Апробация методики определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой

DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11202 УДК543.423.1; 631.81.095.337

Апробация методики определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой*

в. А. литвинСкий, кандидат биологических наук, руководитель группы

Е. А. гришина, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник в. в. ноСиков, кандидат биологических наук, руководитель группы

Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии имени Д. Н. Прянишникова, ул. Прянишникова, 31А, Москва, 127550, Российская Федерация

Резюме. В мировой аналитической практике метод атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, обладающий рядом преимуществ, приходит на смену методу атомно-абсорбционной спектроскопии в области определения содержания тяжелых металлов и микроэлементов в объектах окружающей среды и компонентахагроценозов. Несколько лет назад сотрудниками ВНИИ агрохимии было начато исследование возможности использования этого метода в сочетании с микроволновой минерализацией в качестве про-боподготовки для определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства. В 2018 г. результаты исследований в этом направлении легли в основу разработки методики определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства. Для апробации методики установленное с ее использованием содержание кадмия, свинца, цинка и меди в пробах растительного материала сравнивали с данными, полученными атомно-абсорбционным методом после подготовки проб мокрым озолением. Результаты эксперимента показали отсутствие достоверных различий между средними значениями, полученными сравниваемыми методами, и подтвердили превосходство как абсолютных, так и относительных величин воспроизводимости результатов предлагаемого подхода перед гостированным методом. Успешная апробация позволяет рекомендовать разработанную методику для применения в аналитической лабораторной практике на территории РФ, в том числе и при контроле растительного сырья, используемого в животноводстве при производстве органической продукции.

Ключевые слова: атомно-эмиссионная спектрометрия, индуктивно связанная плазма, СВЧ-минерализация, микроволновая минерализация, растения, продукция растениеводства, микроэлементы, тяжелые металлы, методы определения, клевер, озимая пшеница, сено, зерно.

Для цитирования: Литвинский В. А., Гришина Е. А., Носиков В. В. Апробация методики определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 12. С. 9-11. DOI: 10.24411/02352451-2018-11202.

В конце 1990-х гг. в России нормативные документы, описывающие определение в продукции растениеводства отдельных элементов из числа тяжелых металлов и микроэлементов с использованием различных ана-

литических методов [1, 2, 3, 4], заменили документами, устанавливающими единые аналитические методы для определения содержания ряда тяжелых металлов и микроэлементов [5].

Сейчас в России единый аналитический метод для анализа накопления в продовольственном растительном сырье и кормах тяжелых металлов, часть которых может при содержании ниже МДУ выступать в роли микроэлементов [6], - атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) [7, 8] с классическим сухим или мокрым озолением в качестве пробоподготовки [9].

При этом одновременно с атомно-абсорбционным методом развивалась альтернативная ему атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП), которая в последние годы сменила метод ААС в качестве базового инструментального метода в международных стандартах ISO [10].

АЭС-ИСП обладает рядом принципиальных достоинств, выгодно отличающихся от атомно-абсорбционной спектроскопии. В первую очередь это экспрессность при анализе в одной пробе содержания нескольких элементов и более высокая воспроизводимость аналитических результатов [11].

Современная инструментальная альтернатива классическому озолению - микроволновое или сверхвысокочастотное (СВЧ) разложение, интенсивно использующееся в России в смежных областях [12], закрепленное в международных [13, 14], межгосударственных [15] и национальных нормативных документах [16]. Результаты исследований с использованием устройств для СВЧ-минерализации в герметичных тефлоновых реакторах характеризуются более высокой воспроизводимостью, по сравнению с классическими методами озоления, вследствие увеличения полноты минерализации, обусловленной быстротой и равномерностью нагрева реакционной смеси, протеканием разложения при температуре, превышающей температуру кипения используемых для разложения реагентов, что недостижимо в открытых системах, вследствие испарения. Также СВЧ-разложение в герметично закрытых сосудах позволяет удерживать в растворе легколетучие соединения (в частности, мышьяка и ртути) и предотвращать их потери в ходе минерализации. Достоинства применения микроволнового разложения как лабораторной процедуры, по сравнению с классическими способами озоления, заключаются в сокращении времени минерализации пробы и исключении непосредственного контакта оператора с горячими концентрированными кислотами [17].

