微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法測(cè)定鰱魚肌肉中的19種礦物元素

魏永生 侯雅慧 張國(guó)偉

(咸陽(yáng)師范學(xué)院 化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

前言

鯉形目，鯉科魚類鰱魚(拉丁學(xué)名Hypophthalmichthysmolitrix，英文名Silver carp)，俗稱白鰱、水鰱、鰱子等，因其生長(zhǎng)快、疾病少、產(chǎn)量高，是我國(guó)主要的人工飼養(yǎng)淡水養(yǎng)殖魚，也是我國(guó)著名的四大家魚之一。鰱魚肉營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，含有豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物元素以及是大多數(shù)淡水魚中含量較少的EPA、DHA等多不飽和脂肪酸[1-4]。人的機(jī)體是由許許多多的元素組成的一個(gè)有機(jī)體，現(xiàn)代研究在人體中檢測(cè)出81種元素，其中碳、氫、氧、氮是構(gòu)成有機(jī)體的主要元素，除了這4種之外的元素通稱為礦物質(zhì)或礦物元素[5]。食材中的礦物元素組成也是評(píng)價(jià)其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和安全性的重要因素，依據(jù)各種不同的元素在機(jī)體中所占比重的不同，分為常量元素及微量元素[6]。常量元素共11種，分別為碳、氫、氧、氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂等，其余在人體內(nèi)含量小于0.01%的化學(xué)元素是微量元素。而微量元素又分三類：1)具有特殊生理功能，適當(dāng)?shù)暮繉?duì)維持生命活動(dòng)不可缺少的必需微量元素，包括鐵、鋅、銅、鎳、錫、碘、鈷、硒、錳、鉬、氟、釩、鉻、鍶等14種；2)在機(jī)體中微量存在就會(huì)引起毒性反應(yīng)的毒性元素，如鎘、汞、鉛、砷等；3)尚未發(fā)現(xiàn)有特殊生理功能或毒性反應(yīng)的非必需微量元素。關(guān)于鰱魚礦物元素含量的測(cè)定，有文獻(xiàn)應(yīng)用石墨爐原子吸收光譜法或原子熒光光譜法測(cè)定了鰱魚中有害重金屬元素鉛、鎘、汞、砷等的含量，并對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[7-9]。有關(guān)鰱魚肉中礦物元素組成的全面詳細(xì)分析少見文獻(xiàn)報(bào)道，本文擬采用當(dāng)前礦物元素組成測(cè)定領(lǐng)域中具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)的微波消解制樣技術(shù)以及全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜測(cè)定技術(shù)(inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy，縮寫：ICP-OES)[10-12]，對(duì)鰱魚肌肉中的礦物元素組成進(jìn)行較為全面的測(cè)定與分析，為相關(guān)研究提供參考數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及前處理方法

鰱魚從西安、咸陽(yáng)不同的三個(gè)菜市場(chǎng)隨機(jī)采購(gòu)，每個(gè)市場(chǎng)分別采購(gòu)三條鰱魚，洗凈后取其可食用肉質(zhì)部分，純凈水清洗，濾紙吸干表面水分，分別按四分法縮減至250 g，真空冷凍干燥機(jī)中冷凍干燥48 h，干燥后的魚肉再用家用食品粉碎機(jī)粉碎后密封冷藏，作為測(cè)試樣品待用(通過測(cè)定干燥前后的質(zhì)量，新鮮鰱魚肉平均含水率78.0 g/100g)。

鰱魚樣品微波消解前處理方法：按文獻(xiàn)方法進(jìn)行[13-14]。

1.2 試劑與標(biāo)準(zhǔn)溶液

K、Na標(biāo)準(zhǔn)溶液(100 μg/mL，GSB04-1763-2004)，Ca標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL，GSBG62012-90)，多元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(Al、As、B、Ba、Be、Bi、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ga、Li、Mg、Mn、Ni、Pb、Sb、Sn、Sr、Ti、Tl、V、Zn均為100 μg/mL，GSB04-1767-2004)均為國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心出品，S標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL，GBW(E)080994)， P標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL，GBW(E)080988)， Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 μg/mL，GBW(E) 080976) 均為濟(jì)南眾標(biāo)科技有限公司出品。濃硝酸、過氧化氫購(gòu)自Thermo Fisher Scientific公司。超純水電阻率≥18.2 MΩ.cm。

