超級微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定嬰幼兒奶粉中鈣和磷的含量

陳曉敏，吳嘉文，胡雯艷，陳韻，鄭燦松

（廣州市食品檢驗所，廣州 511400）

0 引 言

鈣和磷是人體必需的營養(yǎng)成分，具有重要的生理作用[1]，它們參與生命活動的各項代謝過程，是維持骨骼和牙齒的必要物質(zhì)[2]。嬰幼兒奶粉是嬰幼兒除母乳外重要的營養(yǎng)來源之一，其中鈣和磷是重要的營養(yǎng)指標(biāo)，適宜的鈣磷比對嬰幼兒生長發(fā)育至關(guān)重要，缺乏對磷的攝取會引起骨骼及牙齒發(fā)育不正常、貧血和佝僂病等[3-4]，而攝入過多的磷會使血液中鈣的含量降低導(dǎo)致骨質(zhì)疏松[2]。GB10765—2021《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)嬰兒配方食品》[5]和GB10767—2021《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)幼兒配方食品》[6]中，對各階段的嬰幼兒奶粉中鈣、磷以及鈣磷比值在限量方面均有詳細(xì)的規(guī)定。因此，準(zhǔn)確地測定嬰幼兒奶粉中的鈣和磷的含量，確保合理的鈣磷比值非常重要。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中嬰幼兒奶粉中鈣和磷的檢測主要采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（ICP-OES）[7-8]，近年來有較多學(xué)者對該方法在嬰幼兒奶粉中的檢測進(jìn)行研究和優(yōu)化[9-11]。隨著分析技術(shù)的發(fā)展，儀器設(shè)備的更新?lián)Q代，多元素同時快速準(zhǔn)確測定的方法不斷更新。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-M S）具有低檢出限、高靈敏度、快速響應(yīng)、寬線性范圍等優(yōu)點，能減少樣品稀釋，能夠?qū)崿F(xiàn)大批量的檢測以及多元素同時分析檢測，是國內(nèi)外元素分析領(lǐng)域中最先進(jìn)的方法之一[12-13]。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB5009.268—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測定》中第一法ICP-M S 法適用于食品中鈣的測定，但磷的測定方法尚未形成食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)[14]。主要原因是磷屬于非金屬元素，電離能力較低，同時也存在SiH、NOH 和NO 等多原子離子的質(zhì)譜干擾，靈敏度較低。嬰幼兒奶粉中鈣和磷的測定結(jié)果會影響到鈣磷比值的判斷，因此采用統(tǒng)一的檢測方法，使用同一種儀器進(jìn)行鈣和磷含量的同時測定尤為重要。隨著儀器抗干擾技術(shù)的發(fā)展，加之奶粉中鈣和磷的含量較高，ICP-M S 法通過技術(shù)消除質(zhì)譜和基質(zhì)的干擾，能做到準(zhǔn)確定量。因此，建立ICP-M S 法同時測定嬰幼兒奶粉中的鈣和磷的含量具有較好的應(yīng)用前景。

奶粉強化了多種營養(yǎng)物質(zhì)，基質(zhì)相對復(fù)雜，采用ICP-M S 法檢測時會有多種離子干擾和同位素干擾，選擇合適的前處理的方法可以適當(dāng)除去部分干擾。普通微波消解法是目前使用較廣泛的無機前處理方法，但由于普通微波消解難以將奶粉中有機成分徹底消解成無機態(tài)，消解后會留存大量的碳、氮等共存元素，產(chǎn)生的基體抑制效應(yīng)，影響鈣和磷的準(zhǔn)確測定[15]。超級微波消解技術(shù)被稱為打破樣品無機檢測預(yù)處理瓶頸的消解新技術(shù)[16]，采用的預(yù)加壓消解技術(shù)能夠在很高的溫度和壓力下工作，即使是難消解的樣品也能夠完全消解。超級微波消解具有安全環(huán)保、用酸量少、引入的污染少、消解效果好等優(yōu)點，是測定無機元素更簡便、消解更完全更徹底、能快速批量化的消解方法[17-19]。

