微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定蛋白質粉中鎘*

劉全德，劉恩岐，陳尚龍，鄭毅，王鋒，黃小冬

(徐州工程學院食品工程學院，江蘇徐州，221008)

微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定蛋白質粉中鎘*

劉全德，劉恩岐，陳尚龍，鄭毅，王鋒，黃小冬

(徐州工程學院食品工程學院，江蘇徐州，221008)

建立了采用微波消解，基體改進劑輔助石墨爐原子吸收光譜法測定蛋白質粉中鎘的方法。研究了樣品中磷酸二氫銨的質量濃度，灰化溫度以及原子化溫度對吸光度的影響。在單因素試驗的基礎上，通過響應曲面法優化確定了最佳測定條件為:磷酸二氫銨的質量濃度為3.51 mg/mL、灰化溫度為564℃、原子化溫度為1 893℃。在此條件下，測定蛋白質粉中鎘的含量為0.238μg/g，精密度為2.77%，檢出限為0.21 ng/mL，加標平均回收率為99.5%，相對標準偏差為2.82%。

微波消解，基體改進劑，石墨爐原子吸收光譜法(GFAAS)，蛋白質粉，鎘

微波消解是利用微波能使消解體系中的極性分子在微波電磁場的高頻作用下做極性運動，從而引起化學鍵的振動、斷裂及微粒的相互摩擦、碰撞，產生大量的熱，達到快速、完全消解的目的［1］。與常用的濕法消解和干法灰化［2－5］相比，微波消解具有快速、準確、省試劑、污染少、空白低等優點［6－9］。

鎘是對人體有害的蓄積性毒物，其污染通過食物鏈傳遞、富集和放大。進入人體內的鎘大部分會蓄積在腎臟和肝臟，可引起腎臟慢性中毒，高血壓和動脈粥樣硬化，甚至產生致畸致突變作用［10］。

1 材料與方法

1.1 原料與試劑

紐崔萊蛋白質粉(產品編號20007)，安利(中國)日用品有限公司;濃硝酸、磷酸二氫銨，均為優級純;檸檬酸，抗壞血酸、十二烷基硫酸鈉、硫酸銨，酒石酸、30%過氧化氫，均為分析純;鎘標準溶液(質量濃度為1 mg/mL)，購于國家化學試劑質檢中心;實驗用水皆為超純水(電阻率:18.2Ω·cm);玻璃器皿均用5%硝酸浸泡＞24 h。

1.2 儀器與設備

TAS-990原子吸收分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司;氬氣＞99.99%;XT-9900型智能微波消解儀和XT-9800多用預處理加熱儀，上海新拓微波溶樣測試技術有限公司;CascadaTM實驗室超純水系統。FA-2004B電子天平，上海越平科學儀器有限公司;eppendorf移液器，德國艾本德公司。

1.3 方法

1.3.1 儀器工作條件和石墨爐加熱程序

石墨爐原子吸收分光光度計工作條件見表1，石墨爐加熱程序見表2。

表1 石墨爐原子吸收分光光度計工作條件

表2 石墨爐加熱程序

1.3.2 基體改進劑溶液的配制

分別稱取2.50g檸檬酸，磷酸二氫銨，抗壞血酸，十二烷基硫酸鈉，硫酸銨，酒石酸于50 mL容量瓶中，用0.15 mol/L HNO3定容至刻度，配制成質量濃度為50 mg/mL的基體改進劑溶液。

1.3.3 標準工作曲線的配制

用0.15 mol/L HNO3將鎘標準溶液逐級稀釋至質量濃度為50 ng/mL的鎘標準使用液。取6只10 mL容量瓶，分別加入0.702 mL磷酸二氫銨溶液，然后在各容量瓶中依次加入鎘標準使用液0.1，0.2，0.4，0.8，1.2，1.6 mL，用0.15 mol/L HNO3定容至刻度，得到質量濃度為0.5、1、2、4、6、8 ng/mL 的鎘標準系列溶液，按試驗方法配制空白溶液。

