DOI:10.12677/mc.2017.11006,PDF,HTML,XML,被引量下载: 1,181浏览: 3,126
作者:马密霞：北京联合大学，北京；胡文祥：北京神剑天军医学科学院华北祥鹄微波化学联合实验室，北京
关键词:微波消解；土壤；农作物；农业化学；Microwave Digestion；Soil；Crops；Agricultural Chemistry

文章引用：马密霞, 胡文祥. 微波消解在农业化学中的应用研究进展[J]. 微波化学, 2017, 1(1): 28-33. https://doi.org/10.12677/mc.2017.11006

1. 引言

目前，样品中金属元素的测定方法很多，常用的有：火焰原子吸收光谱(FAAS))、石墨炉原子吸收光谱(GFAAS)、原子荧光光谱(AFS)、等离子体发射光谱(ICP)等方法 [1] [2] [3] [4] 。这些方法都需要对样品进行前处理，使样品中的金属元素变成溶于水的可测状态。准确测定样品中的微量或痕量元素的关键是样品的前处理，样品的处理方法包括：高温灰化法、低温灰化法、湿法分解法、微波消解法等 [5] [6] 。其中，微波消解法具有消解时间短，消解能力强、样品消解完全，消耗溶剂少、避免了挥发损失和样品的污染等。微波消解技术已广泛应用于生物、地质、冶金、煤炭、医药、食品等领域的样品处理过程中。本文综述了微波消解在农业化学方面的应用，为分析工作者提供一定的参考。

2. 微波消解在农业化学中的应用

2.1. 土壤的微波消解

土壤是农业生产重要的自然资源，是植物生长发育吸收水分和矿物质养分的载体。随着人类对重金属的开采、冶炼和加工活动的日益增多，土壤污染不断加重。重金属对土壤的污染，会影响植物的生长发育，降低作物的产量和品质，土壤中的重金属被植物吸收进入食物链后，会进一步对人体健康和生态系统造成严重的危害。因此，快速测定土壤中的重金属含量，及时了解土壤污染状况，对于土壤品质、环境评价及人类健康有着重要的实际意义。

我国土壤质量金属测定的国家标准方法(GB/T17138-17141-1997) [7] 规定了Hg，Cd，Pb，Cr，Cu，Zn，Ni，As 8种重(类)金属元素在土壤中的最高允许浓度值，并针对不同元素给出了不同的分析方法。这些分析方法大都需要样品的前处理 [8] 。土壤中金属元素含量测定的关键步骤是样品的前处理。近年来，微波消解在样品前处理的应用较多。通常土壤的微波消解程序：取一定量的土壤样品(如：0.25 g)，置于微波消解专用的聚四氟乙烯内罐中，加入一定量组成的酸体系，加入HNO₃-HClO₄-HF (或HNO₃-HCl-HClO₄-HF)进行消解 [9] 。如：按照表1微波程序进行消解。影响微波消解效率的主要因素包括消解试剂的种类、加入酸量、消解温度、样品用量及加热时间等 [10] [11] 。样品消解的是否完全，消解程序的选择尤为重要，根据土壤的类型可选择不同的消解程序 [12] 。

2.2. 茶叶的微波消解

茶叶是中华民族重要的饮品之一，其清香或醇厚的味道深受人们的喜欢。茶中的多种微量元素对人体有益，而其中的重金属元素，则会危害人体健康。因此，测定茶叶中的重金属元素，对把握黑茶制作工艺过程，控制黑茶质量有非常重要的意义 [13] 。

茶叶的微波消解完全与否是能够准确测定茶中金属元素的关键。通常的微波消解程序是取一定量的茶叶样品(0.1~0.3 g)，置于微波消解专用的聚四氟乙烯内罐中，加入酸体系5 mL硝酸和1 mL双氧水(或5 mL HNO₃、2 mL HCl和2 mL HF) [14] ，如：按照表1微波程序进行消解，消解完全后，冷却，将消解液加热赶酸，一般温度控制在120℃~200℃，蒸至溶液剩余约0.5 mL (注意防止烧干)。稍冷，转移至容量瓶中定容，以备测定。

