05-0.2。

作为一种优选的实施方式，所述微波消解液中，三者的用量比为硝酸(体积mL)：氢氟酸(体积mL)：氯化钾(质量g)为5:1:0.1。例如，当取样量为0.25-1.00g时，所用微波消解液为5mL硝酸、1mL氢氟酸、0.1g氯化钾混合而成的溶液。

作为一种优选的实施方式，所述所述硝酸为优级纯浓硝酸，HNO

本发明的微波消解液选用硝酸消解有机质基体，过量的氢氟酸溶解二氧化硅，并添加氯化钾促进样品中二氧化硅消解完全，在优化的微波消解条件下，该微波消解液能在加速硅消解的同时提高硅的回收率。在消解过程中，SiO

一种微波消解液在微波消解植物源性初级农产品中的应用。

作为一种优选的实施方式，所述应用具体为：微波消解液在微波消解植物有机基体并测定硅含量中的应用。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种稳定准确的微波消解-碰撞池电感耦合等离子体质谱测定植物源性初级农产品中硅含量的方法，首先利用微波消解仪在密闭的硝酸、氢氟酸、氯化钾溶液体系中消解试样，之后采用动能歧视碰撞池-电感耦合等离子体质谱仪进行测定。微波消解技术具有时效性高、穿透性强、样品消解过程全密封，几乎没有污染物排放，高温易挥发元素基本无损失，环保无污染的技术特点。电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)具有灵敏度高，背景计数低，检出限低，相对较宽的线性动态范围，干扰少的特点，采用碰撞池(CCT)与质谱技术相结合，可以消除

本发明的微波消解体系中，硝酸用于消解有机质基体，过量的氢氟酸用于溶解二氧化硅，少量的氯化钾与之配合促进试样中二氧化硅消解完全，该消解体系配合优化的微波消解条件，能在加速硅消解的同时提高硅的回收率。同时，本发明采用电感耦合等离子体质谱仪测定硅含量，选用高丰度的

本发明的方法具有操作简便、检出限低、准确度和精密度高、节能环保、分析效率高的优点，可以简便、高效、快速的测定植物源性初级农产品中硅的含量。

具体实施方式

为使本发明所要解决的技术问题、采取的技术方案以及达到的技术效果更容易理解，下面结合具体实施例、对比例和实验例对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。需要指出的是，实施例、对比例和实验例中使用的试剂、仪器等均为市售商品。

实施例1

本实施例中植物源性初级农产品中硅含量的测定方法，包括以下步骤：

(1)样品及样品空白制备：

选取两种含硅相对较高的新鲜菠菜样品一、样品二，分别取新鲜菠菜可食部分，用超纯水洗净，自然晾干，经匀浆器匀浆，装入塑料瓶中，在4℃以下避光保存。

微波消解：分别准确称取0.5000g(精准至小数点后四位)样品一、样品二于微波消解罐中，加入5mL HNO

按照上述微波消解步骤制备样品空白，得到样品空白溶液。

(2)配制标准溶液及绘制标准工作曲线：

配制标准溶液：取25mL浓度为1000μg/mL硅单元素标准溶液(国家标准样品GSB04-1752-2004(a))于250mL容量瓶中，采用硝酸、氢氟酸、氯化钾的混合水溶液定容，之后依次稀释为1.00μg/mL、2.00μg/mL、5.00μg/mL、10.0μg/mL、20.0μg/mL、50.0μg/mL、100μg/mL的系列标准溶液，备用；所述混合水溶液为5mL硝酸、1mL氢氟酸、20mL水、0.1g氯化钾混合而成的溶液。

绘制标准工作曲线：取硝酸、氢氟酸、氯化钾的混合水溶液作为标准溶液空白(即空白溶液)，用上述新鲜配制的0.00(空白溶液)，1.00、2.00、5.00、10.0、20.0、50.0、100μg/mL的硅标准系列溶液和0.5μg/mL

