電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定鮮奶、酸奶和奶粉中稀土元素

姚春毅,唐錄華,高文惠,*,劇京亞,李玉樸

(1.石家莊海關(guān)技術(shù)中心,河北石家莊 050051;2.河北科技大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050000)

乳及乳制品是人們?nèi)粘Ｉ钪兄匾臓I(yíng)養(yǎng)食品。隨著生活水平的不斷提高,乳及乳制品的需求量不斷增長(zhǎng),同時(shí)人們對(duì)乳及乳制品安全問題也越來(lái)越重視。稀土元素廣泛存在于自然界,從20世紀(jì)初期至今,稀土元素被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。稀土元素作為飼料添加劑被用于畜牧養(yǎng)殖過程中,它具有明顯促進(jìn)畜產(chǎn)動(dòng)物生長(zhǎng)、提高飼料利用率、提高動(dòng)物免疫力、增加產(chǎn)奶量等多種生理作用[1-3]。然而,稀土元素通過食物鏈進(jìn)入人體,在不同器官中蓄積,長(zhǎng)期蓄積的稀土元素會(huì)對(duì)人體健康造成危害。有研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期攝入低劑量稀土,會(huì)導(dǎo)致兒童智力發(fā)育不良、神經(jīng)系統(tǒng)病變以及肝細(xì)胞損傷,甚至引起癌變[4-5]。因此,研究快速、準(zhǔn)確測(cè)定乳及乳制品中稀土元素含量的檢測(cè)方法,對(duì)于維護(hù)消費(fèi)者權(quán)益、保障食品安全、監(jiān)控稀土元素污染等方面具有重要意義。

目前,稀土元素檢測(cè)方法主要有原子熒光光譜法[6]、原子吸收光譜法[7-8]、X射線熒光光譜法[9-10]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法[11-13]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[14-16]。而電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)與其他檢測(cè)技術(shù)相比更具優(yōu)勢(shì),不僅具有檢出限低、靈敏度高、動(dòng)態(tài)線性范圍寬等特點(diǎn),而且可同時(shí)測(cè)定多種元素,檢測(cè)速度快,是目前元素分析技術(shù)中的重要手段。

本方法采用微波消解前處理技術(shù),利用硝酸-雙氧水消解體系快速處理乳及乳制品樣品,并對(duì)儀器檢測(cè)條件進(jìn)行優(yōu)化,以Rh、In、Bi為內(nèi)標(biāo)元素校正基線漂移,氦氣碰撞模式消除多原子離子干擾,采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定乳及乳制品中16種稀土元素。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮奶、酸奶、奶粉樣品 均購(gòu)買市售產(chǎn)品;Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 16種稀土元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(10 μg/mL) 美國(guó)Agilent公司;濃硝酸 BVⅢ級(jí),北京化學(xué)試劑研究所;雙氧水 優(yōu)級(jí)純,北京化學(xué)試劑研究所;銠、銦、鉍單標(biāo)儲(chǔ)備溶液(1000 μg/mL) 國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心鋼鐵研究總院;Li、Y、Ce、Tl、Co混合調(diào)諧溶液(10.0 μg/L) 美國(guó)Agilent公司;柑橘葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10014) 中國(guó)地球物理地球化學(xué)勘查研究所;水 均為電阻率為18.2 MΩ·cm超純水;高純氬氣 純度≥99.999%。

Agilent7500ce電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 美國(guó)Agilent公司;Multiwave 3000微波消解儀 奧地利安東帕公司;Milli-Q超純水制備裝置 美國(guó)Millipore公司;AE240電子天平 瑞士梅特勒公司。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液和內(nèi)標(biāo)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制:將濃度為10 μg/mL稀土元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液用5%硝酸溶液逐級(jí)稀釋,配制成質(zhì)量濃度分別為0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液,同時(shí)以5%硝酸溶液作為空白溶液。

內(nèi)標(biāo)溶液的配制:將濃度為1000 μg/mL的銠、銦、鉍單標(biāo)溶液用5%的硝酸溶液逐級(jí)稀釋,配制成質(zhì)量濃度為1 μg/mL的內(nèi)標(biāo)混合溶液。

1.3 樣品前處理

稱取樣品0.5 g(準(zhǔn)確至0.1 mg),置于微波消解管中,加入6 mL硝酸和2 mL雙氧水,輕輕搖勻,靜置20 min后,擰緊密封蓋,放入微波消解儀中進(jìn)行消解,微波消解儀工作參數(shù)見表1。消解結(jié)束后,冷卻至室溫,慢慢擰開消解帽,排氣,將消解液倒入25 mL容量瓶中,再用超純水洗消解管3～5次,清洗液并入容量瓶,用超純水稀釋至刻度,混勻,備用。同時(shí)做試劑空白。

1.4 儀器分析條件

用10 μg/L Li、Y、Ce、Tl、Co混合調(diào)諧溶液進(jìn)行儀器條件優(yōu)化,優(yōu)化之后的參數(shù)見表2。

表2 儀器條件和工作參數(shù)Table 2 Instrument conditions and working parameters

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算RSD值,用ICP-MS ChemStation(B.04.00)獲取多原子離子干擾物。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸消解體系的選擇