1.3.4 樣品處理方法

準確稱取0.300 0 g左右的蛋白質粉于干燥的聚四氟乙烯微波消解罐中，加入5 mL濃HNO3、1 mL 30%過氧化氫，于多用預處理加熱儀中敞口消解1h后(溫度:40～100℃逐步加熱)。取出再加入1 mL 30%過氧化氫，按表3中微波消解條件進行消解，微波消解完成后得到無色透明溶液，轉移至50 mL小燒杯中，將小燒杯放到電子電爐上，調節電爐功率至1 000 W，在通風櫥內加熱趕酸至近干，用0.15 mol/L HNO3多次沖洗小燒杯中的樣液，并將沖洗液轉移至25 mL容量瓶中，用0.15 mol/L HNO3定容至刻度，搖勻備用。按試驗方法做空白試驗。

表3 微波消解條件

在1只10 mL容量瓶中，加入5 mL微波消解溶液和 0.702 mL磷酸二氫銨溶液，用 0.15 mol/L HNO3定容至刻度，搖勻待測。按試驗方法配制空白溶液。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1 基體改進劑的選擇及其質量濃度對吸光度的影響

在石墨爐原子吸收光譜法測定微量元素過程中，基體改進劑及其質量濃度的選擇非常重要［11］。比較檸檬酸，磷酸二氫銨，抗壞血酸，十二烷基硫酸鈉、硫酸銨和酒石酸這6種基體改進劑對吸光度的影響后，發現磷酸二氫銨的增敏效果最顯著，同時對吸收峰的峰形也有改善。在固定其他條件下，只改變樣品中磷酸二氫銨的質量濃度，測定其吸光度，結果如圖1。

圖1 磷酸二氫銨的質量濃度對吸光度的影響

由圖1可知，當樣品中磷酸二氫銨的質量濃度低于3.0 mg/mL時，吸光度隨質量濃度的增加逐漸升高;當樣品中磷酸二氫銨的質量濃度為3.0 mg/mL時，吸光度達到最大值，此后隨著質量濃度的增加逐漸降低。

2.1.2 灰化溫度對吸光度的影響

在石墨爐原子吸收光譜法測定微量元素過程中，灰化溫度是影響測定結果比較明顯的因素之一。在固定其他條件下，只改變灰化溫度，測定其吸光度，結果如圖2。

圖2 灰化溫度對吸光度的影響

由圖2可知，當灰化溫度低于600℃時，吸光度隨灰化溫度的增加逐漸升高，灰化溫度低于600℃時，灰化不完全，導致吸光度偏低;當灰化溫度為600℃時，吸光度達到最大值，此后隨著溫度的增加逐漸降低。

2.1.3 原子化溫度對吸光度的影響

在石墨爐原子吸收光譜法測定微量元素過程中，原子化溫度也是影響測定結果比較明顯的因素之一。在固定其他條件下，只改變原子化溫度，測定其吸光度，結果如圖3。

圖3 原子化溫度對吸光度的影響

由圖3可知，當原子化溫度低于1900℃時，吸光度隨原子化溫度的增加逐漸升高;當原子化溫度為1 900℃時，吸光度達到最大值，此后隨著溫度的增加逐漸降低。

2.2 Box-Behnken試驗

根據 Box-Benhnken 試驗設計原理［12－13］，在單因素試驗基礎上，選擇磷酸二氫銨的質量濃度、灰化溫度、原子化溫度為影響因素，以吸光度為響應值，采用三因素三水平的響應曲面法進行試驗設計，共15個試驗點，其中12個為分析因子(1～12)，3個中心試驗點(13～15)，試驗因素水平見表4，試驗設計與結果見表5。

表4 Box-Benhnken試驗因素水平表

2.2.1 模型的建立及其顯著性檢驗

利用Design expert.8.05b統計軟件通過逐步回歸對表5中試驗數據進行回歸擬合，得吸光度對以上3個因素的二次多項式回歸方程的預測模型:

吸光值 =0.19+4.5×10－3x1－7.125×10－3x2－8.750×10－4x3－4.250×10－3x1x2+1.750×10－3x1x3+2.0×10－3x2x3－5.750 ×10－3x12－0.013 x22－5.0×10－3 x32對該模型進行方差分析，結果見表6。