本文采用超級微波消解技術(shù)對嬰幼兒奶粉試樣進(jìn)行消解，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對奶粉中鈣和磷含量同時進(jìn)行測定，通過一系列指標(biāo)進(jìn)行驗證，研究該方法的可行性，對現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外的方法進(jìn)行探索和研究，為嬰幼兒奶粉中磷和鈣含量同時測定提供新的方法參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

鈣磷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（鈣濃度為3 750 μg/m L，磷濃度為2 500 μg/m L），美國N silab solutions；內(nèi)標(biāo)混合溶液（鈧濃度為100 μg/m L），安捷倫科技有限公司；硝酸（UP 級），蘇州晶瑞；調(diào)諧溶液（1μg/L），安捷倫科技有限公司；嬰兒奶粉中鈣、磷質(zhì)控樣品，中國檢驗檢疫科學(xué)研究院測試評價中心；奶粉，市售。

1.2 儀器與設(shè)備

7800 型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，安捷倫科技有限公司；超級微波化學(xué)平臺，萊伯泰科；電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；石墨趕酸儀，廣州基創(chuàng)儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

采用超級微波消解法：稱取約0.50 g 樣品于石英消解管中，加入5 m L 硝酸溶液，盡量讓酸液浸沒樣品。將樣品盤掛到樣品盤位，操作臺上行鎖緊，并向腔體內(nèi)充入氮氣，氣表壓力調(diào)至0.3～0.5 M Pa，儀器自動運行消解程序進(jìn)行消解，參考條件如表1 所示。待消解過程完成后，降溫，泄壓，取出樣品盤。將樣品置于石墨趕酸儀上，設(shè)置100 ℃加熱30 min，用一級水定容至50 m L，混勻，待測。同時做空白試驗。

表1 超級微波化學(xué)平臺的消解程序

1.3.2 樣品測定

配制標(biāo)準(zhǔn)系列，分別為0、1.50、7.50、15.0、30.0、75.0、120、150 m g/L 的鈣標(biāo)準(zhǔn)系列溶液和 0、1.00、5.00、10.0、20.0、50.0、80.0、100 m g/L 的磷標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。配制好內(nèi)標(biāo)使用溶液，濃度為10.0 m g/L。

根據(jù)優(yōu)化的儀器參數(shù)條件，調(diào)諧通過后，將配制好的混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液注入ICP-M S 儀器中，測定鈣、磷元素和內(nèi)標(biāo)鈧元素的信號響應(yīng)值，以鈣、磷元素的濃度為橫坐標(biāo)，鈣、磷元素與內(nèi)標(biāo)元素響應(yīng)信號值的比值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將待測的空白溶液和試樣溶液分別注入ICP-M S 儀器中，測定鈣、磷元素和內(nèi)標(biāo)鈧元素的信號響應(yīng)值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到待測液中鈣、磷元素的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)的選擇和優(yōu)化

儀器參數(shù)主要考察射頻功率、等離子體流量、質(zhì)量數(shù)以及分析模式等對被測元素的影響。ICP-M S 法分析過程中主要存在質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾兩大類。

質(zhì)譜干擾主要包括同量異位素干擾、多原子離子干擾以及雙電荷干擾。選擇合適的質(zhì)量數(shù)能減少質(zhì)譜干擾：磷是單同位素，31P 豐度比100%，因此選擇31P 作為待測質(zhì)量數(shù)。鈣元素有多個同位素，其中40Ca 豐度比最大為96.9%，但會受到來自等離子體40Ar 的干擾；44Ca 豐度比2.1%，排列第二，但容易受到雙電荷離子88Sr++及分子離子CO2和SiO 的干擾；43Ca 干擾少，豐度比0.135%,相對較低，但由于奶粉中鈣的含量水平較高，能滿足檢測的靈敏度的需求，綜合考慮選擇43Ca 作為待測質(zhì)量數(shù)。同時，消除質(zhì)譜的干擾常用的方式就是選擇合適的碰撞模式。絕大多數(shù)的質(zhì)譜干擾可以通過使用碰撞模式（H e 模式）消除干擾，氦氣是惰性氣體，He 模式利用非反應(yīng)過程消除干擾，不產(chǎn)生離子分子的種類變化，具有通用性，故本研究采用氦氣模式進(jìn)行實驗。

