微波消解-金納米星比色法快速檢測(cè)嬰幼兒食品中的Co(II)

王永存，王素燕

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264670；2.中南林業(yè)科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

嬰幼兒食品是嬰幼兒攝取母乳以外必需營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源，具有種類繁多，市場(chǎng)來(lái)源廣泛的特點(diǎn)。嬰幼兒的機(jī)體免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育成熟，肝臟和腎臟的解毒能力差[1]，對(duì)有害物質(zhì)的抵抗能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于成年人[2]，容易發(fā)生食品安全問(wèn)題。近年來(lái)，嬰幼兒食品中重金屬安全事件時(shí)有發(fā)生[3-5]，研究表明重金屬影響嬰幼兒的生長(zhǎng)和行為認(rèn)知能力發(fā)育，損傷神經(jīng)系統(tǒng)，引起語(yǔ)言和聽覺障礙，甚至出現(xiàn)行為異常等現(xiàn)象[6-8]。鈷是人體必需的微量元素之一，是維生素B12的重要組成部分。但人體若攝入過(guò)量鈷會(huì)產(chǎn)生中毒現(xiàn)象，可引起胃腸功能紊亂、甲狀腺腫大，甚至?xí)?dǎo)致組織癌變[9]。若食用了含放射性鈷的食品，可導(dǎo)致脫發(fā)，甚至?xí)p害人體血液內(nèi)的細(xì)胞組織，造成白細(xì)胞減少[10-11]。鈷廣泛應(yīng)用于合金、催化劑、陶瓷、電池等領(lǐng)域[12-14]。因此，必須加強(qiáng)對(duì)嬰幼兒食品中鈷含量的檢測(cè)，以提高嬰幼兒食品的質(zhì)量和安全水平。

選取市售的嬰幼兒食品（牛奶、奶粉、米粉、面條、果泥、蔬菜泥、肉酥、魚腸、餅干、奶酪棒、磨牙棒、溶豆）為研究對(duì)象，利用類芬頓反應(yīng)刻蝕金納米星粒子的鈷離子高靈敏比色法對(duì)其重金屬鈷元素進(jìn)行檢測(cè)，金納米星粒子溶液對(duì)不同濃度的鈷離子呈現(xiàn)不同的顏色，能靈敏地檢測(cè)到低濃度的鈷離子。該方法靈敏度高，為嬰幼兒食品中Co(II)的檢測(cè)提供了一種新方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 儀器

UV-1800 紫外可見分光光度計(jì)，日本島津公司；Titan G2 60-300 透射電鏡，美國(guó)FEI 公司；AI 1200 石墨爐原子吸收光譜儀，美國(guó)Aurora 公司；Centrifuge 5415D 離心機(jī)，Eppendorf；MDS-6G 微波消解系統(tǒng)，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司。

1.1.2 試劑

氯金酸、氫氧化鈉、硫氰化鉀、碳酸氫鈉、氯化鈉、氯化鉀、硝酸、過(guò)氧化氫、硝酸鉛、醋酸鋅、硫酸銅、硫酸鈷、硝酸汞、氯化鎘、氯化鉻、硝酸鎳、氯化銅、氯化鋇、三氯化鐵、硫酸亞鐵，均為分析純，上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司；4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），上海瑞永生物科技有限公司；CTAB（C19H42NBr），博美生物科技有限責(zé)任公司。

1.2 樣品采集及前處理

樣品采集：樣品來(lái)自超市、零售店和母嬰店出售的嬰幼兒食品，共抽取12 種食品（牛奶、奶粉、米粉、面條、果泥、蔬菜泥、肉酥、魚腸、餅干、奶酪棒、磨牙棒、溶豆），每種食品涉及4 個(gè)不同品牌，每個(gè)品牌取1 份樣品，共計(jì)48 份樣品，基本上涵蓋了嬰幼兒食品種類。

樣品前處理[15]：取0.3 g 樣品，3.0 mL 14.5 mol/L硝酸，1.8 mL 10 mol/L 過(guò)氧化氫，放入消解罐中，按表1 的程序設(shè)置消解。消解好后移入25 mL 容量瓶中，用1 mol/L 氫氧化鈉調(diào)pH 至6.00，然后定容、過(guò)濾，即可得到澄清、無(wú)色、透明的待測(cè)樣品。

表1 微波消解程序

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 金納米星粒子合成

參考文獻(xiàn)[15]的方法來(lái)完成金納米星粒子制備。將100 mL 0.04 mol/L HEPES 溶液（pH=7.4）和823 μL 24.28 mmol/L 氯金酸溶液，充分混合，室溫下反應(yīng)30 min，待溶液變成藍(lán)綠色即可獲得金納米星粒子（GNSs）溶液。

