Возможности рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешним отражением при определении следовых элементов в молоке без разложения матрицы

Вестник технологического университета. 2017. Т. 20, №3 УДК543.632.4; 543.427.4

А. С. Мальцев, С. А. Бахтеев, Р. А. Юсупов

ВОЗМОЖНОСТИ РЕНТГЕНОФЛУОРЕСЦЕНТНОГО АНАЛИЗА

С ПОЛНЫМ ВНЕШНИМ ОТРАЖЕНИЕМ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ СЛЕДОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

В МОЛОКЕ БЕЗ РАЗЛОЖЕНИЯ МАТРИЦЫ

Ключевые слова: рентгенофлуоресцентный анализ с полным внешним отражением (РФА ПВО), молочные продукты, молоко, определение токсичных элементов, экспрессность методики РФА ПВО.

В работе рассмотрены возможности рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешнимотражением и предложена методика недеструктивного определения следовых элементов в молоке без разложения матрицы. Преимущества заключаются в том, что метод РФА ПВО по экспрессности в несколько раз превосходит метод атомно-эмиссионной спектроскопии и метод атомно-абсорбционной спектроскопии. Показана экономичность и информативность предложенной методики измерения и приведены ее метрологические характеристики. Коэффициент повторяемости варьируется в пределах 1 - 15 %. Рассчитаны показатели нижнего предела обнаружения для элементов (от P до Pb), что позволяет определять концентрации элементов на уровне ПДК.

Keywords: x-ray fluorescence analysis with total external reflection (TXRF), dairy, milk, determination of toxic elements, rapidity of

TXRF methodic.

In this work the possibilities of TXRF were observed and the methodic for non-destructive determination of trace elements in milk were offered. The advantages include that TXRF method in several times better than atomic emission spectroscopy and atomic absorption spectroscopy by quality of rapidity. Cost-efficiency and informational content of offered measurement methodic have been showed and metrological characteristics have been presented. Coefficient of repeatability, in general, varies from 1 to 15 %. The index of limit low detection for elements was calculated, which allows to determine elements concentrations on MPC level.

Введение

Молоко и молочные продукты являются важными элементами в рационе питания человека. Употребление молочных продуктов способствует человеческому росту и дает организму необходимые полезные элементы, как Са, К, Мд, №, Р. Дефицит этих элементов в организме человека может стать причиной серьезных заболеваний. Но помимо полезных веществ в молоке могут содержаться вредные, токсичные вещества, оказывающие пагубное воздействие на организм. К наиболее опасным токсичным элементам относятся: ртуть, свинец, кадмий, мышьяк. При непосредственном приеме молочных продуктов, которые содержит вышеперечисленные элементы, человек, может получить отравление с последующим развитием болезни. Например, избыток мышьяка в организме здорового человека может вызвать рак кожи, легких и печени. Употребление пищи с большим содержанием кадмия приводит к проблемам с желудком, вызывает диарею, в дальнейшем вызывает болезнь почек, легких и приводит к хрупкости костей. Излишнее содержание свинца в пище может стать причиной разрушения мозга и почек у человека. Разрушение нервной системы возможно при избытке ртути в организме [1-3]. До 80 % вредных веществ в организм человека попадают посредством употребления продуктов питания. Вследствие широкого использования токсичных элементов на промышленных предприятиях, существует огромный риск попадания их в окружающую среду [4]. Вся схема процессов миграции токсичных элементов описывается следующим образом: вода-почва-растения-животные-человек. Учитывая динамику миграции экотоксикантов в пищевой цепи «вода-почва-корма-

молоко», анализ молочной продукции является индикатором загрязнения окружающей среды в целом [5]. Технический регламент на молоко и молочную продукцию содержит следующий перечень допустимых концентраций токсичных элементов (мг/л) в молоке: свинец (РЬ) не более 0.1; мышьяк (As) не более 0.05; кадмий (Cd) не более 0.03; ртуть (Нд) не более 0.005 [6]. В связи с вышесказанным, актуальным является разработка экспрессной, информативной и экономичной методики измерения для определения следовых элементов в молоке. Согласно определению ИЮПАК [7] следовый элемент - любой элемент, имеющий концентрацию менее чем 1 ррт (или 1 мг/л). Согласно этому определению к следовым элементам при анализе молока относим токсичные, перечисленные выше.