在ICP-M S 方法中，消除基質(zhì)的干擾最常用的方式就是使用內(nèi)標(biāo)校正。內(nèi)標(biāo)選擇的原則主要有：化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、且基體中不含或含量較低的元素；內(nèi)標(biāo)質(zhì)量數(shù)與待測元素接近的元素；內(nèi)標(biāo)元素和待測元素之間的質(zhì)譜干擾或干擾較低?，F(xiàn)有參考標(biāo)準(zhǔn)中推薦選擇45Sc 或72Ge 作為鈣的內(nèi)標(biāo)元素，本研究為快速、準(zhǔn)確同時測定鈣和磷的含量，考慮到磷的質(zhì)量數(shù)為31P，因此選擇45Sc 作為本研究中鈣和磷的共同內(nèi)標(biāo)元素。

通過綜合考慮元素的靈敏度和穩(wěn)定性，選擇合適的參數(shù)，使用1 μg/L 質(zhì)譜調(diào)諧液，對ICP-M S 儀器測定時的工作條件進(jìn)行優(yōu)化，確定本研究中使用儀器參數(shù)條件，如表2 所示。

表2 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀的參數(shù)

2.2 線性范圍及方法檢出限

將配制好的混合標(biāo)準(zhǔn)系列溶液注入儀器中，內(nèi)標(biāo)溶液在線加入，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。將連續(xù)測量11 次空白溶液，以響應(yīng)值的3 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算檢出限，以響應(yīng)值的10 倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算定量限。測定結(jié)果如表3所示。

表3 ICP-MS 方法的線性范圍、檢出限及定量限

嬰幼兒奶粉樣品以稱樣量為0.5 g，定容體積為50 m L，計算檢測方法檢出限和方法定量限；同時參考文獻(xiàn)[14] 中現(xiàn)有方法的要求，進(jìn)行方法間的檢出限及定量限的比較，結(jié)果如表4 所示。

表4 方法間檢出限和定量限的比較情況

從表3 和表4 的結(jié)果分析，可以看出電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定嬰幼兒奶粉中的鈣的線性范圍為0~150 m g/L，磷的線性范圍為0~100 m g/L，線性相關(guān)系數(shù)R2大于0.9995，鈣和磷的方法檢出限分別為0.527 m g/kg 和0.232 m g/kg，方法定量限分別為1.75 m g/kg和0.774 m g/kg，ICP-M S 法測定的方法檢出限及定量限均低于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，說明該方法的線性范圍寬，線性關(guān)系良好，靈敏度高，能滿足檢測分析需求。

2.3 方法精密度和準(zhǔn)確度

為驗證方法的精密度和準(zhǔn)確度，以嬰兒奶粉中鈣、磷質(zhì)控樣品作為測定樣品，稱取7 個平行樣品，樣品采用超級微波消解法進(jìn)行消解前處理，ICP-M S 儀器對樣品中鈣和磷含量進(jìn)行測定，計算7 個平行樣品含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD，并將平均含量與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書值進(jìn)行比較。樣品同時采用標(biāo)準(zhǔn)方法ICP-OES法測試，進(jìn)行結(jié)果比對。試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 樣品精密度和準(zhǔn)確度(n=7)

