微波消解—ICP-MS測定乳粉中碘的含量

朱家俊 李 樑 何 霜 陳景周

素有“智力元素”之稱的碘是人體必需的非金屬微量元素之一，與人體的生長發(fā)育、新陳代謝息息相關(guān)[1]。碘缺乏會影響腦發(fā)育，造成智力低下、甲狀腺腫大、侏儒癥等體格障礙[2]，但攝入過多亦會對人體造成危害，如甲狀腺腫大、甲亢[3]。

相關(guān)研究[4]表明，碘在乳粉中主要以碘離子和碘酸根的形式存在。目前國內(nèi)外測定乳粉中碘含量的方法主要有氣相色譜法[5-7]、離子色譜法[8]、分光光度法[9-10]、電感耦合等離子體質(zhì)譜法[11]和原子光譜法[12]。GB 5009.267—2020作為食品中碘的檢驗依據(jù)，其中氣相色譜法和電感耦合等離子體質(zhì)譜法適用于測定乳粉中的碘含量。電感耦合等離子體質(zhì)譜儀檢出限低、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性好，使用簡便快捷，是適用于日常準確高效測定乳粉中碘含量的分析儀器。Alahmad等[13]通過有機試劑進行萃取、凈化提取碘[14]，但該方法操作繁瑣費時，衍生反應(yīng)基質(zhì)復(fù)雜，無法實現(xiàn)乳粉中碘含量的快速檢測；袁波等[15]使用水提取法通過試劑沉淀復(fù)原乳粉中的蛋白，過濾后濾液直接使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)檢測[16]，但濾液中殘余大量有機物，會對檢測儀器造成積碳，加快貴重耗材消耗；劉列鈞等[17-18]通過堿灰化法加入堿性助劑后灰化消解，能排除大部分有機物的干擾，但難以準確控制溫度避免碘的損失。目前常采用ICP-MS測定乳粉中碘含量，其前處理使用堿作提取助劑在烘箱中進行消解提取，GB 5009.267—2020第一法使用具有劇毒性質(zhì)的四甲基氫氧化銨作堿性提取劑[19]，也有使用氫氧化鉀代替其作為堿性提取劑[20]，但高濃度的鉀鹽容易污染檢測器。研究擬采用可批量處理的微波消解作前處理，聯(lián)合ICP-MS高效準確測定乳粉中碘含量，分析比較常見造成碘損失的因素，旨在為建立一種高效、回收率好，可確保人員安全并降低儀器維護成本的乳粉中碘含量測定方法提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

超純水：電阻率為18.2 MΩ ·cm，自制；

硝酸：優(yōu)級純，經(jīng)超純酸制備系統(tǒng)純化，廣州化學(xué)試劑廠；

氨水、硝酸銀：分析純，廣州化學(xué)試劑廠；

無水硫代硫酸鈉：99.99%，美國阿拉丁工業(yè)公司；

表面活性劑(TritonX-100)：美國阿拉丁工業(yè)公司；

碲(Te)標準溶液：1 000 μg/mL，相對擴展不確定度為0.7%(k=2)，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

碘(I-)標準溶液：1 000 μg/mL，相對擴展不確定度為0.7%(k=2)，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

乳粉GBW10116、GBW10117標準物質(zhì)：中國計量科學(xué)研究院；

柑橘葉GBW10020、蒜粉GBW10022標準物質(zhì)：地球物理地球化學(xué)勘查研究所；

較大嬰兒配方奶粉：雅培鉑優(yōu)恩美力較大嬰兒配方奶粉。

1.2 儀器與設(shè)備

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)：7900型，配有同心霧化器及四極桿，美國安捷倫公司；

超純水系統(tǒng)：A2S-05-CE型，配有預(yù)處理模組及純化模組，美國艾科浦國際有限公司；

微波消解儀：ETHOS UP型，配有TFM消解罐及微波發(fā)生器，意大利Milestone公司；

萬分之一天平：ML204T型，配有MonoBloc單模塊稱重傳感器，瑞士Mettler Toledo公司；

超純酸制備系統(tǒng)：duo PUR型，配有石英蒸餾容器及控溫加熱管，意大利Milestone公司。

1.3 標準曲線的配制

根據(jù)碘標準溶液證書可知其介質(zhì)類型為水，故用超純水稀釋配制成1 μg/mL的碘標準儲備液，再用稀釋液(0.002% AgNO3—2% HNO3—5% NH3·H2O—0.02% Na2S2O3—0.1% TritonX-100溶液)稀釋配制碘標準曲線工作液，標準曲線質(zhì)量濃度依次為0，1，2，5，10，20 μg/L，標準曲線工作液現(xiàn)配現(xiàn)用。

