СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТАНДАРТНОГО ОБРАЗЦА МАССОВОЙ ДОЛИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G01N1/28 G01N33/48 

Настоящее изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам изготовления стандартных образцов для определения массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции растительного происхождения.

Обеспечение безопасности продуктов питания является одним из приоритетных направлений, определяющих качество жизни и здоровье людей. Тяжелые металлы и их соединения оказывают вредное воздействие на организм человека, они способны накапливаться в тканях организма, вызывая ряд заболеваний. Токсичность тяжелых металлов связана с их физико-химическими свойствами, со способностью к образованию прочных соединений с рядом функциональных группировок на поверхности и внутри клеток.

Пищевые продукты подлежат обязательному контролю на содержание тяжелых металлов (свинец, мышьяк, кадмий, ртуть, олово, медь, хром и др.). Для определения содержания тяжелых металлов в различного вида материалах используются разнообразных методы анализа, в частности, такие как полярографический, колориметрический, атомно-абсорбционный, нейтронно-активационный, метод рентгено-флуоресцентной спектроскопии и др. Получение достоверных результатов измерений в испытательных лабораториях невозможно без использования метрологически обеспеченных средств измерений и применения стандартных образцов, используемых при градуировке средств измерений, контроле точности результатов измерений.

В соответствии с ГОСТ 8.315-97 «Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения», стандартный образец представляет собой средство измерений в виде определенного количества вещества или материала, предназначенное для воспроизведения и хранения размеров величин, характеризующих состав или свойства этого вещества (материала). Стандартный образец состава вещества (материала) представляет собой стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (химических элементов, их изотопов, соединений химических элементов, структурных составляющих и т.п.).

Стандартные образцы состава применяются для испытания, градуировки, калибровки и поверки средств измерений; контроля правильности и прецизионности измерений; валидации и аттестации методик измерений; проверки квалификации (технической компетенции) лабораторий. Стандартные образцы состава веществ и материалов имеют определенные сроки хранения и требуют периодического возобновления.

Известны стандартные образцы, изготовленные на основе водных растворов солей

тяжелых металлов [см., например, Государственный Стандартный Образец (далее ГСО) Ртуть 7879-2001, ГСО Кадмий 7874-2000; ГСО Свинец 7877-2000].

Данные стандартные образцы рассчитаны на проверку работоспособности аналитического оборудования, его калибровку и могут обеспечить надежность результатов анализа в тех случаях, когда исследуемый материал также представляет собой водный раствор тяжелого металла или близок к таковому по своим свойствам.

Указанные стандартные образцы не пригодны для анализа пищевых продуктов и продовольственного сырья, в частности сельхозпродукции, поскольку не учитывают возможного влияния состава пробы на результаты измерений.

Известен способ изготовления стандартных образцов почвы, загрязненной тяжелыми металлами, включающий отбор почвы, сушку, измельчение, усреднение, смешивание с раствором солей тяжелых металлов в азотной кислоте, испарение воды и измельчение (патент на изобретение РФ № 2660861, опубл. 10.07.2018).

Аналогичным образом путем добавления химических соединений готовят стандартные образцы и других исследуемых продуктов, в частности пищевых продуктов и продовольственного сырья.

Недостатком таким образом приготовленных стандартных образцов является то, что они показывают низкую точность результатов измерения, обусловленную неоднородностью распределения загрязняющего соединения по объему органической матрицы. Кроме того, при длительном хранении в связи с разными плотностями органической матрицы и введенного химического соединения, происходит их расслоение, что приводит к еще большему увеличению неоднородности образца.

Известен способ приготовления стандартного образца для анализа ртути (KR20110083044,опубл.11.07.2012). Способ включает предварительную обработку поверхности материала, измельченного до порошкообразного состояния соединениями серы или галогенов с последующей адсорбцией соединений ртути. Это позволяет увеличить однородность распределения соединений ртути в образце, а также стабильность хранения образца.

Недостатком известного решения также является расслоение введенных химических соединений и органической матрицы анализируемой пробы, что приводит к увеличению неоднородности образца.

Известен способ получения биологического референтного материала для производства стандартных образцов состава жидкой биологической среды (патент РФ №2646161, опубл. 01.03.2018), включающий введение в организм животного токсичного металла в виде его водорастворимой соли и отбор жидкой биологической среды животного после анализа на содержание в ней токсичного металла, затем осуществляют замораживание полученной композитной жидкой биологической среды, с последующей ее лиофилизацией.

