Journal of Analytical ChemistryJournal of Analytical ChemistryЖурнал аналитической химии0044-45023034-512XThe Russian Academy of Sciences65023210.31857/S0044450224040035vbilruORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleChemical sample preparation of plant materials in tunnel-type microwave digestion systems for elemental analysisХимическая пробоподготовка растительных материалов в системах микроволнового разложения туннельного типа для элементного анализаShabanovaE. V.ШабановаЕ. В.
Russian Federation
shev@igc.irk.ruZakA. A.ЗакА. А.
Russian Federation
shev@igc.irk.ruVasil’evaI. E.ВасильеваИ. Е.
Russian Federation
shev@igc.irk.ruVinogradov Institute of Geochemistry, Siberian Branch, Russian Academy of SciencesИнститут геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук1404202479433235131012025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://archivog.com/0044-4502/article/view/650232

Analyzing plant materials is essential for environmental monitoring, analytical control of food products, and medicinal raw materials. A review of global practices has shown that there are still no standard proceedings for chemical sample preparation suitable for all plant types without restrictions on the range of elements determined. Creating a standardized scheme for plants is feasible, as the macro composition of any plants consists of at least 90% organic compounds (cellulose, protein, lipids, etc.), whose mineralization results in the formation of water and a gaseous phase. In this study, certified plant samples were mineralized in a tunnel-type microwave digestion system MultiVIEW (SPC SCIENCE, Canada) with variations in analytical sample sizes, composition and volume of reagents, options for adding the reaction mixture, and vessel heating modes for simultaneous determination of a wide range of elements using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry. The completeness of dissolution (the degree of correspondence between found and certified contents) was used as one of the criteria for the optimality of sample preparation conditions. It was shown that with a three-stage heating regime of the vessels (heating rate at the first stage 2.76 оC/min) with a sample weight of 0.5 g and separate sequential addition of the reaction mixture (4 ml HNO3, 1.5 ml H2O2, 1 ml HCl, and 0.05 ml HF), it is possible to reliably determine typical plant contents of Si, Al, Mg, Ca, Fe, Na, K, Ba, Sr, Rb, P, B, Mn, Ti, Ni, V, Cu, Zn.

Анализ растительных материалов необходим при экологическом мониторинге, аналитическом контроле продуктов питания и лекарственного сырья. Изучение мирового опыта показало, что до сих пор отсутствуют единые схемы химической пробоподготовки, одновременно пригодные для всех типов растений без ограничения круга определяемых элементов. Создание унифицированной схемы пробоподготовки растений возможно, так как макросостав любых растений представлен не менее чем на 90 мас. % органическими соединениями (клетчатка, белок, липиды и др.), минерализация которых приводит к образованию воды и газовой фазы. В данной работе сертифицированные образцы растений минерализованы в системе микроволнового разложения туннельного типа MultiVIEW (SPC SCIENCE, Канада) при вариациях аналитических навесок, состава и объема реагентов, вариантов добавления реакционной смеси, режимов нагрева сосудов для одновременного определения широкого круга элементов методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Оценка полноты растворения (степень соответствия найденных и аттестованных содержаний) использована в качестве одного из критериев оптимальности условий пробоподготовки. Показано, что при трёхступенчатом режиме нагрева сосудов (скорость нагрева на первой ступени 2.76 оС/мин) с навеской 0.5 г и раздельно-последовательном добавлением реакционной смеси (HNO3 4 мл, H2O2 1.5 мл, HCl 1 мл и HF 0.05 мл) возможно надёжное определение типичных для растений содержаний Si, Al, Mg, Ca, Fe, Na, K, Ba, Sr, Rb, P, B, Mn, Ti, Ni, V, Cu, Zn.