1.3 儀器與工作條件

VARIAN 715-ES全譜直讀電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)瓦里安公司)；MDS-6微波消解儀，ECH-1電控加熱臺(tái)(上海新儀微波化學(xué)科技公司)；SCIENTZ-18N冷凍干燥機(jī)(寧波新芝凍干設(shè)備公司)；arium 611UV超純水制備儀(德國(guó)Sartorius公司)；HR1844四合一攪拌榨汁機(jī)(珠海飛利浦公司)；Pipet-Lite PL可調(diào)移液器(梅特勒-托利多公司)。

ICP儀器工作條件：VARIAN ICP ExpertTMII中文操作系統(tǒng)；炬管：垂直觀測(cè)，觀察高度10 mm；高頻發(fā)生器：功率1.00 kW，射頻RF頻率40.68 MHz；霧化器：霧化氣壓力200 kPa，等離子氣流量15.0 L/min，輔助氣流量1.5 L/min；進(jìn)樣系統(tǒng)：進(jìn)樣時(shí)蠕動(dòng)泵速15 r/min，一次讀數(shù)時(shí)間5 s，讀數(shù)3次平均。

1.4 元素定性鑒定

在VARIAN ICP ExpertTMII操作系統(tǒng)中，有一個(gè)應(yīng)用程序Worksheet 715，一次掃描可以分析69種礦物元素。應(yīng)用該程序?qū)桇~樣品溶液進(jìn)行分析，可以得到69種元素測(cè)試結(jié)果的光譜輪廓描記圖、信背比以及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)等參數(shù)。從光譜輪廓描記圖可以直觀地觀察到每一種元素響應(yīng)信號(hào)的情況，含量高的信號(hào)強(qiáng)，含量低的信號(hào)弱，而那些信號(hào)淹沒在基線背景中的元素可以認(rèn)為不存在或者利用該法無法檢測(cè)。以鉀、鋅、鈷三種元素的檢測(cè)為例，ICP發(fā)射光譜圖如圖1所示。圖1中，鉀元素和鋅元素的信號(hào)很強(qiáng)，可以利用本法定性定量，而鈷元素則無法檢測(cè)。另外，利用ICP操作系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)給出的RSD數(shù)據(jù)，也可以判斷是否能夠檢測(cè)某種元素。例如，檢測(cè)上述三種元素的RSD值分別為：鉀2.7%，鋅2.2%，鈷7.1%；很明顯，利用該法可以準(zhǔn)確定量鰱魚中的鎂元素、鋅元素，對(duì)于鈷元素則無法檢測(cè)。

圖1 ICP檢測(cè)鉀、鋅、鈷元素光譜圖Figure 1 Spectrograms of potassium, zinc and cobalt by ICP

1.5 元素定量分析

對(duì)于通過上述方法鑒定在鰱魚中存在的元素，首先確定其ICP-OES定量測(cè)定發(fā)射光譜分析線，通過VARIAN ICP ExpertTMII操作系統(tǒng)自帶的圖示選擇界面，可以看到每種待測(cè)元素各個(gè)發(fā)射光譜分析線的信號(hào)強(qiáng)度，干擾元素的信號(hào)位置、強(qiáng)度、波長(zhǎng)等參數(shù)。結(jié)合鰱魚中共存元素的情況，選擇信號(hào)強(qiáng)度高、干擾低的發(fā)射光譜線作為待測(cè)元素的分析線。具體定量分析時(shí)，對(duì)每一種待測(cè)元素配制合適濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用ICP-OES儀器測(cè)定發(fā)射光譜強(qiáng)度，以信號(hào)強(qiáng)度對(duì)濃度作圖，得工作曲線。同法測(cè)定待測(cè)元素發(fā)射光譜強(qiáng)度，利用工作曲線，外標(biāo)法定量。

2 結(jié)果與分析

2.1 鰱魚中礦物元素定性分析結(jié)果

按定性鑒定方法，可以對(duì)鰱魚中的19種礦物元素定性，分別為：K、Ti、Al、Ga、B、Ba、Ca、Cd、Cr、Cu、Fe、Mg、Mn、Na、P、Pb、S、Sr、Zn等。對(duì)于這19種元素，按元素定量方法進(jìn)行定量分析。

2.2 19種元素的定量分析線與檢測(cè)限

按元素定量方法確定的各待定元素的發(fā)射光譜分析線見表2，同法測(cè)定11個(gè)空白溶液中19種礦物元素的發(fā)射光譜強(qiáng)度，計(jì)算每種元素測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍作為各待測(cè)元素的檢測(cè)限，結(jié)果見表1。19種分析元素中，Ti、B、Ba、Cd、Cr、Fe、Mn、Sr等元素的檢測(cè)限極低，在1 μg/L以下，K、P、S等元素的檢測(cè)限較高。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

