Ανάπτυξη μεθόδων προσδιορισμού ιχνοστοιχείων σε τρόφιμα φυτικής προέλευσης με την τεχνική της φασματοσκοπίας ατομικής εκπομπής επαγωγικά συζευγμένου πλάσματος

Abstract

- In this contribution, different digestion procedures were thoroughly investigated and accurately evaluated with respect to their effect on the analysis of the most commonly consumed commercial food samples. After preliminary study of CRM’s, the four most effective procedures (two wet digestion and two dry ashing methods) that gave complete sample dissolutions (analyte transfer into solution) were selected and further developed for simultaneous determination of essential (Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Zn), non-essential (Ag, Al, Ba, Bi, Ga, In) and toxic (Cd, Pb) trace elements in cereal, legume and nut samples by ICP-AES (Perkin-Elmer Optima 3100XL with axial viewing). These included wet digestion with HNO3/H2SO4 and HNO3/H2SO4/H2O2, and dry ashing with Mg(NO3)2 and Mg(NO3)2/HNO3. 2- The selected procedures are proved to be simple (easy procedures: 0.5 g sample + with or without H2O2 and HNO3/H2SO4 for wet digestion and 3.0 g sample + with or without HNO3 and ethanolic solution of Mg(NO3)2 for dry ashing), accurate (relative error < 15 %), precise (RSD < 9 %), low detection limits (LOD < 0.8 μg g-1), reliable (highly confidence procedures), rapid (< 1 - 2 h) and simultaneous multi-element analysis procedures (14 elements). 3- Some of food materials are easily mineralized, while others require severe conditions for complete decomposition. A similar dependence on the sample type was reported in the literature for different food materials. 4- Two calibration (aqueous standard and standard addition solutions) procedures were studied for each analyte. Calibrations after standard addition were preferable to those using aqueous standards for all analytes because of spectral or chemical interferences. 5- All analytes were measured in two different emission lines [either atomic (I) or ionic (II)]. This helped to select wavelengths of no spectral interferences. Higher sensitivity for each element was observed at the following spectral lines: Ag I at 328.068 nm, Al I at 237.313 nm, Ba II at 233.527 nm, Bi I at 223.061 nm, Cd II at 226.502 nm, Cr II at 284.325 nm, Cu I at 324.752 nm, Ga I at 294.364 nm, In I at 325.609 nm, Fe II at 238.204 nm, Mg II at 279.077 nm, Mn II at 259.372 nm, Pb I at 217.000 nm, Zn I at 213.857 nm. 6- Experimental designs (2-level, 6 factors for wet digestion methods and 5 factors for dry ashing methods) were used for identifying the critical factors in determining the response variables of interest and to select optimized digestion conditions for food samples. These variables were optimized by Plackett-Burman fractional factorial design, which involve 8 experiments. The variables HNO3, and H2O2 volume and also the digestion time were found to be the most important parameters for the wet digestion procedures, while for the dry ashing procedures, the volume of ethanolic solution of Mg(NO3)2 and the digestion time were found to be the most important parameters. For the two wet digestion procedures the optimum volume of HNO3 was found to be 4 mL, while the optimum volume of H2O2 was 1 mL. The optimum digestion time was found to be 2 h. Moreover, for the dry ashing procedures the optimum volume of ethanolic solution of Mg(NO3)2 was found to be 6 mL for DA1 and 2 for DA2, while the optimum digestion time was found to be 2 - 3 h for the two procedures. 7- It was indicated that Cu and Zn are analytes requiring more rigorous investigation before methods validation and selection of digestion conditions (i.e., important consideration for the digestion conditions). On the other hand, Al, Cd, Fe, Cr and Mn are analytes that require careful control for the digestion conditions. Ba, Bi, Ga, In and Mg are analytes presenting the least difficulty, providing that no significant effects of the variables studied were observed at any of the selected levels.

