微波等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定乳及乳制品中的11種元素

姚春毅， 李東東， 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)

乳及乳制品是人們生活中重要的食品，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)乳及乳制品的需求量也不斷增加，在需求增加的同時(shí)，人們也更加關(guān)注其營養(yǎng)成分和衛(wèi)生安全。乳制品中含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、礦物質(zhì)元素等多種營養(yǎng)成分。其中礦物質(zhì)包含Ca、Fe、K、Na、Fe、P等多種元素，在人體生長(zhǎng)過程中起到重要的作用[1]。

目前，測(cè)定乳及乳制品中元素的主要方法有火焰原子吸收光譜法[2,3]、石墨爐原子吸收光譜法[4,5]、原子熒光光譜法[6,7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[8,9]及電感耦合等離子體質(zhì)譜法[10 - 11]等?；鹧嬖游展庾V法使用成本較低，分析樣品用量多，靈敏度差，適用于易原子化的元素測(cè)定，每次測(cè)定一種元素，檢測(cè)效率低；石墨爐原子吸收光譜法靈敏度高，分析樣品用量少，適用測(cè)定痕量元素，但每次也只測(cè)定一種元素，需要用基體改進(jìn)劑提高灰化溫度和原子化溫度，減少基體干擾，測(cè)定高含量元素時(shí)，易造成石墨管記憶效應(yīng)；電感耦合等離子體發(fā)射光譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法都具有多種元素同時(shí)測(cè)定，線性范圍寬，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，但儀器價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜，維護(hù)成本高，高純氬氣作為載氣使用量大等缺點(diǎn)。微波等離子體發(fā)射光譜法(MP-OES)能夠同時(shí)測(cè)定多種元素，采用氮?dú)庾鳛檩d氣，增加了儀器使用的安全性；氮?dú)饪梢酝ㄟ^氮?dú)獍l(fā)生器制得，大大節(jié)約了儀器使用成本；與傳統(tǒng)的原子吸收光譜法相比，具有更高的靈敏度、更寬的線性范圍及更高的檢測(cè)效率。本文采用微波灰化前處理技術(shù)，微波等離子體原子發(fā)射光譜法測(cè)定乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P 11種元素。方法簡(jiǎn)便快速，準(zhǔn)確度高，采用氮?dú)獯鏆鍤庾鳛檩d氣，大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑材料

Agilent4200微波等離子體發(fā)射光譜儀(美國，Agilent公司)；Phoenix微波灰化系統(tǒng)(美國，培安科技公司)；EH35B電熱板(美國，萊伯泰科有限公司)；氮?dú)獍l(fā)生器3055(英國，PEAK公司)；Milli-Q超純水制備裝置(美國，Millipore公司)；電子天平(瑞士，梅特勒公司)。

K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標(biāo)儲(chǔ)備溶液(濃度為1 000 μg/mL，鋼鐵研究總院國家鋼鐵材料測(cè)試中心)；HNO3(純度為BVⅢ，北京化學(xué)試劑研究所)；H2O2(優(yōu)級(jí)純，北京化學(xué)試劑研究所)；高純氬氣≥99.999%；超純水(電導(dǎo)率為18.2 MΩ·cm)。標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)：奶粉(GSB-8)。

鮮奶、酸奶、奶粉樣品均為市售產(chǎn)品。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

將濃度為1 000 μg/mL的K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標(biāo)儲(chǔ)備溶液，用5%HNO3溶液為介質(zhì)配制成一系列11種元素混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，其中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn濃度分別為0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr濃度分別為0.0、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08 mg/L，P濃度分別為0.0、10.0、20.0、30.0、40.0、60.0 mg/L。

1.3 樣品前處理

稱取0.50 g樣品(準(zhǔn)確至0.1 mg)于石英纖維坩堝中，放入微波灰化系統(tǒng)中進(jìn)行灰化。微波灰化條件：第一步 功率1 200 W，爬升時(shí)間5 min，溫度90 ℃，保持5 min；第二步 功率1 200 W，爬升時(shí)間10 min，溫度500 ℃，保持25 min；第三步 功率0 W，爬升時(shí)間0 min，溫度90 ℃，保持25 min。灰化結(jié)束后，取出坩堝，冷卻至室溫，加入2 mL 5%HNO3，在90 ℃電熱板加熱溶解后，轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，備用。同時(shí)做空白試驗(yàn)。

1.4 儀器分析條件

霧化室：雙路旋流霧室；霧化器：One Neb霧化器；霧化器流量：0.5～0.85 L/min；讀取時(shí)間：3 s；提升時(shí)間：40 s；穩(wěn)定時(shí)間：35 s；背景校正：Auto；自動(dòng)進(jìn)樣器：Agilent SPS3；氣源：氮?dú)獍l(fā)生器。

