ICP-MS 測定火腿中多元素微波消解條件的正交試驗優化

◎ 周鴻艷，李 韜

（金華市疾病預防控制中心，浙江 金華 321002）

隨著經濟的發展和消費水平的提高，火腿的食品安全受到消費者的關注。基于原材料豬腿或加工技術的問題，火腿在加工過程中會發生一些不良的物理變化、化學變化、生物變化[1]。不少生產廠家為了獲取高額利潤，在反季生產時，違法添加有毒、有害物質[2]。其中，重金屬污染是不容忽視的問題，重金屬一旦在人體內富集，會給身體帶來很多潛在危害。目前，國內有關火腿中元素的數據較少，探討其對消費者潛在的健康風險的研究比較少。

食品樣品中多元素的分析技術主要有紫外-可見分光光度法[3-4]、原子吸收光譜法[5-6]、原子熒光光譜法[7-8]、電感耦合等離子體原子發射光譜[9-10]和電感耦合等離子體質譜法[11-12]等。電感耦合等離子體質譜（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICPMS）在痕量和超痕量重金屬檢測中表現優異，具備多元素分析快、檢出限低、靈敏度高和線性范圍廣等優點[13]。前處理會對樣品檢測結果造成較大的誤差，合適的前處理方法是獲得準確結果的前提。食品樣品的前處理方法主要是干灰化法、濕消解法、微波消解法。微波消解法具有酸消耗量少、空白值低、操作簡單和元素回收率高等優點，被廣泛應用于食品領域[14-15]。微波消解的樣品量、消解液、消解溫度和消解壓力等條件的選擇會直接影響元素的溶出效率，目前國內報道多考慮單因素對試驗結果的影響，對于多影響因素的試驗過程，想要得到較為理想的試驗條件，必須引入一種高效率、快速的試驗設計方法。本研究采用正交設計的方法，以較少的試驗次數保證試驗的可靠性、均衡性，得到最佳的火腿微波消解條件，建立了微波消解-ICP-MS 同時測定火腿中7 種元素的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ICAP RQ 電感耦合等離子體質譜儀，美國賽默飛；ETHOS UP 微波消解儀，意大利麥爾斯通；超純水儀，美國密理博。7 種元素混合標準溶液（100 mg·L-1），中國壇墨；錸（Re）、銠（Rh）、鈧（Sc）混合內標（100 mg·L-1），國家有色金屬及電子材料分析測試中心；調諧液，美國賽默飛；硝酸（超純級），德國默克。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶液的配制

（1）工作曲線的配制。吸取混合標準溶液，用2%硝酸溶液配制，Cu 濃度為0～500.0 μg·L-1，Pb、Cd、As、Cr 和Ni 濃度為0～100.0 μg·L-1，Hg 濃度為0～3.0 μg·L-1。

（2）內標溶液的配制。吸取混合內標溶液，用2%硝酸溶液稀釋100 倍，Sc、Rh、Re 濃度為1.0 μg·mL-1。

1.2.2 樣品前處理

將有代表性的火腿樣品切成小塊，高速搗碎機粉碎，裝入樣品瓶中冷凍保存。準確稱取0.500 g 的樣品，置于消解罐中，加入一定量硝酸，按表1 中的程序微波消解。消解完畢，進行趕酸處理，期間用少量水沖洗消解罐內壁，將洗液合并于容量瓶中，并定容至刻度線。

表1 微波消解條件表

1.2.3 質譜條件

等離子氣流量14.5 L·min-1，霧化氣流量1.1 L·min-1，輔助氣流量0.85 L·min-1，射頻功率1 600 W，模擬電壓-2 000 V，脈沖電壓1 260 V，透鏡電壓7.50 V，測量方式KED，掃描方式跳峰掃描，重復次數3 次。