В 2018 г. во ВНИИ агрохимии была подготовлена методика анализа содержания микроэлементов и

*Работа выполнена по государственному заданию № 0572-2014-0011. Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 12 -

тяжелых металлов в растениях и продуктах растениеводства методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, основанная на экспериментальной работе, выполнявшейся в течение нескольких последних лет [18, 19]. Одной из причин для разработки этой методики стало развитие органического производства [20], предъявляющего более строгие, по сравнению с традиционными системами земледелия, требования к качеству и безопасности продукции, в том числе, содержанию в ней микроэлементов и тяжелых металлов [21].

Цель исследований - апробация методики определения содержания микроэлементов и тяжелых металлов в растениях и продукции растениеводства методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

Условия, материалы и методы. Испытания проводили на выращенных на контрольных (без применения минеральных и органических удобрений) делянках опытных полей Долгопрудной агрохимической опытный станции имени Д. Н. Прянишникова пробах зерна озимой пшеницы и сена клевера, в которых ранее [22] определяли содержание тяжелых металлов и микроэлементов методом атомно-абсорбционной спектроскопии с подготовкой проб к анализу путем мокрого озоления. Как сено клевера, так и зерно пшеницы допустимы для использования в качестве сырья для производства кормов для животных в системе мероприятий органического производства [23].

Пробы растительных объектов высушивали в сушильном шкафу при температуре 65 °С, затем размалывали на лабораторной мельнице и просеивали через сито с отверстиями 1 мм. Остаток на сите после ручного измельчения в ступке добавляли к просеянной части и тщательно перемешивали. Массовую долю гигроскопической влаги в приготовленных для испытания образцах определяли стандартным методом [24].

Минерализацию навесок осуществляли в устройстве СВЧ-разложения MDS-2000, оснащенном шестью аналитическими фторопластовыми автоклавами. Его максимальная мощность составляет 630 Вт.

Навеску растительной пробы массой 1,00±0,01 г помещали в автоклав и приливали к ней 10,0±0,1 мл концентрированной азотной кислоты, ч.д.а. Автоклавы герметично закрывали и помещали в устройство СВЧ-разложения. Минерализацию осуществляли согласно рекомендациям производителя: четыре цикла нагрева (5 мин) / охлаждения (10 мин), мощность нагрева составляла 50 % от максимальной.

После окончания минерализации автоклавы вынимали из устройства и давали остыть в вытяжном шкафу до комнатной температуры. Затем их открывали, каждый минерализат переносили в отдельную мерную колбу объемом 50 см3 и доводили до метки деионизи-рованной водой, соответствующей требованиям ГОСТ Р52501-2005.

Определение содержания микроэлементов и тяжелых металлов проводили в трехкратной аналитической повторности.

Атомно-эмиссионный анализ выполняли с использованием АЭС-ИСП-анализатора iCAP 6300 DUO, Thermo Scientific, США. Эта модель обладает двойным (радиальным и аксиальным) обзором плазмы.

При выполнении анализа использовали рекомендованные производителем [25] значения рабочих параметров спектрометра: мощность плазмы 1150 Вт, скорость насоса 50 об/мин, распылительный поток

0,5 л/мин, вспомогательный поток 1,0 л/мин, обзор плазмы двойной.

Для статистического анализа экспериментальных величин использовали доверительный интервал с уровнем значимости 95 %, рассчитанный с помощью программы Excel пакета программ MS Office.

результаты и обсуждение. По результатам определения содержания тяжелых металлов и микроэлементов (см. табл.) видно, что и для зерна озимой пшеницы, и для сена клевера средние значения показателей содержания меди, цинка, кадмия и свинца с уровнем достоверности не менее 95 % не различались для двух сравниваемых подходов. Для обоих видов сырья абсолютные величины доверительного интервала для средних значений, установленных АЭС-методом, были в 3.. .18 раз меньше соответствующих величин для результатов ААС-анализа, в зависимости от элемента и его содержания.

