Определение цинка, меди, кадмия и свинца в говяжьей печени
Приведены результаты измерений массовой доли цинка, меди, кадмия и свинца методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) и оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-ОЭС) в образцах бычьей печени. Подобраны оптимальные для измерений параметры спектрометров и условия для проведения пробоподготовки образцов в системе микроволнового разложения проб, а также способ подготовки лабораторной пластиковой посуды. Аналитический метод валидирован путем измерений предела обнаружения, предела количественного определения, линейности, точности и относительного смещения данных. Полученные результаты сравнивали с сертифицированными значениями и оценивали относительную погрешность. Показано, что оба метода надежны и могут использоваться для определения содержания элементов в образцах бычьей печени.
Т. П. Столбоушкина , А. А. Стахеев, к. т. н.
Приведены результаты измерений массовой доли цинка, меди, кадмия и свинца методами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) и оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-ОЭС) в образцах бычьей печени. Подобраны оптимальные для измерений параметры спектрометров и условия для проведения пробоподготовки образцов в системе микроволнового разложения проб, а также способ подготовки лабораторной пластиковой посуды. Аналитический метод валидирован путем измерений предела обнаружения, предела количественного определения, линейности, точности и относительного смещения данных. Полученные результаты сравнивали с сертифицированными значениями и оценивали относительную погрешность. Показано, что оба метода надежны и могут использоваться для определения содержания элементов в образцах бычьей печени.
Ключевые слова: ИСП-МС, ИСП-ОЭС, масс-спектрометрический анализ, токсичный металл, макро- и микроанализ металлов, микроволновая пробоподготовка
Введение
Крупный рогатый скот – один из самых чувствительных видов животных к токсичным металлам, которые поступают с кормом. Печень, почки и другие внутренние органы животных способны к сорбированию повышенных количеств тяжелых металлов по сравнению с мышечной тканью. Наиболее подвержена токсикации говяжья печень – важный пищевой продукт для многих людей во всем мире [1], так как содержит значительное количество многих необходимых человеку макро- и микроэлементов.
Таким образом, анализ пищевых продуктов животного происхождения на содержание токсических веществ необходим для защиты здоровья людей. Точное определение как токсичных, так и незаменимых макро- и микроэлементов в пищевой матрице важно с токсикологической и экологической точек зрения, а также для оценки пищевой ценности продуктов животноводства [2].
В последние годы возрос интерес к исследованиям влияния биологических эффектов на процесс измерений содержания химических элементов в биообразцах [3]. Большое влияние на точность измерений при проведении элементного анализа сложных матриц оказывает процесс пробоподготовки. Этот этап весьма трудоемкий для большинства лабораторий, занимающихся химико-аналитическим контролем таких матриц. Ошибки, допущенные на стадии пробоподготовки, приводят к искажению конечных результатов химического анализа даже при самом тщательном выполнении процедур на этапе измерений.
Для контроля качества пищевых продуктов получение надежных данных об элементном составе очень важно. Так, медь считается одним из ключевых минералов для функционирования человеческого организма. Цинк, будучи неотъемлемой частью клеточного метаболизма, участвует в формировании иммунного ответа, предотвращает разрушительное действие оксидативного стресса. Свинец и кадмий относятся к числу токсичных металлов, содержание которых в пищевых продуктах крайне опасно для организма человека. Хроническое воздействие свинца даже в минимальных дозах вызывает патологические изменения и повреждения внутренних органов и центральной нервной системы. Токсичное воздействие кадмия основано на блокировке серосодержащих аминокислот, что приводит к нарушению белкового обмена и поражению ядра клетки [4].
На результат измерений в элементном анализе важнейшее влияние оказывает выбор нужного оборудования. Для проверки качества и безопасности бычьей печени широко используются высокоточные и чувствительные методы физико-химического анализа – ИСП-ОЭС и ИСП-МС [5].
Цель работы состоит в подборе параметров пробоподготовки образцов бычьей печени в системе микроволнового разложения и оценке неопределенности измерений массовой доли кадмия и свинца методом ИСП-МС и массовой доли меди и цинка методом ИСП-ОЭС для их использования в дальнейших исследованиях.
