ICP-MS法測(cè)定食品級(jí)殼聚糖中的微量雜質(zhì)元素

聶西度， 符 靚

1. 湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程系， 湖南 衡陽 421002

2. 長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 408100

ICP-MS法測(cè)定食品級(jí)殼聚糖中的微量雜質(zhì)元素

聶西度1， 符 靚2*

1. 湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程系， 湖南 衡陽 421002

2. 長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 408100

建立了電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法直接測(cè)定食品級(jí)殼聚糖中雜質(zhì)元素的分析方法。 殼聚糖用3%的檸檬酸溶解并加入低濃度鹽酸后， 采用ICP-MS法直接測(cè)定其中的Be， Na， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb等20種雜質(zhì)元素。 鹽酸的使用有效地改善了元素的穩(wěn)定性， 尤其是Hg和Sn。 選擇動(dòng)態(tài)反應(yīng)池(DRC)技術(shù)消除了氯離子干擾以及其他質(zhì)譜干擾， 采用基體匹配法并通過加入Sc， Y， In， Bi內(nèi)標(biāo)元素混合溶液補(bǔ)償了樣品傳輸效率的差異以及有機(jī)溶劑蒸發(fā)速率的影響。 在選定的工作條件下， 20種元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程具有良好的線性關(guān)系， 線性相關(guān)系數(shù)不小于0.999 7， 各元素的檢出限在0.64～19.01 ng·L-1之間， 加標(biāo)回收率在89.50%～109.00%之間， 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)在1.17%～4.05%之間， 實(shí)際樣品分析結(jié)果顯示， 食品級(jí)殼聚糖中雜質(zhì)元素的含量較低， 其中重金屬元素的含量很低， 食用安全。 該方法能簡(jiǎn)便、 靈敏、 準(zhǔn)確地測(cè)定食品級(jí)殼聚糖中的20種雜質(zhì)元素。

殼聚糖； 電感耦合等離子體質(zhì)譜； 檸檬酸； 鹽酸； 雜質(zhì)元素

引 言

殼聚糖是天然線性多糖甲殼素的衍生物， 一般而言， 脫去55%以上的N-乙酰氨基的甲殼素就被稱為殼聚糖[1]。 殼聚糖具有多糖分子的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)， 形成了與膳食纖維素相似的特性， 作為自然界中唯一的堿性多糖， 在與酸作用時(shí)， 其長(zhǎng)鏈上的—NH2可形成陽離子基團(tuán)， 可改善酸性體質(zhì)， 有利于維持機(jī)體正常的pH值， 而殼聚糖所具有的抗菌性和抗氧化性以及成膜性在食品工業(yè)領(lǐng)域顯示了極好的應(yīng)用前景。 與其他高分子聚合物相比較， 殼聚糖安全無毒、 生物兼容性好且具有可降解性， 在醫(yī)藥、 食品、 生物、 農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)等行業(yè)應(yīng)用十分廣泛[2-4]。

殼聚糖分子鏈中存在的大量—NH2和—OH基等官能團(tuán)可以借助氫健和離子健形成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的籠形分子， 從而對(duì)金屬離子產(chǎn)生穩(wěn)定的配位作用， 特別是能與重金屬離子形成穩(wěn)定的五環(huán)狀螯合物， 因此， 殼聚糖是高性能金屬離子吸附劑[5]。 食品級(jí)殼聚糖本身不含金屬元素， 但受殼聚糖原料來源、 加工工藝和加工運(yùn)輸環(huán)境的影響， 以及對(duì)金屬元素強(qiáng)大的富集作用， 食品級(jí)殼聚糖中必將存在金屬雜質(zhì)元素， 其含量的高低關(guān)系著食品的食用安全， 有必要對(duì)食品級(jí)殼聚糖中的金屬雜質(zhì)元素進(jìn)行分析。