Для определения элементов в молоке и молочных продуктах широко используются современные методы анализа, такие как: атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС), масс-спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС), атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС) [8-9]. Для проведения анализа молока и молочной продукции, используя эти методы, в процессе пробоподготовки требуется разложение органической матрицы объекта вследствие сложного биоорганического состава [10-15]. В связи с этим процессы пробоподготовки занимают большую часть времени анализа. Именно временные затраты могут повлиять на эффективность и качество работы лаборатории, использующей такие методы для массового анализа молочной продукции. Ввиду отсутствия аттестованных методик менее распространен метод рентгенофлуоресцентного анализа. Метод РФА ПВО требует меньших временных затрат за счёт экономии времени при подго-

товке проб [16,17]. При этом также регистрация аналитического сигнала имеет весьма низкую себестоимость, поскольку не требуются расходные материалы, как например, метан-аргоновая смесь в атомно-абсорбционной спектроскопии [18]. При анализе с помощью РФА ПВО молока с низким содержанием молочного жира не требуется разложение. Для подтверждения относительной экспрессно-сти метода РФА ПВО по сравнению с методами ААС и ИСП-АЭС рассчитано время анализа одного образца молочной продукции (табл. 1). Данные времени анализа ААС и АЭС-ИСП получены в результате обзора лабораторных опытов [19-28]. Данные времени анализа РФА ПВО рассчитаны исходя из

проведенного эксперимента, описанного ниже. Время анализа для каждого отдельного случая может отличаться от данных, приведенных в таблице 1. Для наглядности результаты расчетов экспрессности представлены на рисунке 1.

Также вцелях увеличения экспрессности масштабных анализов необходимо внедрение автоматизированного метрологического обеспечения, представленное в работах [29, 30] при анализе воды.

Исходя из полученных данных расчета экспресс-ности анализа молочной продукции, разработка МИ (методики измерения) методом РФА ПВО является актуальным.

Таблица 1 - Экспрессность анализа одного образца молока разными методами [19-28]

Стадии ААС АЭС-ИСП РФА ПВО

анализа Этап Время

Подготовка оборудования подготовка калибровочных образцов; 10 подготовка калибровочных образцов; 10 2

калибровка; 5 калибровка; 5

Подготовка пробы помещение образца в тигель; 1 взвешивание образца и растворение в смеси азотной и соляной кислот; 2 помещение 3 мл образца в пластмассовую кювету объемом 3.5 мл; 0.5

озоление в печи и охлаждение до комнатной температуры; 240 приготовление «холостого» раствора; 5 приготовление раствора внутреннего стандарта и добавление 10 мкл в кювету с образцом 5.5

растворение золы в азотной кислоте; 0.5 микроволновое разложение образца; 35 перемешивание и нанесение 10 мкл полученного раствора на подложку; 2

нагревание раствора и доведение до метки ди-стиллиро-ванной водой; 30 растворение в азотной кислоте с последующим добавлением дистиллированной воды; 0.5 высушивание нанесенной капли е; 3

Измерение аналитического сигнала 1 1 3

Количественная обработка спектров 5 5 5

ИТОГО 292 64 20

РФА ПВО АЭС-ИСП ААС

75

ВреД5,0

мин

225

Подготовка оборудования

Подготовка пробы

Измерение и обработка

300

Рис. 1 - Относительная экспрессность методов РФА ПВО, АЭС-ИСП, ААС

Экспериментальная часть

Отобраны следующие образцы для анализа:

1. Молоко детское 1.8 % жирности;

2. Молоко детское 2.5 % жирности;

3. Молоко 2.5 % жирности.