表5 Box-Benhnken試驗設計與結果

表6 響應曲面二次回歸方程模型方差分析結果

由表6可知，該模型具有高度的顯著性(P＜0.01)，失擬項不顯著(P=0.060 9 ＞0.05)，R2Adj=0.907 9和Adeq.Precision(信噪比)為10.296遠大于4，可知回歸方程擬合度和可信度均很高，試驗誤差較小，故可用此模型對微波消解-石墨爐原子吸收光譜法測定蛋白質粉中鎘的最佳測定條件進行分析和預測。

2.2.2 響應曲面分析與優化

根據回歸方程，作響應曲面圖，考察所擬合的響應曲面的形狀，分析磷酸二氫銨的質量濃度、灰化溫度和原子化溫度對吸光度的影響。響應曲面及其等高線如圖4～圖6，3組圖直觀地反映了各因素對吸光度的影響。

等高線的形狀反映因素之間交互效應的強弱，橢圓形表示兩因素交互作用顯著，而圓形則與之相反。為了進一步確定最佳測定條件，對所得回歸方程求一階偏導，并令其為0，得優化后的最佳測定條件為:磷酸二氫銨的質量濃度為3.51 mg/mL、灰化溫度為564℃、原子化溫度為1 893℃，此時理論預測吸光度為0.194。

圖4 磷酸二氫銨的質量濃度和灰化溫度對吸光度影響的響應面和等高線

圖5 磷酸二氫銨的質量濃度和原子化溫度對吸光度影響的響應面和等高線

圖6 灰化溫度和原子化溫度對吸光度影響的響應面和等高線

2.2.3 驗證試驗

為了檢驗Box-Behnken試驗設計所得結果的可靠性，在2.2.2優化出的最佳測定條件下測定6次，實際測得的平均吸光度為0.196，相對標準偏差為1.71%，與理論預測值相比，其相對誤差為1.03%。表明基于Box-Behnken試驗設計所得的最佳測定條件準確可靠，具有實用價值。

2.3 標準工作曲線和檢出限

按最佳測定條件，測定鎘標準系列溶液的吸光度，以質量濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標繪制標準工作曲線，得線性回歸方程見表7。對空白溶液進行連續12次測定，計算標準偏差(σ)，再根據標準工作曲線的斜率(b)，由3σ/b計算出檢出限［14］見表7。

表7 標準工作曲線和檢出限

由表7可知，在確定的質量濃度范圍內，鎘的質量濃度與吸光度呈現良好的線性關系，儀器的檢出限為0.21 ng/mL，滿足測定蛋白質粉中鎘的要求。

2.4 樣品測定和精密度

按1.3.4方法平行配制6個樣品溶液，在最佳測定條件下測定，結果見表8。

表8 蛋白質粉中鎘含量

由表8可知，蛋白質粉中鎘含量為0.238μg/g，本法的精密度(RSD)=2.77%，表明用本法測定蛋白質粉中鎘，結果有較好的穩定性，滿足測定蛋白質粉中鎘的要求。

2.5 加標回收率實驗

表9 加標回收率測定［15］

由表9可知，加標回收率在97.6% ～102.8%之間，平均值為99.5%，相對標準偏差為2.82%，表明用本法測定蛋白質粉中鎘，準確可靠。

3 結論

在單因素試驗的基礎上，根據Box-Behnken試驗設計原理，利用響應曲面法優化蛋白質粉中鎘的測定條件。優化后得到最佳測定條件為:磷酸二氫銨的質量濃度為3.51 mg/mL、灰化溫度為564℃、原子化溫度為1 893℃。在此條件下，測定蛋白質粉中鎘的含量為0.238μg/g，精密度為2.77%，檢出限為0.21ng/mL，加標平均回收率為99.5%，相對標準偏差為2.82%。

［1］ 司文會，李克儉，鄭麗卿，等.壓力自控微波消解－石墨爐原子吸收光譜法測定鵝肝中的鎘［J］.食品科學，2011，32(2):184 －186.

