X射線熒光微區(qū)分析結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜法進(jìn)行保健食品中元素含量的測(cè)定

趙 婷，池海濤*，劉奕忍，高 峽，黃 瞾，張 梅，李琴梅

1. 北京市理化分析測(cè)試中心，北京 100089 2. 有機(jī)材料檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100089 3. 北京市食品安全分析測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100089

引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，無(wú)論是政府、社會(huì)還是個(gè)人都越來(lái)越關(guān)心生活、生命質(zhì)量。人的身體健康狀況是影響生活質(zhì)量的一個(gè)最重要的因素，加之醫(yī)食同源的養(yǎng)生文化，保健品的消費(fèi)呈現(xiàn)出高速發(fā)展的狀態(tài)，在我國(guó)有著極大的市場(chǎng)潛力。一方面，不少保健品的主要有效成分是鈣(Ca)、鐵(Fe)、磷(P)、碘(I)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、硒(Se)等元素，這些元素?cái)z入不足、過(guò)量都會(huì)不同程度引起人體生理的異常[1]。例如，由于我國(guó)以谷物蔬菜為主食，其中的植酸、草酸等會(huì)減少鈣在腸道中的吸收，又加上日常的烹調(diào)方式、飲食習(xí)慣等導(dǎo)致了鈣攝入量的不足，因此不少人需要補(bǔ)鈣。但補(bǔ)鈣并不是越多越好，當(dāng)每次服用鈣超過(guò)200 mg會(huì)降低吸收率，而攝入過(guò)高又可能造成鈣的蓄積、影響其他微量元素的吸收，同時(shí)增加了患腎結(jié)石的危險(xiǎn)性[2]。另一方面，保健品的原料或制作過(guò)程中帶入的砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)和鎘(Cd)等重元素會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生很大的毒副作用[3]。除此之外，部分保健品的原料在種植的過(guò)程中會(huì)施稀土微肥[4]，長(zhǎng)期使用有可能會(huì)帶入保健品中。因此，保健品中元素含量分布的測(cè)定對(duì)保健品質(zhì)量的控制和監(jiān)督有著非常重要的意義。元素在保健品中的分布均勻度的不確定性及元素種類、含量的不確定性，需要建立一種能確定保健品中元素均勻度、元素種類及具體含量的測(cè)定方法。目前，這方面的文獻(xiàn)報(bào)道很少。

常用的元素檢測(cè)方法有滴定法[5]、比色法[6]、原子熒光光譜法[7]、原子吸收光譜法[8]、電感耦合等離子體光譜法[9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[10-12]、X射線熒光光譜法。X射線熒光光譜法(X-ray Fluorescence spectrometry，XRF)是利用特征X熒光射線，從而對(duì)原子序數(shù)大于8的所有元素進(jìn)行定性或定量分析的檢測(cè)方法[13]。X射線熒光光譜法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)損檢測(cè)，可直接進(jìn)行固體樣品的多元素檢測(cè)，分析速度快且分析成本低。作為X射線光譜分析領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，X射線熒光微區(qū)分析技術(shù)與整體分析技術(shù)相比，可以使用更少、更小的樣品進(jìn)行檢測(cè)，并能夠?qū)悠分械脑胤植歼M(jìn)行分析[14]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)具有檢出限低、線性范圍寬、多元素同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可用于同位素分析及元素形態(tài)分析[15]，廣泛應(yīng)用于保健品檢測(cè)行業(yè)。

通過(guò)本文的研究，可為相關(guān)保健品的元素檢測(cè)提供技術(shù)方法，同時(shí)為其他研究對(duì)象比如食品、藥物等樣品的元素檢測(cè)提供技術(shù)參考。同時(shí)為保健品的安全性和合理攝入研究提供技術(shù)支持，對(duì)保障保健品使用安全具有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑： 65%硝酸，優(yōu)級(jí)純，Merck公司； 70%～72%高氯酸，優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司； Ca和Fe等元素混合標(biāo)液，1 000 μg·mL-1，Agilent公司(貨號(hào)： 5183-4682)； Sc等元素混合內(nèi)標(biāo)，10 μg·mL-1，Agilent公司(貨號(hào)： 5183-4681)； 超純水(MILLIPORE)，電阻率≥18.0 MΩ·cm。

