電感耦合等離子體質譜法測定鮮奶、酸奶和奶粉中稀土元素

姚春毅,唐錄華,高文惠,*,劇京亞,李玉樸

(1.石家莊海關技術中心,河北石家莊 050051;2.河北科技大學生物科學與工程學院,河北石家莊 050000)

乳及乳制品是人們日常生活中重要的營養食品。隨著生活水平的不斷提高,乳及乳制品的需求量不斷增長,同時人們對乳及乳制品安全問題也越來越重視。稀土元素廣泛存在于自然界,從20世紀初期至今,稀土元素被廣泛應用于多個領域。稀土元素作為飼料添加劑被用于畜牧養殖過程中,它具有明顯促進畜產動物生長、提高飼料利用率、提高動物免疫力、增加產奶量等多種生理作用[1-3]。然而,稀土元素通過食物鏈進入人體,在不同器官中蓄積,長期蓄積的稀土元素會對人體健康造成危害。有研究發現,長期攝入低劑量稀土,會導致兒童智力發育不良、神經系統病變以及肝細胞損傷,甚至引起癌變[4-5]。因此,研究快速、準確測定乳及乳制品中稀土元素含量的檢測方法,對于維護消費者權益、保障食品安全、監控稀土元素污染等方面具有重要意義。

目前,稀土元素檢測方法主要有原子熒光光譜法[6]、原子吸收光譜法[7-8]、X射線熒光光譜法[9-10]、電感耦合等離子體原子發射光譜法[11-13]和電感耦合等離子體質譜法[14-16]。而電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)與其他檢測技術相比更具優勢,不僅具有檢出限低、靈敏度高、動態線性范圍寬等特點,而且可同時測定多種元素,檢測速度快,是目前元素分析技術中的重要手段。

本方法采用微波消解前處理技術,利用硝酸-雙氧水消解體系快速處理乳及乳制品樣品,并對儀器檢測條件進行優化,以Rh、In、Bi為內標元素校正基線漂移,氦氣碰撞模式消除多原子離子干擾,采用電感耦合等離子體質譜法測定乳及乳制品中16種稀土元素。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鮮奶、酸奶、奶粉樣品 均購買市售產品;Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 16種稀土元素混合標準溶液(10 μg/mL) 美國Agilent公司;濃硝酸 BVⅢ級,北京化學試劑研究所;雙氧水 優級純,北京化學試劑研究所;銠、銦、鉍單標儲備溶液(1000 μg/mL) 國家鋼鐵材料測試中心鋼鐵研究總院;Li、Y、Ce、Tl、Co混合調諧溶液(10.0 μg/L) 美國Agilent公司;柑橘葉標準物質(GBW10014) 中國地球物理地球化學勘查研究所;水 均為電阻率為18.2 MΩ·cm超純水;高純氬氣 純度≥99.999%。

Agilent7500ce電感耦合等離子體質譜儀 美國Agilent公司;Multiwave 3000微波消解儀 奧地利安東帕公司;Milli-Q超純水制備裝置 美國Millipore公司;AE240電子天平 瑞士梅特勒公司。

1.2 標準溶液和內標溶液的配制

標準溶液的配制:將濃度為10 μg/mL稀土元素混合標準溶液用5%硝酸溶液逐級稀釋,配制成質量濃度分別為0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L混合標準工作溶液,同時以5%硝酸溶液作為空白溶液。

內標溶液的配制:將濃度為1000 μg/mL的銠、銦、鉍單標溶液用5%的硝酸溶液逐級稀釋,配制成質量濃度為1 μg/mL的內標混合溶液。

1.3 樣品前處理

稱取樣品0.5 g(準確至0.1 mg),置于微波消解管中,加入6 mL硝酸和2 mL雙氧水,輕輕搖勻,靜置20 min后,擰緊密封蓋,放入微波消解儀中進行消解,微波消解儀工作參數見表1。消解結束后,冷卻至室溫,慢慢擰開消解帽,排氣,將消解液倒入25 mL容量瓶中,再用超純水洗消解管3～5次,清洗液并入容量瓶,用超純水稀釋至刻度,混勻,備用。同時做試劑空白。

