前處理過程對電感耦合等離子體-質(zhì)譜法測定乳粉中多種元素含量準(zhǔn)確性的影響

黃曉燕，寧月蓮，劉麗君，岳 虹，李翠枝

（內(nèi)蒙古伊利實(shí)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110）

電感耦合等離子體-質(zhì)譜（inductively coupled plasmamass spectrometry，ICP-MS）法是近幾十年發(fā)展最快的無機(jī)痕量元素分析技術(shù)之一，由于其具有靈敏度高、檢出限低、干擾少、準(zhǔn)確度高、精密度好等特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。目前用ICP-MS儀檢測樣品中多元素的方法已經(jīng)很普遍，在食品[1-3]、包裝[4]、醫(yī)學(xué)[5-6]、地質(zhì)環(huán)境[7-8]等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)形成成熟的方法體系。鉛、鎘、鉻、鋁、砷、鉬、硒、鎳等元素在乳品中存在廣泛，且其含量檢測一直受到國內(nèi)外消費(fèi)者的關(guān)注和監(jiān)管者的重視，用ICP-MS法檢測乳粉[9]、液態(tài)乳[10-11]、酸乳[12-13]、奶酪[14]中各種元素的方法研究也層出不窮，但是由于乳制品中污染元素含量較低，加上其自身基質(zhì)復(fù)雜、干擾因素多等特點(diǎn)，樣品前處理也成為乳品金屬元素檢驗(yàn)中比較關(guān)鍵的步驟，直接影響分析結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度，為了滿足對各種元素的檢測要求，需確定樣品前處理對元素檢測過程準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的影響。

元素檢測的樣品前處理主要包括消解和趕酸，消解方式的不同經(jīng)過了許多研究者的論證，微波消解與其他方式相比最安全、方便、有效[15-16]，所以本研究只論證趕酸處理對元素檢測的影響。目前常用的GB 5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測定》[17]中，ICP-MS法檢測多元素時(shí)，樣品前處理消解后僅趕走酸霧，直接定容上機(jī)測定樣品中的元素含量，這樣長期積累的酸氣會對儀器設(shè)備造成腐蝕，對人體的眼睛和呼吸系統(tǒng)有所傷害，對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境造成污染。

本研究對前處理趕酸方法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，確定前處理趕酸過程對實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的影響，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證稱樣量、趕酸時(shí)間和趕酸剩余量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，為乳品中多元素檢測提供參考，為企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制提供技術(shù)保障。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳粉共6 種，分別來自歐盟能力驗(yàn)證樣品Fapas07318、Fapas07284、Fapas07346、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)BD150和一級國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW115、GBW116。

硝酸（高純試劑，雜質(zhì)含量ppb級） 加拿大Fisher公司；經(jīng)國家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書的多元素標(biāo)準(zhǔn)貯備液（包含元素Al、As、Cd、Cr、Pb、Se、Ni、Mo，各元素質(zhì)量濃度均為100 μg/mL）、經(jīng)國家認(rèn)證并授予標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書的多元素內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)貯備液（包含元素Bi、Ge、In、Li、Re、Rh、Sc、Y，各元素質(zhì)量濃度均為100 μg/mL） 美國O2Si公司；ICP-MS調(diào)諧溶液美國Agilent公司；去離子水為GB/T 6682—2008《分析實(shí)驗(yàn)室用水規(guī)格和試驗(yàn)方法》規(guī)定的一級水；氬氣（純度≥99.995%）、氦氣（純度≥99.995%） 紫瑞氣體有限責(zé)任公司。

1.2 儀器與設(shè)備

8800 ICP-MS儀 美國Agilent公司；MARS6密閉微波消解系統(tǒng)（配有聚四氟乙烯消解罐） 美國CEM公司；AL-204電子天平 瑞士梅特勒-托利多公司；EHD40趕酸儀 東方科創(chuàng)生物技術(shù)有限公司；GenPure Pro UV超純水機(jī) 美國Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 校準(zhǔn)溶液的配制

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸溶液將混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg/mL）逐級稀釋成質(zhì)量濃度分別為0、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 ng/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)工作液。

內(nèi)標(biāo)使用液的配制：取適量內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)貯備液，用體積分?jǐn)?shù)5%硝酸溶液配制質(zhì)量濃度500 ng/mL的內(nèi)標(biāo)使用液。

1.3.2 樣品前處理

稱取乳粉樣品0.20～0.30 g（精確至0.000 1 g），進(jìn)行微波消解，冷卻后按照選擇的趕酸方式趕酸，趕酸后用去離子水定容，混勻備用，同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)。

