ICP-MS測定小米中的22種元素及營養(yǎng)價值分析

賀麗霞,閆偉偉,梁 偉,狄 慧

(1.張家口市食品藥品檢驗中心,河北 張家口 075000;2.張家口市宣化區(qū)人民醫(yī)院,河北 張家口 075100)

谷子(SetariaitalicaL.),稱為粟米,又叫粱,是世界上最古老的栽培農(nóng)作物之一,起源于我國黃河流域,是中國古代的“五谷”之一。在北方稱谷子,谷子脫殼為小米,小米是我國北方地區(qū)的居民最喜歡的主要糧食之一,其粒小,直徑1 mm左右。小米中礦物質(zhì)的含量約為2.5%～3.5%,如鈉、鈣、鎂、磷、鉀等?！吨袊澄锍煞直怼凤@示,小米中鈣、鐵、鎂、鉀、鋅等礦物質(zhì)相較于小麥粉和稻米更加豐富[1-6]。

目前,食品中元素測定的方法有很多,例如原子吸收光譜法(AAS)、原子熒光光譜法(AFS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-OES)等。測定的標準方法主要采用國家標準方法,包括GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》、GB 5009.12—2017《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》、GB 5009.13—2017《食品安全國家標準 食品中銅的測定》、GB 5009.14—2017《食品安全國家標準 食品中鋅的測定》、GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》、GB 5009.16—2014《食品安全國家標準 食品中錫的測定》、GB 5009.17—2021《食品安全國家標準 食品中總汞及有機汞的測定》、GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》等。AAS和AFS每次只能測定一種元素,且AFS只能測定具有熒光發(fā)射的元素,如砷、汞。ICP-OES實現(xiàn)了多元素同時測定,但是其靈敏度不能滿足如鎘、汞等部分元素的測定要求。ICP-MS不僅實現(xiàn)了多元素同時測定,而且還具備了分析效率高、檢出限低、靈敏度高的優(yōu)點[7-14]。

本研究采用微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法對市售的18種小米的22種元素進行測定,結(jié)合統(tǒng)計學分析,運用主成分分析-降維的方法,對測定的22種元素進行分析,對小米的營養(yǎng)價值作出客觀評價。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

18批次小米分別購自于超市、農(nóng)貿(mào)市場,其中計量稱重4批次,其余均為預(yù)包裝食品。

鉀溶液、鈉溶液、鋁溶液、鐵溶液、硒溶液、鎳溶液、鋅溶液、銅溶液(1 000 μg/mL),北京海岸鴻蒙標準物質(zhì)技術(shù)有限責任公司;鈣Ca、鎂Mg、錫Sn、銻Sb、鉈Tl、鍶Sr、釩V、鉻Cr、鈷Co、鉬Mo、硼B(yǎng)、鈦Ti、錳Mn、鋇Ba(1 000 μg/mL)標準溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;1.00 μg/L(Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U)調(diào)諧溶液,美國Thermo Scientific;鍺Ge、銦In、鉍Bi、鈧Sc(1 000 μg/mL)內(nèi)標溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;65%硝酸(分析級),德國默克股份兩合公司。

ICP Q電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS),美國Thermo Fisher Scientific公司;MARS 6微波消解儀,美國CEM公司;HK-UP-Ⅲ-20超純水機,成都浩康科技有限公司;BS224S電子天平,北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1標準溶液的配制

混合標準溶液:將22種元素混合,配制成為含有K、Mg元素500 mg/L、Na、Ca、Al、Fe元素50 mg/L、Se、Sn、Sb、Tl元素50 μg/L、Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo元素500 μg/L、Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu元素5 mg/L的混標工作溶液。內(nèi)標溶液:將混合內(nèi)標溶液稀釋,配制成分別含Bi濃度為20 ng/mL;Ge、In、Sc濃度為50 ng/mL的混合溶液,進行在線加入。