茶叶中含有机物，不同种类的茶叶所含有的有机物和无机物的种类和数量稍有差别，故对茶叶样品进行微波消解时，要根据茶叶产地和种类的不同，选择不同的温度、压力、升温时间和保持时间等微波消解程序 [15] [16] [17] 。湿法消解和干法消解得到的样品测定其金属元素含量时稍有差别 [18] ，卢垣宇 [19] 比较了几种不同的消解方法及检测方法测定绿茶中铅含量，湿法消解和微波消解后使用质谱仪测铅都能得到较好的回收率；但是湿法消解时间长，酸用量较大，样品空白较高，故在日常检测中使用微波消解更好。绿茶分别用干法消解、湿法消解、微波消解后，用原子吸收分别测定绿茶消解液中铅的含量时，需要加入基体改进剂，才能得到较准确的结果。因此，茶叶样品的前处理方法对测定结果有较大的影响。

2.3. 大米的消解

大米结构紧密，有机物尤其是淀粉含量高，较难被消解 [20] [21] ，因此，在选择消解程序时，要考虑有机物的完全消解条件 [22] [23] [24] 。常学东 [25] 用ICP-MS法测定大米中的铅，比较了三种消解方法，结果显示，经过国家一级标物实验证明，湿法消解和微波消解并不适用于大米中铅的测定，而高压罐消解经过条件优化可以作为大米中铅测定的最佳方法。但在他的消解程序中，高压罐消解时间很长(如表2)，而且没有说明三种消解程序需要的压力。若使用微波消解仪，选择表1的消解程序，控制压力上限，也许会得到不同的结论。孙有娥 [26] 用原子吸收光谱法测定大米中镉含量时，采用四种消解方法(压力消解罐消解法、湿法消解法和干法灰化法、微波消解法)消解样品，之后用石墨炉原子吸收光谱法测定其中重金属镉的含量。结果显示，四种样品消解方法各有优缺点，其中微波消解法准确性、方便性和自动化更高。检验工作中要根据实际条件、能力和需求选用合适的消解方法。另外，卢伦等 [27] 用电感耦合等离子体质谱法测定大米中几种重金属元素含量，采用微波消解法，应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术同时测定了大米中Pb、As、Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Se 8种元素的含量，优化了测定条件。结果表明，该方法具有简便、灵敏、准确的特点，适用于大米中Pb、As、Cd、Hg、Cr、Cu、Zn、Se含量的检测。

2.4. 蔬菜的微波消解

蔬菜主要通过根系从土壤中吸收、富集重金属，蔬菜中积累的重金属可通过食物链进入人体，危害人体健康。对蔬菜中重金属的检测，多采用微波消解处理蔬菜样品，然后用仪器进行测定。

黄晓纯 [28] 等人利用微波消解法对蔬菜样品进行前处理，分别用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定圆白菜和大米中的砷、镉、铬、铜、镍、铅和锌，用氢化物发生－冷原子荧光光谱法(HG-CAFS)测定圆白菜和大米中的汞。结果显示，除了砷元素以外(含量较低)，其余元素的测定值与标准值基本相符，

表1. 微波消解程序

表2. 高压罐消解条件

GBW 10010 (大米)和GBW 10014 (圆白菜)。样品的两种前处理方法均具有较好的准确度和精密度，在保证测定结果质量的前提下，低压高通量微波消解法用酸量更少，分析样品量更多，更加适合大批量蔬菜样品的前处理，有效提高样品的处理效率。

李延升 [29] 建立了微波消解–电感耦合等离子体质谱法测定蔬菜中5种重金属含量的方法。采用微波消解处理样品，用ICP-MS进行测定。结果：在测定条件下，5种重金属在各自的线性范围内相关系数均 > 0.999。该方法样品处理简单、快速、检出限较低、检测准确、灵敏度高，回收率和精密度等各项技术指标均符合方法学要求，适用于蔬菜中多种重金属的测定。

微波消解—石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜中的金属元素也是常用的方法 [30] ，为了防止干扰，通常加入磷酸二氢铵作为基体改进剂，然后测定蔬菜中的金属元素。该方法具有灵敏度高、稳定性好、检出限低、回收率高等特点，能满足蔬菜中镉含量的测定。

朱美荣 [31] 使用微波消解样品，石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜和水果中铅、镉、镍、铬的方法。样品经过预消化，再经微波消解，并优化仪器测定条件。结果铅、镉、镍、铬的标准曲线相关系数都大于0.99，该方法精密度高，样品加标回收率好，可作为检测蔬菜水果中铅、镉、镍、铬含量可靠的方法。