1.3.2.1 樣品消解

樣品前處理消解方式有干法灰化、濕法灰化、微波消解法和高壓消解法，干法灰化取樣量大、結(jié)果精密度較好，但是耗時(shí)長，易造成部分重金屬元素的損失和樣品污染，適合處理微量元素；濕法灰化耗時(shí)長、酸用量大、對環(huán)境和人員危害較大，準(zhǔn)確度也較低[18-19]；高壓消解耗時(shí)長、效率低[20]；微波消解法是利用微波能量加熱消解罐中的樣品，管內(nèi)的化合物、酸等可以快速吸收能量，最大限度發(fā)揮酸的作用，減少污染，提高效率[21-23]，適用于多元素的測定。

微波消解：稱取樣品于微波消解罐中，加入10 mL硝酸，旋緊罐蓋，放入微波消解儀中，消解程序見表1。由于乳品樣品的油脂含量較高，較低的消解溫度對樣品消解不徹底，樣液容易產(chǎn)生渾濁，影響目標(biāo)元素測定的穩(wěn)定性。在195～200 ℃條件下，可保證消解液澄清透明，考慮到微波消解儀的使用性能和實(shí)驗(yàn)效率，選擇200 ℃；處理樣品量少于16 個(gè)時(shí)可選擇800 W功率，本實(shí)驗(yàn)中消解平行樣品量較大，超過16 個(gè)樣品，應(yīng)選擇1 600 W功率。

表 1 微波消解儀消解程序Table 1 Microwave digestion program

1.3.2.2 樣液趕酸

微波消解完成后，對于樣液分別使用僅趕走酸霧（GB 5009.268—2016）和趕酸剩余量為0.5～1.0 mL 2 種趕酸方式趕酸，冷卻后用純水定容，上機(jī)測定，進(jìn)行對比分析。

A方法（趕酸剩余量0.5～1.0 mL）：冷卻后取出消解罐，在趕酸儀上于160 ℃趕酸至樣液剩余量為0.5～1.0 mL；消解罐放冷后，將消化液轉(zhuǎn)移至10 mL容量瓶中，用少量去離子水洗滌消解罐2～3 次，合并洗滌液于容量瓶中并用去離子水定容，混勻備用，同時(shí)在不加試樣的情況下按照與樣品處理相同的方法作空白實(shí)驗(yàn)。

B方法（僅趕走酸霧，趕酸剩余量約10 mL）：按照國標(biāo)要求消解冷卻后緩慢泄壓打開罐蓋排氣，用少量去離子水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐放在控溫電熱趕酸儀中，于100 ℃加熱30 min或超聲脫氣2～5 min，此時(shí)樣液趕酸剩余量約為10 mL，用去離子水定容至25 mL，混勻備用，同時(shí)在不加試樣的情況下按照與樣品處理相同的方法作空白實(shí)驗(yàn)。

1.3.3 ICP-MS儀器條件

分析模式為碰撞反應(yīng)池模式，采樣模式為質(zhì)譜圖，硒（Se）、鎳（Ni）和砷（As）的內(nèi)標(biāo)選擇鍺（Ge），鉛（Pb）的內(nèi)標(biāo)選擇鉍（Bi），鉬（Mo）和鎘（Cd）的內(nèi)標(biāo)選擇銠（Rh），鉻（Cr）和鋁（Al）的內(nèi)標(biāo)選擇鈧（Sc）；采樣錐和截取錐為鎳錐；射頻功率1 550 W；同心霧化器；等離子體氣流量15 L/min；載氣流量0.65 L/min；輔助氣流量0.55 L/min；氦氣流量4 mL/min；霧化室溫度2 ℃；采樣深度10.0 mm[24]。

1.3.4 結(jié)果計(jì)算

試樣中的元素含量按照下式計(jì)算。

式中：X為試樣中待測元素含量/（mg/kg）；ρ為試樣溶液中被測元素質(zhì)量濃度/（ng/L）；ρ0為試樣空白液中被測元素質(zhì)量濃度/（ng/L）；V為試樣消化液定容體積/mL；n為試樣稀釋倍數(shù)；m為試樣稱取質(zhì)量/g；1 000為換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Office Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，計(jì)算數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和平均值，采用Minitab 16軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和折線圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣液趕酸方法的選擇

單因素方差分析得出，在95%置信度下，A與B趕酸方法對鉛、鎳的檢測結(jié)果無顯著差異，鋁、鉬、鉻、硒、鎘、砷的檢測結(jié)果有顯著差異（P＜0.05）。

由表2可知，A與B趕酸方法對樣液中鉛、鋁、鉬、鎳、鉻元素含量檢測結(jié)果的偏差均小于20%，對樣液中硒、砷、鎘元素含量檢測結(jié)果的偏差均大于20%。A趕酸方法的檢測結(jié)果平均值與標(biāo)準(zhǔn)樣中位值的偏差均小于10%，B趕酸方法的檢測結(jié)果平均值與標(biāo)準(zhǔn)樣中位值的偏差較大，其中硒、砷、鎘元素的檢測結(jié)果平均值與標(biāo)準(zhǔn)樣中位值偏差遠(yuǎn)大于20%?？傮w比較，A趕酸方法檢測結(jié)果更準(zhǔn)確。