1.2.2樣品前處理

將樣品去除塵土、沙石等雜質(zhì),經(jīng)高速粉碎機研磨,過4號篩后,混勻,取樣0.5 g(精確到0.001 g)于微波消解罐中,加入5 mL濃硝酸,浸泡1 h后,將消解罐放入微波消解儀中,設(shè)定微波消解儀程序:第一步溫度(120℃)爬升5 min,保持5 min;第二步溫度(150℃)爬升5 min,保持10 min;第三步溫度(190℃)爬升5 min,保持20 min;功率1 200 W。消解完成后,將消解罐放置趕酸器100℃趕酸1 h,用超純水定容到50 mL。同步做空白實驗。

1.2.3ICP-MS工作參數(shù)

分析模式為全定量分析,射頻功率為1 550 W,氬氣純度大于99.999%,冷卻氣流速為14.000 L/min,輔助氣流速0.800 L/min,霧化器流速1.200 L/min,蠕動泵轉(zhuǎn)速40.0 r/min,采樣深度8.0 mm,駐留時間0.02～0.03 s,重復(fù)掃描30次,重復(fù)測定3次,采用ICP-MS中STD模式、KED模式進行測定,碰撞氣體為高純氦氣,流速5.0 mL/min。

1.2.4方法學驗證

1.2.4.1標準工作曲線的繪制

在上述最佳儀器條件下,將K、Ca、Na、Mg、Zn、Fe、Se、Sr等22種元素標準溶液按照濃度從低到高依次在ICP-MS中進樣,測定信號值,繪制標準曲線。

1.2.4.2穩(wěn)定性和檢出限

目標元素的標準曲線建立好后,便可以得到以下信息:①R:線性,可以看出儀器的穩(wěn)定性;②a:Y軸截距,空白樣品的響應(yīng)值信號;③b:斜率,同位素靈敏度;④a/b:X軸截距,空白樣品的背景等效濃度BEC(Background Equivalent Concentration);⑤LOD:檢出限(Limit of Detection,3倍標準偏差)。

1.2.4.3重復(fù)性和回收率實驗

為了驗證實驗結(jié)果的準確性,稱取編號為Y6的樣品加入混合標準物質(zhì),同樣品處理和測定,進行加標回收實驗,采用ICP-MS測定22種元素的含量,并計算其回收率。重復(fù)測定6次,計算其RSD,用于重復(fù)性評價。

1.2.4.4方法可靠性

為了驗證方法的可靠性,稱取編號為Y2的樣品,與GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》結(jié)果進行對比,計算相對偏差,用于方法可靠性評價。

1.2.5樣品的測定

將每種小米樣品設(shè)置3個平行樣,按照上述實驗方法進行前處理,采用ICP-MS一次進樣快速分析22種元素含量,最終結(jié)果為3次測定的平均值。

1.2.6營養(yǎng)元素分析

將測定元素分為常量元素和微量元素,微量元素又分為必需元素和非必需元素,通過有效主成分分析對小米的元素營養(yǎng)價值進行評價。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中實驗設(shè)計3平行,數(shù)據(jù)以平均值表示,數(shù)據(jù)分析和繪圖通過Excel 2017和PASW Statistics軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 測定模式的選擇

ICP-MS的干擾主要分為質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾兩種。質(zhì)譜干擾包括多原子離子干擾、同位素干擾、雙電荷干擾等。非質(zhì)譜的干擾主要來源于基體的復(fù)雜性。動能歧視消除模式(KED)利用產(chǎn)生干擾的分子離子具有更大的碰撞截面,碰撞氣體與其碰撞頻率更高,使之動能降低,而目標物仍然保持較高的動能,順利進入四極桿,它能消除大部分的原子離子干擾。內(nèi)標法能有效地克服基體效應(yīng)的影響[15-16]。本實驗通過普通模式(STD)與動能歧視消除模式(KED)的對比,考察了22種待測元素的背景等效濃度(BEC)和最低檢測質(zhì)量濃度(LOD),并采用Sc、Ge、In、Bi作為內(nèi)標元素,以克服基體帶來的干擾。結(jié)果見表1。

表1 不同檢測模式下各待測元素的背景等效濃度(BEC)和最低檢測質(zhì)量濃度(LOD)