1.4 試驗方法

稱取0.3 g乳粉樣品，加入0.2 mL沉淀劑(1% AgNO3溶液)，加入5 mL超純水，搖勻后靜置30 min，再加5 mL硝酸，迅速蓋上罐蓋，根據(jù)設(shè)定程序進行微波消解，參數(shù)見表1。微波消解完后，消解罐冷卻至室溫，開罐，消解液轉(zhuǎn)移至50 mL離心管，用超純水沖洗消解罐，合并。加入一定量超純水使樣液體積為35 mL，用10 mL氨水(25%)沖洗消解罐，沖洗液移入樣液。定容管按順序依次加入1 mL穩(wěn)定劑(10% NH3·H2O—1% Na2S2O3溶液)、50 μL TritonX-100，用水沖洗消解罐，沖洗液移入樣液，用超純水定容樣液，上機待測。

表1 微波消解儀參數(shù)Table 1 Parameters of microwave digestion instrument

1.5 儀器工作條件

根據(jù)現(xiàn)有條件，用調(diào)諧液調(diào)試儀器的各項指標，使電感耦合等離子體質(zhì)譜儀達到測定碘的最佳儀器條件，經(jīng)調(diào)諧后的儀器主要參數(shù)設(shè)置為射頻功率1 550 W，氦氣流速4.4 mL/min，霧化氣流速0.8 L/min，補償氣流速0.2 L/min，霧化室溫度2 ℃，采樣錐和截取錐為鎳合金，數(shù)據(jù)采集3次，清洗時間20 s，穩(wěn)定時間20 s。

1.6 樣品測定

由于碘存在記憶效應(yīng)，穩(wěn)定儀器時，用洗液(1%氨水—0.1% TritonX-100)沖洗管路，使系統(tǒng)呈堿性環(huán)境，同時避免管路殘留碘，穩(wěn)定儀器后在調(diào)諧界面觀察127I的CPS，以確定碘的背景空白值滿足測定要求。為了消除儀器自身因素引起的非質(zhì)譜干擾，通過ICP-MS的在線內(nèi)標(內(nèi)標液為500 μg/L Te溶液)，引入內(nèi)標元素147Te來實時監(jiān)測和校正測定過程中信號短期和長期的漂移。

1.7 加標試驗設(shè)計

在使用相同乳粉作本底檢測樣品的基礎(chǔ)上，添加0.5 mL 質(zhì)量濃度為1 μg/mL的碘標準儲備液，兩個樣品為一組平行樣并帶空白。如表2所示，對樣品前處理加酸環(huán)節(jié)前先加入沉淀劑和超純水，以及定容流程使用的定容試劑，完成前處理消解定容操作后進行上機測定。

表2 加標試驗設(shè)計Table 2 Experimental design of standard addition

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品前處理加入沉淀劑

利用碘化銀不易與硝酸進行反應(yīng)且能溶于氨水和硫代硫酸鈉溶液的理化性質(zhì)，在消解體系中引入過量的銀離子，使樣品消解過程中反應(yīng)釋出的碘離子與其結(jié)合成更為穩(wěn)定的碘化銀，以此降低碘離子在微波消解這一高溫的酸性體系下進一步被硝酸氧化成碘蒸氣而造成損失，反應(yīng)結(jié)束后加入氨水堿化并加入穩(wěn)定劑，使碘化銀溶于其中，從而解決沉淀無法被ICP-MS霧化測量的問題。由表3可知，在本底基本一致、加標量等條件相同的情況下，加入沉淀劑的組別B的碘含量更高，能有效降低碘在試驗過程中的損失。因此，在對樣品完成稱樣步驟后，先添加0.2 mL沉淀劑(1% AgNO3溶液)后進行加酸操作。

2.2 樣品前處理加入水

碘的多種形態(tài)容易與具有強氧化性、強酸性的硝酸進行反應(yīng)，特別是碘離子，除了可能與硝酸反應(yīng)生成易揮發(fā)的碘單質(zhì)外，還能與氫離子結(jié)合形成見光易分解、極不穩(wěn)定的氫碘酸。日常微波消解中，通常會加入水以緩沖樣品與酸反應(yīng)的劇烈程度，即通過降低酸的濃度從而達到降低反應(yīng)速率的目的。由表4可知，加水及不同的加入方式均能影響碘在試驗過程中的含量，前處理(C)不添加水碘的損失嚴重；而先后添加水和硝酸(D)，與直接添加等比的硝酸和水混合溶液(E)更能有效提高乳粉中碘的測定效果；乳粉中添加水后靜置混勻(F)，再添加硝酸能避免樣品中碘的損失。

