MD-ICP-MS法同时测定烟叶中15种稀土元素的方法研究

刘磊，唐艳斌，袁天军，陈国辉，黄建，侯英，王丽娟，杨蕾*

（1.云南烟草烟叶公司技术中心，云南昆明651208；2.中国疾病预防控制中心营养与健康所，国家卫生计生委微量元素营养重点实验室，北京100050；3.云南同创检测技术股份有限公司，检测事业部，云南昆明650106）

MD-ICP-MS法同时测定烟叶中15种稀土元素的方法研究

刘磊1，唐艳斌2，袁天军3，陈国辉3，黄建2，侯英3，王丽娟2，杨蕾3*

（1.云南烟草烟叶公司技术中心，云南昆明651208；2.中国疾病预防控制中心营养与健康所，国家卫生计生委微量元素营养重点实验室，北京100050；3.云南同创检测技术股份有限公司，检测事业部，云南昆明650106）

采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）同时测定了烟叶中钇（Y）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（TM）、镱（Yb）和镥（Lu）共15种稀土元素。利用硝酸和过氧化氢混合溶液微波消解（MD）进行样品前处理。通过在线加入铑（Rh）和铼（Re）内标的方法来校正基体效应和信号漂移。方法的回收率为91.00%～103.00%，检出限为0.001～0.004 mg/kg，精密度试验相对标准偏差为1.20%～4.78%。结果表明，该方法精密度高、准确性好，适用于烟叶中15种稀土元素含量的测定。

微波消解；电感耦合等离子体质谱法；烟叶；稀土元素

稀土元素（rare earth elements，REE）是指原子系数从57至71的镧系元素及与镧系元素性质极为相似的钇、钪共17种元素［1-2］，广泛存在于土壤、水体、空气和植物体中［2］，具有很强的生物效应，对种子发芽、根系生长、营养吸收以及植物的产量和品质均具有重要的影响。在生物界中稀土元素遵循平衡理论，植物体吸收一定浓度的稀土元素对植物生长发育具有促进作用，具有直接或间接影响植物光合作用和养分吸收等植物生理活动功能，但浓度过低或过高对植物生长可能存在抑制或毒害作用［3-6］。稀土元素对烤烟生长过程和烟叶品质也具有重要的影响［7-8］。烟叶中烟碱含量与其根系发育特别是根尖的滋生活动密切相关，研究表明，稀土元素可增强根系的生理活动，从而稳定提高烟碱含量［9］。此外，稀土含量高的烟叶叶片变宽、变厚。烘烤时，烟叶吃火耐烤，褪色均匀，绿烟减少，烤出的烟叶颜色金黄而具光泽，正黄、金黄色烟叶增多，且较为油润［10］。这与稀土元素能提高植物对氮（N）、磷（P）、钾（K）及其他营养元素的吸收和体内的运转，增加叶绿素含量，提高光合作用效率，提高酶的活性有一定关系，使植物体内酶的活性增强，提高植物抗性［11-12］。由此可知，稀土元素对促进植物生长发育，增加作物产量，改善农产品品质具有重要意义［13］。然而，对于烟草中稀土元素含量的研究报道甚少，且研究仍缺乏系统性。

稀土元素在自然界中含量较低，一般在10-9～10-12级，准确测定稀土元素的含量存在较大困难。通常需对元素进行富集分离，以提高试样液中待测元素的浓度并减少大量其他元素的干扰。近年来，随着分析仪器的飞速发展，贾双琳等［14］用氢氟酸、硫酸分解处理，使用王水提取，稀硝酸定容后，采用ICP-MS快速测定土壤样品中的稀土元素，结果显示所测定的15种稀土元素检出限在0.003～0.18 μg/g之间。陈红等［15］采用电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）测定了三种贝壳（珍珠母、石决明和牡蛎）中15种稀土元素含量，结果显示，该方法的检出限为0.000 4～0.003 ng/mL，方法的准确性较好。徐子刚等［16］采用微波消解（microwave digestion，MD）-电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定9种茶叶中的15种稀土元素，结果显示，稀土元素的检出限为0.001～0.007 μg/L，该方法能准确测定茶叶中的稀土元素。在烟草中，孙雨安等［17］采用微波消解-ICP-MS法测定烟草中的微量元素含量，其中稀土元素钇（Y）的检出限为0.008 ng/mL；王秀季等［18］采用微波消解-ICP-MS法测定烟草中镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）等14种稀土元素，其检出限为0.000 7～0.003 μg/L，方法的准确性较好。由上述分析可知，ICP-MS法测定稀土元素因无需分离富集，具有多元素同时测定，检出限低等优点，已得到广泛的应用。针对测定烟草中稀土元素含量的方法开发，目前虽有部分元素已被测定，但未见系统研究烟叶中稀土元素的报道。本研究采用电感耦合等离子体质谱法，同时测定烟叶中15种稀土元素，旨在为后续分析烟草中稀土元素的分布规律，探析烟草中稀土元素的作用机理，指导烟草农业种植奠定基础。

