基于液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法快速測(cè)定牛奶中鈣含量

郝 俊，汪 雨，劉 聰，吳 贊，邵 鵬，祖文川*

1.天津大學(xué)環(huán)境與工程學(xué)院，天津 300072 2.北京市科學(xué)技術(shù)研究院分析測(cè)試研究所(北京市理化分析測(cè)試中心)，北京 100089

引 言

鈣是保持生命健康不可或缺的營(yíng)養(yǎng)素之一。鈣元素不僅是構(gòu)成生命體骨骼組織的主要礦物質(zhì)成分，還直接參與機(jī)體的代謝活動(dòng)。鈣是維持細(xì)胞生存代謝和機(jī)能的主要電解質(zhì)元素，其在神經(jīng)、肌肉的應(yīng)激過(guò)程以及維持生命體酸堿平衡等方面具有重要作用。缺鈣可能會(huì)導(dǎo)致兒童佝僂病，青少年發(fā)育遲緩，孕婦高血壓，老年人骨質(zhì)疏松癥等諸多問(wèn)題。目前，我國(guó)居民日常鈣攝入量嚴(yán)重不足，尤其是兒童、青少年和老年人缺鈣比例比較高[1]。通過(guò)牛奶等高鈣食品補(bǔ)鈣已經(jīng)成為一種大眾認(rèn)可的生活或食療習(xí)慣。牛奶中含有豐富的活性鈣，是奶業(yè)加工最重要的產(chǎn)品之一。鈣含量水平直接影響原料奶的質(zhì)量，鈣元素對(duì)維持牛奶的鹽類(lèi)平衡，保持牛奶體系的穩(wěn)定性等發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。通過(guò)測(cè)定牛奶鈣含量可以在一定程度上反映牛奶的品質(zhì)。

目前，牛奶中鈣含量測(cè)試主要采用滴定法[1]、分光光度法[3]、火焰原子吸收光譜法[2, 4-7]、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法[8-12]或離子選擇電極法[13-14]。其中，滴定法存在干擾嚴(yán)重、終點(diǎn)顯示不明確、準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn)；分光光度法分析效率低，干擾嚴(yán)重；火焰原子吸收光譜法以及ICP-AES法對(duì)牛奶中鈣含量分析均依賴(lài)于乙炔、氬氣等氣體鋼瓶，故對(duì)實(shí)驗(yàn)室的分析條件要求較為苛刻；離子選擇性電極法電極處理過(guò)程較為繁瑣耗時(shí)，且需定期維護(hù)或更換。此外，上述方法均需要借助干灰化或者濕法消解等前處理手段進(jìn)行樣品制備[15]，很難在現(xiàn)場(chǎng)快速分析中應(yīng)用。激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)法曾有應(yīng)用于奶粉中金屬元素測(cè)定[16]的報(bào)道，但該法更加適合固體樣品分析，很難應(yīng)用于液態(tài)奶中鈣元素的測(cè)定。牛奶分析樣品量巨大，開(kāi)發(fā)一種無(wú)需氣體鋼瓶，分析成本低且高效、靈敏的牛奶中鈣含量測(cè)定技術(shù)具有顯著的實(shí)用價(jià)值。

液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法在大氣壓下，通過(guò)在金屬陽(yáng)極和進(jìn)樣溶液陰極間施加一幾百到上千伏的電壓，使電極間的氣體發(fā)生放電，產(chǎn)生輝光電離，形成微等離子體。放電過(guò)程中，液體電極中的溶液不斷被氣化，使得溶解在溶液中的金屬離子也進(jìn)入到微等離子體中并受熱激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生發(fā)射光譜，通過(guò)檢測(cè)不同元素的特征輻射實(shí)現(xiàn)溶液中金屬離子的定性與定量檢測(cè)。目前液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法已成功應(yīng)用于水中多種金屬元素的分析，并展現(xiàn)了良好的分析性能[17-22]。本工作采用直接酸稀釋進(jìn)樣，采用自制便攜液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀，建立了牛奶樣品中鈣含量的快速、簡(jiǎn)便、高靈敏且可現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)采用的硝酸為優(yōu)級(jí)純?cè)噭?北京化工廠)；實(shí)驗(yàn)用水為二次離子交換水。