殼聚糖不溶于水， 能與酸作用發(fā)生—NH2質(zhì)子化反應(yīng)生成鹽溶于水， 具有陽離子性和良好的成膜性[6]， 但殼聚糖在無機(jī)酸中的溶解速度較慢， 常規(guī)方法是加熱促進(jìn)其完全溶解， 而冷卻后又會(huì)有沉淀析出， 不利于溶液的穩(wěn)定。 有研究表明低濃度有機(jī)酸對(duì)無機(jī)元素的質(zhì)譜行為有增敏效應(yīng)[7]， 且殼聚糖易溶于有機(jī)酸。 本實(shí)驗(yàn)采用檸檬酸溶解樣品， 應(yīng)用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法測(cè)定了食品級(jí)殼聚糖中的Be， Na，， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb等雜質(zhì)元素， 通過加入少量鹽酸改善了許多元素的穩(wěn)定性， 尤其是元素Hg和Sn， 確保了樣品溶液的長(zhǎng)期穩(wěn)定； 利用動(dòng)態(tài)反應(yīng)池(DRC)技術(shù)校正了樣品中氯化物基質(zhì)存在所產(chǎn)生的干擾及其他質(zhì)譜干擾； 采用內(nèi)標(biāo)元素混合溶液補(bǔ)償了樣品傳輸效率的差異以及有機(jī)溶劑蒸發(fā)速率的影響。 建立了食品級(jí)殼聚糖中多種雜質(zhì)元素快速準(zhǔn)確測(cè)定的新方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

鹽酸： MOS級(jí)， 北京化學(xué)試劑研究所； 檸檬酸： 分析純， 廣州化學(xué)試劑廠； 超純水： Milli-Q超純水機(jī)制備。

Be， Na， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb標(biāo)準(zhǔn)溶液： 1 000 mg·L-1， 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

Sc， Y， In， Bi內(nèi)標(biāo)溶液： 100 μg·L-1， 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心。

Mg， Cu， Rh， Cd， In， Ba， Ce， Pb， U質(zhì)譜調(diào)諧液： 10 μg·L-1， 美國(guó)PerkinElmer公司。

1.2 儀器

SCIEX ELAN DRCe電感耦合等離子體質(zhì)譜儀： 美國(guó)PerkinElmer公司， 采用質(zhì)譜調(diào)諧液調(diào)諧優(yōu)化后的質(zhì)譜工作參數(shù)見表1； Milli-Q超純水機(jī)： 美國(guó)Millipore公司。

表1 ICP-MS儀器的工作參數(shù)

1.3 方法

稱取約0.5 g食品級(jí)殼聚糖于100 mL容量瓶中， 加入2.0 mL鹽酸， 用3%的檸檬酸溶液定容， 搖勻后直接上機(jī)測(cè)定， 同時(shí)做試劑空白。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)溶劑對(duì)元素分析信號(hào)的影響

使用3%檸檬酸溶液溶解殼聚糖樣品， 樣品溶液中有機(jī)溶劑的濃度約為4%， 與水溶液相比較， 有機(jī)溶劑的飽和蒸氣壓較高， 為防止在等離子體燃燒過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象， 通常使用小內(nèi)徑窄炬管， 但通道變窄， 樣品在等離子體炬管內(nèi)的運(yùn)行速度也會(huì)變快， 穿過等離子體高溫區(qū)的時(shí)間也會(huì)變短， 影響樣品的電離效率， 各元素的靈敏度也會(huì)相應(yīng)受損。 殼聚糖樣品的粘度較高， 影響會(huì)更為明顯； 另外， 有機(jī)樣品的直接進(jìn)樣在質(zhì)譜錐接口以及透鏡系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的積碳現(xiàn)象， 從而影響信號(hào)的穩(wěn)定， 通常在等離子氣中輔助加氧以消除積碳[8]。 本實(shí)驗(yàn)為獲得最大的靈敏度， 采用常規(guī)內(nèi)徑等離子體炬管， 配制由低、 中、 高質(zhì)量易電離元素和難電離元素組成的Be 1.0， Na 1.5， As 2.0， Sn 2.5， Hg 3.0， Pb 3.5 μg·L-1混合標(biāo)準(zhǔn)溶液， 考察了各元素在樣品溶液中120 min內(nèi)分析信號(hào)的穩(wěn)定情況， 結(jié)果見圖1。 6個(gè)待測(cè)元素的分析120 min內(nèi)均接近真值， 表明本實(shí)驗(yàn)中低濃度有機(jī)試劑對(duì)待測(cè)元素的分析信號(hào)基本無影響， 無需使用輔助加氧消除積碳便可維持分析信號(hào)的穩(wěn)定。