表 2 2 種趕酸方法的元素含量測定結(jié)果對比（n=6）Table 2 Comparison of residual amount of acid after acid removal by two different methods (n = 6)

2.2 樣液趕酸時(shí)間和樣品稱樣量的選擇

由2.1節(jié)分析可知，硒、砷、鎘元素的B趕酸方法檢測結(jié)果比A趕酸方法偏小，且與標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果相比偏差均超過20%，需驗(yàn)證不同趕酸時(shí)間和樣品稱樣量對檢測結(jié)果的影響。本研究選用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用不同的稱樣量和趕酸時(shí)間，將趕酸時(shí)間和趕酸剩余量對應(yīng)，保證趕酸剩余量的一致性，每個(gè)組合（對應(yīng)關(guān)系見表3）分別測定6 個(gè)值，趕酸溫度設(shè)定為160 ℃。

表 3 不同稱樣量和趕酸時(shí)間的組合Table 3 Combinations of sample size and acid removal conditions

標(biāo)注用Z比分?jǐn)?shù)評價(jià)后|Z|≤2時(shí)樣品的最高限、最低限、中位值和均值，由圖1～2可知，砷和硒元素的檢測結(jié)果在趕酸97.5 min、稱樣量0.250 0 g、趕酸剩余量約1.0 mL時(shí)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍的最高限與最低限之間，檢測結(jié)果最準(zhǔn)確。由圖3可知，3組、4組和5組鎘元素的檢測結(jié)果均在最高限與最低限之間，考慮到稱樣量0.100 0 g較少，代表性不強(qiáng)，0.400 0 g容易出現(xiàn)消解不完全，而且多元素同時(shí)檢測時(shí)要求前處理具有一致性。得出最佳選擇為趕酸時(shí)間97.5 min、稱樣量0.25 g、趕酸剩余量約1.0 mL，該條件下檢測值準(zhǔn)確性較高。

2.3 方法精密度

結(jié)合2.1、2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將A方法中的趕酸剩余量定為1.0 mL，驗(yàn)證對于鉛、鋁、鉬、鎳、鉻元素不同趕酸方法的重復(fù)性。由表4可知，方法的重復(fù)性測定結(jié)果變異系數(shù)為1.1%～9.8%，鉛、鋁、鉬、鎳、鉻元素的測定結(jié)果變異系數(shù)滿足GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范 食品理化檢測》[25]要求：被測組分含量為1 mg/kg時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)應(yīng)≤11%，被測組分含量為10 mg/kg時(shí)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)變異系數(shù)應(yīng)≤7.5%。并且A與B趕酸方法的檢測結(jié)果偏差均小于10%，表明2 種趕酸方法測定精密度均良好。為了減少硝酸對環(huán)境的污染和對人體、設(shè)備的傷害，最佳選擇為A趕酸方法，且樣液趕酸剩余量定為約1.0 mL。

表 4 精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果（n=6）Table 4 Results of precision test (n = 6)

2.4 方法準(zhǔn)確度

依據(jù)2.2、2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)選擇稱樣量0.25 g（精確至0.000 1 g）微波消解樣品，趕酸溫度160 ℃、趕酸時(shí)間97.5 min、趕酸剩余量約1.0 mL，對5 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中包含的8 種元素進(jìn)行檢測分析。由表5可知，檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)樣的中位值相比，偏差均小于5%，滿足10%～20%的偏差范圍要求[25]，準(zhǔn)確性良好。

表 5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定結(jié)果Table 5 Results of determination of standard substances by the developed method

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對ICP-MS法測定乳粉中多種元素含量時(shí)樣品前處理的不同趕酸方法進(jìn)行比較，結(jié)果表明，相比于僅趕走酸霧（B方法），趕酸處理（A方法）可以更大程度滿足ICP-MS法對乳制品中多種元素測定的準(zhǔn)確性，同時(shí)減少酸氣對人體和設(shè)備的危害；與國標(biāo)僅趕酸霧的方式相比，酸剩余量為1.0 mL的優(yōu)勢十分突出，有效降低了樣品的酸度，并與標(biāo)準(zhǔn)溶液的酸度更加匹配，同時(shí)可以使用較小的定容體積，檢測含量較低的元素時(shí)能更有效提升樣液質(zhì)量濃度在標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍內(nèi)的合理性。本研究確定了不同前處理過程對ICP-MS法測定乳粉中多種元素含量準(zhǔn)確性的影響，為乳制品的質(zhì)量控制和食品安全風(fēng)險(xiǎn)評估提供了有效的技術(shù)保障，適合在企業(yè)及應(yīng)用趕酸技術(shù)的機(jī)構(gòu)推廣和使用。