1)RF发射功率：1550W；

2)内标元素：钪(0.5μg/mL)；

3)氦气(He)流量：4.8mL/min；

4)雾化气体(Ar)流量：0.80mL/min；

5)冷却气体(Ar)流量：14mL/min；

6)碰撞池入口电压：-69.2V；

7)碰撞池出口电压：-37.9V；

8)采样深度为：5mm；

9)雾化室温度：4℃；

10)采样方式：全定量；

11)扫描方式：跳峰；

12)扫描次数：50次；

13)测量次数：3次；

14)雾化器：聚四氟乙烯同心雾化器；

15)雾化室：聚四氟乙烯旋流雾化室；

16)中心管：蓝宝石中心管；

17)采样锥/截取锥：Nickel；

18)测试模式：动能歧视(KED)；

19)监测质量数：28。

以浓度C(μg/mL)为横坐标，计数值(cps)y为纵坐标，绘制标准工作曲线，得到硅的标准工作曲线线性方程为：y＝14156.3025x+1927.4011，相关系数r

(3)样品及样品空白测定：

分别取步骤(1)中待测样品溶液、样品空白溶液于电感耦合等离子体质谱仪(同上)上进行测定，测试条件同步骤(2)；将待测样品溶液、样品空白溶液的检测结果分别代入标准工作曲线中，得到待测样品溶液中硅的低浓度和样品空白溶液中硅的浓度，之后再计算得到样品中硅的含量，计算公式为：

式中，ω—样品中硅的含量(以质量分数计)，％(以克每百克表示)；

c—待测样品溶液中硅的浓度，μg/mL；

c

V—样品消解后定容体积，mL；

m—试样质量，g。

(4)结果分析：

本实施例的方法对硅的检出限为0.00075％，测定下限为0.003％，测定上限为0.50％；其中，样品一检测实际硅含量为0.27％，样品二检测实际硅含量为0.28％。

实施例2

本实施例中植物源性初级农产品中硅含量的测定方法，与实施例1的区别在于：选取两种含硅较低的苹果样品三、样品四进行测定，取样量为1.0000g；其他处理均同实施例1。得到硅的标准工作曲线线性方程为：y＝14218.4679x+1418.2708，相关系数r

本实施例的方法对硅的检出限为0.00041％，测定下限为0.002％，测定上限为0.25％；其中，样品三检测实际硅含量为0.0031％，样品四检测实际硅含量为0.0033％。

实施例3

本实施例中植物源性初级农产品中硅含量的测定方法，与实施例1的区别在于：选取两种小麦样品五、样品六进行测定，样品去壳后取可食部分经高速粉碎机粉碎均匀，取样量为0.5000g；其他处理均同实施例1。得到硅的标准工作曲线线性方程为：y＝14879.8542x+1647.1579，相关系数r

本实施例的方法对硅的检出限为0.00072％，测定下限为0.003％，测定上限为0.50％；其中，样品五检测实际硅含量为0.0078％，样品六检测实际硅含量为0.0077％。

实验例

本实验例选取生物成分分析标准参考样GBW10010(大米)、GBW10012(玉米)、GBW10020(柑橘叶)各六份进行测定，用于分析测定方法的准确度和精密度，测定结果见下表1。本实验例与实施例1的区别在于：直接称取已制备均匀的标准样品量0.5000g；其他处理均同实施例1。得到硅的标准工作曲线线性方程为：y＝14925.7041x+1374.0462，相关系数r

表1标准样品测定的准确度和精密度

从表1可以看出，本发明的测定方法准确度和精密度符合测试要求，硅测定结果的不确定度在其选用国标样品推荐值范围内。

对比例1

本对比例中硅含量的测定方法，与实施例1的区别在于：电感耦合等离子体质谱仪的测试条件不完全相同，对比例的测试条件如下：

1)氦气(He)流量：0mL/min；

2)雾化器：石英同心雾化器；

3)雾化室：石英旋流雾化室；

4)中心管：石英中心管；

5)测试模式：标准模式(STD)。

本对比例的方法测得硅的标准工作曲线线性方程为：y＝3865252.2649x+2876550.2161，相关系数r

表2对比例1样品空白测定值

从表2可以看出，本对比例采用配置有石英材质进样系统的ICP-MS标准测试模式，硅标准工作曲线线性较差，检出限大于绝大多数植物源性农产品中硅的实际值，不适合低硅含量的实际样品的分析测定。