1.3.2 靈敏度評(píng)價(jià)方法

在5 mL 離心管中加入2.4 mL 制備的GNSs 溶液，90 μL 0.02 mol/L CTAB，60 μL 0.01 mol/L KSCN，150 μL 0.1 mol/L NaHCO3，然后分別加入300 μL 不同濃度Co(II)溶液，搖勻，室溫下反應(yīng)15 min，最后測(cè)定溶液的紫外可見吸收光譜。

1.3.3 選擇性度評(píng)價(jià)方法

為評(píng)價(jià)該方法對(duì)于檢測(cè)Co(II)的選擇性，選擇了10 種重金屬離子（Cr(III)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Ba(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(III)，濃度均為1 μmol/L；Fe(II)濃度為0.5 μmol/L）進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)1.3.2 節(jié)所述實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行檢測(cè)，其中Co(II)濃度為100 nmol/L。

1.3.4 實(shí)際樣品檢測(cè)方法

在5 mL 離心管中加入2.4 mL GNSs 溶液，90 μL 0.02 mol/L CTAB，60 μL 0.01 mol/L KSCN，150 μL 0.1 mol/L NaHCO3，然后加入300 μL 待測(cè)樣品，搖勻，室溫反應(yīng)15 min，待反應(yīng)結(jié)束后，用石墨爐原子吸收光譜儀和紫外可見分光光度計(jì)對(duì)樣液中的鈷含量進(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 方法可行性分析

利用透射電鏡（TEM）和紫外可見分光光度計(jì)對(duì)GNSs 的形貌尺寸和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。GNSs 的表面等離子體共振主要有兩種模式，即縱向局部表面等離子體共振和橫向局部表面等離子體共振?？v向局部表面等離子體共振主要取決于分枝的數(shù)目和長(zhǎng)度，橫向局部表面等離子體共振取決于“核”的大小[16-17]。GNSs的邊緣和尖端控制著金原子的排列，并且其表面的電磁場(chǎng)被增強(qiáng)，因此GNSs 具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能或催化活性[18-20]。如圖1 所示，合成的GNSs 在波長(zhǎng)654 nm處具有很強(qiáng)的縱向局部表面等離子體共振吸收峰，在波長(zhǎng)526 nm 處的橫向局部表面等離子體共振峰較弱，此時(shí)，GNSs 溶液呈藍(lán)綠色，且分散均勻。當(dāng)CTAB、KSCN 或NaHCO3加入到GNSs 溶液中時(shí)圖1（b、c、d），沒有發(fā)生明顯的吸收峰變化。然而，當(dāng)Co(II)加入到CTAB、KSCN 與NaHCO3存在的GNSs 溶液中圖1（e），引發(fā)類芬頓反應(yīng)[21-22]，產(chǎn)生大量O2●-，GNSs 表面的單質(zhì)Au 被O2●-迅速氧化成Au(I)，導(dǎo)致GNSs 的形貌發(fā)生改變，引起GNSs 溶液的局部表面等離子共振峰藍(lán)移、紫外可見吸收強(qiáng)度顯著降低，溶液顏色從藍(lán)綠色變?yōu)樽仙?/p>

圖1 方法檢測(cè)Co（II）可行性分析

同時(shí)TEM 結(jié)果也證實(shí)了GNSs 的刻蝕變化如圖2 所示，合成的GNSs 具有高度分枝的結(jié)構(gòu)圖2（Ⅰ），分枝數(shù)目4～8 個(gè)，通過(guò)對(duì)TEM 圖中GNSs 的尺寸統(tǒng)計(jì)，平均外徑約為34 nm。將Co(II)加入到CTAB、KSCN 與NaHCO3存在的GNSs 溶液中，相應(yīng)的TEM顯示圖2（Ⅱ），GNSs 分枝尖端鈍化、枝長(zhǎng)變短。隨著Co(II)濃度的增加如圖2（Ⅲ），GNSs 分枝幾乎消失，幾何形狀變圓，平均粒徑約為15 nm。這進(jìn)一步說(shuō)明了在CTAB、KSCN 與NaHCO3存在的GNSs 溶液中，Co(II)濃度越大，GNSs 刻蝕程度越大?；诖耍梢酝ㄟ^(guò)本實(shí)驗(yàn)的GNSs 比色檢測(cè)法來(lái)檢測(cè)Co(II)濃度。