1　材料与方法

1.1材料与试剂

烟叶样品（云烟87、红大和烤烟K326）：云南省烟草烟叶公司。

HNO3（优级纯）：德国巴斯夫股份公司；H2O2（优级纯）：国药集团化学试剂有限公司；高纯氩气（纯度99.999%）：昆明梅塞尔气体有限公司；La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y单元素标准溶液（100.00 mg/L）、铑（Rh）和铼（Re）内标元素（100.00 mg/L）、锂（Li）、钇（Y）、铈（Ce）、铊（Tl）和钴（Co）仪器调谐液（100.00 mg/L）：国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.2仪器与设备

7700x型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）：美国Agilent公司；3000型密闭微波消解仪（配备聚四氟乙烯高压消解罐）：奥地利安东帕（中国）有限公司；AB204-S型电子天平：瑞士梅特勒公司；Milli-Q型超纯水装置：美国Millipore公司；CT410旋风式样品磨：美国FOSS公司。

1.3方法

1.3.1ICP-MS仪器操作参数

ICP-MS仪器操作及数据采集参数见表1。

表1　ICP-MS检测工作参数Table 1 Working parameters of ICP-MS determination

1.3.2标准溶液配制

标准溶液：精密量取一定体积的15种稀土元素（La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu和Y）标准溶液，采用5%的HNO3配制成质量浓度为100.00 μg/L的混合标准储备溶液，取适量的储备液稀释成质量浓度为0、1.00 μg/L、5.00 μg/L、10.00 μg/L、20.00 μg/L、50.00 μg/L、100.0 μg/L的标准系列溶液。

内标溶液：使用5%的HNO3将Rh和Re标准溶液逐级稀释，配制成质量浓度为1.00 μg/mL的内标混合溶液。

仪器调谐液：取适量Li、Y、Ce、Tl和Co标准溶液，使用5%的HNO3逐级稀释，将其配制成质量浓度为1.0 ng/mL的仪器混合调谐液，用于仪器参数的优化。

1.3.3样品预处理

将某产区烟叶样品（品种：云烟87、红大和烟叶K326，每个样品品种包括B2F、C3F和X2F（我国实行的烟叶分级标准，分42个等级。1、按部位分组：下部叶组（X）、中部叶组（C）和上部叶组（B），共三个组。2、颜色分组：柠檬黄（L）、桔黄（F）、红棕（R）、杂色（K）、微带青（V）和光滑（S）。因此，B2F代表的是上部烟叶的2桔黄；C3F代表的是中部烟叶的3桔黄；X2F代表的是下部烟叶的2桔黄）三个部位）去梗后在40℃条件下烘干。采用旋风样品磨将烟叶样品粉碎，过60目筛。精确称取0.2～0.5 g烟叶样品，置于清洗好的聚四氟乙烯消解罐中，依次加入5 mL 70%HNO3和2 mL 30% H2O2，旋紧密封，置于微波消解仪中，按表2设置的微波消解程序进行消解。消解完毕，待温度降至室温后取出消解罐，将消解液转移至100 mL容量瓶中，采用5%的HNO3清洗消解罐3次，依次转入容量瓶中，定容，摇匀溶液，备用。同时制备样品空白溶液。

表2　微波消解升温程序Table 2 Temperature raising procedures of microwave digestion

1.3.4方法学质量评价

通过试验确定建立的烟叶中15种稀土元素的测定方法线性范围（线性关系、相关系数）是否良好；检出限（limit of detection，LOD）是否较低；精密度（6次平行试验）是否良好；加标回收率是否在可接受范围内。

加标回收率计算公式：

2　结果与分析

2.1仪器工作条件的优化

使用1.0 ng/mL的Li、Y、Ce、Tl和Co混合调谐液调试仪器，使其灵敏度达到最高，信号稳定，同时氧化物氧化铈/铈（CeO+/Ce+）＜2.0%，双电荷（Ce2+/Ce+）＜3.0%。结果显示（调谐报告中（CeO+/Ce+）＜2.0%，（Ce2+/Ce+）＜3.0%，表明氧化物的干扰较小，符合要求）：采用调谐液调试仪器，仪器稳定性较好，干扰较小，可满足同时测定15种稀土元素的条件。