由于乳及乳制品中含有蛋白質(zhì)、脂肪等大量有機(jī)物,基質(zhì)復(fù)雜,如果只使用硝酸來(lái)消解樣品,消解效果較差,消解溶液有沉淀、不澄清。這時(shí)需要將硝酸與另一種氧化劑配合使用以增強(qiáng)消解效果。目前常用的氧化劑有高氯酸、硫酸和過氧化氫。高氯酸具有強(qiáng)氧化性,對(duì)有機(jī)物有很強(qiáng)的破壞作用,但是由于高氯酸不穩(wěn)定,易分解,在微波消解過程中反應(yīng)劇烈,易造成炸管的危險(xiǎn)。硫酸具有氧化性和脫水性,能夠有效分解有機(jī)樣品,但是硫酸在處理乳制品過程中形成不溶性化合物,產(chǎn)生沉淀,并且對(duì)ICP-MS的樣品錐和截取錐有腐蝕作用。過氧化氫是一種強(qiáng)氧化劑,對(duì)有機(jī)物具有較強(qiáng)的分解作用,且分解后只產(chǎn)生氫、氧兩種元素,不會(huì)引入新的干擾物,減少在質(zhì)譜測(cè)定中的干擾。綜上所述,本試驗(yàn)初步選擇HNO3和H2O2作為消解體系。

為了保證樣品消解完全,酸體系的選擇尤為重要;經(jīng)試驗(yàn)證明,消解約0.5 g樣品時(shí),若只使用6 mL濃硝酸消解樣品,則消解液呈深黃色,有肉眼可見不溶物,進(jìn)一步在樣品中加入20 μg/kg稀土混合標(biāo)液驗(yàn)證消解效果,結(jié)果為16種稀土元素的平均回收率在62.5%～81.1%之間,回收率較低,意味著樣品消解效果較差。為了解決上述問題,向硝酸溶液中加入2 mL雙氧水,這時(shí)樣品消解液呈淡黃色,無(wú)肉眼可見不溶物,同樣經(jīng)加標(biāo)回收試驗(yàn)驗(yàn)證,16種稀土元素回收率在90.2%～106.0%之間,樣品消解效果明顯增強(qiáng),結(jié)果見表3。故本試驗(yàn)采用6 mL HNO3和2 mL H2O2作為消解體系。

表3 不同酸消解體系回收率測(cè)定(n=3)Table 3 Determination of recovery rate of different acid digestion systems(n=3)

2.2 同位素的選擇

在電感耦合等離子體質(zhì)譜分析中,大部分元素都存在同位素,優(yōu)先選擇靈敏度高且干擾小的同位素為被測(cè)元素?；谠撨x擇原則,本文選擇45Sc、89Y、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu作為同位素。

2.3 內(nèi)標(biāo)元素的選擇

ICP-MS在分析過程中會(huì)受到樣品基體和儀器信號(hào)漂移的影響,使用內(nèi)標(biāo)元素可以監(jiān)測(cè)信號(hào)漂移,校正樣品基體的影響。內(nèi)標(biāo)元素選擇主要依據(jù):內(nèi)標(biāo)元素的物理化學(xué)性質(zhì)接近被測(cè)元素;內(nèi)標(biāo)元素不應(yīng)受同質(zhì)異位素重疊或多原子離子干擾;有較好的靈敏度,且在樣品中含量最低。按照內(nèi)標(biāo)元素選擇的基本原則,本文選擇103Rh、115In和209Bi 3種元素作為內(nèi)標(biāo)元素,通過在線方式引入內(nèi)標(biāo),儀器自動(dòng)匹配,校正由于儀器受到基體效應(yīng)干擾而產(chǎn)生的信號(hào)漂移,保證儀器信號(hào)的穩(wěn)定性。

2.4 質(zhì)譜干擾和消除

在ICP-MS分析中存在的質(zhì)譜干擾主要是氧化物干擾、多原子離子干擾、雙電荷干擾和同質(zhì)異位素。這些干擾的存在直接影響著測(cè)量準(zhǔn)確性和精密性。通過調(diào)節(jié)載氣流速、輔助氣流速、矩管位置等儀器參數(shù)(見表2),可以有效降低氧化物干擾和雙電荷干擾;通過選擇不同同位素的測(cè)定,消除同質(zhì)異位素的干擾。多原子離子干擾則是質(zhì)譜干擾的主要來(lái)源,表4列出稀土元素多原子離子干擾離子。本文通過采用碰撞/反應(yīng)池技術(shù)(collision and reaction-cell,CRC)可以有效消除多原子離子干擾。CRC技術(shù)是帶電離子在進(jìn)入四級(jí)桿質(zhì)量分析器之前,先進(jìn)入一個(gè)內(nèi)置多極桿的腔體中,腔體內(nèi)充入碰撞/反應(yīng)氣,與進(jìn)入腔體的離子進(jìn)行碰撞/反應(yīng),從而消除多原子離子干擾。本研究采用八極桿碰撞反應(yīng)池,以氦氣作為碰撞氣,在氦氣流量4.5 L/min條件下,消除多原子離子干擾。

