CN106855546B - ASE提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ASE提取IC‑ICP‑MS联用测定茶叶中Cr的方法及应用。方法步骤如下：1）ASE提取茶叶样品，加入0.04 mol·L^‑1 EDTA二钠盐和硝酸铵溶液，pH为7.0～7.5，在80℃和1600psi压力下提取；２）利用离子色谱进行分离待测液；３）利用ICP‑MS测定Cr(III)和Cr(VI)的浓度。应用于红碎茶加工过程中铬元素的变化监测，评估切碎金属转子对红碎茶中铬元素的沾染情况或者茶叶产地溯源研究。本发明对茶叶中的铬(Ⅲ)和铬(Ⅵ)提取、分离及测定提出了创新方案，兼顾了时间性、稳定性，所以具有较好的准确性、精度和可重复性，另外成本也比较低，适合自动化操作。本发明可以大规模应用，使不同地区、时间或者过程的数据有了可比性，可以进一步的联网监测和大数据挖掘分析等。

Description

ASE提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr的方法及应用

技术领域

本发明涉及茶叶中铬金属元素的含量测定和应用。

背景技术

铬在自然界中分布甚广而稀散，几乎存在于所有物质之中。铬在自然界中可以形成从-2到＋6多种价态化合物，最常见的是Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ) 。对于铬而言，三价Cr是人体必需的元素，参与人体多种生理活动，而六价Cr则有剧毒。NY659-2003标准中茶叶的总铬限量为5.0 mg/kg，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。

由于受到提取液pH的影响，铬(Ⅲ)和铬(Ⅵ)同时提取和测定具有一定难度，低pH值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值则可能会导致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。

单一的仪器检测技术很难完成同时精确测定Cr(Ⅲ)和Cr(Ⅵ)，采用联用技术是当前元素形态分析重要的研究手段（Joanna Shaofen etc.,Analytical sciences, 2004,20:841-846）。但是目前茶叶中铬金属元素的含量测定尚缺乏具有较好准确性、精度和可重复性的方法，无法适应网络化大数据以及智能化监控的发展趋势。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明公开了一种ASE（加速溶剂萃取技术，accelerated solvent extraction））提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr(III)和Cr(VI)的方法及应用。

一种ASE提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr(III)和Cr(VI)的方法，步骤如下：

1）ASE提取

将茶叶样品粉碎至30目，过筛，称取0.5 g 粉碎后的茶叶样品，与石英砂混匀，倒入锆提取池中，加入0.04 mol·L^-1 EDTA二钠盐和硝酸铵溶液，pH为7.0～7.5，在80℃和1600psi压力下提取，将提取液定容至50 mL，0.45 μm滤膜过滤，得到待测液；

２）利用离子色谱进行分离待测液；

３）利用ICP-MS采用碰撞池和动能歧视效应KED模式测定Cr(III)和Cr(VI)的浓度。

所述的ASE的提取条件具体如下，

提取液，40 mmol·L^-1 EDTA(2Na)，75 mmol·L^-1 NH₄NO₃，pH=7.1；

提取池，锆合金；

温度，80 ℃；

压力，1600 psi；

静态提取时间，5 min；

循环次数，2次；

总提取时间，20 min。

所述的离子色谱参数: 色谱柱Dionex IonPac AG7；

流动相，0.6 mmol/L EDTA(2Na)、75 mmol/L NH₄NO₃，pH=7.1；

洗脱方式，等度；

流速，1.0 mL/min；

进样量，100 μL。

所述的ICP-MS采用碰撞池和动能歧视效应KED模式测定，ICP-MS参数如下：

功率，1350 W；

雾化器气体，0.89 L/min；

中心管内径，2 mm；

碰撞气流量，4.0 mL/min He；

KED电压，3 V；

质量数，52 Cr；

驻留时间，100 ms；

测定时间，180 s。

所述石英砂的预处理：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。

所述的方法的应用，

1）应用于红碎茶加工过程中铬元素的变化监测，评估切碎金属转子对红碎茶中铬元素的沾染情况，为进一步改良工艺，更新加工设备提供指导意见；或者

2）根据不同铬价态组成，经过大数据聚类分析，应用于茶叶产地溯源研究。

本发明的有益效果是，

对茶叶中的铬(Ⅲ)和铬(Ⅵ)提取、分离及测定提出了创新方案，兼顾了时间性、稳定性，所以具有较好的准确性、精度和可重复性，另外成本也比较低，适合自动化操作。解决了现有技术中缺乏适应于大数据高精度的测定方法的问题。具体体现在测定方法的各个环节和参数等的选择和控制上。

本测定方法可以大规模应用，使不同地区、时间或者过程的数据有了可比性，可以进一步的联网监测和大数据挖掘分析等，比如可以应用到茶叶加工过程的铬元素含量和形态的变化监测和溯源性分析上。

附图说明

图1是10 mmol·L^-1 EDTA对应色谱图；

图2是20 mmol·L^-1 EDTA对应色谱图；

图3是40 mmol·L^-1 EDTA对应色谱图；

图4是 80 mmol·L^-1 EDTA对应色谱图；

图5是Cr(III)的标准曲线图；

图6是Cr(VI)的标准曲线图；

图7是标准曲线对应色谱图；

图8是绿茶样品加标色谱图；

图9是0.1 μg·L^-1混合标准溶液色谱图；

图10是实际样品测定的色谱图。

具体实施方式

茶叶中Cr(III)和Cr(VI)的含量可能与土壤、气候、大气降尘、人工管理、加工工艺等相关，但以往的测定缺乏好的技术方案。现实中偶尔发现的问题，比如红碎茶加工过程中铬元素的变化监测，以及趋势性的发展，茶叶生产和加工管理大数据建设等促使我们寻找新的方法。

