微波消解-ICP-MS法同時測定營養素補充劑中20種元素

曹 璨 吳志剛

(遼寧省分析科學研究院，沈陽 110015)

?

微波消解-ICP-MS法同時測定營養素補充劑中20種元素

曹 璨 吳志剛

(遼寧省分析科學研究院，沈陽 110015)

建立了微波消解-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定營養素補充劑中銅、鐵、鋅、錳、鈣、鎂、鉀、磷、鍶、鉬、鎳、釩、硒、錫、鉻、鉛、鎘、砷、汞和銻共20種營養及有害元素的分析方法。通過對微波消解條件、質譜條件的優化、內標物的選擇，克服高鹽復雜基體對痕量元素測定的干擾，選擇高濃度元素的低豐度質量數擴大線性范圍。結果表明，銅、鋅、鐵、錳、鈣、鎂、鉀、磷在0～50mg/L、汞在0～10μg/L、其他元素在0～50μg/L線性良好，相關系數在0.9992～1.0000之間，方法檢出限為0.021μg/kg～21μg/kg，方法精密度為0.8%～5.7%。用該方法測定國家標準物質奶粉GBW(E)10017和芹菜GBW10048，測定結果與標準值無顯著差異。方法簡便、快速，可實現多種樣品中含量在1%以下的主、微量元素同時測定。

微波消解 電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS) 營養素補充劑 元素

營養素補充劑是單純以一種或數種經化學合成或天然動植物中提取的營養素為原料加工制成的食品，由一種或多種維生素或礦物質組成，脂溶性維生素、微量元素等營養素，過量攝入具有明顯的毒性作用，所以營養素補充劑中營養素的含量如鈣、鐵、鋅、硒、錳、銅、鉀、磷、鉬、鎳、鎂、釩等，都有嚴格要求，通常作為保健食品管理。在提取和生產過程中也可能會引入一些有害元素，如鉛、鎘、砷、汞、鉻、銻、錫等，國家對保健食品中有害元素的指標有明確規定[1]。

營養素補充劑種類繁多，常含有硬脂酸鹽、碳酸鹽或油脂等為輔料，前處理困難且基體成分復雜，多元素相互干擾，段建坤等[2]和陳彬等[3]各自對強化劑和保健食品中5種有害元素進行了分析，而營養補充元素與痕量有害元素濃度差高達7個數量級，同時檢測難度較大，相關報道較少。目前常用的檢測手段為國家食品檢測標準GB 5009系列標準，采用原子吸收光譜法和原子熒光法，但多元素測定時要使用不同的抑制劑或是絡合劑，前處理差異較大，效率低；而電感耦合等離子體發射光譜法測定痕量元素的檢出限難以達到要求。電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)以其靈敏度高、快速簡便、線性范圍廣的優勢，廣泛應用于各領域痕量元素檢測。由于各元素沸點差異較大，干灰化法和普通濕消解法易造成部分元素特別是汞元素的損失，微波消解特別適合于易揮發元素的前處理。張江義等[4]通過調節DRC電壓值達到在線稀釋作用，同時測定了食品中濃度相差約5個數量級的10種元素，王雪婷等[5]經部分稀釋測定了泥鰍中18種微量元素。

本研究采用微波消解進行前處理，ICP-MS法同時測定營養素補充劑中20種常見礦物質補充元素及有害元素，即銅、鐵、鋅、錳、鈣、鎂、鉀、磷、鍶、鉬、鎳、釩、硒、錫、鉻、鉛、鎘、砷、汞和銻，旨在為食品、保健食品檢測提供快速、簡便、準確的分析方法。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Agilent7700x電感耦合等離子體質譜儀(美國Agilent公司)；Mars6微波消解儀(美國CEM公司)；Milli-Q純水儀(美國Millipore公司)。

各元素標準溶液濃度均為1000mg/L(國家標準物質研究中心)；內標混合溶液100mg/L(含Bi、Ge、In、Li6、Lu、Rh、Sc、Tb，美國Agilent公司)和調諧液10μg/L(含Li、Y、Ce、Tl、Co，美國Agilent公司)；硝酸、30%過氧化氫、乙二胺四乙酸(EDTA)均為優級純(國藥集團)。所有標準溶液和樣品的制備用水為Milli-Q超純水(電阻率>18MΩ·cm)。