圖2 不同濃度Co(II)的TEM

2.2 方法靈敏度分析

通過(guò)計(jì)算GNSs 溶液的最大紫外可見吸收峰的波長(zhǎng)差Δλ，以Co(II)濃度的自然對(duì)數(shù)為變量，繪制擬合曲線，結(jié)果如圖3 所示。在0～20 μmol/L 范圍之間，Co(II)的擬合方程為Δλ=7.69ln[Co(II)]-42.25，R2=0.995，檢出限為35 pmol/L，方程具有良好的線性關(guān)系。隨著GNSs 溶液中Co(II)濃度的增加，溶液顏色發(fā)生梯度變化圖3（c），從藍(lán)色慢慢變紫色最后變成紅色，而且可以通過(guò)肉眼直接觀察到低至500 pmol/L Co(II)引起的顏色變化。與其他已報(bào)道的方法相比如表2 所示，本文的GNSs 比色檢測(cè)法具有較低的檢出限和更寬的線性響應(yīng)范圍。

圖3 方法對(duì)Co(II)的靈敏度分析

表2 鈷的不同檢測(cè)方法比較

2.3 方法選擇性分析

為研究本檢測(cè)方法對(duì)Co（II）的選擇性，選取10種重金屬離子（Cr（III）、Zn（II）、Cd（II）、Pb（II）、Hg（II）、Ba（II）、Ni（II）、Cu（II）、Fe（III）、Fe（II））為潛在干擾物質(zhì)。如圖4 所示，在0.6 mmol/L CTAB、0.2 mmol/L KSCN 和5 mol/L NaHCO3存在下，加入濃度為1 μmol/L Cr（III）、Zn（II）、Cd（II）、Pb（II）、Hg（II）、Ba（II）、Ni（II）、Cu（II）、Fe（III），以及0.5 μmol/L Fe（II），GNSs 溶液中最大紫外可見吸收峰波長(zhǎng)差變化很小。但是當(dāng)加入100 nmol/L Co（II）時(shí)，溶液的最大紫外可見吸收峰的波長(zhǎng)差明顯增加，表明本方法在測(cè)定Co（II）時(shí)表現(xiàn)出較高的選擇性以及抗干擾能力。

圖4 方法對(duì)100 nmol/L Co(II)和其它干擾離子(1 μmol/L Cr(III)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Ba(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(III)和0.5 μmol/L Fe(II))的選擇性分析

2.4 嬰幼兒食品中鈷含量檢測(cè)

嬰幼兒食品中鈷含量采用GNSs 比色檢測(cè)法和石墨爐原子吸收光譜法進(jìn)行對(duì)比測(cè)定。測(cè)定結(jié)果如表3，GNSs 比色檢測(cè)法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為1.36%～3.57%；石墨爐原子吸收光譜法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為0.93%～2.86%，2 種方法檢測(cè)嬰幼兒食品中Co(II)含量值和RSD 非常接近，表明該比色法在嬰幼兒食品中鈷含量的檢測(cè)具有可行性。

表3 嬰幼兒食品中Co(II)含量測(cè)定結(jié)果（n=3）

在表3 的嬰幼兒食品中鈷含量的檢測(cè)結(jié)果中，肉松中鈷含量最高，其平均值高到達(dá)0.3285 mg/kg，其次是魚腸和奶酪棒，蔬菜泥和水果泥中鈷含量較低。食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2022《食品中污染物限量》只規(guī)定了嬰幼兒食品中鉛、汞、砷、錫的限量值[32]，而對(duì)于鈷元素未設(shè)定限量值。本研究開展嬰幼兒食品中鈷元素的分析檢測(cè)，可為今后制定營(yíng)養(yǎng)素或污染物限量標(biāo)準(zhǔn)提供參考依據(jù)，希望引起相關(guān)部門重視，進(jìn)一步完善標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范嬰幼兒食品的企業(yè)生產(chǎn)，確保嬰幼兒食品具備較高的質(zhì)量和安全性。

3 結(jié)論

保障嬰幼兒食品安全是一項(xiàng)長(zhǎng)期而繁重的工作。引發(fā)嬰幼兒食品安全的因素涉及到食品企業(yè)對(duì)食品原料的質(zhì)量把控、消費(fèi)者對(duì)嬰幼兒食品安全的認(rèn)知，以及監(jiān)管部門對(duì)嬰幼兒食品的市場(chǎng)準(zhǔn)入的把關(guān)等，通過(guò)檢測(cè)嬰幼兒食品的成分，可以促進(jìn)嬰幼兒食品的標(biāo)準(zhǔn)化，保障嬰幼兒食品的安全。利用Co(II)引發(fā)類芬頓反應(yīng)刻蝕金納米星粒子導(dǎo)致GNSs 的形貌發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致GNSs 溶液發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嬰幼兒食品中Co(II)的簡(jiǎn)單、快速和高靈敏檢測(cè)，可為制定嬰幼兒食品中鈷元素的限量標(biāo)準(zhǔn)提供檢測(cè)依據(jù)。