實(shí)驗(yàn)儀器： X射線熒光光譜儀，Zetium，Panalytical公司； 電感耦合等離子質(zhì)譜儀，7700X，Agilent公司； 微波消解儀，Ethos 1，Milestone。

1.2 方法

1.2.1 X射線熒光微區(qū)法測(cè)定保健品中元素的分布及種類

將保健品藥片用樣品托盤和螺絲固定后放入微區(qū)專用測(cè)量杯中進(jìn)行測(cè)試。用微區(qū)配套相機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行拍照，設(shè)定橫縱坐標(biāo)刻度單位為0.5 mm，選取代表樣品各個(gè)區(qū)域的四十個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如圖1所示。

圖1 微區(qū)樣品選點(diǎn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample selectionfor micro-area sample

微區(qū)半定量分析方法加了兩個(gè)能譜通道，分別為： Rh元素，工作管壓： 60 kV，工作管流： 66 mA，通道測(cè)量時(shí)間100 s； Rh元素，工作管壓： 32 kV，工作管流： 125 mA，通道測(cè)量時(shí)間100 s。

1.2.2 電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定保健品中元素的含量

利用微區(qū)半定量分析方法檢測(cè)保健品中含有的元素種類后，再用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)保健品中含有的元素進(jìn)行定量分析。將保健品樣品研磨混勻，稱取0.100 0 g樣品于微波消解管中，加入6 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL優(yōu)級(jí)純高氯酸，同時(shí)做樣品空白，微波消解條件如表1所示。

表1 微波消解實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of microwave digestion

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的工作條件為： RF功率1 550 W，載氣流量0.99 L·min-1，輔助氣流量0.90 L·min-1，等離子氣體流量15 L·min-1，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速0.1 rps，采樣深度8 mm。使用含有1 ng·mL-1的Li，Co，Y，Ce和Tl的稀硝酸基體溶液對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，以將氧化物、雙電荷離子、氬化物離子干擾的影響減小到最低值。

2 結(jié)果與討論

2.1 保健品中的元素分布及半定量測(cè)試結(jié)果

為了確定保健品中的元素種類及其分布，首先對(duì)樣品進(jìn)行快速、無(wú)損的微區(qū)半定量分析，結(jié)果表明樣品中含有的主要元素為鈣(Ca)、鐵(Fe)，微量元素為釕(Ru)、鉬(Mo)，各元素在保健品中的元素含量分布如圖2—圖5所示。

圖2 保健品中的Ca元素含量分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of Ca contentdistribution in health products

通過(guò)微區(qū)半定量測(cè)試，我們得出以下結(jié)論： (1) 樣品中含有的Ca元素含量在6.0%～10.0%之間，樣品中含有的Fe元素含量在2.0%～4.0%之間。(2) Ca，F(xiàn)e，Ru和Mo元素在樣品中各個(gè)部位的分布不均勻。由于樣品中主要含有元素Ca和Fe，為了精確測(cè)定樣品中含有的Ca和Fe，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。

圖3 保健品中的Fe元素含量分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of Fe contentdistribution in health products

圖4 保健品中的Ru元素含量分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ru contentdistribution in health products

圖5 保健品中的Mo元素含量分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of Mo contentdistribution in health products

2.2 保健品中的元素含量測(cè)試結(jié)果

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

分別量取含有Ca和Fe(1 000 μg·mL-1)的混合標(biāo)液40，80，160，240和320 μL，稱重，用去離子水稀釋至40 g，配制出濃度分別為1.248 4，2.154 0，4.195 2，6.392 1和8.245 8 μg·mL-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。以Sc作為內(nèi)標(biāo)，Ca和Fe的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 Ca的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.6 Standard curve of Ca

圖7 Fe的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.7 Standard curve of Fe

通過(guò)圖6和圖7，我們不難發(fā)現(xiàn)，Ca和Fe分別與Sc的比率的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程和線性系數(shù)如表2所示，滿足測(cè)試要求。

表2 Ca和Fe分別與Sc的比率的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程Table 2 The Standard Curve equation of the ratioof Ca,Fe to Sc respectively