对比例2

本对比例选取生物成分分析标准参考样GBW10010(大米)、GBW10012(玉米)、GBW10020(柑橘叶)进行测定，与实验例1的区别在于：微波消解液中氯化钾改换成硝酸钠。测定时将标准物质分成两组，每组各准确称取两份，一组按照实施例1的方法，另一组按照上述对比例的方法测定硅的含量，测定结果见下表3。

表3对比例2两种消解方式测定结果(％)

从表3可以看出，采用本发明的微波消解液(由硝酸、氢氟酸和氯化钾组成)测定硅含量的准确度和精密度均明显优于对比例2的混合消解体系(由硝酸、氢氟酸和硝酸钠组成)。分析原因在于：本发明利用H

对比例3

目前我国还没有出台植物源性农产品中硅的检测标准依据，现参考检测产品相对近似的国家标准方法《食品安全国家标准食品添加剂二氧化硅》(GB 25576-2020)中二氧化硅(硅)的定量检测方法，做方法比对试验。

测定时将生物成分分析标准参考样GBW10014(圆白菜)、GBW10015(菠菜)、GBW10016(茶叶)分成两组，每组各准确称取两份，一组按照实施例1的方法，另一组按照参考比对方法测定硅的含量，测定结果见下表4。

本对比例中硅含量的测定方法，包括如下步骤：

(1)样品分析：

称取1.0000试样(精准至0.0002g)于已经使用马弗炉在950℃±50℃下灼烧至质量恒定的铂坩埚内，用3滴乙醇润湿试样，加入5滴硫酸，加入10mL氢氟酸淹没试样，置于电炉上蒸发至刚出现大量白色烟雾后，冷却，再加入5mL氢氟酸，小心回荡坩埚以冲洗内壁，再蒸发至白烟冒尽，将铂坩埚移入马弗炉内，在950℃±50℃下灼烧60min，取出，于干燥器中冷却，称量。

(2)结果计算：

硅含量ω

式中，ω

m

m

m

0.467为二氧化硅转换为硅的换算系数。

本对比例中硅的标准工作曲线线性方程为：y＝15032.4725x+1605.8317，相关系数r

表4对比例3两种分析方法测定结果

从表4可以看出，本发明方法硅的测定值完全符合选用标准物质准确度的要求，而使用国标比对方法所得硅的测定值偏低，分析原因应是试样中含有一定量的钙，在样品处理过程中钙的化合物与硫酸发生反应，生成一定量用氢氟酸和1000℃以下灼烧难以除去的硫酸钙造成的，特别是对于高钙而低硅的样品干扰更为严重；另外，试样中其他在高温下不易除去的硫酸盐杂质及在相对复杂的操作过程中产生的硅损失，也会造成硅的测定结果偏低。所以，对于低硅含量的植物源性农产品中硅的测定，本发明在全封闭环境下完成样品消解，不易造成硅的损失，在高温、微波辐射及钾盐推动下，样品消解更完全，同时该方法采用碰撞池-电感耦合等离子体质谱技术，具有操作简便、检出限低、准确度和精密度高、节能环保、分析效率高的优点。对比例3的结果进一步证明本发明的方法对于低含量植物源性农产品中硅测定的实用性。

本发明中微波消解-碰撞池电感耦合等离子体质谱法测定植物源性初级农产品中硅含量的方法，利用微波消解进行前处理，加入硝酸(aq)、氢氟酸(aq)、氯化钾(s)在微波消解仪中进行高温密闭消解，冷却后定容得测试液，之后采用配置有耐氢氟酸的聚四氟乙烯雾化器、雾化室及蓝宝石中心管的电感耦合等离子体质谱仪进行测定。本发明在样品消解时加入硝酸以消解有机质基体，加入过量氢氟酸以溶解二氧化硅，加入氯化钾以促进样品中二氧化硅消解完全，提高硅的回收率；样品检测选用丰度高的

本发明属于开拓型发明，以上仅为本发明优选的实施例，并不限制本发明的保护范围。对于本领域的普通技术人员而言，本发明在具体实施时可以有多种变化和/或更改。在不脱离本发明原理的前提下，其他任何简化、组合、修饰、改变、替代均为等效的置换方式，均应包含在本发明的保护范围内。