圖1 Be， Na， As， Sn， Hg， Pb在樣品消解液中的穩(wěn)定性

2.2 鹽酸的穩(wěn)定作用

由于許多金屬離子能與氯離子形成絡(luò)合物產(chǎn)生穩(wěn)定的配位作用， 加速了金屬離子的溶解或在化學(xué)上更加穩(wěn)定， 因此可在樣品溶液中加入低濃度的鹽酸使這些金屬離子穩(wěn)定。 實(shí)驗(yàn)通過對(duì)比加入2.0 mL鹽酸(約1% HCl)和未加鹽酸的樣品溶液放置24 h后各元素回收率的變化來考察低濃度鹽酸的穩(wěn)定作用， 結(jié)果見圖2。 未加鹽酸時(shí)部分元素的回收率偏低， 而鹽酸的加入則顯著地提高了這些元素的回收率， 尤其是Hg和Sn， 穩(wěn)定作用明顯， 表明低濃度鹽酸的加入能使樣品中的金屬元素的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖2 低濃度鹽酸對(duì)樣品溶液的穩(wěn)定作用

2.3 干擾及消除

本實(shí)驗(yàn)過程中由于鹽酸的使用存在氯離子干擾和其他元素質(zhì)譜干擾， 通過質(zhì)譜調(diào)諧優(yōu)化儀器工作參數(shù)以及同位素的選擇消除了部分干擾， 而對(duì)于仍然存在質(zhì)譜干擾的Mg， K， Ca， Cr， Fe， As等6個(gè)元素采用DRC技術(shù)來校正。 通過向池內(nèi)引入CH4， 調(diào)整DRC工作參數(shù)(見表2)， 較好地校正了其他元素質(zhì)譜干擾。

表2 動(dòng)態(tài)反應(yīng)池的工作參數(shù)

非質(zhì)譜干擾主要來源于基體效應(yīng)， 為了補(bǔ)償樣品傳輸影響以及溶劑蒸發(fā)速率， 實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)溶液中加入3%的檸檬酸以使標(biāo)準(zhǔn)溶液中檸檬酸的含量和樣品匹配， 并通過加入100 μg·L-1的Sc， Y， In， Bi內(nèi)標(biāo)溶液較好地消除了儀器分析信號(hào)的漂移。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線及方法的檢出限

分別配制不同濃度的各待測(cè)元素系列標(biāo)準(zhǔn)溶液， 采用本法測(cè)定， 并以各待測(cè)元素信號(hào)強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的關(guān)系做標(biāo)準(zhǔn)工作曲線并進(jìn)行線性回歸分析。 表3結(jié)果表明， 所得各標(biāo)準(zhǔn)曲線方程的線性相關(guān)系數(shù)不小于0.999 7， 線性關(guān)系良好； 各元素的檢出限在0.64～19.01 ng·L-1之間， 檢出限低。

表3 待測(cè)元素的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的線性相關(guān)系數(shù)和檢出限

Table 3 Linear correlation coefficient of standard working curve and detection limits of analytes