從表1可見,開啟碰撞反應(yīng)模式(KED)對24Mg、44Ca、48Ti、51V、52Cr、57Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、77Se、95Mo、118Sn、121Sb的14種待測元素的BEC和LOD都有明顯的改善,且待測元素的BEC變異系數(shù)在0.26%～1.39%,LOD變異系數(shù)在0.10%～1.34%,均達到中等變異程度之上;11B、27Al在STD模式下,BEC和LOD的效果更好,11B的BEC變異系數(shù)為1.41%,LOD變異系數(shù)為1.41%,已達到強變異,27Al的BEC變異系數(shù)為0.77%,LOD變異系數(shù)為0.99%,已接近強變異;而對于23Na、39K、55Mn、88Sr、137Ba這5種元素,在KED模式下BEC有所改善,但是LOD在STD模式下更具有優(yōu)勢;對于205Tl元素來說,STD模式和KED模式?jīng)]有特別顯著的區(qū)別。綜上所述,本研究中除B、Al選擇STD模式測定外,Na、K、Sr、Ba、Tl兩種模式都可以選擇,其余元素均選擇KED模式測定。

2.2 方法學考察

2.2.1標準曲線及最低檢測質(zhì)量濃度(LOD)

將混合標準工作溶液進行逐級稀釋,配制成K、Mg濃度為0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 mg/L;Na、Ca、Al、Fe濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 mg/L;Se、Sn、Sb、Tl濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 μg/L;Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo濃度為0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L;Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu濃度為0.0、10.0、50.0、100.0、300.0、500.0 μg/L。用Y字三通對22種元素標準混合溶液和內(nèi)標溶液同時用ICP-MS進行測定,通過內(nèi)標矯正,以測定強度值(Y)為縱坐標,以濃度(X)為橫坐標,建立線性回歸方程。實驗結(jié)果所示,待測元素的標準曲線R在0.998 1～1.000 0,滿足GB/T 27404—2008中規(guī)定的相關(guān)系數(shù)≥0.998的要求。檢出限(LOD)在0.001 1～14.1 μg/L。

2.2.2重復(fù)性和回收率實驗

稱取編號Y6的樣品0.25 g(精確至0.001 g),分別加入含有0.75 mg K,0.25 mg Mg,25 μg Ca,7.5 μg Fe,5 μg Na、Al、Zn,1 μg Cu,0.5 μg Ti、Mn,0.25 μg B、Ni、Sr,0.125 μg Ba,50 ng V、Cr、Co、Mo,25 ng Sn、Sb、Tl,5 ng Se的混合標準物質(zhì),同樣品處理和測定,進行加標回收實驗,加標回收率在82.20%～112.92%。重復(fù)測定6次,RSD在0.3%～9.9%,加標回收率和重復(fù)性均滿足實驗要求。實驗結(jié)果如表2所示。

表2 加標回收率與重復(fù)性

2.2.3方法可靠性

為考察方法的可靠性,選擇編號為Y2的樣品,稱取0.5 g,采用本實驗方法與GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》ICP-MS法進行測定,兩種測定結(jié)果計算相對偏差,具體結(jié)果見表3,兩種方法的變異系數(shù)為0.184 3%～7.896%,結(jié)果令人滿意。