2.2.2 精密度

分別稱取約0.100 0 g保健品六份，加入6 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL優(yōu)級(jí)純高氯酸，同時(shí)做樣品空白，按照表1提供的微波消解程序消解，將得到的消解液冷卻后定容至100 mL，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍，再稀釋10倍后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。各樣品中Ca和Fe的含量如表3、表4所示，經(jīng)計(jì)算： 保健品中含有的Ca元素平均值為6.23%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.78%； Fe元素平均值3.82%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差2.14%。計(jì)算結(jié)果符合分析化學(xué)精密度要求，且在X射線熒光光譜法半定量測(cè)試結(jié)果范圍內(nèi)。

表3 保健品中Ca的濃度Table 3 The concentration of Ca in the health product

表4 保健品中Fe的濃度Table 4 The concentration of Fe in the health product

2.2.3 回收率

分別稱取約0.100 0 g保健品九份，加入Ca 5.0 mg+Fe 3.0 mg，Ca 6.2 mg+Fe 3.8 mg，Ca 7.4 mg+Fe 4.6 mg各三份至樣品中，加入6 mL優(yōu)級(jí)純硝酸和2 mL優(yōu)級(jí)純高氯酸，同時(shí)做樣品空白，按照表1提供的微波消解程序消解，將得到的消解液冷卻后定容至100 mL，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍，再稀釋20倍后用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀進(jìn)行測(cè)定。得到的樣品回收率如表5所示，經(jīng)計(jì)算： 保健品中Ca的80%樣品濃度加標(biāo)量的平均回收率為98.4%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差3.21%； 100%濃度加標(biāo)量的平均回收率為95.7%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.86%； 120%濃度加標(biāo)量的平均回收率為98.8%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差4.40%。保健品中Fe的80%樣品濃度加標(biāo)量的平均回收率為99.1%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差3.26%； 100%濃度加標(biāo)量的平均回收率為97.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差1.69%； 120%濃度加標(biāo)量的平均回收率為98.2%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差3.32%。

表5 保健品中Ca和Fe的回收率Table 5 The recovery rate of Ca and Fein the health-care product

3 結(jié) 論

利用X射線熒光光譜微區(qū)分析結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)保健品中的元素含量進(jìn)行了檢測(cè)，由于保健品片狀物在制作的過(guò)程中會(huì)加入淀粉等基體進(jìn)行混合壓制，存在混合不均勻的可能性，首先利用無(wú)損、快速的X射線熒光光譜分析技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明各元素在樣品的表面分布非常不均勻，且得到了樣品的半定量測(cè)試結(jié)果。由于X射線熒光光譜技術(shù)分析檢測(cè)的是樣品表面的某個(gè)點(diǎn)的元素含量，我們改用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)保健品進(jìn)行準(zhǔn)確定量測(cè)試。根據(jù)半定量分析結(jié)果，樣品中含有的主要元素是Ca和Fe，含有的Ru和Mo含量較低，甚至在樣品某些部位含量為零，初步判斷樣品中的有效元素成分為Ca和Fe。

鈣是維持人體健康所必需的一種元素，也是人體內(nèi)含量最多的無(wú)機(jī)元素，在所有的保健品中，人們最熟知、接受度最高的應(yīng)當(dāng)就是補(bǔ)鈣產(chǎn)品[16]。貧血是世界上常見的一種營(yíng)養(yǎng)缺乏病，缺鐵、出血、溶血、造血功能障礙等均會(huì)引起貧血，其中缺鐵為最常見的貧血原因，因此鐵強(qiáng)化食品被廣泛推廣[17]。綜上所述，決定選取Ca和Fe元素進(jìn)行準(zhǔn)確定量測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，Ca和Fe元素分別為6.23%和3.82%，與半定量測(cè)試所得結(jié)果6.0%～10.0%和2.0%～4.0%基本一致。

通過(guò)X射線熒光光譜微區(qū)分析法對(duì)保健品中元素測(cè)定，既快速、無(wú)損地得到了保健品中的常見元素半定量含量結(jié)果，又明確了保健品中的元素分布情況。結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜法可以對(duì)感興趣的元素進(jìn)行進(jìn)一步定量檢測(cè)，從而得到元素含量結(jié)果。X射線熒光光譜微區(qū)分析法結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜法既可以對(duì)保健品表面的元素種類及分布情況進(jìn)行判定，又可以根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果對(duì)感興趣的元素進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)，從而得到定量分析結(jié)果。