超級(jí)微波消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定豆奶粉中鎳的含量

薛敏敏 劉芳芳 張 帆 唐吉旺 袁列江 吳海智 朱 禮 郭星辛

(1. 湖南省產(chǎn)商品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2. 長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3. 湖南省檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

豆奶粉是由大豆和乳品等主要原料生產(chǎn)加工而成的粉狀食品，含有豐富的維生素、礦物質(zhì)以及膳食纖維、大豆低聚糖等營(yíng)養(yǎng)成分[1-3]。但是豆奶粉中可能會(huì)存在鎳污染現(xiàn)象，一方面，大豆作為豆奶粉的主要原料，對(duì)鎳等重金屬元素具有顯著的富集作用，鎳元素容易通過大豆進(jìn)入到豆奶粉中；另一方面，豆奶粉的添加物以及磨漿、加熱滅酶、濃縮、噴霧干燥等生產(chǎn)加工過程中也可能引入鎳元素。過多鎳元素會(huì)導(dǎo)致心血管和腎臟疾病[4-7]，影響人體健康。

鎳元素常用的檢測(cè)方法有原子熒光光譜法[8-9]、原子吸收光譜法[10-11]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[12]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[13-14]等。GB 5009.138—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎳的測(cè)定》中規(guī)定，食品中鎳元素的檢測(cè)使用石墨爐原子吸收光譜法，該方法受載氣、樣品酸度影響較大，且空心陰極燈使用壽命有限，穩(wěn)定性較差。原子熒光光譜法與原子吸收光譜法類似，且對(duì)于復(fù)雜基體的樣品測(cè)定較為困難。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)譜法均采用ICP為離子源，在靈敏度、檢出限、線性范圍等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，且樣品制備簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定，適合批量樣品檢測(cè)，而電感耦合等離子體質(zhì)譜法較電感耦合等離子體發(fā)射光譜法具有更高的靈敏度和更低的檢出限[15-16]。盡管ICP-MS已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)和食品分析等領(lǐng)域，但利用ICP-MS測(cè)定豆奶粉中鎳的研究報(bào)道較少，需要針對(duì)質(zhì)譜干擾、基質(zhì)干擾的消除方法以及儀器條件的優(yōu)化進(jìn)行分析與驗(yàn)證。同時(shí)，超級(jí)微波消解是近幾年出現(xiàn)的采用反應(yīng)釜一體承壓消解新技術(shù)[17-18]，在耐高溫、耐高壓等方面優(yōu)勢(shì)顯著，樣品消解更加徹底，同時(shí)具有酸加入量少、空白低、污染少等特點(diǎn)，因此重點(diǎn)研究利用超級(jí)微波消解優(yōu)化前處理技術(shù)，進(jìn)一步提升豆奶粉中鎳檢測(cè)的準(zhǔn)確性與精密性。

試驗(yàn)擬采用超級(jí)微波消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定豆奶粉中的鎳元素含量，通過優(yōu)化前處理技術(shù)，以及分析ICP-MS的干擾消除方法與最佳儀器條件，提升方法的準(zhǔn)確度與精密度。同時(shí)采用此法測(cè)定多個(gè)市售豆奶粉樣品中的鎳，掌握市售豆奶粉中鎳的污染情況，為相關(guān)產(chǎn)品中鎳污染的風(fēng)險(xiǎn)防控提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試劑與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

濃硝酸：痕量金屬級(jí)，美國(guó)Fisher Chemical公司；

鎳標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：GSBG62022-90，1 000 μg/mL，國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心；

多元素內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備溶液：鈧、鍺、銦、鉍、釔、鋱、銠質(zhì)量濃度均為100 μg/mL，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；

質(zhì)譜調(diào)諧液：鈷、鋰、鈦、釔、鈰質(zhì)量濃度均為10 μg/mL，美國(guó)安捷倫公司；

豆奶粉中鎳質(zhì)控樣(ZKQC5210)：批號(hào)P25295，河南標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研發(fā)中心；

