微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定啤酒中8種微量元素

徐瓏珀 ,高巧玲

(1.四川省食品檢驗(yàn)研究院,成都 611731;2.成都市香源供水有限責(zé)任公司,成都 610500)

啤酒中含有多種微量元素,這些微量元素不僅影響啤酒品質(zhì)和口感,還與人體健康密切相關(guān)[1]。例如,錳可抑制或激活啤酒中的多種酶,影響啤酒釀造過程,過量的錳對(duì)人體正常代謝不利[2-3];適量的銅、鐵、鋅在維持人體造血功能、保護(hù)紅細(xì)胞方面起重要作用,但過量的銅和鐵會(huì)加快啤酒的自然氧化速率,縮短保質(zhì)期,使啤酒顏色加深,口感變苦,甚至出現(xiàn)沉淀[4],過量的鋅會(huì)引起人體內(nèi)電解質(zhì)失衡,出現(xiàn)困倦、惡心等癥狀[5];鉛、砷、鎘會(huì)在人體內(nèi)產(chǎn)生積累效應(yīng)。微量元素由啤酒生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)引入,原材料(水、啤酒花和酵母等)、設(shè)備容器、儲(chǔ)存包裝和運(yùn)輸都是這些元素的潛在來(lái)源。因此,從飲用安全方面考慮,有必要對(duì)啤酒中的微量元素進(jìn)行測(cè)定。

文獻(xiàn)報(bào)道啤酒中微量元素的測(cè)定方法有原子吸收光譜法(AAS)[6-8]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)[9-10]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)[11]等。AAS只能進(jìn)行單元素測(cè)定,分析速率較慢,不適合大批量樣品的分析;ICP-AES、ICP-MS具有線性范圍寬、分析快速、可同時(shí)測(cè)定多種元素等優(yōu)點(diǎn),但是ICP-MS靈敏度更高、檢出限更低。另外,微波消解法克服了傳統(tǒng)干法灰化和濕法消解的缺點(diǎn),具有消解完全、快速省時(shí)、節(jié)省試劑、空白低等優(yōu)勢(shì),還可防止易揮發(fā)組分損失。本工作采用微波消解法對(duì)啤酒樣品進(jìn)行處理,用ICP-MS同時(shí)測(cè)定啤酒中錳、鐵、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的含量,以期為啤酒的質(zhì)量控制提供方法參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

ETHOS UP型微波消解儀;Nexion 350X 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀;所用器皿經(jīng)20%(體積分?jǐn)?shù))硝酸溶液浸泡24 h后,用水洗凈備用。

錳、鐵、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液:1 000 mg·L－1,使用時(shí),用2%(體積分?jǐn)?shù),下同)硝酸溶液稀釋至所需質(zhì)量濃度。

銠內(nèi)標(biāo)溶液:1 000 mg·L－1,使用時(shí),用2%硝酸溶液逐級(jí)稀釋,配制成50.0μg·L－1銠內(nèi)標(biāo)溶液。

硝酸、30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)過氧化氫溶液均為優(yōu)級(jí)純;試驗(yàn)用水為超純水。

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1.2 儀器工作條件

1.2.1 微波消解儀

分析功率1 800 W;控制溫度120 ℃,升溫時(shí)間5 min,保持時(shí)間2 min;控制溫度160 ℃,升溫時(shí)間5 min,保持時(shí)間2 min;控制溫度190 ℃,升溫時(shí)間5 min,保持時(shí)間30 min。

1.2.2 ICP-MS

射頻功率1 150 W;等離子體流量17.0 L·min－1,載氣流量0.87 L·min－1,輔助氣流量1.2 L·min－1,氦氣流量2 mL·min－1;霧化室溫度2 ℃;蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速35 r·min－1;動(dòng)能歧視(KED)模式;采集模式為跳峰;重復(fù)次數(shù)為3次。測(cè)定同位素為55Mn、57Fe、60Ni、65Cu、66Zn、75As、114Cd、208Pb;在線加入含1%(體積分?jǐn)?shù),下同)異丙醇的50.0μg·L－1銠內(nèi)標(biāo)溶液。

1.3 試驗(yàn)方法

由于啤酒具有發(fā)泡特性且含有大量二氧化碳,消解前先超聲脫氣20 min。準(zhǔn)確移取2 mL脫氣后的啤酒樣品于微波消解管中,加入5 mL 硝酸和1 mL 30%過氧化氫溶液,加蓋放置過夜后,放入微波消解儀,按照1.2.1節(jié)條件進(jìn)行消解。結(jié)束后打開罐蓋排氣,用少量水沖洗內(nèi)蓋,將消解管放入趕酸器趕酸至近干,冷卻后轉(zhuǎn)移至25 mL 容量瓶中,用水洗滌消解管3次,合并洗滌液于容量瓶中,并用水定容,按照1.2.2節(jié)條件進(jìn)行測(cè)定,外標(biāo)法定量。隨同做空白試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)譜干擾與消除