［2］ Blake C，Bourqui B.Determination of lead and cadmium in food products by graphite furnace atomic absorption spectroscopy［J］.Atomic Spectroscopy，1998，19(6):207－213.

［3］ Afridi H，Kazi T，Arain M，et al.Determination of cadmium and lead in biological samples by three ultrasonic-based samples treatment procedures followed by electrothermal atomic absorption spectrometry［J］.Journal of AOAC International，2007，90(2):470 －478.

［4］ 于海峰，王芳，孫玉潔，等.刺山柑種子油中礦質元素含量的測定［J］.塔里木大學學報，2008，20(4):26－29.

［5］ 孫素玲，張干偉，湯堅，等.海狗油成分及結構分析［J］. 食品研究與開發，2008，29(2):122－124.

［6］ 楊屹，侯翔燕，王書俊，等.微波消解-AAS法測蘆薈中微量金屬元素鋅、錳、鎘、鉛［J］.光譜學與光譜分析，2004，24(12):1 672 －1 675.

［7］ Vibor R.Multi-elemental analysis of marine sediment reference material MESS-3:one-step microwave digestion and determination by high resolution inductively coupled plasma-mass spectrometry(HR-ICP-MS)［J］.Chemical papers，2010，64(4):409 －414.

［8］ Luo Yang，Zhang Bo，Chen Ming，et al.Rapid and simultaneous dtermination of esential mnerals and tace eements in hman mlk by iproved fame aomic asorption spectroscopy(FAAS)with Microwave Digestion［J］.Analytical and Bioanalytical Chemistry，2010，58(17):9 396 －9 400.

［9］ Luisier F，Corcho Alvarado J A，Froidevaux P.A new method for the determination of plutonium and americium using high pressure microwave digestion and alpha-spectrometry or ICP-SMS［J］.Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry，2009，281(3):425 －432.

［10］ 王澤科.環繞加熱濕法消解-石墨爐原子吸收光譜法測定大米中的鎘含量［J］.湖南農業科學，2010，(15):104－108.

［11］ 馮立順，劉洪燕.石墨爐原子吸收法測定金屬過程中常用基體改進劑效用分析［J］.福建分析測試，2007，16(3):46－48.

［12］ Cao Wenhong，Zhang Chaohua，Hong Pengzhi，et al.Optimising the free radical scavenging activity of shrimp protein hydrolysate produced with alcalase using response surface methodology［J］.International Journal of Food Science＆ Technology，2009，44(8):1 602－1 608.

［13］ Li Quanhong，Fu Caili.Application of response surface methodology forextraction optimization ofgerminant pumpkin seeds protein［J］.Food Chemistry，2005，92(4):701－706.

［14］ 王北洪，馬智宏，付偉利.密封高壓消解罐消解－原子吸收光譜法測定土壤重金屬［J］.工業工程學報，2009，24(S2):255 －259.

［15］ 郭金英，李麗，劉開永，等.石墨爐原子吸收光譜直接進樣法測定紅葡萄酒中鉛［J］.食品科學，2009，27(18):233－236.

Determination of Cadmium in Protein Powder by Microwave Digestion-GFAAS

Liu Quan-de，Liu En-qi，Chen Shang-long，Zheng Yi，Wang Feng，Huang Xiao-dong
(College of Food Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221008，China)

An effective method was developed for determination of cadmium in protein powder by microwave digestion －GFAAS with matrix modifier．The effects of NH4H2PO4mass concentration in tested sample，ashing temperature and atomizing temperature on absorption was discussed．The optimal determination conditions were found by response surface methodology as follows:NH4H2PO4mass concentration 3．51 mg/mL;ashing temperature 564℃;and atomizing temperature 1 893℃．Under the above conditions，the content of cadmium in protein powder was 0．238 μg/g，the precision relative standard deviation was 2．77%，the detection limit was 0．21 ng/mL，and the average recovery of cadmium in protein powder was 99．5%with a relative standard deviation of 2．82%．

microwave digestion，matrix modifier，graphite flame atomic absorption spectrophotometry，protein powder，cadmium

學士，副教授。

*江蘇省高校自然科學基金項目(10KJD550004)

2011－06－20，改回日期:2011－09－01