Измерения были выполнены на рентгенофлуо-ресцентном спектрометре компании Вгикег S2 РюоАэх. Для проведения анализа были подготовлены чистые подложки из SiO2и пластиковые кюветы для приготовления растворов и отбора образцов. Для количественного определения элементов в объектах использовали метод внутреннего стандарта. Для выбора релевантного раствора внутреннего стандарта при необходимости нужно провести качественный анализ объектов. В данном случае в качестве элемента внутреннего стандарта был взят кобальт так как этот элемент не был идентифицирован в объектах анализа. Для правильного ввода объема раствора в пластиковую кювету и на подложку провели предварительно калибровку микропипетки. Далее отобрали 3 мл объекта в пластиковую кювету, добавили 10 мкл внутреннего стандарта и перемешали с помощью автоматического встряхивателя. Отобрали 10 мкл полученного раствора на подложку и высушили под лампой накаливания в течение 3 минут.

Результаты и обсуждение

Для каждого элемента, обнаруженного в объектах, рассчитан коэффициент повторяемости и нижний предел обнаружения (LLD) (табл. 2). Большинство элементов имеют коэффициент повторяемости от 1 до 15 %. В качестве важной составляющей для подтверждения релевантности использования методики анализа молока методом РФА ПВО является характеристика нижнего предела обнаружения следовых элементов. Расчетные данные показали, что методика позволяет определять концентрации элементов на уровне ПДК. В качестве примера на рисунке 2 представлен спектр измерения образца № 2. Красным цветом выделена линия, полученная непосредственно по результатам измерения образца и представляющая пики содержащихся элементов в образце. Для идентификации элементного состава в образце не следует брать во внимание пик Si, который возникает вследствие использования прободер-жателя, состоящего из SiO2, пик Mo характеризует эффект рассеяния в результате неупругого взаимодействия возбуждающего излучения (рентгеновская трубка с Mo-анодом) и пробы, пик который добавлен в объект в качестве внутреннего стандарта. Синия линия описывающая спектр полученных данных является индикатором правильности ручной обработки спектра.

Таблица 2 РФА ПВО

Коэффициенты повторяемости и нижний предел обнаружения при анализе молока методом

Элемент

P S а K Ca Fe Zn As Se Br Rb Sr Pb

D (%) образца 1 15 15 9.5 6.8 8.2 10 N0 4.5 2.5 N0 2.5 1.0 7.7 25

D (%) образца 2 2.5 0.9 5.2 5.7 4.6 2.8 N0 10 70 28 10 13 6.1 N0

D (%) образца 3 7.8 4.6 4.5 2.8 4.8 15 10 5.5 28 N0 0 0 11 N0

Нижний предел обнаружения (мг/л) 3.8 0.9 0.6 0.3 0.2 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.03

0

Рис. 2 - Типичный спектр измерения молока в логарифмическом масштабе интенсивности. Время набора спектра - 500 с

Заключение

Таким образом, следует заключить, что предложенный метод анализа молока РФА ПВО является конкурентоспособным среди других действующих методов, как ААС и АЭС с ИСП. Основными преимуществами метода РФА ПВО являются экспресс-ность и экономичность анализа. Вследствие элементарности пробоподготовки метода исчезает риск загрязнения пробы в результате влияния внутренних и внешних факторов. Метод характеризуется довольно низким пределом обнаружения, что позволяет проводить сравнения концентраций токсичных элементов с нормами ПДК.

Из недостатков методики необходимо отметить высокий предел обнаружения элемента Cd, который выражен значением LLD=0.02 мг!л для объектов воды с низкой минерализацией[31]. Учитывая более сложную внутреннюю структуру молока по сравнению с водой, необходимо отметить, что в этом случае нижний предел обнаружения будет выше.