Недостатком известного решения является то, что при анализе порошкообразных проб пищевой продукции (в том числе сельскохозяйственной продукции) не пригодны жидкие биологические стандартные образцы, поскольку они не учитывают другую (пищевую) матрицу, что может повлиять на достоверность получаемых результатов анализа.

Задачей заявляемого решения является получение однородных, стабильных при хранении стандартных образцов сельскохозяйственной продукции.

Техническим результатом заявляемого решения является получение стандартного образца высокой степени однородности распределения тяжелых металлов по объему, обеспечивающего сохранение свойств в течение продолжительного периода времени, составляющего не менее 1 года.

Технический результат достигается за счет способа получения стандартного образца массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции, включающего введение в почву соединений тяжелых металлов в количестве, превышающем предельно-допустимое для данного вида сельскохозяйственной продукции, выращивание сельскохозяйственной продукции на незагрязненном и на загрязненном соединениями тяжелых металлов участках, отбор образцов продукции с каждого участка с последующим высушиванием и измельчением до порошкообразного состояния, определение массовой доли тяжелого металла в образцах, смешение в определенных количествах чистых и загрязненных образцов для получения стандартного образца с заданной массовой долей тяжелого металла.

Способ изготовления стандартного образца массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции включает следующие этапы:

1. Проводится выбор площадки почвы сельскохозяйственного назначения незагрязненного солями тяжелых металлов (либо загрязненного на уровне фоновых содержаний, которое впоследствии учитывается при изготовлении стандартного образца). Осуществляется разделение площадки, по меньшей мере, на два неравных участка, первый из которых (больший по площади) служит для выращивания экологически чистой сельскохозяйственной продукции, другие же участки служат для выращивания загрязненных соединениями тяжелых металлами растений. Каждый из участков загрязняют соединениями тех или иных тяжелых металлов по отдельности. Для этого в почву предварительно перед посадкой вносится в определённом количестве, многократно превышающем (в 50-200 раз) ПДК тяжелых металлов (ртуть, кадмий, свинец и пр.) в сельскохозяйственной продукции, но не превышающего ПДК указанных металлов в почве. Данный интервал является оптимальным и выбран эмпирически на основе многолетних исследований процесса поглощения растениями тяжелых металлов из почв и установление доли тяжелых металлов, которые усваиваются растениями.

2. После получения урожая с данных участков отбирают образцы продукции с каждого участка (загрязненных и чистого), которые подвергают высушиванию до воздушно-сухого состояния. Таким образом, получают референтные образцы продукции.

3. Проводят измельчение референтных образцов сельскохозяйственной продукции до порошкообразного состояния с маркировкой каждого образца по типу загрязнителя или его отсутствию.

4. Проводят анализ подготовленных референтных образцов сельскохозяйственной продукции одним из известных методов анализа на предварительно отградуированном анализаторе.

5. Проводят расчет требуемого значения массовой доли тяжелого металла в образце сельскохозяйственной продукции.

6. Осуществляют изготовление стандартного образца сельскохозяйственной продукции на определение конкретного тяжелого металла. Для этого смешивают референтные образцы загрязненные соединениями тяжелого металла и незагрязненные ими в определенных пропорциях и с учетом влажности проб.

Детальное описание осуществления изобретения приведено на примере изготовления стандартных образцов ртути в картофеле.

Предельно допустимая массовая доля общей ртути в картофеле составляет 0,02 мг/кг. Для загрязнения почвы соединениями ртути весной в каждую лунку при посадке картофеля вносили по 2,0 мг/кг солей ртути, растворенных в 1 дм³ воды.

На подготовленном таким образом участке осуществляли посадку картофеля. Одновременно осуществляли посадку картофеля на участке, не загрязненном солями ртути. От собранного с указанных участков урожая отбирали образцы продукции с последующим их нарезанием на тонкие пластинки и высушиванием до воздушно-сухого состояния.Как известно, разные части растения накапливают в своих тканях различное количество тяжелых металлов. Ввиду высокой степени загрязнения почвы (до 100 ПДК ртути в картофеле и 0,95 ПДК ртути в почве; ПДК ртути в почве 2,1 мг/кг) для дальнейшего приготовления стандартного образца могут быть взяты различные части растения, в том числе и их смесь, однако для обеспечения наилучшего сочетания по плотности предпочтительным является использование одних и тех же частей загрязненного и чистого растения. Далее полученные референтные образцы картофеля измельчали до порошкообразного состояния с использованием мельницы и последующего перетирания пестиком в агатовой ступке для получения однородного порошка. Образцы продукции, выращенной на загрязненной почве, маркировали РефО-Hg. Образцы, выращенные на чистом участке маркировали РефО-чист. Далее определяли влажность полученных образцов РефО-Hg и РефО-чист термогравиметрическим методом.