1.4 儀器分析條件

用10 μg/L Li、Y、Ce、Tl、Co混合調諧溶液進行儀器條件優化,優化之后的參數見表2。

表2 儀器條件和工作參數Table 2 Instrument conditions and working parameters

1.5 數據處理

用Excel 2007分析實驗數據,計算RSD值,用ICP-MS ChemStation(B.04.00)獲取多原子離子干擾物。

2 結果與討論

2.1 酸消解體系的選擇

由于乳及乳制品中含有蛋白質、脂肪等大量有機物,基質復雜,如果只使用硝酸來消解樣品,消解效果較差,消解溶液有沉淀、不澄清。這時需要將硝酸與另一種氧化劑配合使用以增強消解效果。目前常用的氧化劑有高氯酸、硫酸和過氧化氫。高氯酸具有強氧化性,對有機物有很強的破壞作用,但是由于高氯酸不穩定,易分解,在微波消解過程中反應劇烈,易造成炸管的危險。硫酸具有氧化性和脫水性,能夠有效分解有機樣品,但是硫酸在處理乳制品過程中形成不溶性化合物,產生沉淀,并且對ICP-MS的樣品錐和截取錐有腐蝕作用。過氧化氫是一種強氧化劑,對有機物具有較強的分解作用,且分解后只產生氫、氧兩種元素,不會引入新的干擾物,減少在質譜測定中的干擾。綜上所述,本試驗初步選擇HNO3和H2O2作為消解體系。

為了保證樣品消解完全,酸體系的選擇尤為重要;經試驗證明,消解約0.5 g樣品時,若只使用6 mL濃硝酸消解樣品,則消解液呈深黃色,有肉眼可見不溶物,進一步在樣品中加入20 μg/kg稀土混合標液驗證消解效果,結果為16種稀土元素的平均回收率在62.5%～81.1%之間,回收率較低,意味著樣品消解效果較差。為了解決上述問題,向硝酸溶液中加入2 mL雙氧水,這時樣品消解液呈淡黃色,無肉眼可見不溶物,同樣經加標回收試驗驗證,16種稀土元素回收率在90.2%～106.0%之間,樣品消解效果明顯增強,結果見表3。故本試驗采用6 mL HNO3和2 mL H2O2作為消解體系。

表3 不同酸消解體系回收率測定(n=3)Table 3 Determination of recovery rate of different acid digestion systems(n=3)

2.2 同位素的選擇

在電感耦合等離子體質譜分析中,大部分元素都存在同位素,優先選擇靈敏度高且干擾小的同位素為被測元素。基于該選擇原則,本文選擇45Sc、89Y、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu作為同位素。

2.3 內標元素的選擇

ICP-MS在分析過程中會受到樣品基體和儀器信號漂移的影響,使用內標元素可以監測信號漂移,校正樣品基體的影響。內標元素選擇主要依據:內標元素的物理化學性質接近被測元素;內標元素不應受同質異位素重疊或多原子離子干擾;有較好的靈敏度,且在樣品中含量最低。按照內標元素選擇的基本原則,本文選擇103Rh、115In和209Bi 3種元素作為內標元素,通過在線方式引入內標,儀器自動匹配,校正由于儀器受到基體效應干擾而產生的信號漂移,保證儀器信號的穩定性。

2.4 質譜干擾和消除

在ICP-MS分析中存在的質譜干擾主要是氧化物干擾、多原子離子干擾、雙電荷干擾和同質異位素。這些干擾的存在直接影響著測量準確性和精密性。通過調節載氣流速、輔助氣流速、矩管位置等儀器參數(見表2),可以有效降低氧化物干擾和雙電荷干擾;通過選擇不同同位素的測定,消除同質異位素的干擾。多原子離子干擾則是質譜干擾的主要來源,表4列出稀土元素多原子離子干擾離子。本文通過采用碰撞/反應池技術(collision and reaction-cell,CRC)可以有效消除多原子離子干擾。CRC技術是帶電離子在進入四級桿質量分析器之前,先進入一個內置多極桿的腔體中,腔體內充入碰撞/反應氣,與進入腔體的離子進行碰撞/反應,從而消除多原子離子干擾。本研究采用八極桿碰撞反應池,以氦氣作為碰撞氣,在氦氣流量4.5 L/min條件下,消除多原子離子干擾。