Στο πλαίσιο της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν αναλυτικές μέθοδοι για την ανάλυση βασικών φυτικών τροφών, όπως δημητριακών, όσπρίων και ξηρών καρπών. Αναπτύχθηκε μια απλή και εύκολη διαδικασία: (0,5 g δείγματος + με ή χωρίς H2O2 και HNO3/H2SO4) για την υγρή πέψη και (3,0 g δείγματος + με ή χωρίς HNO3 και αιθανολικό διάλυμα Mg(NO3)2) για την τεφροποίηση. Η μέθοδος έχει ικανοποιητική ακρίβεια (σχετικό λάθος < 15 %), πιστότητα (RSD < 9 %), χαμηλά όρια ανίχνευσης (< 0,8 μg g-1), και είναι γρήγορη (< 1 - 2 h). Επιτυγχάνεται ο πολυστοιχειακός προσδιορισμός κύριων (Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Zn), δευτερευόντων (Ag, Al, Ba, Bi, Ga, In) και τοξικών (Cd, Pb) ιχνοστοιχείων στα δημητριακά, όσπρια και δείγματα ξηρών καρπών με την τεχνική ICP-AES. Σε αυτή τη μελέτη, τέσσερις διαφορετικές διαδικασίες χώνεψης μελετήθηκαν και εκτιμήθηκαν για την ακρίβειά τους όσον αφορά στην επίδραση τους στον προσδιορισμό των περισσότερων στοιχείων στα δείγματα που υπάρχουν στο εμπόριο. Αυτές οι μέθοδοι περιλαμβάνουν την υγρή πέψη με HNO3/H2SO4 και HNO3/H2SO4/H2O2, και την αποτέφρωση με Mg(NO3)2 και Mg(NO3)2/HNO3. Μελετήθηκαν δύο διαδικασίες βαθμονόμησης (πρότυπα υδατικά και πρότυπα διαλύματα προσθήκης προτύπου). Οι βαθμονομήσεις μετά από προσθήκη προτύπου προτιμήθηκαν από εκείνες με τα πρότυπα υδατικά διαλύματα που μελετήθηκαν για όλα τα στοιχεία. Ο πειραματικός σχεδιασμός (2 - επίπεδα, 6 παράγοντες για τις υγρές μεθόδους και 5 παράγοντες για τις μεθόδους αποτέφρωσης) χρησιμοποιήθηκε για την ταυτοποίηση των κρίσιμων παραγόντων που μας ενδιαφέρουν και για να επιλεχθούν οι βέλτιστες διαδικασίες χώνεψης για τα δείγματα τροφής. Οι συγκεκριμένες μεταβλητές βελτιστοποιήθηκαν μέσω του σχεδιασμού Plackett-Burman saturated fractional factorial (κορεσμένος κλασματικός παραγοντικός σχεδιασμός), ο οποίος περιλαμβάνει 8 πειράματα. Οι μεταβλητές του όγκου των HNO3 και H2O2 και ο χρόνος χώνεψης βρέθηκαν να είναι οι πιο σημαντικοί παράμετροι για τις διαδικασίες υγρής χώνεψης, ενώ για τις διαδικασίες τεφροποίησης, ο όγκος του αιθανολικού διαλύματος Mg(NO3)2 και ο χρόνος χώνεψης βρέθηκαν να είναι οι πιο σημαντικοί παράμετροι. Για τις δύο διαδικασίες υγρής χώνεψης η βέλτιστη ποσότητα του HNO3 βρέθηκε να είναι 4 mL, ενώ η βέλτιστη ποσότητα του H2O2 ήταν 1 mL. Ο βέλτιστος χρόνος χώνεψης βρέθηκε να είναι 2 ώρες. Επιπλέον, για τις διαδικασίες αποτέφρωσης η βέλτιστη ποσότητα όγκου του αιθανολικού διαλύματος Mg(NO3)2 βρέθηκε να είναι 6 mL για την μέθοδο DA1 και 2 mL για την μέθοδο DA2, ενώ ο βέλτιστος χρόνος χώνεψης βρέθηκε να είναι 2 - 3 h για τις δύο διαδικασίες. Όταν βελτιστοποιήσαμε τις συνθήκες χώνεψης, οι συνθήκες οργανολογίας βελτιστοποιήθηκαν επίσης (χρησιμοποιώντας το υπόστρωμα του δείγματος αντί του τυπικού υδατικού διαλύματος), παίρνοντας υπόψη την επαγώμενη ισχύ από ραδιοσυχνότητα (RF), την παροχή του αερίου Ar στον εκνεφωτή και την ταχύτητα αναρρόφησης του δείγματος. Η βέλτιστη τιμή της ισχύος της RF βρέθηκε να είναι 1300 W, ενώ οι βέλτιστες τιμές της ταχύτητας αναρρόφησης του δείγματος και η ταχύτητα ροής του αέριου Αργού στον εκνεφωτή βρέθηκε να είναι 1,0 mL min-1 και 0,8 L min-1 αντιστοίχως. Η καλή συμφωνία μεταξύ των μετρήσεων και των πιστοποιημένων συγκεντρώσεων όσον αφορά το SRM-NIST 1568a (CRM που παρείχε το NIST, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA), IAEA-331 και IAEA-359 (CRM’s που παρείχε το IAEA, International Atomic Energy Agency, Monaco) δείχνουν ότι οι αναλυτικές διαδικασίες που αναπτύχθηκαν είναι κατάλληλες για τον προσδιορισμό των τοξικών και θρεπτικών στοιχείων στα δείγματα αυτά. Παρόλο που αποδεκτά αποτελέσματα βρέθηκαν για όλες τις διαδικασίες που αναπτύχθηκαν, η μέθοδος υγρής χώνεψης με HNO3/H2SO4 συστήνεται για τα δείγματα δημητριακών, ενώ η υγρή πέψη με HNO3/H2SO4/H2O2 συστήνεται για τα δείγματα τα οποία έχουν υψηλή συγκέντρωση λιπιδίων (όπως τα όσπρια και οι ξηροί καρποί). Οι διάφοροι τύποι δειγμάτων οι οποίοι ερευνήθηκαν περιέχουν αρκετά κύρια και δευτερεύοντα ιχνοστοιχεία τα οποία παρέχουν, είτε εξ’ ολοκλήρου είτε μερικώς, όλες τις ελάχιστες απαιτούμενες ποσότητες αυτών των στοιχείων. Οι πληροφορίες των μεταλλικών στοιχείων μπορεί επίσης να είναι χρήσιμες για τον εθνικό οδηγό διατροφής και για να εκτιμηθεί η σημαντικότητα των συγκεκριμένων τροφών σε θεραπευτικές δίαιτες.