1.2 標準溶液配制

混合標準溶液用2%硝酸稀釋成鉀、鈣、鎂、磷、銅、鐵、鋅和錳濃度為0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0mg/L，鉛、鎘、砷、鉻、銻、錫、鍶、硒、鉬、鎳和釩濃度為0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0μg/L的混合標準溶液系列。汞標準溶液用2%硝酸和10mg/L的EDTA混合溶液稀釋成汞濃度為0、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0μg/L的標準溶液系列。測定時在線加入內標，分別測定混合標準溶液系列和汞標準溶液系列后，測定樣品溶液。

1.3 儀器條件的優化選擇

用調諧液調試儀器，得到儀器最佳工作條件，即載氣流量1.05 L/min；RF功率1550W；補償氣流量0 L/min；采樣深度8mm；等離子氣流量15 L/min；霧化室溫度2℃；輔助氣流量0.9 L/min；蠕動泵0.1 r/s；氦氣流量3.5mL/min；銫元素氧化物比率1.10%，雙電荷比率1.21%；四級桿真空度1.1×10-4Pa ；QP偏轉電壓-2.8V。

1.4 樣品前處理

樣品用高速粉碎機粉成粉末，稱取0.2g(精確到0.0001g)于微波消解罐內杯中，加入5mL硝酸，有大量氣泡冒出的樣品要適當補加1～2mL硝酸，靜置過夜。加入2mL30%過氧化氫，蓋上內塞，擰緊外蓋后按微波消解程序(見表1)進行消解。消解完成待冷卻至室溫，通風櫥內散盡剩余揮發性酸后，轉移至50mL容量瓶中，用水定容后搖勻，同時進行試劑空白試驗。

表1 微波消解程序

2 結果與討論

2.1 微波消解體系的選擇

考慮到后期上機的酸度及基體穩定性，選擇硝酸-過氧化氫消解體系，硝酸對ICP-MS基體干擾小，避免磷、硫和氯的干擾，過氧化氫促進反應進行，總酸量過高不利于采樣錐體維護，因此選擇5mL硝酸和2mL30%過氧化氫作為消解體系。片劑基質中常含有硬脂酸鹽、碳酸鹽等，加酸后劇烈反應，消耗掉部分硝酸，要及時補加，否則消解不完全；部分樣品基質含有少量二氧化硅做輔料，導致樣品消解不徹底，為避免氫氟酸對石英進樣系統的腐蝕，本研究采用靜置沉淀后取上清液上機檢測的方式，沒有使用氫氟酸。

2.2 微波消解程序的選擇

維生素或油脂含量較高的樣品，普通方法很難消解完全而是溶解在酸溶液中，定容后形成乳濁液導致測定結果偏低。分別設定最高消解溫度180℃、190℃和200℃，保持時間為10min。實驗表明，200℃消解液均勻且基本澄清，延長保持時間至15min，溶液完全澄清，因此選擇200℃為最高消解溫度，保持時間15min作為微波消解第三步程序。

2.3 樣品量的選擇

考慮到營養素補充劑中元素含量與有害元素限量相差達5～7個數量級，為降低高濃度元素造成采樣錐污染，減少抑制效應、霧化效應和電離效應，同時避免稱樣量過少造成的樣品均勻性誤差，選擇稱樣量為0.2g。

2.4 分析模式與積分時間的選擇

選擇碰撞模式可以很好去除分子離子干擾，調諧模式中高電離能元素鐵、砷、錫、硒等選擇高能He模式即HeHe模式，氦氣流量為10mL/min，其他元素選擇普通He模式，氦氣流量為5mL/min；高鈣鎂補充劑中鈣、鎂元素含量高達10%以上，屬于高鹽樣品，在等離子體模式中選擇高基體模式即High Matrix(HMI)模式，其他樣品選擇常規模式。