表4 多原子離子干擾物Table 4 Polyatomic ion interferents

2.5 分析方法的線性關(guān)系和檢出限

將濃度均為10 μg/mL的16種稀土元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級(jí)稀釋,用5%(V/V)硝酸溶液配制成一系列不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。按照1.3和1.4實(shí)驗(yàn)方法對(duì)各組分進(jìn)行測(cè)定,進(jìn)而確定組分的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)。測(cè)定11次空白溶液,求其空白標(biāo)準(zhǔn)偏差,以3倍空白標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算得到本方法檢出限。結(jié)果見表5,16種稀土元素在0.2～5 ng/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,線性相關(guān)系數(shù)r≥0.9995,檢出限在0.03～0.52 μg/kg之間。

表5 線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限Table 5 Linear range,regression equation,correlation coefficient and detection limit

本方法對(duì)市售酸奶、牛奶、奶粉三類樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn),添加濃度的三個(gè)水平分別為10.0、20.0和40.0 μg/kg,平行測(cè)定8次,結(jié)果見表6。由表6可知,樣品加標(biāo)平均回收率在92.3%～109.0%之間,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2.21%～5.36%,說明該方法具有良好的準(zhǔn)確度和精密度。

表6 市售樣品分析結(jié)果、回收率和精密度(n=8)Table 6 Recovery,precision,analysis results of commercial samples(n=8)

續(xù)表

續(xù)表

續(xù)表

2.7 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證

本方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)柑橘葉(GBW10014)進(jìn)行分析測(cè)定,平行測(cè)定8次,驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性,結(jié)果見表7。結(jié)果表明,測(cè)定柑橘葉中稀土元素8次,測(cè)定值均在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)認(rèn)定值范圍內(nèi),說明本方法準(zhǔn)確、可靠。

表7 柑橘葉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10014)測(cè)定結(jié)果(n=8)Table 7 Determination results of citrus leafstandard reference material(GBW10014)(n=8)

購(gòu)買市售鮮奶、酸奶和奶粉樣品各五份,采用本試驗(yàn)方法測(cè)定稀土元素含量,結(jié)果見表8。

從表8可以看出,鮮奶和酸奶中均含有稀土元素La,其他稀土元素未檢出;奶粉中除Tb外,其余稀土元素均被檢出,其中La和Sc含量較高。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,鮮奶中稀土元素La含量為4.18～10.3 μg/kg,酸奶中稀土元素La含量為2.96～4.66 μg/kg,奶粉中稀土元素含量為0.04～19.3 μg/kg。王京仁等的研究結(jié)果表明,在飼料中添加的稀土添加劑在一定范圍內(nèi)使用能夠提高動(dòng)物的產(chǎn)奶量和乳脂率,而過量使用有抑制效果,甚至產(chǎn)生中毒[17-18]。飼料中La稀土元素可以促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),增加體重,樣品中檢出稀土La,可能是動(dòng)物食用了含有La飼料。我國(guó)稀土鈧含量較豐富[19],植物吸收土壤中鈧[20],從而對(duì)鈧進(jìn)行富集,畜產(chǎn)動(dòng)物食用植物飼料后,通過吸收,轉(zhuǎn)移,代謝到乳制品中,加之乳粉是由液態(tài)奶濃縮制備,其中稀土元素含量也隨之增高。

表8 市售樣品檢測(cè)結(jié)果(μg/kg)Table 8 Test results of commercial samples(μg/kg)

3 結(jié)論

采用硝酸+雙氧水消解體系,微波消解前處理技術(shù),電感耦合等離子體質(zhì)譜法快速、準(zhǔn)確測(cè)定乳及乳制品中16種稀土元素。6 mL硝酸+2 mL雙氧水能夠有效消解樣品,通過密閉微波加熱技術(shù)能夠大大縮短前處理時(shí)間。以銠、銦和鉍作為內(nèi)標(biāo)元素,有效校正樣品基體引起的基線漂移,氦氣模式消除多原子離子干擾。該方法在0.2～5 ng/mL范圍內(nèi)線性關(guān)系良好,檢出限在0.03～0.52 μg/kg之間,平均回收率為92.3%～109.0%。該方法操作簡(jiǎn)單、快捷,準(zhǔn)確度好,靈敏度高,為乳及乳制品中稀土元素快速檢測(cè)提供了有效的分析方法,也為制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供了有力技術(shù)支撐。

本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)15批次市售鮮奶、酸奶和奶粉樣品中稀土元素含量的測(cè)定后發(fā)現(xiàn),鮮奶和酸奶中除稀土元素La被檢出外,其余稀土元素均未檢出,鮮奶中La含量為4.18～10.3 μg/kg,酸奶中La含量在2.96～4.66 μg/kg。奶粉中除稀土元素Tb未檢出外,其余稀土元素均有所檢出,稀土元素含量范圍為0.04～19.3 μg/kg。稀土飼料添加劑能夠促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng),增加產(chǎn)奶量,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于畜產(chǎn)動(dòng)物養(yǎng)殖過程中。