試驗(yàn)用水均為超純水。

1.1.2 主要儀器與設(shè)備

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：7700 X型，美國(guó)安捷倫公司；

超級(jí)微波消解儀：Ultrawave型，萊伯泰科公司；

超純水處理系統(tǒng)：Milli-Q型，美國(guó)密理博公司；

電子天平：1601MP8型，德國(guó)賽多利斯公司。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理 準(zhǔn)確稱取0.5 g樣品(精確至0.001 g)于15 mL消解管中，加入3 mL濃硝酸，加蓋放置1 h后放入超級(jí)微波消解儀中，按照如表1所示的升溫程序進(jìn)行超級(jí)微波消解。待消解完畢冷卻后取出，同時(shí)用少量超純水多次洗滌消解管；繼而轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，并用超純水稀釋至刻度，混勻備用，同時(shí)制備試劑空白溶液。

表1 超級(jí)微波消解的升溫程序Table 1 Heating program of ultra-wave digestion

1.2.2 前處理優(yōu)化

(1)消解方法選擇：分析比較干法消解、濕法消解、微波消解、超級(jí)微波消解等方法的優(yōu)劣確定最優(yōu)樣品前處理方法。

(2)超級(jí)微波消解條件優(yōu)化：影響超級(jí)微波消解的主要因素有酸用量、消解溫度與消解時(shí)間，因此參考1.2.1樣品前處理分別對(duì)酸用量、消解溫度與消解時(shí)間進(jìn)行單因素試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)確定對(duì)消解效果影響較大因素及其水平取值，再以豆奶粉中鎳質(zhì)控樣的鎳回收率(測(cè)定值與標(biāo)準(zhǔn)物定值的比值)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過三因素四水平的正交試驗(yàn)優(yōu)化超級(jí)微波消解條件。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

(1)鎳標(biāo)準(zhǔn)使用液：準(zhǔn)確吸取1 mL鎳標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，再吸取上述溶液1 mL，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，得到質(zhì)量濃度為100 μg/L的鎳標(biāo)準(zhǔn)使用液。

(2)鎳標(biāo)準(zhǔn)工作液：分別移取鎳標(biāo)準(zhǔn)使用溶液0.00，2.00，4.00，6.00，8.00，10.00 mL于100 mL容量瓶中，用5%硝酸定容至刻度，得到質(zhì)量濃度為0.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 μg/L的標(biāo)準(zhǔn)工作液。

(3)混合內(nèi)標(biāo)使用液：準(zhǔn)確吸取1 mL多元素內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備溶液，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，得到質(zhì)量濃度為1 μg/mL的混合內(nèi)標(biāo)使用液。

1.2.4 ICP-MS工作條件 用質(zhì)譜調(diào)諧液調(diào)試儀器，以靈敏度和分辨率達(dá)到最佳狀態(tài)為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化矩管位置、電感耦合等離子體參數(shù)、質(zhì)譜儀參數(shù)和測(cè)量參數(shù)等工作條件，結(jié)果如表2所示。

表2 ICP-MS優(yōu)化后的工作條件Table 2 Optimized working conditions of ICP-MS

2 結(jié)果與分析

2.1 前處理優(yōu)化

2.1.1 消解方法選擇 干法消解與濕法消解處理樣品量大，但兩者均為敞口消解，對(duì)易氧化的元素以及易揮發(fā)的元素會(huì)造成損失，導(dǎo)致回收率偏低，且消耗酸量較多，趕酸時(shí)間長(zhǎng)，空白偏高。微波消解能夠加快消解的速度，最大限度地限制酸的揮發(fā)，干擾較小，但需要加入較多的消解溶劑，消解完成后同樣需要趕酸，效率較低。超級(jí)微波消解是近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，具有酸加入量少，空白低，污染少，消解完全后直接用超純水定容，無(wú)需趕酸，消解能力更強(qiáng)，因此在樣品前處理中首選超級(jí)微波消解。