Таблица. определение содержания тяжелых металлов и микроэлементов в пробах зерна озимой пшеницы и сена клевера атомно-абсорбционным и атомно-эмиссионным методами

Элемент ААС измерение, млн-1 АЭС-ИСП измерение, млн-1

среднее значение доверительный интервал среднее значение доверительный интервал

Cd Зерно озимой пшеницы 0,05 0,01 0,046 0,002

Pb 0,43 0,05 0,438 0,018

Zn 17,67 1,57 17,657 0,088

Cu 3,44 0,29 3,454 0,021

Cd 0,19 Сено клевера 0,04 0,178 0,008

Pb 1,95 0,10 1,991 0,020

Zn 11,10 1,03 11,003 0,061

Cu 4,60 0,35 4,702 0,024

В целом по массиву, относительные значения доверительного интервала для содержаний, определенных методом атомно-эмиссионной спектрометрии, не превышали 5 %, что в 2...10 раз лучше воспроизводимости для гостированных методов (в зависимости от элемента, его содержания и вида продукции).

выводы. Для зерна озимой пшеницы и сена клевера средние значения содержания тяжелых металлов и микроэлементов, определенные методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой после микроволнового разложения проб, достоверно не отличались от значений, установленных методом атомно-абсорбционной спектроскопии после классической пробоподготовки мокрым озолением.

Для обоих видов растительной продукции абсолютные и относительные значения доверительного интервала при определении атомно-эмиссионным методом после СВЧ-разложения были многократно меньше величин воспроизводимости для атомно-абсорбционного анализа после классического мокрого разложения.

Успешная апробация разработанной методики позволяет рекомендовать ее для широкого использования в аналитической практике различных лабораторий, в том числе агрохимического профиля, а также для анализа качества сырья при изготовлении кормов в системе мероприятий органического производства

Авторы выражают благодарность сотрудникам Долгопрудной агрохимической опытной станции имени Д. Н. Прянишникова Ю. Г. Грицевичу и Н. К. Сидоренковой за помощь в сборе растительного материала.

10

Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 12

Литература.

1. ГОСТ26931-86 Сырье и продукты пищевые. Методы определения меди. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 15 с.

2. ГОСТ26932-86 Сырье и продукты пищевые. Методы определения свинца. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 12 с.

3. ГОСТ26933-86. Сырье и продукты пищевые. Методы определения кадмия. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 12 с.

4. ГОСТ26934-86 Сырье и продукты пищевые. Методы определения цинка. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 11 с.

5. ГОСТ Р 51301-99 Продукты пищевые и продовольственное сырье. Инверсионно-вольтамперометрические методы определения содержания токсичных элементов. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 25 с.

6. Ветеринарно-санитарные нормы и требования к качеству кормов для непродуктивных животных. Утверждены указанием Департамента ветеринарии Минсельхозпрода РФ 15 июля 1997г. N 13-7-2/1010.

7. ГОСТ30178-96 Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 10 с.

8. ГОСТ30692-2000 Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Атомно-абсорбционный метод определения содержания меди, свинца, цинка и кадмия. Издание официальное. Минск: Межгосударственный совет по стандартизации и сертификации, 2002. 11 с.

9. ГОСТ26929-94 Сырье и продукты пищевые. Подготовка проб. Минерализация для определения содержания токсичных элементов. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 12 с.

10. EN ISO 6869:2000 Animal feeding stuffs - Determination of the contents of calcium, copper, iron, magnesium, manganese, potassium, sodium and zinc - Method using atomic absorption spectrometry, ISO 27085:2009( en) Animal feeding stuffs — Determination of calcium, sodium, phosphorus, magnesium, potassium, iron, zinc, copper, manganese, cobalt, molybdenum, arsenic, lead and cadmium by ICP-AES. Geneva. 2000. 15 p.

11. Дин, Дж. Индуктивно связанная плазма. Практическое руководство. М.: изд-во Профессия, 2017. 200 с.

12. Третьякова Е. И., Плотникова О. Е., Ильина Е. Г. Микроволновой метод подготовки проб для определения общего фосфора в объектах окружающей среды // Ползуновский вестник. 2008. № 1-2. С. 152-156.

13. ISO 12914:2012(en) Soil quality. Microwave-assisted extraction of the aqua regia soluble fraction for the determination of elements. Geneva, 2012. 7 p.

14. ISO 16729:2013 Soil quality. Digestion of nitric acid soluble fractions of elements. Geneva, 2013. 8 p.

15. ГОСТ ISO 6498-2014 Корма, комбикорма. Подготовка проб для испытаний. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2015. 52 с.