質(zhì)譜干擾主要與等離子體、樣品溶液基體成分、環(huán)境中帶入的氧氣和氮?dú)獾纫蛩赜嘘P(guān),可以通過優(yōu)化儀器工作條件,使用校正方程,選擇合適的測(cè)試模式消除質(zhì)譜干擾。采用ICP-MS普通模式,錳、鎳、砷、鎘等元素的檢出限和背景等效濃度受到嚴(yán)重影響,而碰撞模式一般采用KED 模式來(lái)消除干擾。在四極桿質(zhì)譜前設(shè)置一個(gè)小體積碰撞反應(yīng)池,KED模式中通過加入氦氣,使干擾離子碰撞面積大于待測(cè)元素,被碰撞幾率較大,動(dòng)能損失也大,當(dāng)四極桿勢(shì)能阱高于干擾離子動(dòng)能時(shí),干擾離子無(wú)法進(jìn)入四極桿從而被消除。針對(duì)不同目標(biāo)元素和不同類型干擾,KED 模式均可使用同一條件消除干擾,無(wú)需經(jīng)過特殊反應(yīng)[12-13]。因此,ICP-MS分析中選用KED模式來(lái)消除質(zhì)譜干擾。

2.2 內(nèi)標(biāo)元素與同位素的選擇

非質(zhì)譜干擾主要源于樣品基體,并且,測(cè)定中樣品溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液和試劑空白溶液在溶劑蒸發(fā)速率、傳送效率、密度以及表面張力上的差異也會(huì)產(chǎn)生基體效應(yīng)。啤酒作為復(fù)雜基質(zhì)樣品,在ICP-MS分析中無(wú)法進(jìn)行基體匹配,通過加入內(nèi)標(biāo)元素可有效地克服基體效應(yīng)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)以銠作為內(nèi)標(biāo)時(shí),可消除基體效應(yīng),并以其響應(yīng)值來(lái)衡量上機(jī)過程的穩(wěn)定性。同時(shí),基于有機(jī)試劑的增敏作用,在內(nèi)標(biāo)溶液中加入適量的有機(jī)試劑可提高分析靈敏度,因此在測(cè)定過程中在線加入含1%異丙醇的50.0μg·L－1銠內(nèi)標(biāo)溶液。

ICP-MS測(cè)定還會(huì)受到同位素的干擾,一種元素通常具有多個(gè)同位素。結(jié)合儀器的默認(rèn)值,按照干擾少、豐度高、靈敏度高的原則確定各元素的測(cè)定同位素,最終選擇的測(cè)定同位素為55Mn、57Fe、60Ni、65Cu、66Zn、75As、114Cd、208Pb。

2.3 消解條件的選擇

首先對(duì)消解體系進(jìn)行考察,分別采用硝酸、硝酸＋高氯酸和硝酸＋30%過氧化氫溶液等3 種體系,通過觀察消解液顏色、透明度以及殘留物來(lái)評(píng)價(jià)消解效果。結(jié)果顯示:硝酸消解后的消解液顏色呈淡黃色,有少量懸浮物,消解效果欠佳;而采用硝酸＋高氯酸和硝酸＋30%過氧化氫溶液兩種體系均可將啤酒樣品消解至無(wú)色澄清透明,但是硝酸＋高氯酸引入的氯離子會(huì)帶來(lái)質(zhì)譜干擾,并且硝酸＋高氯酸中各元素的空白值高于硝酸＋30%過氧化氫溶液的。因此,試驗(yàn)選用硝酸＋30%過氧化氫溶液體系消解啤酒樣品。

試驗(yàn)進(jìn)一步考察了不同消解試劑用量(5 mL硝酸＋1 mL 30%過氧化氫溶液,7 mL硝酸＋1 mL 30%過氧化氫溶液,5 mL 硝酸＋2 mL 30%過氧化氫溶液,7 mL 硝酸＋2 mL 30%過氧化氫溶液)對(duì)樣品消解效果的影響。結(jié)果表明:當(dāng)硝酸用量為5 mL時(shí),消解效果已較好,繼續(xù)增加硝酸用量會(huì)導(dǎo)致趕酸時(shí)間延長(zhǎng);并且過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣有利于分解有機(jī)質(zhì),但也會(huì)增大消解管內(nèi)部壓力,因此用量不宜過多;當(dāng)硝酸用量為5 mL,過氧化氫用量為1 mL時(shí),消解效果達(dá)到最佳。并且試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),最高消解溫度在190 ℃和200 ℃時(shí)消解效果幾乎相同,均能使樣品完全消解,出于消解管使用壽命以及試驗(yàn)安全因素考慮,選擇最高消解溫度為190 ℃。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線、檢出限和測(cè)定下限

