电子天平(QUINTIX224-1CN型, 德国赛多利斯集团), 超级微波消解系统(UltraCLAVE型, 意大利Milestone)。 Milli-Q元素测定用纯水仪, 高纯氩气(纯度为99.99%以上)。 杜马斯定氮仪(PrimacsSN100型, 荷兰SKALAR)。 电感耦合等离子体光谱仪(5110VDV型, 安捷伦科技(中国)有限公司), 操作条件: 等离子体功率为1 200 W, 冷却气流量为12 L· min^-1, 辅助气流量为1.0 L· min^-1, 雾化气流量为0.7 L· min^-1, 泵速为12 r· min^-1; 中心管内径为1.8 mm, 冲洗时间20 s, 读取时间5 s, 稳定时间10 s, 观测方式为轴向; 分析谱线为S(Ⅰ )181.972 nm, C(Ⅰ )193.025 nm。 试验器具在使用前经5%(体积分数)硝酸溶液浸泡24 h以上, 然后用水充分冲洗备用。

硝酸(优级纯, 14.4 mol· L^-1), 默克化工技术(上海)有限公司; GBW(E)080266水中硫酸根离子溶液标准物质(1 000 mg· L^-1, 以$SO_{4}^{2-}$计), 中国计量科学研究院; GBW(E)080457硫代硫酸钠容量分析用溶液标准物质 C(Na₂S₂O₃)=0.100 9 mol· L^-1, 中国计量科学研究院研制; GBW08630硫化物溶液标准物质(S^2-)(97.4 μ g· mL^-1), 沈阳西信科技有限责任公司#辽宁省环境监测中心站研制; 酚酞(pH指示剂); 无水亚硫酸钠(Na₂SO₃, 优级纯, ≥ 98.0%), 一水合柠檬酸(优级纯, ≥ 99.8%), 氢氧化钠(优级纯, ≥ 98.0%), 无水乙醇(优级纯), 双氧水(优级纯, 质量分数为30%), 过硫酸钾(K₂S₂O₈, 优级纯, ≥ 99.8%), 四甲基氢氧化铵(TMAH, 25%水溶液)。 硫酸, 五水硫酸铜, 硫酸钾, 硼酸, 硫酸铵, 蔗糖均为分析纯, 盐酸(优级纯), 甲基红(酸碱指示剂级), 溴甲酚绿(指示剂级), 宠物饲料样品均来自于宠物饲料生产企业和市场销售。 试验用水为超纯水(电阻率为18.2 MΩ · cm), 由本实验室Milli-Q元素测定用纯水仪制备得到。

硫标准工作溶液的配制: 量取适量体积的元素标准溶液, 采用3%(体积分数)HNO₃配制成一系列元素标准工作溶液, 浓度为0.50、 1.00、 5.00、 10.0、 50.0、 100 mg· L^-1。

碳标准工作溶液的配制: 称取2.918 9 g的一水合柠檬酸, 用超纯水定容至100 mL, 浓度为10 000 mg· L^-1(以C元素浓度计算), 用超纯水配制碳标准工作溶液, 浓度为: 0、 10、 50、 100、 500和1 000 mg· L^-1。

试样前处理: 称取0.30 g(精确到0.000 1 g)样品于聚四氟乙烯消解管中, 加消解试剂后加盖, 用超级微波消解系统, 按表1程序进行消解, 消解完成后设备会进行自动冷却, 冷却完全后, 将溶液再转移至25 mL容量瓶, 并用超纯水润洗2~3次, 润洗液合并于对应的容量瓶里, 定容后摇匀待测。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 超级微波消解程序 Table 1 Super microwave program for sample digestion 步骤 升温时间 /min 目标温度 /℃ 消解功率 /W 消解时间 /min 1 5 110 1 200 5 2 10 200 1 200 5 3 10 240 1 200 5 4 0 240 1 200 15

表1 超级微波消解程序 Table 1 Super microwave program for sample digestion

RA碳残留值的测定: 取2.00 mL的消化液, 加入1滴酚酞乙醇溶液(10 g· L^-1), 使用标定好的氢氧化钠溶液(0.101 6 mol· L^-1)进行滴定至粉红色不褪, 计算消耗的氢氧化钠溶液的体积, 通过酸碱中和反应, 计算消解液中酸的摩尔浓度(mol· L^-1)。