實(shí)驗(yàn)采用自主研制液體陰極輝光放電裝置(配海洋光學(xué)HR-4000光纖光譜儀)，該裝置采用注射進(jìn)樣，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牛奶樣品，市售，購(gòu)自北京當(dāng)?shù)爻小?/p>

圖1 自制液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜裝置示意圖

本裝置放電室采用鎢陽(yáng)極，以進(jìn)樣試液作為陰極(石墨為輔助陰極)。溶液進(jìn)樣由柱塞泵控制，由切換閥1號(hào)位吸入試液5 mL, 而后由2號(hào)位經(jīng)進(jìn)樣管路推入放電室。由光纖光譜儀采集鈣元素在622 nm下的發(fā)射光譜。自制液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀器的條件參數(shù)：放電電壓700 V；放電電流35 mA；放電電極間距離2 mm; 試液流速4 mL·min-1；光纖光譜儀積分時(shí)間100 ms；進(jìn)樣玻璃管內(nèi)徑0.3 mm×0.3 mm；讀數(shù)方式為峰高模式。

標(biāo)準(zhǔn)系列：由鈣標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 000 mg·L-1，購(gòu)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院)，逐級(jí)稀釋至濃度分別為0.0，2.0，5.0，15，20和50 mg·L-1的系列，保持標(biāo)準(zhǔn)系列硝酸濃度為1%(V/V)。實(shí)驗(yàn)所需其他濃度標(biāo)準(zhǔn)試液也由儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋而得。

1.2 樣品處理

準(zhǔn)確吸取牛奶樣品1 000 μL至100 mL容量瓶，用1%(V/V)硝酸稀釋至刻度，充分震蕩搖勻，此為稀釋100倍的樣品；準(zhǔn)確吸取牛奶樣品500 μL至100 mL容量瓶，用1%(V/V)硝酸稀釋至100 mL，充分震蕩搖勻，此為稀釋200倍的樣品。其他稀釋倍數(shù)的牛奶樣品試液參照以上方法制備。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析譜線

選取0～50.0 mg·L-1鈣元素標(biāo)準(zhǔn)使用液，通過(guò)光纖光譜儀采集其發(fā)射光譜。譜圖如圖2所示，在622 nm有較強(qiáng)的發(fā)射峰。此外，在該發(fā)射峰波長(zhǎng)附近未發(fā)現(xiàn)顯著的干擾譜線。本工作采用622 nm作為分析譜線。

圖2 鈣元素的液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜

2.2 放電電壓的選擇

液體陰極輝光放電發(fā)射光譜儀固體陽(yáng)極與液體陰極間施加的電壓直接影響兩極間微等離子體的產(chǎn)生以及等離子體的溫度、穩(wěn)定性等。實(shí)驗(yàn)采用5 mg·L-1Ca元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，對(duì)660～710 V之間的放電電壓對(duì)其發(fā)射強(qiáng)度的影響進(jìn)行探究，結(jié)果表明在放電電壓低于670 V時(shí)，兩極間很難形成穩(wěn)定的等離子體，大于700 V時(shí)，基線噪音變大顯著。670～770 V放電電壓對(duì)Ca元素發(fā)射強(qiáng)度的影響如圖3所示, 當(dāng)放電電壓在690 V以上時(shí)，靈敏度增加趨勢(shì)放緩。綜合考慮靈敏度及基線性能，實(shí)驗(yàn)選擇700 V放電電壓。

圖3 放電電壓對(duì)鈣元素測(cè)定性能的影響(n=3)