Градуировку анализатора ртути «Юлия-5К» («Юлия-5КМ») с приставкой «Термо-ПУ» осуществляли с использованием утвержденного типа стандартного образца состава дерновоподзолистой супесчаной почвы ГСО 2498-83/ГСО 2500-83 (комплект СДПС) с аттестованными значениями массовой доли общей ртути (Х₀).

Х₀=0,013 мг/кг (комплект СДПС-1)

Х₀=0,11 мг/кг (комплект СДПС-2)

Х₀=0,29 мг/кг (комплект СДПС-3)

Для градуировки анализаторов ртути может использоваться любой стандартный образец состава почвы (любого типа, подтипа, вида, рода и т.д.) ранга ГСО.

Для каждого аттестованного значения массовой доли общей ртути Х₀ строили градуировочные графики по «методу варьирования массы навески». Градуировочные графики представляют собой линейные зависимости измеряемой оптической плотности атомного пара ртути в кювете анализатора «Юлия-5К» («Юлия-5КМ») от массы общей ртути (в нг) в градуировочной пробе почвы массой «m» в диапазоне от 5 до 25 мг.

От каждой приготовленной партии РефО-Hg и РефО-чист отбирали по 5 образцов разной массы в диапазоне от 5 до 25 мг для определения массовой доли общей ртути. Подготовленные референтные образцы картофеля анализировали на отградуированном анализаторе ртути «Юлия-5К» («Юлия-5КМ») с приставкой «Термо-ПУ». Измерения проводили в соответствии с процедурой, описанной в «Методике измерений массовой доли общей ртути в почвах, пищевых продуктах и продовольственном сырье» атомно-абсорбционным методом (свидетельство об аттестации №253.0195/RA.RU/311866/2019 от 24.09.2019г.). При этом для референтных образцов РефО-Hg использовали градуировочный график с Х₀=0,29мг/кг, а для образцов РефО-чист – градуировочный график Х₀=0,013мг/кг.

Для изготовления стандартных образцов предварительно осуществляли расчет значения массовой доли общей ртути (Х₀) в изготавливаемом стандартном образце состава. Значение Х₀ должно находиться в диапазоне от 0,5 ПДК до 2,0 ПДК в анализируемой сельскохозяйственной продукции (согласно РМГ 57-2003).

Взаимосвязь между Х₀ в изготавливаемом стандартном образце, получаемом путем смешивания референтных образцов картофеля РефО-Hg и РефО-чист и предельно допускаемой массовой долей общей ртути (X_пдк) в анализируемом виде продукции задается следующим соотношением:

, (1)

где К – коэффициент, учитывающий влажность анализируемой рабочей пробы продукта.

Например, для картофеля X_пдк=0,02мг/кг, при влажности 80% К=6,00. Таким образом, Х₀=0,12мг/кг.

Ниже приведена таблица рассчитанных значений Х₀, X_пдк и К для однородных групп сельскохозяйственной продукции.

№№
п/п Наименование сельскохозяйственной продукции X_пдк, мг/кг Влажность, % К Х₀, мг/кг (0,5-2,0) Х₀, мг/кг 1 Зерновые и зернобобовые культуры:
Зерно
Зерно-бобовые 0,03
0,02 10-15
10-15 1,11-1,13
1,11-1,13 0,033-0,034
0,022-0,023 0,0165-0,068
0,011-0,046 2 Плодовоовощная продукция:
Картофель, морковь, яблоки, свекла
Капуста, лук репчатый
Томаты
Огурцы
Чай 0,02
0,02
0,02
0,02
0,1 80
90-94
95
98-99
4-8 6,0
10-18
20
50-100
1,04-1,09 0,12
0,20-0,36
0,40
1,0-2,0
0,104-0,109 0,06-0,24
0,10-0,72
0,20-0,80
0,5-4,0
0,052-0,218

Далее на основании рассчитанных значений массовой доли общей ртути готовили стандартные образцы состава путем смешивания референтных образцов РефО-Hg и РефО-чист в определенных пропорциях и с учетом влажности рабочих проб. Расчет соотношения массы проб РефО-Hg и РефО-чист для получения рассчитанного значения X₀ производили в соответствии со следующими формулами:

, (2)

, (3)

где и (г) – массы проб референтных образцов РефО-чист и РефО- Hg соответственно, и (мг/кг) – массовые доли общей ртути в референтных образцахРефО-чист и РефО- Hg соответственно, (г) – общая масса пробы стандартного образца конкретного вида сельскохозяйственной продукции на содержание общей ртути, (мг/кг) – аттестованное значение массовой доли общей ртути в изготавливаемом стандартном образце.