RCC(残留碳含量)值的测定: 采用ICP-OES法, 测量消解溶液中的C含量(mg· L^-1)。

采用SPSS PRO进行Pearson相关性分析和单因素方差分析。

2.1.1 消解温度和硝酸浓度的选择

研究了微波消解过程中硝酸浓度和消解温度对样品消解效果的影响, 通过测定消解溶液的RCC和RA值对消解效果进行评价, 见图1。 当硝酸浓度为1.0 mol· L^-1时, 消解液中出现黑色颗粒物, RCC值异常偏高, 表明样品消解不完全; 当硝酸浓度提升至2.0 mol· L^-1时, 虽然消解液颜色变为深黄色, 但RCC值仍高达650 mg· L^-1, 表明消解效果不理想; 随着硝酸浓度的进一步增加, 当浓度范围在3.0~8.0 mol· L^-1时, RCC值均低于500 mg· L^-1, 当硝酸浓度恒定时, RCC和RA值随着消解温度的升高而呈现降低的趋势。 当消解温度恒定时, 随着硝酸浓度的增大, RCC值逐渐降低, RA值则有所增大, 表明在适当的硝酸浓度下, 提高消解温度有助于改善消解效果。 由于超级微波消解仪的最高承受温度为250 ℃, 为确保消解过程的安全与高效, 选择消解温度为240 ℃。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 硝酸浓度和消解温度对样品消解效果的影响Fig.1 The effect of nitric acid concentration and digestion temperature on sample digestion

2.1.2 双氧水体积的选择

进一步研究了双氧水体积(0.50、 1.0、 1.5、 2.0mL)对样品消解效果的影响, 见图2。 当硝酸浓度为0.50和1.0 mol· L^-1时, 消解液的RCC值均大于1 000 mg· L^-1, 表明这些硝酸浓度下的消解效果并不理想。 当硝酸浓度提升至2.0和3.0 mol· L^-1时, 随着双氧水体积的增加, RCC值呈现先降低后增加的趋势, 可能是由于双氧水体积的增大导致了硝酸浓度的降低, 进而影响了消解效果。 通过测定不同体积分数(1%, 2%, 3%, 4%, 5%)的硝酸溶液的RA值, 得出RA值分别为0.15, 0.29, 0.44, 0.58和0.69 mol· L^-1, 综合以上数据, 最终选择5 mL 3.0 mol· L^-1的稀硝酸和1.5 mL的双氧水进行样品消解。 在此条件下, RCC和RA值均达到较低水平, 分别为232 mg· L^-1和0.43 mol· L^-1, 显示出优异的消解效果。 稀硝酸的使用, 避免了繁琐的赶酸操作, 大大提高了工作效率。

图2

Fig.2

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	图2 硝酸浓度和双氧水体积对样品消解效果的影响Fig.2 The effect of nitric acid concentration and the volume of hydrogen peroxide on sample digestion

研究了在标准溶液的配制环节, 不同配制介质(3%体积分数)HNO₃, 超纯水, 1.0%(体积分数)TMAH)对五种不同价态硫发射强度的影响, 采用发射强度相对值(I_ri)进行评估, 以I_ri=I_i/I_基准表示, 其中I_i代表不同配制介质中不同价态的硫元素发射强度, I_基准代表以GBW(E)080266水中硫酸根离子溶液标准物质制备的标准溶液中相同浓度待测元素在不同配制介质中的发射强度, 浓度均为10.0 mg· L^-1, 见图3。 从图3可以看出, 高价态的$SO_{4}^{2-}$(S为+6价)、 $S_{2}O_{8}^{2-}$(S为+7价)在三种配制介质中均较稳定, I_ri值均在0.98~1.06之间; 在酸性介质中, $S_{2}O_{3}^{2-}$(S为+2价)、 $SO_{3}^{2-}$(S为+4价)、 S^2-(S为-2价)的I_ri值均较大, 其中S^2-的I_ri值高达11.1, 相对标准偏差(n=7, RSD)高达19.6%, 可能是由于酸性介质中H⁺与$S_{2}O_{3}^{2-}$、 $SO_{3}^{2-}$、 S^2-在玻璃同心雾化器的气动雾化作用下生成了易挥发的含硫化合物, 此物质较快速的进入到等离子体中, 且在雾化室中残留效应严重。 在超纯水介质中, 只有S^2-的I_ri值(3.04)较高。 在碱性介质中, 五种硫形态的I_ri值均在0.90~1.06之间。 为了保持标准溶液和样品溶液RA值的一致性, 实验最终选择3%(体积分数)硝酸介质和水中硫酸根离子溶液标准物质进行标准工作溶液的配制。

图3

Fig.3

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	图3 配制介质对不同硫形态Iri值的影响Fig.3 The infuence of media on the Irivalue of different sulfur forms