刘克克 [32] 建立微波消解—石墨炉原子吸收光谱法，用于蔬菜中微量镉的测定。结果：在优化的最佳微波消解条件和仪器检测条件下，方法具有很好的准确度和灵敏度，表现出稳定性好、检出限低、回收率高等特点，能满足蔬菜中镉含量的测定。

2.5. 其它样品的消解

微波消解技术具有样品溶解完全、污染少、节约试剂和方便快捷等特点。目前，已经在环境污染治理、矿石、动植物、食品、玩具及药物等方面得到了广泛应用。如青干草、竹笋、干果、中草药、贝类等，均可采用微波消解进行样品的前处理，陈国友 [33] 应用微波消解ICP-MS法同时测定青干草中20种元素的研究，杨萍 [34] 微波消解ICP-MS同时测定竹笋中的18种元素，杨武琳 [35] 应用微波消解/ICP-MS法同时测定贝类产品中16种金属元素的含量，均得到可靠的结果。另外，使用微波消解技术消解样品后进行测定，多种金属和重金属的检测都能得到准确的结果 [36] [37] 。

3. 结束语

微波消解是一种先进、高效的样品前处理方法，由于在高压密闭体系中进行，有效地避免了样品的损失和污染。微波消解技术使现代分析技术不断发展，使分析结果精确度不断提高；它具有样品处理时间短、操作简便、挥发性元素不易损失等优点。因此，随着现代化分析仪器的不断应用，微波消解技术将得到更为广泛的发展和应用。