2.2待测元素同位素选择

根据元素的丰度和干扰情况对待测元素同位素进行选择，结果见表3。

表3　内标及对应元素的选择Table 3 Selection internal standard and corresponding elements

2.3干扰及消除

在ICP-MS分析中通常存在同量异位素、多原子离子、双电荷等干扰，需对测定元素及一般的基体效应进行校准，本实验选择干扰较小的同位素，并引入内标元素Rh和Re来监测和校正测定过程信号短期和长期的漂移。稀土元素的质谱干扰主要来自氧化物干扰，在仪器条件优化过程中，确定氧化物CeO+/Ce+＜2.0%，因此氧化物对稀土元素的测定干扰可忽略不计。应用计算机操作软件，计算形成干扰离子的丰度比值，对被干扰离子信号强度进行校正。

2.4测试结果

2.4.1线性范围和检出限

测定的15种稀土元素绘制的标准曲线线性方程、相关系数R2及检出限见表4。

由表4可知，测定的15种稀土元素标准曲线线性关系良好，相关系数R2为0.999 6～1.000 0，该方法测定15种稀土元素检出限均较低，各元素检出限在0.001～0.004 mg/kg。

表4　方法的线性方程和检出限Table 4 Linear equation and limit of detection of the method

2.4.2精密度

按1.3方法处理样品，按照样品的测定方法，平行测试6份，计算其测定结果的相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）值，结果见表5。由表5可知，所测定的15个元素的RSD在1.20%～4.78%，表明本方法精密度较好，满足样品测定要求。

表5　精密度试验结果（n=6）Table 5 Results of precision experiments

2.4.3加标回收率试验

准确称取0.2～0.5 g烟叶样品，置于微波消解内罐中，加入计算量的标准溶液，然后按1.3方法进行试验，测试结果见表6。由表6可知，所测定的15种稀土元素平均回收率在91.00%～103.00%范围内，结果较为满意。

表6　15种稀土元素的加标回收率测定结果Table 6 Determination results of adding standard recovery rate of 15 kinds of rare earth elements

2.5样品测定结果

将测定的烟叶样品按1.3方法进行处理后，采用2.4.1建立的标准曲线对3个品种的B2F、C3F、X2F三个部位等级的烟叶样品进行测定，测定结果见表7。由表7可知，所测定的三个品种，三个部位烟叶样品中15种稀土元素含量除部分元素未测定出外，其余元素含量在0.01～9.50mg/kg之间；轻稀土元素Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu和Gd在不同部位烟叶中含量均高于重稀土元素Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu含量。

表7　烟叶样品中稀土元素含量的测定结果Table 7 Determination results of rare earth elements content in tobacco samples mg/kg

3　结论

本研究建立的方法与文献报道［14-18］的方法相比，具有检出限较低，精密度、准确性较好，线性关系较好等特点，可满足同时测定烟叶样品中15种稀土元素的条件。

对所测定的不同部位烟叶中稀土元素含量的分布特征初步分析可知，不同部位烟叶中稀土元素含量呈现出轻稀土元素（除Y元素外）：下部烟叶（X2F）＞中部烟叶（C3F）＞上部烟叶（B2F）；重稀土元素中部烟叶（C3F）＞下部烟叶（X2F）＞上部烟叶（B2F）的特点。这可能与稀土元素在植物体中以分馏形式分布有关，后续需扩大测定范围，进一步深入探析稀土元素在烟叶中的分布特征，并从稀土元素对烤烟的作用机理深入研究。

本方法的建立为后续开发稀土类肥料、探析烟草中稀土元素的作用机理，指导烟草农业种植奠定基础。

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LIU Lei1，TANG Yanbin2，YUAN Tianjun3，CHEN Guohui3，HUANG Jian2，HOU Ying3，WANG Lijuan2，YANG Lei3*
（1.Technology Centre，Yunnan Tobacco Leaf Company，Kunming 650218，China；2.Key Laboratory of Trace Element Nutrition，National Health and Family Planning Commission of the People's Republic of China，National Institute for Nutrition and Health，Chinese Center for Disease Control and Prevention，Beijing 100050，China；3.Testing Centre，Yunnan Comtestor Co.，Ltd.，Kunming 650106，China）

Fifteen kinds of rare earth elements including Y，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb and Lu in tobacco samples were determined simultaneously by inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）method.The samples were preprocessed by microwave digestion（MD）using the mixed solution of nitric acid and hydrogen peroxide.Rh and Re were added on line as the interior label elements to calibrate matrix effect and signal drift.The recovery rate of the method was 91.00%-103.00%，the limit of detection was 0.001-0.004 mg/kg，the relative standard deviation of precision experiments was 1.20%-4.78%.The results showed that the method had high precision and good accuracy，which was suitable for determination the contents of 15 kinds of rare earth elements in tobacco.

microwave digestion；ICP-MS；tobacco；rare earth elements

0254-5071（2016）06-0174-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2016.06.037

2016-01-29

中国烟草总公司云南省公司科技项目（2015YN29）

刘磊（1977-），男，工程师，本科，主要从事打叶复烤分析研究工作。

杨蕾（1983-），女，工程师，博士，主要从事食品生物技术与烟草品质分析研究工作。