Предложенная методика анализа молока позволяет определять концентрации следовых элементов, содержащихся в молоке. Данную методику можно использовать при контроле качества и оценке пищевой ценности молока.

Литература

1. Suparna Kumar Das, Ajmer SingthGrewal, Mrityunjay Banerjee. A brief review: heavy metal and their analysis I International journal of Pharmaceutical Sciences Review and research. 2011. Vol. 11. Issue 1. P. 13-18.

2. M. Sabine, G. Wendy. Human Health effects of Heavy Metal I CHSR journal. 2009. P. 5 - 6.

3. Горюнова С.М., Николаева Н.Г., Гаттарова А.М. Проблемы экологической чистоты пищевых продуктов I Вестник Казанского технологического университета. 2011. № 12. С.178-183.

4. Конотопчик Е.Е. Тяжелые металлы в пищевой продукции, реализуемой на территории Хабаровского края / Ученые заметки ТОГУ. 2013. Т. 4. № 2. С. 50-56.

5. Горлов И.Ф., Мосолова Н.И., Злобина Е.Ю. Оценка миграции тяжелых металлов в пищевой цепи «вода-почва-корма-молоко» / Зоотехния и ветеринария. 2012. № 3 (27). С. 1-3.

6. ТР ТС 033/2013 Технический Регламент Таможенного Союза «О безопасности молока и молочной продукции». 2013. C.192.

7. PAC. General aspects of trace analytical methods - IV. Recommendations for nomenclature, standard procedures and reporting of experimental data for surface analysis techniques. 1979. P. 2243.

8. Пашкова Г.В. Реттенофлуоресцентный анализ молока и основанных на нем продуктов / Аналитика и контроль. 2010. Т.14. № 1. С. 4-15.

9. Пашкова Г.В., Владимирова Т.А., Филькенштейн А.Л. Рентгенофлуоресцентное определение элементов в молоке и молочных продуктах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 5. С. 21-26.

10. Bass D., Bosniak C. The Determination of Toxic, Trace and Essential Elements in Food Matrices using THGA Coupled with Longitudinal Zeeman Background Correction / Atomic Absorption by Perkin Elmer. 2011. P. 1-5.

11. Ioannidou M.D., Zachariadis G.A., Anthedimis A.N., Stratis J.A. Direct determination of toxic trace metals in honey and sugars using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry / Talanta. 2005. P. 92-97.

12. Detcheva A., Grobecker K. Determination of Hg, Cd, Mn, Pb and Sn in seafood by solid sampling Zeeman atomic absorption spectrometry / SpectrochimicaActa Part B: Atomic Spectroscopy 2006. Vol. 61. № 4. P. 454-459.

13. Do Socorro Vale M., Lopes G., Gouveia S. The development of a digestion procedure for the determination of metals in gum obtained from deposits in internal combustion engines by ICP-OES / Fuel Vol. 88. № 10. 2009. P.1955-1960.

14. Maduro C., Vale G., Alves S., Galesio M. Determination of Cd and Pb in biological reference materials by electrothermal atomic absorption spectrometry: A comparison of

three ultrasonic-based sample treatment procedures / Talan-ta. 2006. Vol.68. № 4. Р.П56-П61.

15. Turkmen M., Ciminli C. Determination of metals in fish and mussel species by inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry / Food Chemistry. 2007. Vol. 103. № 2. P. 670-675.

16. Мальцев А.С., Бахтеев С.А., Юсупов Р.А. Определение следовых элементов в сгущенном молоке методом рентгенофлуоресцентного анализа с полным внешним отражением / Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 11. С. 76-78.

17. Мальцев А.С., Бахтеев С.А., Юсупов Р.А. Определение токсичных элементов в вине методом рентгенофлу-оресцентного анализа с полным внешним отражением /Вестник технологического университета. 2016. Т. 19. № 12. С. 60-62.