本发明的ASE提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr(III)和Cr(VI)的方法，以EDTA二钠盐以及硝酸铵溶液为提取液，采用ASE对茶叶中两种价态铬进行提取，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，可以明确茶叶中两种价态铬的含量现状。加速溶剂萃取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，提高萃取的效率的快速萃取固体或半固体样品的前处理方法。

实验部分

1.1 主要仪器与试剂

Dionex ASE 200型快速溶剂萃取仪；Dionex ICS 3000型离子色谱仪；ThermoFisher ICap Q型ICP-MS；Orion 3 Star pH计。

硝酸（Thermo Trace Metal级）；氨水（Sigma，色谱纯）；乙二胺四乙酸二钠（Sigma，色谱纯）；六价铬标准溶液（1000 mg·L^-1 国家计量标准物质中心）；三价铬标准溶液（1000mg·L^-1，Inorganic venture），超纯水（电阻率18.2 MΩ/cm）

1.2 溶液的配制

流动相（0.075 mol·L^-1 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值为7.1左右提取溶液（0.04 mol·L^-1 EDTA）：1 L 流动相中加入13.3g EDTA(2Na)，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（1mg·L^-1）：取0.05 mL Cr(III)标准溶液，加入0.38g EDTA(2Na)，去离子水稀释50 ml，调pH值为7.1，在70 ℃水浴下保持1 h。Cr(VI) 标准储备液（1 mg·L^-1）：取0.05 mL Cr(VI) 标准溶液，去离子水稀释50ml，调pH值为7.1。

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 左右粉碎后的茶叶样品，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（如表1所示）。将提取液定容至50 mL，0.45 μm滤膜过滤，进入离子色谱（参数如表2所示）。

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 结果与讨论

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 左右粉碎后的茶叶样品，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，0.45μm滤膜过滤，待测。

实验结果发现，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^-1的茶叶样品进行不同的处理，每组处理重复一次，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、压力和时间等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BCD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，结果显示明显，说明增加浸泡时间可增加溶出率，且在5min后趋于平稳，因此确定因素B为5min；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1600psi；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^-1硝酸铵) 的流动相进行对比。实验表明，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^-1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^-1的EDTA在上述ASE条件下提取，得到谱图1至谱图4（图1-4所示）。从Cr(III)的峰图得到10 mmol·L^-1 EDTA络合下Cr(III)峰出现分叉，而80 mmol·L^-1 EDTA络合下的Cr(III)峰高降低显著，40 mmol·L^-1 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^-1的EDTA作为本实验中的提取液浓度。

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，配置成0.1，0.5，1，5和10μg·L^-1的混合标准溶液，在上述色谱条件下测定，得到工作曲线线性（图5、6）和谱图（图7）。

为验证本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实验，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，结果见表5。从表5可见，方法的相对标准表差均不高于3.9%；在1.0μg·L^-1的加标水平下，Cr(III)和Cr(VI)的回收率分别为78.8%-89.2%。绿茶样品加标色谱图如图8所示。

从图9看出，0.1 μg·L^-1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，本方法对两种价态Cr的检出限均达到了0.03 μg·L^-1，说明两种价态Cr的定量下限（LOQ）在0.1 μg·L^-1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，色谱图见图10。部分实际样品测定结果如表6所示，所测茶样中有两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结论

本文采用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实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)分析测定提供了有用的参考。

Claims (2)

1.一种ASE提取IC-ICP-MS联用测定茶叶中Cr(III)和Cr(VI)的方法，其特征是：步骤如下：

1）ASE提取

将茶叶样品粉碎至30目，过筛，称取0.5 g 粉碎后的茶叶样品，与石英砂混匀，倒入锆提取池中，加入0.04 mol·L^-1 EDTA二钠盐和硝酸铵溶液，pH为7.0～7.5，在80℃和1600psi压力下提取，将提取液定容至50 mL，0.45 μm滤膜过滤，得到待测液；

2 ） 利用离子色谱进行分离待测液；

3 ） 利用ICP-MS采用碰撞池和动能歧视效应KED模式测定Cr(III)和Cr(VI)的浓度；

所述的ASE的提取条件具体如下，

提取液，40 mmol·L^-1 EDTA二钠盐，75 mmol·L^-1 NH₄NO₃，pH=7.1；

提取池，锆合金；

温度，80 ℃；

压力，1600 psi；

静态提取时间，5 min；

循环次数，2次；

总提取时间，20 min；

所述的离子色谱参数: 色谱柱Dionex IonPac AG7；

流动相，0.6 mmol/L EDTA二钠盐、75 mmol/L NH₄NO₃，pH=7.1；

洗脱方式，等度；

流速，1.0 mL/min；

进样量，100 μL；

所述的ICP-MS采用碰撞池和动能歧视效应KED模式测定，ICP-MS参数如下：

功率，1350 W；

雾化器气体，0.89 L/min；

中心管内径，2 mm；

碰撞气流量，4.0 mL/min He；

KED电压，3 V；

质量数，52 Cr；

驻留时间，100 ms；

测定时间，180 s；

所述石英砂的预处理：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。

2.一种根据权利要求1所述的方法的应用，其特征是:

1）应用于红碎茶加工过程中铬元素的变化监测，评估切碎金属转子对红碎茶中铬元素的沾染情况，为进一步改良工艺，更新加工设备提供指导意见；或者

2）根据不同铬价态组成，经过大数据聚类分析，应用于茶叶产地溯源研究。