元素R2檢出限/(ng·L-1)Be0 99990 81Na0 999810 62Mg1 000012 73K0 99996 32Ca1 00008 05Ti1 00005 71V0 999911 50Cr0 999716 17Mn0 99983 49Fe1 000013 62Co0 99990 64Ni1 00009 13Cu1 000015 56Zn0 999819 01As0 99993 92Cd1 00006 71Sn0 99999 25Sb1 00006 32Hg0 99972 87Pb0 99992 12

2.5 分析結(jié)果、 準(zhǔn)確度與精密度

為驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確度與精密度， 選取兩個(gè)食品級(jí)殼聚糖樣品重復(fù)測(cè)定6次， 通過加標(biāo)計(jì)算各元素的回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)來驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確度和精密度， 結(jié)果見表4。

表4 分析結(jié)果、 準(zhǔn)確度與精密度

“ND”： 未檢出

從表4可以看出， 兩個(gè)食品級(jí)殼聚糖中無機(jī)雜質(zhì)元素的含量較低， 所有檢出來的元素均處于ng級(jí)， 其重金屬含量遠(yuǎn)低于GB 29941-2013所規(guī)定的限量標(biāo)準(zhǔn)。 樣品的加標(biāo)回收結(jié)果顯示， 方法的回收率在89.50%～109.00%之間， RSD為1.17%～4.05%， 準(zhǔn)確度好， 精密度高。

3 結(jié) 論

采用ICP-MS法測(cè)定了食品級(jí)殼聚糖中的20個(gè)無機(jī)雜質(zhì)元素， 樣品用檸檬酸溶解后即可直接分析， 通過在樣品溶液中加入低濃度鹽酸維持了樣品溶液長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性， 應(yīng)用DRC技術(shù)消除了由于鹽酸的使用所產(chǎn)生的氯離子干擾和其他元素質(zhì)譜干擾， 采用基體匹配并結(jié)合內(nèi)標(biāo)法消除了基體效應(yīng)。 方法簡(jiǎn)便靈敏， 快速準(zhǔn)確， 可用于食品級(jí)殼聚糖中多個(gè)無機(jī)雜質(zhì)元素的日常檢測(cè)。

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Determination of Trace Impurity Elements in Food Grade Chitosan with Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

NIE Xi-du1， FU Liang2*

1. Department of Material and Chemical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China

2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China

A method of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was established to determinate trace impurity elements in chitosan. After dissolving in 3% citric acid and low concentration of HCl, the elements including Be, B, Na, Mg, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sn, Sb, Hg and Pb in chitosan were measured with ICP-MS directly. The addition of low concentration of HCl could effectively improve the stability of all elements, especially Hg and Sn. Dynamic reaction cell (DRC) was used to correct the interference of chlorine ion and other mass spectral interference. The matrix matching and the internal standard elements mixed solution (Sc, Y, In and Bi) had compensated the difference of sample transfer efficiency and evaporation rate of organic solvent. Under the optimum condition, the standard curve of each element exhibits linear correlation coefficient was not less than 0.999 7. The detection limit of the 20 elements was in the range of 0.6～19.0 ng·L-1while the recovery of standard addition was 89.50%～109.00% with RSD 1.17%～4.05%. The practical sample analysis results showed that the content of impurities in food grade chitosan is very low. And the heavy metal content is extremely low and safe to eat. This method is very simple, sensitive and accurate for the determination of 20 impurity elements in the food grade chitosan.

Chitosan; Inductively coupled plasma mass spectrometry; Citric acid; Hydrochloric acid; Impurity elements

Jan. 10, 2015; accepted Apr. 21, 2015)

2015-01-10，

2015-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21271187), 重慶市科委前沿與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(cstc2015jcyjA10053, cstc2015jcyjA10038)， 湖南省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(14A035)和湖南省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(湘教發(fā)[2011]76號(hào))資助

聶西度， 1964年生， 湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程系教授 e-mail: nxd1922@vip.sina.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: fuliang@vip.163.com

O657.6

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2621-04

*Corresponding author