Материалы и методы
Для пробоподготовки и разбавления анализируемых образцов использовали воду типа I (значение удельного сопротивления не менее 18,0 МОм · см) из системы очистки сверхчистой воды Adrona Crystal B (ADRONA SIA Process and Laboratory Systems, г. Рига, Латвия). Концентрированную азотную кислоту (65% HNO3) очищали в два этапа в системе перегонки кислот без кипения. Ее использовали для пробоподготовки в системе микроволнового разложения проб, приготовления рабочих растворов и разбавления образцов. Пероксид водорода (30,0% H2O2, Merck, Германия) применяли в процессе пробоподготовки для полного окисления органической матрицы. Для приготовления стандартных добавок использовали растворы свинца, кадмия, цинка и меди, которые непосредственно соотносятся с Государственным первичным эталоном единиц массовой доли и массовой (молярной) концентрации неорганических компонентов в водных растворах на основе гравиметрического и спектральных методов ГЭТ 217-2018 [5]. Точность методов оценивали путем анализа стандартного образца бычьей печени (BCR‑185R, IRMM, Бельгия), полученные результаты измерений сравнивали с сертифицированными значениями.
Измерения массовой доли цинка и меди проводили методом ИСП-ОЭС на оптико-эмиссионном спектрометре PlasmaQuant PQ 9000 Elite (Analytic Jena, Германия), а массовой доли кадмия и свинца – методом ИСП-МС на масс-спектрометре PlasmaQuant MS (Analytic Jena, Германия).
Подготовка образцов
Для снижения рисков загрязнения образцов проводили процедуру обработки всей пластиковой посуды в ультразвуковой ванне в четыре этапа с использованием 5% HNO3 и деионизированной воды. Сосуды из политетрафторэтилена очищали смесью азотной кислоты и пероксида водорода (65% HNO3 и 30% H2O2) в системе микроволнового разложения проб. Для расчета коэффициента коррекции на влажность образцы печени сушили в сушильной камере (Binder FED53, Германия) при (100 ± 2) °C в течение шести часов. Полученные результаты приведены в табл. 1.
Для разложения образца выбран микроволновой метод. Образцы печени (300 мг) взвешивали и переносили в сосуды из политетрафторэтилена системы микроволнового разложения проб TOPwave (Analytik Jena, Германия). К образцу добавляли 7 мл HNO3 (65%) и 2 мл H2O2 (30%). Параметры четырехступенчатой программы полного микроволнового разложения образцов представлены в табл. 2.
После полного разложения образцов и охлаждения до комнатной температуры полученные растворы количественно переносили в предварительно очищенные пробирки объемом 50 мл.
Измерения массовой доли металлов
Для предотвращения влияния матричных эффектов на процесс измерения использовали метод добавок. Для выбора оптимальных концентраций добавок проведены предварительные измерения целевых элементов с помощью внешней градуировки по пяти точкам. Все растворы готовили гравиметрически. Параметры спектрометров приведены в табл. 3–4.
Аналитические результаты
Использование описанной выше пробоподготовки позволило получить результаты измерений, соответствующие сертифицированным значениям стандартного образца. Это доказывает применимость метода добавок для измерений кадмия, цинка, меди и свинца в образцах печени. Аналитический метод валидирован путем измерений предела обнаружения, предела количественного определения, линейности, точности и относительного смещения данных. Для всех расчетов использовались рекомендации Еврахим [6]. Полученные результаты сравнивали с сертифицированными значениями и оценивали относительную погрешность. Повторяемость, рассчитанная с использованием десяти независимых проб, составила не более 5% относительного стандартного отклонения для всех элементов. Пределы обнаружения, полученные для Cu, Zn, Cd и Pb, составляли 0,24; 0,29; 0,0003 и 0,0008 мг · кг−1 соответственно. Пределы количественного определения, полученные для Cu, Zn, Cd и Pb, составили 0,89; 0,93; 0,0012 и 0,0024 мг · кг−1 соответственно. Линейность градуировочной кривой оценивали путем исследования коэффициента корреляции (r). Полученные значения r выше 0,9990 для всех анализируемых элементов. Результаты измерений представлены на рис. 1–2 и в табл. 5.
- Заключение
Проведенные исследования показали применимость выбранных параметров пробоподготовки образцов бычьей печени в системе микроволнового разложения, параметров спектрометров при измерении массовой доли кадмия и свинца методом ИСП-МС и массовой доли меди и цинка методом ИСП-ОЭС. Измеренные массовые доли металлов согласуются, в рамках заявленных неопределенностей, с опорными значениями, указанными в паспорте сертифицированного стандартного образца. Оба метода надежны и могут использоваться для точного определения элементов в образцах бычьей печени в последующих исследованиях.