2.1.2 消解條件優(yōu)化 濃硝酸是重金屬檢測(cè)中常用的消解酸，具有不易爆、不易燃的優(yōu)點(diǎn)，且大部分食品能夠在密閉條件下被濃硝酸安全、溫和地分解，因此在超級(jí)微波消解中選擇濃硝酸作為消解用酸。依據(jù)正交試驗(yàn)原理，選取L16(43)正交表，按三因素四水平安排試驗(yàn)(見表3)。同一消解條件下均做3次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為最后結(jié)果，正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 超級(jí)微波消解的正交試驗(yàn)因素與水平Table 3 Factors and levels of orthogonal design for ultra-wave digestion

由表4可知，消解時(shí)間與消解溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著大于酸用量，且前兩者對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響差異不大；超級(jí)微波消解的最佳條件為A4B2C3。由于酸用量為3 mL與4 mL的k值相差非常小，因此重點(diǎn)考察消解條件A3B2C3，按此工藝組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，測(cè)得3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平均回收率為98.5%，該結(jié)果盡管略低于條件A4B2C3下的回收率98.6%，但酸用量更少，經(jīng)濟(jì)性、安全性與試驗(yàn)效率更高，因此選擇A3B2C3為最佳消解條件，即濃硝酸用量3 mL，消解溫度210 ℃，消解時(shí)間30 min。

表4 超級(jí)微波消解正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Scheme and results of orthogonal design for ultra-wave digestion

2.2 ICP-MS干擾與消除

2.2.1 質(zhì)譜干擾 由于豆奶粉基質(zhì)較為復(fù)雜，因此檢測(cè)過程中質(zhì)譜干擾會(huì)比較嚴(yán)重，例如同質(zhì)異位素重疊干擾、雙電荷離子干擾、氧化物離子干擾、基質(zhì)干擾等。鎳的相對(duì)原子質(zhì)量為58.69，具有5個(gè)穩(wěn)定的同位素，即58Ni、60Ni、61Ni、62Ni與64Ni，其豐度分別為68.1%，26.2%，1.1%，3.6%，0.9%，可以發(fā)現(xiàn)58Ni具有顯著的豐度優(yōu)勢(shì)，但考慮到鎳是典型親鐵元素，且極易受到58Fe、40Ca、18O等干擾，而61Ni、62Ni與64Ni豐度太小，因此選擇質(zhì)量數(shù)60，使用八級(jí)桿氦模式及四級(jí)桿質(zhì)量過濾器消除相應(yīng)的質(zhì)譜型干擾。同時(shí)在ICP-MS的KED模式下利用碰撞/反應(yīng)池技術(shù)除去多原子離子的干擾，其基本原理是在碰撞/反應(yīng)池中氦氣與截面積較大的多原子離子發(fā)生多次碰撞，大大降低多原子離子動(dòng)能，進(jìn)而用適當(dāng)?shù)慕刂闺妷菏蛊淞粼谂鲎渤貎?nèi)，從而實(shí)現(xiàn)干擾消除。

2.2.2 非質(zhì)譜干擾 在電感耦合等離子體質(zhì)譜法檢測(cè)過程中，非質(zhì)譜干擾主要表現(xiàn)為由試驗(yàn)環(huán)境的變化和儀器錐口鹽的沉積等引起的待測(cè)元素信號(hào)漂移，以及樣品基質(zhì)中某些成分對(duì)被測(cè)元素產(chǎn)生的信號(hào)增強(qiáng)或者信號(hào)抑制等偏移。試驗(yàn)采用內(nèi)標(biāo)校正法進(jìn)行非質(zhì)譜干擾的消除，依據(jù)內(nèi)標(biāo)元素的選擇原則，即性質(zhì)穩(wěn)定、與待測(cè)元素電離能相近、與待測(cè)元素質(zhì)量數(shù)相近、豐度大、靈敏度高且干擾小，選擇鍺、銠、銦3種元素為備選內(nèi)標(biāo)元素。考察該3種元素的回收率，結(jié)果見圖1，表明銠元素回收率最高，因此采用銠作為內(nèi)標(biāo)元素測(cè)定鎳元素。

圖1 備選內(nèi)標(biāo)元素回收率比較Figure 1 Recovery percent comparison of optional internal standard elements