参考文献

[1]	杨丽华. 微波消解ICP-MS法测定土壤中的十种金属元素[J]. 福建分析测试, 2017, 26(2): 59-62.
[2]	何小峰, 潘逍宇, 邹德云, 等. 微波消解-ICP-MS法分析农林土壤中的元素总量[J]. 浙江化工, 2016(6): 43-45.
[3]	王敏, 赵冲厚, 张晴, 等. 微波消解–原子吸收分光光度法测定土壤中重金属的研究[J]. 安徽农业科学, 2013, 41(16): 7128-7129.
[4]	曹芳红, 陈晓霞, 丁锦春. 微波消解–石墨炉原子吸收光谱法测定土壤中铅和镉[J]. 环境与职业医学, 2012, 29(8): 498-500.
[5]	张磊, 王晓艳, 李波. 微波消解技术在金属分析中的应用[J]. 光谱实验室, 2010, 27(3): 953-957.
[6]	马莉, 司晗. 微波消解样品–电感耦合等离子体质谱法同时测定土壤中重金属元素和稀土元素[J]. 环境科学导刊, 2016(2): 88-91.
[7]	标准化技术委员会. GB15618-1995 土壤环境质量标准[S]. 北京: 标准出版社, 1995.
[8]	国家环境保护局科技标准司. 中国环境保护标准汇编–土壤、固体废物、噪声和振动分册[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2001: 54-67.
[9]	彭杨, 吴婧, 巢静波, 等. 土壤/沉积物中14 种金属元素的ICP-MS准确测定方法[J]. 环境化学, 2017, 36(1): 175- 182.
[10]	范菲菲, 阎献芳, 周玮, 等. 不同前处理方式的ICP-MS法测定贵州省典型土壤中7种重金属元素[J]. 江苏农业科学, 2016, 44(1): 329-332.
[11]	孙秀敏, 雷敏, 李璐, 等. 微波消解-ICP-MS法同时测定土壤中8种重(类)金属元素[J]. 分析试验室, 2014(10): 1177-1180.
[12]	高婷, 杨萱平, 胡文祥. 土壤样品前处理——微波消解研究[J]. 环境保护前沿, 2017, 7(2): 170-179.
[13]	马密霞, 胡文祥. 黑茶的成分及功效研究进展[J]. 药物化学, 2017, 5(2): 30-38.
[14]	马密霞, 韩谢, 胡文祥. 微波消解火焰原子吸收分光光度法测定黑茶中金属元素的含量[J]. 微波化学, 2017, 1(1): 22-27.
[15]	倪张林, 汤富彬, 屈明华, 等. 微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定油茶籽油中的5种重金属元素[J]. 食品科学, 2013, 34(4): 165-167.
[16]	郭丽萍, 唐娟. 微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定茶叶中的微量元素[J]. 食品科技, 2013(5): 303-307.
[17]	刘爱丽, 沈燕, 龚慧鸽, 等. 微波消解-ICP-AES法测定泰顺茶叶中的微量元素[J]. 食品科学, 2015, 36(24): 186-189.
[18]	魏竞智, 段妮. 干、湿法消解-石墨炉原子吸收法测定茶叶中铅镉对比[J]. 广东微量元素科学, 2014(3): 7-12.
[19]	卢垣宇, 周慧. 几种不同的消解方法及检测方法测定绿茶中铅含量的比较[J]. 计量与测试技术, 2013, 40(4): 72-73.
[20]	金悦敏. 微波消解原子荧光法测定大米中硒含量[J]. 轻工科技, 2016(8): 9-10.
[21]	墨淑敏. 微波消解–电感耦合等离子体质谱法测定大米中痕量硒和锶[J]. 分析试验室, 2013(10): 84-86.
[22]	叶润, 刘芳竹, 刘剑, 等. 微波消解电感耦合等离子体发射光谱法测定大米中铜、锰、铁、锌、钙、镁、钾、钠8种元素[J]. 食品科学, 2014, 35(6): 117-120.
[23]	罗欢忠, 刘俊武. 微波消解–电感耦合等离子体–质谱法测定大米中的铅、镉、汞和砷[J]. 光谱实验室, 2012, 29(1): 470-474.
[24]	刁玉华. 微波消解–石墨炉原子吸收光谱法测定大米中铬[J]. 中国酿造, 2016, 35(1): 149-151.
[25]	常学东. ICP-MS法测定大米中的铅–三种消解方法的比较[J]. 新疆有色金属, 2017, 40: 5.
[26]	孙有娥, 程春艳, 李一辰, 等. 原子吸收光谱法测定大米中镉含量时试样消解方法的影响[J]. 化学工程与装备, 2015(11): 210-212.
[27]	卢伦, 赵凯, 吴晓芳, 等. 电感耦合等离子体质谱法测定大米中几种重金属元素含量[J]. 安徽农业科学, 2016, 44(33): 83-85.
[28]	黄晓纯, 刘昌弘, 张军, 等. ICP-MS测定蔬菜样品中重金属元素的两种微波消解前处理方法[J]. 岩矿测试, 2013, 32(3): 415-419.
[29]	李延升, 祁珍祯, 韩晓鸥, 等. 微波消解–电感耦合等离子体质谱法测定蔬菜中5种重金属[J]. 中国卫生检验杂志, 2015(4): 491-493.
[30]	刘杰英, 杜鹏程, 汪风云, 等. 石墨炉原子吸收光谱法测定水果和蔬菜中的痕量铅镉[J]. 现代预防医学, 2016, 43(22): 4171-4173.
[31]	朱美荣. 微波消解-石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜水果中铅、镉、镍、铬含量的探讨[J]. 安徽预防医学杂志, 2016(3): 153-155.
[32]	刘克克, 毛斐, 高丽红, 等. 微波消解——石墨炉原子吸收光谱法测定蔬菜中的微量镉[J]. 微量元素与健康研究, 2016, 33(3): 66-67.
[33]	陈国友, 马永华, 刘峰. 应用微波消解ICP-MS法同时测定青干草中20种元素的研究[J]. 吉林农业大学学报, 2007, 29(6): 673-678.
[34]	杨萍, 李国栋, 杨潮峰. 微波消解ICP-MS同时测定竹笋中的18种元素[J]. 安徽农业科学, 2017, 45(17): 82-84.
[35]	杨武琳. 微波消解/ICP-MS法同时测定贝类产品中16种金属元素的含量[J]. 渔业研究, 2013, 35(2): 129-133.
[36]	Millour, S., Noel, L., Kadar, A., et al. (2011) Simultaneous Analysis of 21 Elements in Foodstuffs by ICP-MS after Closed-Vessel Microwave Digestion: Method Validation. Journal of Food Composition & Analysis, 24, 111-120. https://doi.org/10.1016/j.jfca.2010.04.002
[37]	Altundag, H. and Tuzen, M. (2011) Comparison of Dry, Wet and Microwave Digestion Methods for the Multi Element Determination in Some Dried Fruit Samples by ICP-OES. Food & Chemical Toxicology, 49, 2800-2807. https://doi.org/10.1016/j.fct.2011.07.064