表4 多原子離子干擾物Table 4 Polyatomic ion interferents

2.5 分析方法的線性關系和檢出限

將濃度均為10 μg/mL的16種稀土元素混合標準溶液逐級稀釋,用5%(V/V)硝酸溶液配制成一系列不同濃度的混合標準溶液。按照1.3和1.4實驗方法對各組分進行測定,進而確定組分的線性范圍、回歸方程、相關系數。測定11次空白溶液,求其空白標準偏差,以3倍空白標準偏差計算得到本方法檢出限。結果見表5,16種稀土元素在0.2～5 ng/mL范圍內線性關系良好,線性相關系數r≥0.9995,檢出限在0.03～0.52 μg/kg之間。

表5 線性范圍、回歸方程、相關系數及檢出限Table 5 Linear range,regression equation,correlation coefficient and detection limit

本方法對市售酸奶、牛奶、奶粉三類樣品進行加標回收率試驗,添加濃度的三個水平分別為10.0、20.0和40.0 μg/kg,平行測定8次,結果見表6。由表6可知,樣品加標平均回收率在92.3%～109.0%之間,相對標準偏差(RSD)為2.21%～5.36%,說明該方法具有良好的準確度和精密度。

表6 市售樣品分析結果、回收率和精密度(n=8)Table 6 Recovery,precision,analysis results of commercial samples(n=8)

續表

續表

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2.7 標準物質驗證

本方法對標準物質柑橘葉(GBW10014)進行分析測定,平行測定8次,驗證方法的準確性,結果見表7。結果表明,測定柑橘葉中稀土元素8次,測定值均在標準物質認定值范圍內,說明本方法準確、可靠。

表7 柑橘葉標準物質(GBW10014)測定結果(n=8)Table 7 Determination results of citrus leafstandard reference material(GBW10014)(n=8)

購買市售鮮奶、酸奶和奶粉樣品各五份,采用本試驗方法測定稀土元素含量,結果見表8。

從表8可以看出,鮮奶和酸奶中均含有稀土元素La,其他稀土元素未檢出;奶粉中除Tb外,其余稀土元素均被檢出,其中La和Sc含量較高。數據結果顯示,鮮奶中稀土元素La含量為4.18～10.3 μg/kg,酸奶中稀土元素La含量為2.96～4.66 μg/kg,奶粉中稀土元素含量為0.04～19.3 μg/kg。王京仁等的研究結果表明,在飼料中添加的稀土添加劑在一定范圍內使用能夠提高動物的產奶量和乳脂率,而過量使用有抑制效果,甚至產生中毒[17-18]。飼料中La稀土元素可以促進動物生長,增加體重,樣品中檢出稀土La,可能是動物食用了含有La飼料。我國稀土鈧含量較豐富[19],植物吸收土壤中鈧[20],從而對鈧進行富集,畜產動物食用植物飼料后,通過吸收,轉移,代謝到乳制品中,加之乳粉是由液態奶濃縮制備,其中稀土元素含量也隨之增高。

表8 市售樣品檢測結果(μg/kg)Table 8 Test results of commercial samples(μg/kg)

3 結論

采用硝酸+雙氧水消解體系,微波消解前處理技術,電感耦合等離子體質譜法快速、準確測定乳及乳制品中16種稀土元素。6 mL硝酸+2 mL雙氧水能夠有效消解樣品,通過密閉微波加熱技術能夠大大縮短前處理時間。以銠、銦和鉍作為內標元素,有效校正樣品基體引起的基線漂移,氦氣模式消除多原子離子干擾。該方法在0.2～5 ng/mL范圍內線性關系良好,檢出限在0.03～0.52 μg/kg之間,平均回收率為92.3%～109.0%。該方法操作簡單、快捷,準確度好,靈敏度高,為乳及乳制品中稀土元素快速檢測提供了有效的分析方法,也為制定相關標準提供了有力技術支撐。

本實驗通過對15批次市售鮮奶、酸奶和奶粉樣品中稀土元素含量的測定后發現,鮮奶和酸奶中除稀土元素La被檢出外,其余稀土元素均未檢出,鮮奶中La含量為4.18～10.3 μg/kg,酸奶中La含量在2.96～4.66 μg/kg。奶粉中除稀土元素Tb未檢出外,其余稀土元素均有所檢出,稀土元素含量范圍為0.04～19.3 μg/kg。稀土飼料添加劑能夠促進動物生長,增加產奶量,已經被廣泛應用于畜產動物養殖過程中。