考察了样品中加入的五种不同价态硫形态经微波消解后的稳定性, 在2个宠物饲料(1^#为全价猫粮, 2^#为全价犬粮)中进行五种不同价态硫的加标回收实验, 将待测溶液连续测定7次, 计算加标回收率和RSD值, 结果见表2, 五种价态硫加标回收率为87.7%~106%, RSD值为0.97%~4.15%, 分析认为低价态硫($S_{2}O_{3}^{2-}$、 S^2-、 $SO_{3}^{2-}$)在微波消解系统的高温高压以及消解试剂的强氧化性作用下转化为高价态硫, 避免了低价态硫产生的发射强度增强效应。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 超级微波消解对五种不同价态硫的加标回收率的影响 Table 2 The effect of super microwave digestion on the spike recovery rate of five different valence states sulfur 样品 元素 加标元素形态 本底值 /(mg· L-1) 加标量 /(mg· L-1) 测定总量 /(mg· L-1) 回收率 /% RSD /% 1# S S2 O82- 20.2 20.0 41.5 106 2.56 1# S $SO_{4}^{2-}$ 19.2 20.0 38.6 97.0 1.29 1# S S2 O32- 18.6 20.0 36.9 91.5 1.25 1# S S O32- 19.8 20.0 38.6 94.0 0.97 1# S S2- 20.5 20.0 38.4 89.5 1.58 2# S S2 O82- 31.2 30.0 62.1 103 2.12 2# S $SO_{4}^{2-}$ 30.2 30.0 61.5 104 1.96 2# S S2 O32- 29.8 30.0 58.6 96.0 4.15 2# S S O32- 31.9 30.0 62.3 101 2.19 2# S S2- 28.9 30.0 55.2 87.7 1.51

表2 超级微波消解对五种不同价态硫的加标回收率的影响 Table 2 The effect of super microwave digestion on the spike recovery rate of five different valence states sulfur

在优化的仪器工作条件下, 选择水中硫酸根离子溶液标准物质(GBW(E)080266)进行标准工作溶液的配制, 以硫元素发射强度为纵坐标, 硫元素浓度为横坐标, 绘制校准曲线, 结果表明, 在0.5~100 mg· L^-1的范围内, 线性回归方程为Y=298.52X+14.51, 相关系数为1.000。 对空白溶液重复测定11次, 取10倍的标准偏差所对应的质量浓度为定量限, 同时考虑称样质量和定容体积, 得出方法定量限6.2 mg· kg^-1。

为了验证方法的可靠性, 对2个宠物饲料(3^#为全价猫粮, 4^#为全价犬粮)进行加标回收实验, 连续测定7次, 计算加标回收率和RSD值, 结果见表3, 加标回收率为86.5%~108%, RSD值为1.69%~4.18%。 该方法能够满足样品分析的精密度和准确度要求。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 精密度及回收试验结果(n=7) Table 3 Results of tests for precision and recovery(n=7) 样品 本底值/(mg· L-1) 加标量/(mg· L-1) 测定总量/(mg· L-1) 回收率/% RSD/% 3# 19.2 20.0 40.8 108 3.21 21.9 20.0 41.2 96.5 1.69 4# 40.9 40.0 75.5 86.5 3.25 42.5 40.0 84.2 104 4.18

表3 精密度及回收试验结果(n=7) Table 3 Results of tests for precision and recovery(n=7)

为了考察本方法在实际应用中的可行性, 试验选取4个宠物饲料(5^#和6^#为全价猫粮, 7^#和8^#为全价犬粮)中硫含量进行测定, 分别采用本法与对照法GB/T 17776— 2016(定量限为2 000 mg· kg^-1)进行测定, 结果见表4。 该方法的测定结果与对照法的测定结果基本一致。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 样品分析结果 Table 4 Analytical results of samples 样品 测定值/(mg· kg-1) 本法 对照法 5# 4 100 4 208 6# 6 542 6 398 7# 8 519 8 700 8# 6 289 6 425

表4 样品分析结果 Table 4 Analytical results of samples

选取34个宠物饲料样本, 对其硫含量进行测定, 同时运用凯氏定氮法^[16]对样本的总蛋白质含量进行测定, 结果见表5。 对硫含量与总蛋白质含量之间的关系进行了Pearson相关性分析, 结果表明硫含量与总蛋白质含量之间存在着极显著的正相关性, 相关系数高达0.819, p值小于0.01, 充分证明了两者之间的紧密联系。 宠物饲料中的蛋白质主要来源于多种天然成分, 如麸质、 家禽副产品、 肉骨、 大豆、 全谷物、 全麦、 大麦、 大米以及氨基酸等, 这些成分富含硫元素, 因此硫含量与蛋白质含量之间的正相关性具有其内在的合理性。 虽然凯氏定氮法是一种广泛应用的蛋白质测定方法, 通过测定样品中的总氮含量, 并结合转换系数6.25来计算总蛋白质含量, 该方法也可能包含非蛋白含氮化合物, 如游离氨基酸、 嘌呤、 吡啶、 尿素、 硝酸盐和氨等。 本研究发现的宠物饲料中硫含量与总蛋白质含量的极显著相关性, 可以为宠物饲料中总蛋白质含量的准确评估提供依据。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 实际样品中硫和总蛋白质含量分析结果 Table 5 Analytical results of sulfur and total protein in practical samples 项目(单位) 最大值 最小值 平均数 中位值 标准差 S/(mg· kg-1) 10 439 4 050 7 428 7 599 1 731 总蛋白质/[g· (100 g)-1] 62.8 24.0 38.2 38.5 8.90

表5 实际样品中硫和总蛋白质含量分析结果 Table 5 Analytical results of sulfur and total protein in practical samples