表3 本實驗與GB 5009.268—2016測定結(jié)果比對

2.3 結(jié)果分析

2.3.1小米中22種元素含量的測定

常量元素,即常量礦物質(zhì),是指無機鹽中在人體內(nèi)含量較多,每日需要量在100 mg以上的元素。微量元素是指無機鹽中在人體內(nèi)含量較少,每日需要量在100 mg以下的元素,微量元素又分為必需微量元素和非必需微量元素。本次實驗測定的22種元素中,包括4種常量元素,分別是K、Ca、Na、Mg;微量元素18種,其中必需微量元素12種,非必需微量元素6種。由檢測結(jié)果可知,小米中礦物元素含量豐富,其中在待測元素中,維持滲透壓、酸堿平衡、神經(jīng)肌肉正常等功能的K含量最高,平均達到2 886 mg/kg,變異系數(shù)為0.16%,代表K在多批次小米中的含量波動很小。常量元素中,Na的含量最少,為35.31 mg/kg,K和Na的含量比為81.7∶1,是典型的高鉀低鈉食物。在微量元素中,起到合成血紅蛋白、肌紅蛋白等作用的Fe平均含量為23.09 mg/kg,變異系數(shù)為0.20%,同樣在多批次小米中Fe的含量相對比較穩(wěn)定。22種元素中,變異系數(shù)最大的2個元素是Cr和Se,分別是1.40%和1.11%,兩種元素在多批次小米中含量波動較大。具體測定數(shù)據(jù)見表4、表5所示。

表5 微量元素測定結(jié)果表

2.3.2不同批次小米中22種元素的因子分析及綜合評價

通過PASW Statistics數(shù)據(jù)編輯器,對不含釩V、錫Sn、銻Sb、鋁Al四種未檢出元素的18種元素進行降維-因子分析的處理,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗統(tǒng)計量是用于比較變量間簡單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的指標,其取值在0和1之間。KMO值越接近1,意味著變量間的相關(guān)性越強,原有變量越適合作因子分析;反之,KMO值越接近于0,表示變量間的相關(guān)性越弱,原有變量則不適合作因子分析。分析結(jié)果見表6。

表6 KMO和Bartlett檢驗

由表6可見,對12種元素進行分析的時候,KMO為0.561,大于0.5,說明可以進行因子分析,但是在將相關(guān)性差的元素去除,使變量縮減至9種時,其KMO值為0.646,說明9種元素的相關(guān)性更加適合做因子分析。這9種元素分別是Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Ni、Mo、Sr。根據(jù)特征值大于1,累計方差貢獻率>80%,結(jié)合碎石圖綜合判定,2種主成分的累計方法貢獻率為77.319%,可以客觀反應(yīng)小米中元素的信息,詳見表7。

表7 主成分特征值及貢獻率

為更好地確定造成差異的主要因素,用2個主成分做進一步因子載荷矩陣分析,載荷矩陣見表8。由表8可知,Mn、Co、Ni、Mo 4種元素對成分1的貢獻值為負,Ca、Fe、Zn、Cu、Sr在成分1中分別為0.901、0.706、0.927、0.766、0.886,其中Zn、Ca和Sr的貢獻值依次較高;在主成分2中,除Sr外,其他8種元素均對其有所貢獻,但Mn的貢獻率最高為0.880。綜上判定,小米中特征元素為Zn、Ca、Sr和Mn。對不同批次的小米以主成分因子得分和方差貢獻率進行綜合評價,綜合得分Y和排名詳見表9。由表9可見,樣品2的評價值最高,綜合排名第一,而樣品2中的Zn和Sr的含量在全部批次的樣品中最高。

表8 成分得分系數(shù)矩陣

表9 小米主成分因子及綜合評價結(jié)果

3 討論與結(jié)論

本研究通過微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法對小米中的22種元素進行分析,運用降維主成分分析的方法進行分析。結(jié)果表明,不同批次小米中元素含量存在共性特征,K的含量都非常高,但是Na的含量相對較低,K和Na的均值比為87.1∶1,屬于典型的高鉀低鈉食品。眾所周知,高鉀低鈉食品有利于高血壓的控制,減少心腦血管疾病的發(fā)生。此外,通過因子分析,進而對不同批次的小米進行綜合評價發(fā)現(xiàn),綜合評價高的小米中Zn和Sr的含量較高,作為人體必需的微量元素,Zn可促進人體的生長發(fā)育,提高食欲,增強肌體抵抗力,促進傷口愈合等;Sr能促進鈣吸收、強壯骨骼、保護牙齒,調(diào)節(jié)血壓、保護心血管、減少肝損傷;延緩衰老。由此可見,小米中的高含量元素和主要元素對人體調(diào)節(jié)血壓和保護心血管都具有重要意義。