Для установления значений и после преобразования (1) и (2) получаем формулу следующего вида:

. (4)

Пример: Измеренное значение (мг/кг) в картофеле на приусадебном участке, незагрязненном ртутными соединениями составило 0,0073 мг/кг (при влажности 81% и К=6,4), =1,0 мг/кг,=0,12мг/кг, =28г (определяется вместимостью используемой мельницы).

Применяя формулы (4) и (3), получили следующие данные: =3,34г, =24,66г.

Таким образом, для изготовления стандартного образца состава картофеля на содержание общей ртути на уровне ПДК необходимо взять 24,66г чистого картофеля и 3,34 г загрязненного ртутью картофеля.

Для соответствия требованиям РМГ 57-2003 при создании стандартного образца состава необходимо ориентироваться на диапазон (0,5-2,0) Х₀.

Полученные стандартные образцы фасуют, упаковывают и маркируют.

Аналогичным образом были получены стандартные образцы зерновых, зерно-бобовых и других плодовоовощных культур.

Полученные с использованием заявляемого способа стандартные образцы состава были исследованы на однородность и стабильность.

Для этого от каждой партии стандартных образцов отбирали контрольные образцы. Измерения проводились в соответствии с процедурой, описанной в «Методике измерений массовой доли общей ртути в почвах, пищевых продуктах и продовольственном сырье» атомно-абсорбционным методом (свидетельство об аттестации №253.0195/ RA.RU/ 311866/2019 от 24.09.2019г.).

Однородность и стабильность состава стандартного образца определялась в соответствии с ГОСТ 8.531-2002 и Р 50.2.031-2003. Расчет погрешности стандартного образца проводился по РМГ 93-2015.

Отобранные контрольные образцы показали высокие результаты по однородности и стабильности состава. Материал стандартного образца был однороден и стабилен в течение всего срока годности экземпляра стандартного образца, составляющего 1 год.

Преимущества заявляемого способа получения стандартного образца массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции обеспечиваются созданием органической матрицы загрязненной тяжелыми металлами из почвы, в то время как существующие методы применяют введение химических соединений. Поглощение корнями растения загрязняющих веществ обеспечивает внедрение их в органическую матрицу. Дальнейшее смешение загрязненной органической матрицы с чистой органической матрицей ввиду схожести структуры и плотности исключает расслаивание образца. Кроме того, данный метод позволяет получить даже очень малые значения массовой доли тяжелых металлов в составе стандартного образца (на уровне фоновых содержаний) при сохранении его однородности по объему. Это связано с тем, что осуществляется смешение по массе порошкообразных навесок загрязненного и чистого продукта.

Изобретение относится к аналитической химии, а именно к способам изготовления стандартных образцов для определения массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции растительного происхождения. Способ включает введение в почву соединений тяжелых металлов в количестве, превышающем предельно-допустимое содержание для данного вида сельскохозяйственной продукции, выращивание сельскохозяйственной продукции на незагрязненном и на загрязненном соединениями тяжелых металлов участках, отбор образцов продукции с каждого участка с последующим высушиванием и измельчением до порошкообразного состояния, определение массовой доли тяжелого металла в образцах, смешение в определенных количествах чистых и загрязненных образцов для получения стандартного образца с заданной массовой долей тяжелого металла. Достигается получение стандартного образца высокой степени однородности распределения тяжелых металлов по объему, обеспечивающего сохранение свойств в течение продолжительного периода времени, составляющего не менее 1 года. 1 табл.

Способ изготовления стандартного образца массовой доли тяжелых металлов в сельскохозяйственной продукции, включающий загрязнение образцов сельскохозяйственной продукции соединениями тяжелых металлов, отличающийся тем, что осуществляют введение в почву соединений тяжелых металлов в количестве, превышающем предельно-допустимое содержание для данного вида сельскохозяйственной продукции, выращивание сельскохозяйственной продукции на незагрязненном и на загрязненном соединениями тяжелых металлов участках, отбор образцов продукции с каждого участка с последующим высушиванием и измельчением до порошкообразного состояния, определение массовой доли тяжелого металла в образцах, смешение в определенных количествах чистых и загрязненных образцов для получения стандартного образца с заданной массовой долей тяжелого металла.