18. Пупышев А.А. Атомно-абсорбционный спектральный анализ.-М.: Техносфера, 2009. - 784 с.

19. Al Khalifa A., Ahmad D. Determination of key elements by ICP-OES in commercially available infant formulae and baby foods in Saudi Arabia / African Journal of Food Science. 2010. Vol.4 (7). P. 464-468.

20. Birghila S., Dobrinas S., Stanciu G., Soceanu A. Determination of major and minor elements in milk through ICP-AES / Environmental Engineering and Management Journal. 2008. Vol.7. № 6. P. 805-808.

21. Kira C.S., Maihara V.A. Determination of major and minor elements in dairy products through inductively coupled plasma optical emission spectrometry after wet partial digestion and neutron activation analysis / Food Chemistry. 2007. Vol.100. № 1. P. 390-395.

22. Khalil H.M., Seliem A.F. Determination of heavy metals (Pb, Cd) and some trace elements in milk and milk products collected from Najran region in K.S.A. / Life science journal. 2013. Vol.10. № 2. P. 648-652.

23. Tanabe C., Silva F., Grilleland G., Nelson J. Determination of major elements in milk using the Agilent 4200 MP-AES / Agilent technologies. Application note. 2015.

24. Farid S.M., Enani M.A., Wajid S.A. Determination of trace elements in cow's milk in Saudi Arabia / JKAU: Eng.Sci. 2004. Vol.15. № 2. P.131-140.

25. Schiavo D., Donati G., Amais R. Direct analysis of milk using the Agilent 4100 microwave plasma-atomic emission spectrometer (MP-AES) / Agilent technologies. Application note. 2013

26. Мальцев А.С., Махмуд Башар Абдулазиз, Бахтеев С.А., Юсупов Р.А.Анализ концентраций токсичных элементов в молоке методом РФА ПВО/Вестник технологического университета. 2015. Т.18. № 20. С.117-118.

27. Ryan A. The Direct Analysis of Milk Powder on the Liberty Series II ICP-OES with the Axially-Viewed Plasma / Agilent technologies. Application note. 2010.

28. Gross A., Stosnach H. Lab Report XRF 434 S2 PICO-FOX. Trace elements in biological matrices and their impact in clinical chemistry / Bruker AXS Microanalysis GmbH, Berlin. [Электронный ресурс]: http://www.bruker-axs.de/uploads/tx_linkselectorforpdfpool/LR_XRF_434_Bio logical_Matrices_low_res.pdf

29. Вильданов А.Ф., Махмуд Б.А., Мальцев А.С., Иванов В.Т., Бахтеев С.А., Юсупов Р.А.Метрологическое обеспечение определения ионов свинца в воде с низкой минерализацией методом РФА ПВО /Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 45. № 3. С. 143-152.

30. Мальцев А. С., Махмуд Б. А., Бахтеев С. А., Юсупов Р. А. Автоматизация метрологического обеспечения результата анализа. Бутлеровские сообщения / 2016. Т.48. №12. С.121-126.

31. Малихова М.Р., Мальцев А.С., Смердова С.Г., Бахтеев С.А. Определение кадмия в водных растворах методом РФА с полным внешним отражением на приборе S2 PICOFOX / Вестник технологического университета. 2016. Т.19. №19. С. 11-13.

© А. С. Мальцев - магистрант каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, artemmaltsev1@gmail.com; С. А. Бахтеев - к.х.н. асс. той же кафедры, said-bah@yandex.ru; Р. А. Юсупов - д.х.н., проф. той же кафедры, yusupovraf@yandex.ru.

© A. S. Maltsev - undergraduate of Department of Analytical Chemistry, Certification and Quality Management, ar-temmaltsev1@gmail.com; S. A. Bakhteev - Ph.D. ass.of the same department, said-bah@yandex.ru; R. A. Yusupov - Dr. Sci. (Chem.), prof. of the same department, yusupovraf@yandex.ru.