移取適量的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液,用2%硝酸溶液逐級(jí)稀釋,配制成錳、鐵質(zhì)量濃度為0,20,50,100,200,500μg·L－1,鎳質(zhì)量濃度為0,10,20,30,40,50μg·L－1,銅、鋅質(zhì)量濃度0,10,20,50,100,200μg·L－1,砷、鎘質(zhì)量濃度0,0.5,1.0,2.0,5.0,10μg·L－1,鉛質(zhì)量濃度0,1.0,2.0,5.0,10,20μg·L－1的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列。在優(yōu)化的儀器工作條件下對(duì)上述混合標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行測(cè)定,以各待測(cè)元素的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo),其對(duì)應(yīng)的響應(yīng)值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,線性參數(shù)見表1。

同時(shí)分析11個(gè)試劑空白溶液,以3倍和10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(s)所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度為檢出限(3s)和測(cè)定下限(10s),結(jié)果見表1。

表1 線性參數(shù)、檢出限和測(cè)定下限Tab.1 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

結(jié)果顯示:8種元素標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.999 0,檢出限為0.02～1.87μg·L－1,測(cè)定下限為0.07～6.23μg·L－1。

2.5 穩(wěn)定性試驗(yàn)

向未處理的啤酒樣品中加入50μg·L－1的錳、鐵、銅、鋅標(biāo)準(zhǔn)溶液,10μg·L－1的鎳、砷、鎘、鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液,經(jīng)微波消解后,在設(shè)定好的儀器工作條件下連續(xù)測(cè)定3 h,每30 min測(cè)定一次,共測(cè)定7次。結(jié)果顯示,8 種元素在3 h 內(nèi)測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為4.9%～9.0%。在相同儀器條件下對(duì)已處理好的啤酒樣品(0～5 ℃冷藏保存)于2 d內(nèi)測(cè)定,每天平行測(cè)定6次,共測(cè)定12次。結(jié)果顯示,各待測(cè)元素測(cè)定值的RSD 均低于10%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法分析過程具有良好穩(wěn)定性。

2.6 精密度和回收試驗(yàn)

由于未找到與啤酒相同基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),因此采用加標(biāo)回收試驗(yàn)驗(yàn)證分析方法的精密度和準(zhǔn)確度。根據(jù)樣品中各待測(cè)元素的含量分別加入2個(gè)不同濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)溶液,在設(shè)定好的儀器工作條件下平行測(cè)定6次,計(jì)算各待測(cè)元素的回收率和測(cè)定值的RSD,結(jié)果見表2。

表2 精密度和回收試驗(yàn)結(jié)果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

結(jié)果顯示,各待測(cè)元素加標(biāo)回收率在93.0%～104%內(nèi),測(cè)定值的RSD 在1.7%～5.4%內(nèi),說明該方法具有良好的精密度和準(zhǔn)確度。

2.7 樣品分析

按照試驗(yàn)方法對(duì)6個(gè)不同品牌啤酒樣品進(jìn)行分析,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次,結(jié)果見表3。采用單邊t檢驗(yàn)法,分析各元素含量的顯著性差異。

表3 樣品分析結(jié)果Tab.3 Analytical results of the samples μg·L－1

結(jié)果表明:不同品牌啤酒樣品中錳、鐵、鎳、銅、鋅、砷的含量存在顯著性差異(P＜0.05),鎘和鉛的含量無(wú)顯著性差異(P＞0.05);啤酒中鐵含量(182～276 μg·L－1)較高,其次是錳(88.6～172μg·L－1),兩者的含量明顯高于鎳、銅、鋅的;毒性元素方面,6種啤酒均未檢出鎘,僅一種啤酒未檢出砷外,其余5種啤酒均檢出砷,3種啤酒未檢出鉛,其余3 種啤酒均檢出鉛,但檢出量遠(yuǎn)低于GB 2762－2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》中鉛的限定值要求(≤0.2 mg·kg－1),說明啤酒樣品未受重金屬污染,飲用安全性好。

本工作以硝酸＋30%過氧化氫溶液為消解體系,提出了微波消解-ICP-MS測(cè)定啤酒中8種微量元素的方法。通過KED 模式消除潛在的質(zhì)譜干擾,以銠為內(nèi)標(biāo)元素校正基體效應(yīng),選擇合適的測(cè)定同位素避開光譜干擾,得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果,該方法準(zhǔn)確度好、精密度高、穩(wěn)定性良好,可用于啤酒質(zhì)量控制和安全評(píng)價(jià)。