2 結(jié)果與討論

2.1 微波灰化條件的選擇

參考我國食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)采用的傳統(tǒng)干法灰化法，方法中灰化溫度大多采用500 ℃作為灰化溫度，再結(jié)合對(duì)實(shí)際樣品的研究發(fā)現(xiàn)，在500 ℃條件下能夠?qū)悠吠耆一?。因此選擇灰化溫度為500 ℃。為防止液體樣品在灰化過程由于升溫過快造成噴濺，先采用90 ℃低溫預(yù)處理5 min，再程序升溫至500 ℃的加熱方式。然后將樣品在500 ℃條件下，分別保持10、15、20、25、30、35、40 min。結(jié)果表明，樣品在500 ℃條件下保持20 min以上均能使樣品灰化完全。綜合考慮樣品性質(zhì)不同、減少能耗、降低檢測(cè)周期等因素，選擇25 min作為灰化時(shí)間。

2.2 儀器最佳工作條件的選擇

采用MP-OES法，被測(cè)元素被激發(fā)時(shí)可發(fā)射多條譜線，通過軟件選擇特征譜線強(qiáng)度大，背景小、受干擾小的波長(zhǎng)，且信背比最大的發(fā)射譜線作為被測(cè)元素激發(fā)波長(zhǎng)。將K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標(biāo)儲(chǔ)備液(1 mg/mL)，稀釋配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr濃度均為1 mg/L、P濃度為40 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后分別進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，選擇最佳分析譜線。優(yōu)化后的被測(cè)元素波長(zhǎng)見表1。

霧化氣流量的大小對(duì)進(jìn)樣量和霧化效率都有重要的影響，從而影響被測(cè)元素信號(hào)強(qiáng)度。本方法將K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P單標(biāo)儲(chǔ)備液(1 mg/mL)，用5%HNO3配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn濃度為1 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr濃度為0.1 mg/L，P濃度為40 mg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，將該溶液導(dǎo)入MP-OES儀中，通過儀器分析軟件，自動(dòng)優(yōu)化霧化氣流量，調(diào)節(jié)霧化氣流量最優(yōu)條件，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。同上條件下，通過儀器分析軟件，自動(dòng)優(yōu)化監(jiān)視窗位置，優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1 各元素最佳工作條件

(續(xù)表1)

2.3 線性關(guān)系和檢出限

按“1.2”方法配制一系列不同濃度的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在儀器最佳工作條件下，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。在相同條件下，MP-OES儀連續(xù)測(cè)定空白溶液11次，以3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算出待測(cè)元素的檢出限，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，11種元素在線性范圍內(nèi)線性相關(guān)系數(shù)≥0.9996，線性關(guān)系良好。

表2 方法的線性范圍、回歸方程、相關(guān)系數(shù)和檢出限

2.4 回收率和精密度試驗(yàn)

本方法對(duì)市售乳制品進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，鮮奶和酸奶各取8份樣品。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，結(jié)果見表3。由表3可知，平均回收率在91.8%～115%之間，RSD為0.62%～4.06%。另外，從表3中還可以看出，鮮奶和酸奶樣品中，除Mn、Cr未檢出外，其余元素均有檢出，且有些元素含量較高。

表3 市售樣品分析結(jié)果及回收率和精密度(n=8)

(續(xù)表3)

2.5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證

采用本方法對(duì)奶粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSB-8)平行測(cè)定8次，以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和精密度，檢測(cè)結(jié)果見表4。從表中看出，8次測(cè)定結(jié)果平均值均在認(rèn)定值范圍內(nèi)，RSD在1.3%～5.3%之間。表明方法具有良好的準(zhǔn)確性和精密度。將測(cè)定結(jié)果輸入SPSS軟件，在置信區(qū)間α=0.05與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行顯著性差異比較，結(jié)果表明，采用MP-OES測(cè)定奶粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSB-8)得到的測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值比較沒有顯著性差異。

表4 奶粉標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GSB-8)測(cè)定結(jié)果(n=8)

2.6 實(shí)際樣品測(cè)定

對(duì)市售鮮奶、酸奶和奶粉共15份樣品進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果顯示，K、Ca、P和Na在鮮奶、酸奶和奶粉中含量較高，其次是Fe、Mg和Zn元素，其他元素含量較低。我國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 2762-2017)《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[12]中規(guī)定生乳和發(fā)酵乳中Cr限量為0.3 mg/kg，乳粉中Cr的限量為2.0 mg/kg，所測(cè)樣品酸奶中未檢出Cr，其鮮奶及奶粉中Cr均未超出限量。

3 結(jié)論

采用微波等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定了乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr及P 11種礦物質(zhì)元素。微波灰化可快速處理乳及乳制品樣品，節(jié)省了前處理灰化時(shí)間；優(yōu)化了儀器的工作條件，檢出限在0.01～1.5 mg/kg之間。方法快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確度高，精密度好，可以滿足乳及乳制品中多種元素同時(shí)測(cè)定的要求。