Подготовка образцов пищевых продуктов с использованием гомогенизации и влажного кислотного разложения с помощью микроволновой печи для многоэлементного определения с помощью ИСП-МС

Элементный анализ — это аналитический процесс определения элементного состава различных образцов. Его можно использовать для контроля поступления металлов в организм человека (особенно тяжелых^{металлов1),} поскольку их высокие концентрации могут вызвать нежелательные проблемы со здоровьем. Тяжелые металлы также являются одним из основных загрязнителей окружающей среды, поэтому необходим контроль их присутствия в окружающей среде2^. Кроме того, элементный анализ может быть использован для определения географического происхождения пищевых^{продуктов3} и контроля качества продовольственных и водных^{ресурсов4}. Кроме того, он используется для определения микро- и макроэлементов в почвах⁵ и для получения информации о геологических процессах на протяжении всей истории путем изучения химического состава минералов и отложений⁶. Также были проведены исследования по определению присутствия редких металлов в электрических и электронных отходах для дальнейшей регенерации металлов⁷, для оценки успешности медикаментозного лечения⁸ и для проверки элементного состава металлических имплантатов⁹.

Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) и оптико-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-ОЭС) являются широко используемыми методами элементного анализа различных образцов¹⁰. Они позволяют одновременно определять несколько элементов с пределами обнаружения (LOD) и пределом количественного определения (LOQ) от нг/л. В целом, ИСП-МС имеет более низкие значения LOD¹¹ и более широкий диапазон линейных концентраций по сравнению с ИСП-ОЭС¹². Другими методами определения элементного состава являются микроволновая плазменная оптико-эмиссионная спектрометрия¹³ и несколько вариантов атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС), включая пламенную атомно-абсорбционную спектроскопию, электротермическую атомно-абсорбционную спектроскопию², атомно-абсорбционную спектроскопию холодного пара и атомно-абсорбционную спектроскопию генерации гидридов¹⁴. Кроме того, элементное определение с низким LOD и LOQ возможно с помощью различных электроаналитических методов, особенно с помощью вольтамперометрии с анодной зачисткой^15,16. Конечно, существуют и другие методы определения элементного состава образцов, но они применяются не так часто, как вышеупомянутые.

Прямое элементное определение твердых образцов возможно с помощью лазерно-индуцированной спектроскопии пробоя и рентгенофлуоресценции¹⁷. Однако для элементного определения с помощью ICP-MS, ICP-OES и AAS необходимо перевести твердые образцы в жидкое состояние. С этой целью проводят кислотное разложение с использованием кислот и вспомогательных реагентов (в большинстве случаев_Н2О2). Кислотное разложение проводят при повышенной температуре и давлении, превращая органическую часть пробы в газообразные продукты и превращая металлические элементы в водорастворимые соли, растворяя их таким образом в растворе¹⁸.

Существует два основных типа кислотного пищеварения: пищеварение в открытых сосудах и пищеварение в закрытых сосудах. Разложение в открытых сосудах экономически^{эффективно14} , но имеет ограничения, такие как максимальная температура сбраживания, которая совпадает с температурой кипения кислот при атмосферном давлении. Образец можно нагревать на конфорках, нагревательных блоках, водяных банях, песчаных ваннах² и микроволнах¹⁹. При нагревании образца таким образом большая часть выделяемого тепла теряется в окружающую среду²⁰, что увеличивает время разложения¹⁴. К другим недостаткам сбраживания в открытых сосудах относятся больший расход химикатов, большая возможность загрязнения окружающей средой и возможные потери аналитов из-за образования летучих компонентов и их испарения из реакционной смеси²¹.

Системы с закрытыми сосудами более удобны для разложения органических и неорганических образцов по сравнению с системами с открытыми сосудами. В системах с закрытыми сосудами для нагрева образцов используются различные источники энергии, такие как кондуктивный нагрев и микроволны²². Методы разложения, использующие микроволны, включают микроволновое сжигание²³, системы с одной реакционной камерой²⁴ и широко используемое микроволновое разложение влажной кислотой (MAWD)^25,26. MAWD допускает разложение при более высоких рабочих температурах, в диапазоне от 220 °C до 260 °C, и максимальном давлении до 200 бар, в зависимости от условий работы прибора²⁷.

Эффективность и скорость MAWD зависят от нескольких факторов, включая химический состав образцов, максимальную температуру, температурный градиент, давление в реакционном сосуде, количество добавляемых кислот и концентрацию используемых кислот²⁸. При MAWD полное кислотное разложение может быть достигнуто за несколько минут из-за более высоких условий реакции по сравнению с более длительным разложением в системах с открытыми сосудами. В MAWD требуются меньшие объемы и концентрации кислот, что соответствует действующим рекомендациям по «зеленой» химии²⁹. При MAWD для выполнения кислотного разложения требуется меньшее количество образца по сравнению с разложением в открытом сосуде, обычно достаточно до 500 мг образца 30,31,32. Могут быть переварены большие количества образцов, но для них требуется большее количество химикатов.

Поскольку прибор для MAWD автоматически контролирует условия реакции, а человек не вступает в прямой контакт с химическими веществами во время нагревания, MAWD безопаснее в эксплуатации, чем пищеварение в открытых сосудах. Тем не менее, человек всегда должен действовать с осторожностью при добавлении химических веществ в реакционные сосуды, чтобы предотвратить их контакт с телом и причинение вреда. Реакционные сосуды также необходимо открывать медленно, так как во время кислотного разложения внутри них создается давление.

Несмотря на то, что кислотное разложение является полезным методом подготовки образцов для элементного определения, человек, выполняющий его, должен знать о его возможных ограничениях. Кислотное разложение может подходить не для всех образцов, особенно для образцов со сложной матрицей, а также для образцов с высокой реакционной способностью или взрывной реакцией. Поэтому состав образца всегда следует оценивать, чтобы выбрать подходящие химические вещества и условия реакции для полного разложения, при котором в растворе растворяются все необходимые элементы. Другие проблемы, которые пользователь должен учитывать и решать, – это примеси и потери аналитов на каждом этапе пробоподготовки. Кислотное разложение всегда должно выполняться в соответствии с определенными правилами или с использованием протоколов.

Протокол, описанный ниже, содержит инструкции по гомогенизации проб пищевых продуктов в смесителе лабораторного размера, процедуре очистки компонентов смесителя, правильному взвешиванию пробы, добавлению химикатов, выполнению кислотного разложения с помощью MAWD, очистке реакционных сосудов после завершения разложения, подготовке образцов к элементному определению и выполнению количественного многоэлементного определения с помощью ICP-MS. Следуя приведенным ниже инструкциям, можно подготовить образец, пригодный для элементного определения, и выполнить измерения переваренных образцов.