plant materialstunnel-type microwave digestion systemelemental analysisinductively coupled plasma atomic emission spectrometryрастительные материалысистема микроволнового разложения туннельного типаэлементный анализатомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмойПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian Federation0284-2021-0005Васильева И.Е., Шабанова Е.В. Стандартные образцы растительных материалов – инструмент обеспечения единства химических измерений // Журн. аналит. химии. 2021. Т. 76. № 2. С. 99. https://doi.org/10.31857/s0044450221020146 (Vasil’eva I.E., Shabanova E.V. Plant-matrix certified reference materials as a tool for ensuring the uniformity of chemical measurements // J. Anal. Chem. 2021. V. 76. № 2. P. 137. https://doi.org/10.1134/S1061934821020143)НСАМ № 512-МС Определение элементного состава образцов растительного происхождения (травы, листья) атомно-эмиссионным и масс-спектральным методами анализа. М.: Изд-во ФНМЦ ВИМС, 2011. 50 с.Васильева И.Е. Шабанова Е.В. Определение микроэлементов в растениях методом дуговой атомно-эмиссионной спектрометрии // Аналитика и контроль. 2019. Т. 23. № 3. С. 298. https://doi.org/10.15826/analitika.2019.23.3.011Baffi C., Bettinelli M., Beone G.M., Spezia S. Comparison of different analytical procedures in the determination of trace elements in lichens // Chemosphere. 2002. V. 48. № 3. P. 299. https://doi.org/10.1016/S0045-6535(02)00094-2Sucharová J., Suchara I. Determination of 36 elements in plant reference materials with different Si contents by inductively coupled plasma mass spectrometry: Comparison of microwave digestions assisted by three types of digestion mixtures // Anal. Chim. Acta. 2006. V. 576. № 2. P. 163. https://doi.org/10.1016/j.aca.2006.06.004Enamorado-Báez S.M., Abril J.M., Gómez-Guzmán J.M. Determination of 25 trace element concentrations in biological reference materials by ICP-MS following different microwave-assisted acid digestion methods based on scaling masses of digested samples // ISRN Anal. Chem. V. 2013. Article 851713. https://doi.org/10.1155/2013/851713Nóbrega J.A., Pirola C., Fialho L.L., Rota G., De Campos Jordão CEKMA, Pollo F. Microwave-assisted digestion of organic samples: How simple can it become? // Talanta. 2012. V. 98. № 8. P. 272. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2012.06.079Кубракова И.В., Торопченова Е.С. Микроволновая подготовка проб в геохимических и экологических исследованиях // Журн. аналит. химии. 2013. Т. 68, № 6. С. 524. https://doi.org/10.7868/S0044450213060091 (Kubrakova I.V., Toropchenova E.S. Microwave sample preparation for geochemical and ecological studies // J. Anal. Chem. 2013. V. 68. № 6. P. 467. https://doi.org/10.1134/S1061934813060099)Rocha D.L., Batista A.D., Rocha F.R.P., Donati G.L., Nóbrega J.A. Greening sample preparation in inorganic analysis // Trends Anal. Chem. 2013. V. 45. № 4. P. 79. https://doi.org/10.1016/j.trac.2012.12.015Deaker M., Maher W. Determination of arsenic in arsenic compounds and marine biological tissues using low volume microwave digestion and electrothermal atomic absorption spectrometry // J. Anal. At. Spectrom. 1999. V. 14. P. 1193. https://doi.org/10.1039/a903790jVasil’eva I.E., Shabanova E.V., Byambasuren T., Khuukhenkhuu B. Elemental profiles of wild Thymus L. plants growing in different soil and climate conditions // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 8. Article 3904. https://doi.org/10.3390/APP12083904Momen A.A., Zachariadis G.A., Anthemidis A.N., Stratis J.A. Optimization and comparison of two digestion methods for multi-element analysis of certified reference plant materials by ICP-AES. Application of Plackett-Burman and central composite designs // Microchim. Acta. 2008. V. 160. P. 397. https://doi.org/10.1007/s00604-007-0776-1Hoenig M. Preparation steps in environmental trace element analysis – facts and traps // Talanta. 2001. V. 54. № 6. P. 1021. https://doi.org/10.1016/S0039-9140(01)00329-0Todolí J.L., Mermet J.M. Acid interferences in atomic spectrometry: Analyte signal effects and subsequent reduction // Spectrochim. Acta B. 1999. V. 54. № 6. P. 895. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(99)00041-5Ohlsson K.E.A. Uncertainty budget for multi-elemental analysis of plant nutrients in conifer foliar material using inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES) // Accreditation. Qual. Assur. 2012. V. 17. № 3. P. 301. https://doi.org/10.1007/s00769-011-0859-xНиколаева И.В., Кравченко А.А., Палесский С.В., Нечепуренко С.Ф., Семенова Д.В. Элементный анализ растительных стандартных образцов методами масс-спектрометрии и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой // Заводск. лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 6. С. 11. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-6-11-24Huang L., Bell R.W., Dell B., Woodward J. Rapid nitric acid digestion of plant material with an open-vessel microwave system // Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2004. V. 35. № 3-4. P. 427. https://doi.org/10.1081/CSS-120029723Zengin M., Ozcan M.M., Cetin U., Gezgin S. Mineral contents of some aromatic plants, their growth soils and infusions // J. Sci. Food Agric. 2008. V.88. № 4. P. 581. https://doi.org/10.1002/jsfa.3120Thodhal Yoganandham S., Raguraman V., Muniswamy G.K., Sathyamoorthy G., Rajan Renuka R., Chidambaram J., Rajendran T., Chandrasekaran K., Santha Ravindranath R.R. Mineral and trace metal concentrations in seaweeds by microwave-assisted digestion method followed by quadrupole inductively coupled plasma mass spectrometry // Biol. Trace Elem. Res. 2019. V. 187. № 2. P. 579. https://doi.org/10.1007/s12011-018-1397-8Barin J.S., Pereira J.S.F., Mello P.A., Knorr C.L., Moraes D.P., Mesko M.F., Nóbrega J.A., Korn M.G.A., Flores E.M.M. Focused microwave-induced combustion for digestion of botanical samples and metals determination by ICP OES and ICP-MS // Talanta. 2012. V. 94. № 5. P. 308. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2012.03.048Hansen T. H., Laursen K. H., Persson D. P., Pedas P., Husted S., Schjoerring J. K. Micro-scaled high-throughput digestion of plant tissue samples for multi-elemental analysis // Plant Methods. 2009. V. 5. № 12. P. 1. https://doi.org/10.1186/1746-4811-5-12Bocca B., Conti M.E., Pino A., Mattei D., Forte G., Alimonti A. Simple, fast, and low-contamination microwave-assisted digestion procedures for the determination of chemical elements in biological and environmental matrices by sector field ICP-MS // Int. J. Environ. Anal. Chem. 2007. V. 87. №. 15. P. 1111. https://doi.org/10.1080/03067310701485416Araújo G.C.L, Gonzalez M.H., Ferreira A.G., Nogueira A.R.A., Nóbrega J.A. Effect of acid concentration on closed-vessel microwave-assisted digestion of plant materials // Spectrochim. Acta B. 2002. V. 57. № 12. P. 2121. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(02)00164-7Bressy F.C., Brito G.B., Barbosa I.S., Teixeira L.S.G., Korn M.G.A. Determination of trace element concentrations in tomato samples at different stages of maturation by ICP OES and ICP-MS following microwave-assisted digestion // Microchem. J. 2013. V. 109. № 7. P. 145. https://doi.org/10.1016/j.microc.2012.03.010Alnaimat A.S., Barciela-Alonso M.C., Herbello-Hermelo P., Domínguez-González R., Bermejo-Barrera P. In vitro assessment of major and trace element bioaccessibility in tea samples // Talanta. 2021. V. 225. № 4. Article 122083. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2021.122083Feng X., Wu S., Wharmby A., Wittmeier A. Microwave digestion of plant and grain standard reference materials in nitric and hydrofluoric acids for multi-elemental determination by inductively coupled plasma mass spectrometry / J. Anal. At. Spectrom. 1999. V. 14. № 6. P. 939. https://doi.org/10.1039/a804683bKonieczynski P., Wesolowski M., Radecka I., Rafalski P. Bioavailable inorganic forms of essential elements in medicinal plants from Northern Poland // Chem. Speciat. Bioavailab. 2011. V. 23. № 2. P. 61. https://doi.org/10.3184/095422911X13026925862779US-EPA, Method 3052: Microwave assisted acid digestion of siliceous and organically based matrices. Washington, DC USA: United States Environmental Protection Agency, 1996.Krachler M., Mohl C., Emons H., Shotyk W. Analytical procedures for the determination of selected trace elements in peat and plant samples by inductively coupled plasma mass spectrometry // Spectrochim. Acta B. 2002. V. 57. № 8. P. 1277. https://doi.org/10.1016/S0584-8547(02)00068-XVäisänen A., Laatikainen P., Ilander A., Renvall S. Determination of mineral and trace element concentrations in pine needles by ICP-OES: evaluation of different sample pre-treatment methods // Int. J. Environ. Anal. Chem. 2008. V. 88. № 14. P. 1005. https://doi.org/10.1080/03067310802308483Domínguez-González R., Moreda-Piñeiro A., Bermejo-Barrera A., Bermejo-Barrera P. Application of ultrasound-assisted acid leaching procedures for major and trace elements determination in edible seaweed by inductively coupled plasma-optical emission spectrometry // Talanta. 2005. V. 66. № 4. P. 937. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2004.12.051Helaluddin A., Khalid R.S., Alaama M., Abbas S.A. Main analytical techniques used for elemental analysis in various matrices // Trop. J. Pharm. Res. 2016. V. 15. P. 427. https://doi.org/10.4314/tjpr.v15i2.29Shabanova E.V., Vasil’eva I.E., Tausenev D.S., Scherbarth S., Pierau U. Features of the “Plants” cluster in the collection of reference materials of Vinogradov institute of geochemistry SB RAS / Reference Materials in Measurement and Technology. Cham, Switzerland: Springer International Publishing, 2022. P. 161. https://doi.org/10.1007/978-3-031-06285-8_13