2.2 稀釋試劑(酸)的選擇

試液酸化用酸以及酸度控制對(duì)液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法測(cè)定金屬元素含量的準(zhǔn)確度具有顯著影響。前期工作[18]曾報(bào)道了含有1%(V/V)硝酸、1%(V/V)鹽酸、1%(V/V)硫酸介質(zhì)對(duì)金屬元素測(cè)定靈敏度的影響：采用1%(V/V)硫酸介質(zhì)，發(fā)射強(qiáng)度最大；采用1%(V/V)鹽酸介質(zhì)，靈敏度和穩(wěn)定性均較差；采用1%硝酸(V/V)介質(zhì)，在實(shí)現(xiàn)較為理想靈敏度的同時(shí)，具有最佳的穩(wěn)定性。牛奶樣品中鈣元素的含量水平較高，一般原料奶鈣含量在 105～120 mg·(100 g)-1之間[7]，考慮方法的穩(wěn)定性，故實(shí)驗(yàn)選取1%(V/V)硝酸作為牛奶樣品的稀釋試劑。

2.4 稀釋倍數(shù)與干擾消除

牛奶樣品中含有較多的蛋白、脂肪等有機(jī)質(zhì)，稀釋倍數(shù)過(guò)低容易給鈣元素分析帶來(lái)基體干擾。因此，稀釋倍數(shù)是保證牛奶中鈣元素測(cè)定準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了50～200倍稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，稀釋倍數(shù)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。結(jié)果如圖4所示，當(dāng)稀釋倍數(shù)大于100時(shí)，鈣含量測(cè)定結(jié)果趨于穩(wěn)定，不存在顯著的基體干擾；稀釋倍數(shù)低于100時(shí)，進(jìn)樣后容易產(chǎn)生較多的白色泡沫。綜合考慮牛奶中鈣元素含量的一般濃度，鈣的檢出限以及干擾因素，實(shí)驗(yàn)一般選取稀釋倍數(shù)100～200，對(duì)于鈣含量偏高的牛奶樣品可以采用更高的稀釋倍數(shù)。

圖4 稀釋倍數(shù)對(duì)牛奶中鈣測(cè)定結(jié)果的影響

2.5 分析性能

由低濃度到高濃度分別測(cè)試鈣標(biāo)準(zhǔn)系列在622 nm下的光譜發(fā)射強(qiáng)度。采集譜圖如圖5所示，以發(fā)射強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，以鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，擬合得到鈣標(biāo)準(zhǔn)系列的線性方程為I=151.7ρCa+171.3,R2=0.999 2。以11次標(biāo)準(zhǔn)空白發(fā)射強(qiáng)度重復(fù)測(cè)試值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍除以標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程的斜率，考察儀器的檢出限，為0.35 mg·L-1；當(dāng)牛奶樣品稀釋100倍時(shí)，本方法對(duì)牛奶中鈣元素的方法檢出限為35 mg·L-1；可以滿足牛奶樣品Ca元素的分析需求[參考濃度水平105～120 mg·(100 g)-1]；對(duì)同一牛奶樣品鈣元素含量進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)試，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.6%。單一樣品測(cè)試時(shí)間少于1 min。

2.6 實(shí)際樣品分析

將本法應(yīng)用于北京市購(gòu)牛奶樣品中鈣元素的測(cè)定，結(jié)果如表1所示，不同濃度水平加標(biāo)回收率在89.0%～110.7%之間。平均回收率在100.2%～102.1%，表明本方法可以較好地應(yīng)用于實(shí)際牛奶樣品中鈣元素含量的快速測(cè)定。

圖5 不同濃度水平Ca標(biāo)準(zhǔn)溶液的液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜

表1 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=7)

3 結(jié) 論

建立了基于自制便攜液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀快速測(cè)定牛奶中鈣含量的方法。采用本方法，牛奶樣品經(jīng)稀硝酸酸化并適當(dāng)稀釋后直接進(jìn)樣，無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理和大量的化學(xué)試劑，方便易行，有效避免了外來(lái)污染。同時(shí)，本方法在不需要使用任何輔助氣體鋼瓶的條件下，在1 min內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)牛奶樣品鈣元素的快速分析，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本方法對(duì)牛奶樣品中鈣含量的分析干擾少，分析結(jié)果可靠性強(qiáng)。此外所采用的自制儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可便攜，對(duì)工作條件要求低，可以有效降低分析成本。為牛奶中鈣含量測(cè)定提供了一種新穎的快速測(cè)試手段，可以滿足牛奶鈣含量質(zhì)量控制及現(xiàn)場(chǎng)快速篩查的需求。