16. ГОСТР 53150-2008 Продукты пищевые. Определение следовых элементов. Подготовка проб методом минерализации при повышенном давлении. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2010. 12 с.

17. Кингстон, Г. М., Джесси Л. Б. Пробоподготовка в микроволновых печах. Теория и практика. М.: Мир, 1991. 350 с.

18. Использование метода атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой для определения содержания цинка в растениях и продукции растениеводства / В. А. Литвинский, Е. А. Гришина, В. В. Носиков и др. // Бутлеровские сообщения. 2018. Т 54. № 4. С. 140-148.

19. Атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой для определения содержания меди в растениях и продукции растениеводства / В. А. Литвинский, Е. А. Гришина, В. В. Носиков и др. // Плодородие. 2018. № 5. С. 57-61.

20. Федеральный закон «Об органической продукции и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» / Собрание законодательства Российской Федерации от 2018 г., N 32, ст. 5073 (часть I).

21. ГОСТ Р 56508-2015 Продукция органического производства. Правила производства, хранения, транспортирования. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2015. 48 с.

22. Литвинский В. А. Агрохимические свойства и агроэкологическое состояние дерново-подзолистой почвы после длительного (с 1931 года) применения удобрений в полевом опыте Д. Н. Прянишникова № 2 на ДАОС: дис.... канд. биол. наук. Москва. 2017. 139 с.

23. ГОСТ Р 56508-2015. Продукция органического производства. Правила производства, хранения, транспортирования. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2015. 79 с.

24. ГОСТ31640-2012 Корма. Методы определения содержания сухого вещества. Издание официальное. М.: Стандартинформ, 2012. 12 с.

25. Determination of trace elements in soils and sediments. Application Note: 40756. Cambridge. Thermo Electron Limited. 2008. 2 p

Approbation of the Method for Determining the Content of Trace Elements and Heavy Metals in Plants and Crop Products using Atomic Emission Spectrometry

with Inductively Coupled Plasma

V. A. Litvinskiy, E. A. Grishina, V. V. Nosikov

D. N. PryanishnikovAll-Russian Research Institute of Agrochemistry, ul. Pryanishnikova, 31a, Moskva, 127550, Russian Federation Abstract. In the world analytical practice, the method of atomic emission spectrometry with inductively coupled plasma, which has several advantages, replaces the method of atomic absorption spectroscopy in the field of determining the content of heavy metals and trace elements in environmental objects and components of agrocenoses. Several years ago, the research group of the All-Russian Research Institute of Agrochemistry began to examine this method in combination with microwave mineralization as sample preparation for determining the content of trace elements and heavy metals in plants and crop products. Subsequently, in 2018, the work in this direction became the basis for developing a method for determining the content of trace elements and heavy metals in plants and crop products using atomic emission spectrometry with inductively coupled plasma. To test the procedure, we compared the content of cadmium, lead, zinc and copper in the samples of plant material, determined by the developed method, with the available data on the content of the elements in these samples, obtained by the atomic absorption method after preparing the sample with wet ashing. Experimental data showed the absence of significant differences between the mean values obtained by the compared methods and confirmed the superiority of both absolute and relative values of the reproducibility of the results obtained by the proposed approach before the standard method. Successful approbation allows us to recommend the developed integrated approach for the use in analytical laboratory practice on the territory of the Russian Federation, including control of plant products used in animal husbandry to produce organic products.

Keywords: atomic emission spectrometry; inductively coupled plasma; SHF-mineralization; microwave mineralization; plants; plant products; trace elements; heavy metals; methods of determination; clover; winter wheat; hay; grain.

Author Details: V. A. Litvinskiy, Cand. Sc. (Biol.), head of group (e-mail: vl.litvinskiy@gmail.com); E. A. Grishina, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow; V. V. Nosikov, Cand. Sc. (Biol.), head of group.

For citation: Litvinskiy V. A., Grishina E. A., Nosikov V. V. Approbation of the Method for Determining the Content of Trace Elements and Heavy Metals in Plants and Crop Products Using Atomic Emission Spectrometry with Inductively Coupled Plasma. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 12. Pp. 9-11 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11202.

Достижения науки и техники АПК. 2018. Т 32. № 12

11