2.3 方法學(xué)驗(yàn)證

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線與檢出限 在ICP-MS最佳工作條件下，鎳標(biāo)準(zhǔn)工作溶液經(jīng)ICP-MS測(cè)定后，所得的線性方程見圖2，其中相關(guān)系數(shù)為0.999 9，且在0～10 μg/L的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。此外，依次測(cè)定試劑空白溶液11次并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度值為0.02 μg/L，結(jié)合稱樣量與定容體積，計(jì)算該方法的檢出限為0.002 mg/kg，遠(yuǎn)優(yōu)于GB 5009.138—2017中石墨爐原子吸收光譜法測(cè)定食品中鎳的檢出限0.02 mg/kg，因此該方法靈敏度更高。

圖2 鎳元素的線性方程與相關(guān)系數(shù)Figure 2 Linear equation and correlation coefficient of Nickel

2.3.2 加標(biāo)回收試驗(yàn)與精密度 測(cè)定隨機(jī)選取的1份豆奶粉樣品的鎳元素本底值(3.17 mg/kg)，然后分別加入低、中、高3個(gè)濃度水平的鎳元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，且每個(gè)水平做6個(gè)平行。采用ICP-MS進(jìn)行鎳的測(cè)定，并計(jì)算加標(biāo)回收率和精密度，結(jié)果如表5所示。ICP-MS方法的加標(biāo)回收率為94.5%～100.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.8%～2.3%，因此方法的回收率與精密度均符合GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范食品理化檢測(cè)》要求。

表5 加標(biāo)回收率與精密度Table 5 Recovery percent of standard addition and precision (n=6)

2.3.3 準(zhǔn)確度 為進(jìn)一步驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性，采用豆奶粉中鎳質(zhì)控樣(ZKQC5210)，按照與豆奶粉樣品相同方法進(jìn)行消解和測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果表明，質(zhì)控樣品的測(cè)定值(2.23 mg/kg)在標(biāo)定范圍[(2.24±0.40)mg/kg]之內(nèi)，表明其準(zhǔn)確度較高。

2.4 市售豆奶粉中鎳含量檢測(cè)結(jié)果

采用建立的超級(jí)微波消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法對(duì)8份市售豆奶粉樣品進(jìn)行鎳含量測(cè)定，結(jié)果見表6。數(shù)據(jù)顯示，8份市售豆奶粉中鎳均有檢出，測(cè)定鎳的范圍在2.72～5.23 mg/kg，均值為3.79 mg/kg，高于目前大部分食品中鎳含量的檢出值[9]，如奶粉中檢出鎳含量在0.1 mg/kg 左右[19]，菠菜在各類蔬菜中檢出的鎳含量最高，為0.14 mg/kg[20]，各類醬油醋中檢出的鎳含量最高為2.24 mg/L[21]。這源于其原料大豆等具有較強(qiáng)的鎳富集性[22]，以及生產(chǎn)加工中的鎳污染。盡管GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中僅對(duì)油脂及其制品規(guī)定了鎳的限量指標(biāo)(1.0 mg/kg)，然而數(shù)據(jù)表明市售豆奶粉中鎳的測(cè)定值遠(yuǎn)超該指標(biāo)，應(yīng)當(dāng)引起重視。

表6 市售豆奶粉中鎳含量檢測(cè)結(jié)果Table 6 Measured results of Nickel in market soy milk powder mg/kg

3 結(jié)論

試驗(yàn)建立了超級(jí)微波消解—電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定豆奶粉中鎳含量的方法，該方法的標(biāo)準(zhǔn)曲線在0～10 μg/L的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)為0.999 9，檢出限為0.002 mg/kg，加標(biāo)回收率為94.5%～100.6%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.8%～2.3%；用該方法對(duì)豆奶粉中鎳質(zhì)控樣(ZKQC5210)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證，結(jié)果在證書標(biāo)定范圍內(nèi)。該方法準(zhǔn)確可靠，適用于豆奶粉中鎳含量的測(cè)定。