表3 沉淀劑對樣品測定結(jié)果的影響Table 3 The effect of precipitant on the determination result of samples

2.3 調(diào)節(jié)消解液堿性

消解完成后的消解液呈酸性，溶液中的碘在酸性條件下容易附著在消解罐壁上。相反，碘在堿性條件下比較穩(wěn)定，且容易被堿性溶液洗脫，有利于弱化其記憶效應(yīng)，因此在定容環(huán)節(jié)需要對消解液進行堿化，且這個堿化過程需要避免碘損失。

目前，GB 5009.267及其他進行堿提取測定食品中碘的方法中，主要使用四甲基氫氧化銨或氫氧化鉀作為調(diào)節(jié)消解液堿性的主要試劑。但四甲基氫氧化銨具有較強的毒性，氫氧化鉀溶解過程放熱劇烈，為中和酸性的消解液，不宜配置高濃度的氫氧化鉀溶液，因其與酸中和時會放熱導(dǎo)致碘損失，故選用更為安全溫和的氨水調(diào)節(jié)消解液堿性。

2.4 定容流程

定容環(huán)節(jié)中需要加入氨水、穩(wěn)定劑、表面活性劑Tri-tonX-100和水。其中，需要對消解原液或氨水加水稀釋后再進行堿化，以緩沖其中和反應(yīng)，削弱放熱的劇烈程度，再添加穩(wěn)定劑，避免硫代硫酸鈉與酸進行歧化反應(yīng)導(dǎo)致穩(wěn)定劑失效。定容后期添加表面活性劑TritonX-100可避免因溶液的劇烈晃蕩而產(chǎn)生氣泡，從而影響定容操作的準確性。因此，定容環(huán)節(jié)試劑的添加順序按“水—氨水—穩(wěn)定劑—表面活性劑TritonX-100”進行操作。由表5 可知，與用稀釋后的25%氨水溶液直接堿化定容相比，先用水稀釋定容消解液后，再堿化樣液更能降低碘的損失，測得樣品中的碘含量更高。

表4 水對樣品測定結(jié)果的影響Table 4 The effect of water on the determination result of samples

2.5 標準曲線和檢出限

根據(jù)儀器工作條件上機測定，以曲線濃度為橫坐標，標準溶液127I的CPS與在線內(nèi)標147Te的CPS的比率為縱坐標進行線性回歸分析，線性回歸方程為y=0.036 0x+0.008 2，相關(guān)系數(shù)為0.999 9，儀器檢出限為0.029 μg/L。根據(jù)線性回歸分析可知，碘的標準工作液在質(zhì)量濃度為0～20 μg/L時，其與碲的CPS比率呈良好的線性關(guān)系。根據(jù)GB/T 27417的規(guī)定，連續(xù)測定空白試液11次，碘的檢出限為0.044 mg/kg。

2.6 方法回收率和精密度

由表6可知，碘回收率為90.2%～107.7%，相對標準偏差為0.9%～3.6%，說明該方法具有較好的回收率和精密度。

2.7 方法準確性驗證

由表7可知，標準物質(zhì)中碘的測定值在標準值范圍內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計檢驗，兩數(shù)據(jù)無顯著差異，進一步驗證了該方法對乳粉中碘含量測定的準確性。

2.8 與國標方法比較

由表8可知，試驗方法對乳粉進行碘含量測定的結(jié)果，與GB 5009.267—2020第一法測得的結(jié)果相近，相對標準偏差為2.0%。

表5 定容流程對樣品測定結(jié)果的影響Table 5 The effect of different constant volume process on the determination result of samples

表6 回收率和精密度的試驗結(jié)果Table 6 Results of tests for recovery and precision

3 結(jié)論

建立了以硝酸為消解體系的微波消解—ICP-MS測定乳粉中碘含量的方法，可實現(xiàn)批量快捷地對乳粉進行消解處理，減少了上機樣液基質(zhì)中有機物含量，從而降低了檢測儀器ICP-MS的維護成本，提高使用壽命，同時有效阻止了碘在試驗過程中的損失。與GB 5009.267—2020第一法相比，該方法降低了試驗操作過程中有毒有害試劑造成的危險程度。后續(xù)可探索食品及食品添加劑中碘含量的測定方法，乃至其他檢驗檢測領(lǐng)域?qū)Φ夂康臋z測，如環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

表7 不同標準物質(zhì)測定結(jié)果比較Table 7 Testing result of comparison with different standard material

表8 不同試驗方法的比較Table 8 Testing result of comparison with different experimental methods