1.2.4 正交試驗設計

在前期單因素實驗的基礎上，通過“正交試驗助手”[16]進行L9(34)正交設計，選擇硝酸用量（A）、最高溫度（B）、保持時間（C）和消解壓力（D）4 個因素，每個因素的具體水平見表2。

表2 微波消解正交試驗因素與水平表

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果分析

微波消解正交試驗結果分析見表3。分析可知，對于Pb 元素，消解條件A2B2C2D1的結果最佳，因素主次順序為A＞D＞C＞B；對于Cd 元素，消解條件A2B2C3D2的結果最佳，因素主次順序為A＞C＞D＞B；對于Hg 元素，消解條件A2B2C2D2的結果最佳，因素主次順序為C＞B＞A＞D；對于As 元素，消解條件A2B2C3D3的結果最佳，因素主次順序為A＞B＞D＞C；對于Cr 元素，消解條件A2B2C3D2的結果最佳，因素主次順序為A＞D＞B＞C；對于Ni 元素，消解條件A3B1C2D3的結果最佳，因素主次順序為C＞A＞B＞D；對于Cu 元素，消解條件A2B2C2D2的結果最佳，因素主次順序為B＞A＞C＞D。因素A是6 種元素A2，1 種元素A3，綜合考慮選擇A2，因素B 是6 種元素B2，1 種元素B1，綜合考慮選擇B2，同理選擇C2、D2；綜合分析4 種因素對試驗指標的影響，火腿微波消解的最佳組合為A2B2C2D2，即硝酸用量8 mL，最高溫度180 ℃，保持時間10 min，壓力3 MPa。

表3 微波消解正交試驗結果極差分析表

極差分析法雖簡單、直觀，但不能區分試驗結果的差異是由因素的水平變化導致，還是隨機波動而導致[17]。為了彌補極差分析的不足，本文進行了方差分析，通過分析各因素引起的數據波動較誤差引起的數據波動的差異程度，推斷相應因素水平總體均值差異的顯著性[18]。本試驗選擇離方差和最小者作為誤差項，對7 種元素進行方差分析，結果發現，因素A對Cd、Cr 影響顯著（P＜0.05）；因素C對Ni 影響顯著（P＜0.05）；因素B、D對7 種元素影響不大。因此，A、C為主要因素，即硝酸用量、保持時間，B、D為次要因素，即最高溫度、消解壓力。根據方差分析的理論，有顯著影響的因素選擇最佳水平，非顯著影響的因素可按需選擇合適水平。根據分析方差分析的結果，各因素的最佳條件為A2B2C2D2，與極差分析結果一致。

2.2 方法的準確度

2.2.1 精密度和回收率

采用優化后的方法測定火腿中7 種元素的含量，重復測定8次。此外，對火腿樣品進行加標回收率試驗，結果如表4 所示。火腿樣品的相對標準偏差（Relative Standard Deviation，RSD）為2.9%～5.3%，加標回收率94.8%～102.0%。在最優的試驗條件下，方法的精密度和回收率均佳，符合檢測分析的要求。

表4 方法精密度及回收率表（n=8）

2.2.2 標準物質驗證

采用優化后的方法分別檢測雞肉（GBW10018，GSB-9）、大蝦（GBW10050，GSB-28）、豬肝（GBW10051，GSB-29）標準物質，檢測結果見表5。實驗結果表明各元素的測定結果均在標準值范圍內，說明該方法的準確度性高。

表5 標準物質測定結果表

3 結論

本文研究了微波消解-ICP-MS 同時測定火腿中7 種元素的方法，通過正交試驗設計對消解條件進行優化，綜合分析，最佳條件為硝酸用量8 mL，最高溫度180 ℃，保持時間10 min，壓力3 MPa。在此條件下，樣品的加標回收率在94.8%～102.0%，相對標準偏差（n=8）≤5.3%，用3 種標準物質進行準確度考察，各元素的測定結果均在標準值范圍內，表明方法回收率好，準確度、精密度高，能夠滿足火腿中多元素的日常檢測要求。