砷、硒、鎘、錫、銻和汞元素激發能較高，選擇積分時間為0.99s，鈣、鎂、鉀、磷元素含量高，選擇積分時間為0.10s，其他元素則為0.30s。

2.5 汞元素標準溶液介質的選擇

汞元素在石英玻璃表面有較高的記憶效應，與其他元素混合會影響標準溶液系列的穩定性和線性，EDTA溶液對汞有很好的清洗作用，且硝酸對汞元素有增敏作用，選擇2%HNO3-10mg/LEDTA溶液作為汞元素標準系列介質。依次測定混合標準系列和汞標準系列后，進行樣品測定。

2.6 分析元素質量數、內標元素及濃度的選擇

同量異位素干擾和分子離子干擾如ArO+、ArCl+等造成嚴重的質譜干擾。低含量元素選擇豐度高無干擾的質量數，而高含量元素為降低靈敏度選擇了通常不選用的低豐度質量數。

選擇質量數與待測元素相近且樣品中不含有的元素作為待測元素的內標元素。Bi、Ge、In、Lu、Rh、Sc、Tb是常用內標元素，通過蠕動泵在線引入混合內標溶液來校正標準溶液和待測溶液基體差異造成的待測元素響應值的偏差[6]，選擇內標元素見表2。高鹽基體可能樣品中有分子離子峰重疊，選擇高濃度內標溶液更利于維持基線信號穩定，濃度為0.5mg/L。

2.7 標準曲線、檢出限和精密度

樣品中有害元素鉛、鎘、鉻、砷、銻與限量補充劑元素硒、錫、鉬、鍶等含量較低，選擇1.0～50μg/L作標準曲線，汞元素記憶效應高，靈敏度高，選擇0.5～10μg/L作標準曲線，銅、鋅、鐵、錳、鈣、鎂、鉀、磷等補充元素一般含量較高，選擇1.0～50.0mg/L作標準曲線，線性關系良好，相關系數在0.9992～1.0000之間。按照IUPAC規定，在優化條件下，對樣品空白溶液測定11次，用每個元素3倍響應值的標準偏差除以校準曲線斜率即為該元素的檢出限。線性范圍、標準曲線方程、相關系數和檢出限見表2。

以某兩種維生素微量元素復合片的混合樣為代表進行方法學考察，樣品中即含有硬脂酸鹽作輔料，又含有多種維生素，基體復雜。平行稱取6份樣品，按實驗方法在最優條件下進行6次獨立實驗，測量結果的相對標準偏差RSD%即方法精密度，測定結果見表2。

表2 各元素分析質量數、內標元素、標準曲線方程、相關系數、檢出限和精密度

分析元素內標元素標準曲線方程相關系數r檢出限DL(μg/kg)RSD(%,n=6)25Mg45ScY=0.3807x+0.00810.99969.21.231P45ScY=0.2260x+0.00330.9996112.741K45ScY=0.2387x+0.00140.9992212.043Ca45ScY=0.6734x+0.00140.99995.74.551V45ScY=0.0463x+0.00140.99980.232.352Cr72GeY=0.0621x+0.00680.99970.0670.9

續表2

分析元素內標元素標準曲線方程相關系數r檢出限DL(μg/kg)RSD(%,n=6)55Mn72GeY=0.2341x+0.00190.99944.22.257Fe72GeY=0.4738x+0.03961.00003.92.460Ni72GeY=0.0309x+0.00760.99980.173.263Cu72GeY=0.1074x+0.02150.99997.41.066Zn72GeY=0.1392x+0.02860.9992153.475As72GeY=0.0168x+0.00521.00000.0360.878Se72GeY=0.0025x+0.05540.99980.151.888Sr72GeY=0.0506x+0.00060.99960.284.495Mo72GeY=0.0021x+1.1918E-40.99980.122.7111Cd115InY=0.0045x+5.12E-40.99980.0773.5118Sn115InY=0.0062x+3.9965E-40.99970.0211.3121Sb115InY=0.0049x+2.02E-40.99980.0532.6202Hg209BiY=0.0039x+2.648E-40.99990.0555.7208Pb209BiY=0.0101x+0.00290.99970.0431.2