Работа прошла апробацию на VI Международной научно-технической конференции «Метрология физико-химических измерений» [7]. Результаты исследований подтверждены на международных сличениях CCQM-K145.2022 [8], проведенных в рамках деятельности Рабочей группы по неорганическому анализу (IAWG) Консультативного Комитета по количеству вещества: метрология в химии и биологии (CCQM).
Литература / References
Underwood E. J. Trace Elements in Human and Animal Nutrition. Academic Press. New York. 1977. 545 p.
Ambushe A. A., Hlongwane M. M., McCrindle R. I. and McCrindle C. M. E., 164 S. Afr. J. Chem. 2012; 65: 159–164.
Стахеев А. А., Столбоушкина Т. П. Измерения серы, фосфора и никеля в биологических образцах методом атомно-эмиссионной спектроскопии на примере говяжьей печени. Альманах современной метрологии. 2020; 2(22):189–192.
Stakheev A. A., Stolboushkina T. P. Measurements of Sulfur, Phosphorus and Nickel in Biological Samples by Atomic Emission Spectroscopy Using Beef Liver. Al’manah sovremennoj metrologii – Almanac of modern metrology. 2020; 2(22):189–192.
Jarup L. Hazards of heavy metal contamination. British Medical Bulletin. 2003; 68(1):167–182.
Добровольский В. И., Стахеев А. А., Столбоушкина Т. П. Государственный первичный эталон единиц массовой доли и массовой (молярной) концентрации неорганических компонентов в водных растворах на основе гравиметрического и спектральных методов ГЭТ 217-2018. Измерительная техника. 2018; 11:3–5.
Dobrovol’skij V.I., Stakheev A. A., Stolboushkina T. P. State Primary Standart of Mass Fraction and Mass (Molar) Concentration of Inorganic Components in Aqueous Solutions Based on Gravimetric and Spectral Methods GET 217-2018. Izmeritel’naya tehnika – Izmeritel’naya Teknika. 2018; 11:3–5.
Magnusson B. and Örnemark B., Eds. The Fitness for Purpose of Analytical Methods: A Laboratory Guide to Method Validation and Related Topics. Eurachem Guide (2nd ed. 2014). ISBN 978‑91‑87461‑59‑0.
Столбоушкина Т. П., Стахеев А. А. Особенности пробоподготовки для анализа биологического материала говяжьей печени. Метрология физико-химических измерений: тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции. Парк-отель «Морозовка», Моск. обл., Россия, 05–08 сентября 2023 года. ISBN 978‑5‑6049203‑1‑2, с. 72–73.
Stolboushkina T. P., Stakheev A. A. Sample Preparation Procedures on the Determination of Metals of Beef Liver by the Spectroanalytical Methods. Metrologija fiziko-himicheskih izmerenij: tezisy dokladov VI Mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii. Park-otel’ Morozovka., Mosk. obl., September 05–08. 1. ISBN 978‑5‑6049203‑1‑2, pp. 72–73.
Final report of the CCQM-K145: Toxic and essential elements in bovine liver. Metrologia. 2020. V. 57. No. 1A.
Авторы / Authors
Столбоушкина Татьяна Павловна, аспирант, заместитель начальника лаборатории физико-химических измерений, Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, г. Солнечногорск, р. п. Менделеево. Область научных интересов: анализ различных веществ и материалов методами ИСП-ОЭС и ИСП-МС, разработка и аттестация государственных стандартных образцов для методов с индуктивно связанной плазмой (ИСП-СО).
Stolboushkina Tatiana Pavlovna, deputy head of the research laboratory of physical-chemical measurements, Russian metrological institute of technical physics and radioengineering, Mendeleevo. Research interests: analysis of substances and materials by ICP-OES and ICP-MS, development and certification of reference materials for ICP methods (ICP CRM).
stolboushkina@vniiftri.ru
Стахеев Алексей Анатольевич, к. т. н., начальник лаборатории физико-химических измерений – ученый-хранитель ГЭТ, Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево. Область научных интересов: анализ различных веществ и материалов методами ИСП-ОЭС и ИСП-МС, разработка и аттестация государственных стандартных образцов для методов с индуктивно связанной плазмой (ИСП-СО).
Stakheev Aleksey Anatol’evich, Ph.D. (Eng.), the head of the research laboratory of physical-chemical measurements, Russian metrological institute of technical physics and radioengineering, Mendeleevo. Research interests: analysis of substances and materials by ICP-OES and ICP-MS, development and certification of reference materials for ICP methods (ICP CRM).
stakheev@vniiftri.ru
Конфликт интересов /
Conflict of Interest
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 22.11.2023
Принята к публикации 12.02.2024