從表5 ICP-M S 法測定結(jié)果分析，7 次平行樣品間的鈣和磷的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 分別為0.67%和1.17%，滿足GB/T 27404—2008《實驗室質(zhì)量控制規(guī)范食品理化檢測》中精密度的規(guī)定：被測組分含量為1 000~10 000 m g/kg ，精密度要求RSD 為3.8%~5.3%；嬰兒奶粉中鈣、磷質(zhì)控樣品的7 次平行測定結(jié)果鈣和磷含量平均值分別為591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g，根據(jù)質(zhì)控樣品證書要求：鈣特性值為604.5 m g/100 g，區(qū)間為567.5~641.5m g/100g；磷特性值為：385.8m g/100g，區(qū)間為371.8~399.8 m g/100 g。本次質(zhì)控樣品測定結(jié)果均在特定值區(qū)間內(nèi)，鈣和磷含量測定平均值與特性值偏差范圍分別為2.08%和0.57%，滿足GB/T 27404—2008中準(zhǔn)確度的規(guī)定，被測組分含量為1 000~10 000 m g/kg的偏差范圍＜10%。同時，從ICP-M S 法與ICP-OES 法測試結(jié)果比對分析，2 個方法的平均值結(jié)果偏差范圍分別為3.13%和0.87%，結(jié)果滿意。通過以上的驗證結(jié)果，表明該方法的精密度好，準(zhǔn)確度高，能滿足分析需求。

2.4 加標(biāo)回收率

為進(jìn)一步驗證ICP-M S 法對于嬰幼兒奶粉該類樣品基質(zhì)的可行性，以嬰兒奶粉中鈣、磷質(zhì)控樣品作為測定樣品，以重復(fù)性試驗中7 次平行樣品的鈣和磷含量平均值分別為591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g作為基準(zhǔn)，按其測定值的80% 、100% 、120%的加標(biāo)量進(jìn)行3 水平加標(biāo)試驗，每個水平濃度均進(jìn)行3 份平行樣品測定。3 水平的加標(biāo)測試結(jié)果如表6。

表6 加標(biāo)回收率結(jié)果(n=3)

從表6 ICP-M S 法的加標(biāo)回收測試結(jié)果分析，3個不同水平的加標(biāo)試驗結(jié)果中鈣和磷的加標(biāo)回收率范圍分別為：96.3%~102.3%和102.3%~104.4%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍分別為：0.66%~2.28%和0.63%~1.10%，滿足GB/T 27404—2008 中回收率范圍的規(guī)定，被測組分含量＞100 m g/kg 時，回收率范圍為95%~105%；說明該方法適用于嬰幼兒奶粉基質(zhì)的樣品分析測試。

2.5 實際樣品測定

隨機選取市售的不同品牌，不同年齡段數(shù)12 款嬰幼兒奶粉，采用本研究方法進(jìn)行檢測，并與標(biāo)準(zhǔn)方法ICP-OES 法進(jìn)行方法比對，比對結(jié)果如表7所示。

表7 嬰幼兒奶粉的測定結(jié)果(n=3)

從表7 實際樣品的測定結(jié)果分析：ICP-M S 法測定的12 款嬰幼兒奶粉中鈣和磷的含量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD 小于3.88%；同時采用成對雙樣本均值T檢驗分析評價ICP-M S 法和ICP-OES 法2 種方法的實驗結(jié)果：鈣結(jié)果評價：t=-0.2766，置信度P=0.394＞0.05；磷比對結(jié)果評價：t=1.518，置信度P=0.079＞0.05，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)分析2 種方法在實際樣品的檢測不存在統(tǒng)計學(xué)差異。結(jié)果表明，該方法在實際樣品分析中精密度好，能滿足日常產(chǎn)品的檢測需求。

3 結(jié) 論

研究建立了超級微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定嬰幼兒奶粉中鈣和磷含量的方法。根據(jù)嬰幼兒奶粉脂肪含量大，強化營養(yǎng)物質(zhì)，基質(zhì)復(fù)雜等特點，選擇采用消解更完全更徹底、酸用量少、引入污染少、安全、環(huán)保的新型的消解技術(shù)-超級微波消解作為樣品前處理手段。通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比對、加標(biāo)回收試驗以及方法比對等手段進(jìn)行方法學(xué)驗證，結(jié)果表明該方法線性范圍寬，檢出限低，準(zhǔn)確度高，精密度好，基質(zhì)效應(yīng)低，適用于嬰幼兒奶粉中鈣和磷的同時測定，能為今后嬰幼兒奶粉中鈣和磷含量同時測定提供方法參考和依據(jù)。