2.7 方法準確度

用選定的方法測定標準物質奶粉GBW(E)10017和芹菜粉GBW10048，這兩種標準物質元素含量豐富，基體復雜，代替營養素補充劑具有一定代表性。測定值與標準值相吻合，測定結果見表3。

表3 標準物質的準確度測定結果(n=3)

ND：未檢出

2.9 實際樣品的測定結果

用選定的方法測定市售多廠家、多種類營養素補充劑如維D鈣膠囊、血紅素片、鈣鐵鋅顆粒及口服液、營養素片等，絕大部分營養元素含量在產品說明書標示范圍內，重金屬及有害元素均低于限定值，硒、鋅、鐵等元素偶有含量偏離標示含量情況出現，采用國標方法對含量偏離樣品的待測元素進行分析，與本分析方法結果一致，見表4。

表4 與國標方法比對結果

3 結論

本研究建立了微波消解-ICP-MS法同時測定營養素補充劑中20種常見礦物質補充元素及有害元素銅、鈣、鎂、鐵、鋅、錳、鉀、鍶、磷、鉬、鎳、釩、鉛、鎘、砷、汞、鉻、銻、硒和錫的分析方法，優化了微波消解條件和質譜儀器參數，對分析質量數和內標元素進行了選擇，并對方法進行了方法學考證。結果表明，本方法很好的解決了多元素復雜基體干擾樣品在前處理與分析過程中存在的問題，方法簡便、快速、準確，并將方法應用于市售多種營養素補充劑的檢測中，測定結果與國標方法測定結果不存在顯著性差異，為食品、保健食品質量監督提供方法參考。本方法對含量在1%以下的主、微量元素均可以同時測定，各元素間含量差異可達到約7個數量級。但對于主含量元素(>1%)的分析，在線性范圍上還有一定的局限性，有待于在今后的研究中進一步摸索。

[1]國家衛生和計劃生育委員會. GB 16740-2014 食品安全國家標準 保健食品[S].

[2]段建坤，李珺，楊永. 電感耦合等離子體質譜法測定食品營養強化劑中5種痕量有害金屬元素[J]. 理化檢驗-化學分冊，2013，49(9): 1058-1064.

[3]陳彬，楊蕾，何廣新，等. 微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定保健食品中鉻、砷、鎘、鉛和汞[J]. 中國衛生檢驗雜志，2013，23(15): 3043-3046.

[4]張江義，王小菊，李國敏. 微波消解_電感耦合等離子體質譜法同時測定食品中的主_微量元素[J]. 分析化學，2014，42(11): 1706.

[5]王雪婷，夏夢，徐文科，等. 微波消解_電感耦合等離子體質譜法同時測定泥鰍中18種微量元素[J]. 分析試驗室，2016，35(9): 1060-1065.

[6]曹璨. 微波消解-ICP-MS法測定中鏈甘油三酸酯中銅、鉛、鉻、鎳和錫[J]. 質譜學報，2014，35(4): 341-346.

Simultaneous determination of 20 elements in dietary supplement by microwave digestion-ICP-MS.Cao Can，

Wu Zhigang

(LiaoningAnalysisScienceAcademe,Shenyang110015,China)

The optimized conditions of microwave digestion and mass spectrum, and selected internal standard elements were used to depress high-salt matrix interference of trace elements detection. Low abundance mass were used to enlarge the linear ranges of high contents elements. The results show that linear range are 0-10μg/L for mercury, 0-50mg/L for copper, iron, zinc, manganese, calcium, magnesium, potassium and phosphorus, and 0-50μg/L for the other elements, and the correlative coefficients are 0.9992-0.9999. The detection limits are 0.021-21μg/kg. The relative standard derivations are 0.8%-5.7%. The national standard material GBW10017 milk powder and GBW10048 celery were analyzed and the results were in according with the standard values. It is suitable for determination of less than 1% of elements content in various samples.

microwave digestion; inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS); dietary supplement; element

遼寧省自然科學基金20170540481；遼寧省科學事業公益研究基金2016002003。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.013

2017-02-16