按1.5方法制備各待測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)工作曲線及相關(guān)參數(shù)見表2。結(jié)果顯示，ICP-OES定量分析的線性范圍寬，都在2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，而且其線性相關(guān)系數(shù)都在0.999以上。

表1 鰱魚中19種礦物元素定量分析線與檢測(cè)限Table 1 Quantitative analysis line and detection limit of 19 mineral elements in silver carp

2.4 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)

通過在樣品中加入標(biāo)準(zhǔn)的方法，分別測(cè)定了P、S、K、Ca、Mg、Na、Al、Zn、Fe等鰱魚中含量較高元素的加標(biāo)回收率。準(zhǔn)確稱取0.352 1 g鰱魚肉樣品至消解罐中，分別吸取S、P、Ca元素標(biāo)準(zhǔn)溶液各1 mL，K、Na混合標(biāo)準(zhǔn)溶液5 mL，稀釋10倍后的GSB04-1767多元素混合溶液1 mL以及稀釋10倍后的Mg元素標(biāo)準(zhǔn)溶液0.9 mL也加入消解罐中，在電熱板上蒸干溶液，再加入硝酸和雙氧水，同法消解并測(cè)定各元素的回收量，平行三次實(shí)驗(yàn)，計(jì)算加標(biāo)回收率，見表3?；厥章蕼y(cè)定結(jié)果顯示，元素的加標(biāo)回收率都在93.0%～113%。

表2 鰱魚中19種定量分析礦物元素標(biāo)準(zhǔn)工作曲線及參數(shù)Table 2 Standard working curves and parameters for quantitative analysis of mineral elements in 19 silver carp

注：表中C代表溶液中待測(cè)元素含量，μg/L；Int代表相應(yīng)元素發(fā)射光譜強(qiáng)度。

表3 加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of recovery rate

2.5 鰱魚中礦物元素定量結(jié)果

鰱魚肉中19種元素定量分析結(jié)果見表4。

2.6 結(jié)果分析

3個(gè)不同市場(chǎng)采購(gòu)鰱魚樣品中礦物元素平均含量之比較以及其標(biāo)準(zhǔn)偏差分別用圖示表示，常量元素見圖2，微量元素見圖3、圖4。測(cè)定結(jié)果顯示：常量元素中含量最高的是硫元素和磷元素，較低的是鈉和鎂元素，但它們的含量也比微量元素中最高的鋁元素高出11倍；不同市場(chǎng)采購(gòu)鰱魚中，磷元素和鈣元素含量差異較大，而鈉和鎂元素的含量差異極小。微量元素中，鋁、鋅、鐵等元素的含量較高，而鉛、銅、鉻、硼、鎘、鈦等元素的含量甚微；不同市場(chǎng)采購(gòu)鰱魚中，微量元素含量相對(duì)偏差較大的是錳、鋇、鍶、鋁等元素，而鋅、鐵、鉛、鎘、銅等元素含量的相對(duì)偏差較小。

表4 鰱魚肉中礦物元素定量結(jié)果(干燥鰱魚肉)Table 4 Quantitative results of mineral elements in silver carp(dry)

圖2 常量元素平均含量之比較Figure 2 Comparison of the average contents of the constant elements.

圖3 微量元素平均含量之比較(I)Figure 3 Comparison of the average contents of trace elements (I).

圖4 微量元素平均含量之比較(II)Figure 4 Comparison of the average contents of trace elements (II) .

關(guān)于有害重金屬元素的含量，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《食品中污染物限量》(GB 2762—2017)中規(guī)定，魚類中鉛要小于0.5 mg/kg，鎘小于0.1 mg/kg。測(cè)定結(jié)果顯示，鉛的平均含量0.75 mg/kg，但這是干燥魚肉的含量，若換算為新鮮魚肉，含量為0.165 mg/kg，則低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量。鎘的測(cè)定結(jié)果為0.028 mg/kg，換算為新鮮魚肉為0.006 16 mg/kg，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量。鋁元素雖然是鰱魚肉中含量最高的微量元素，但也沒有超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限量中面制品鋁含量小于100 mg/kg的規(guī)定。因此，從有害元素含量方面考察，市售鰱魚食用安全。

關(guān)于測(cè)定結(jié)果的精密度和準(zhǔn)確度，57個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)測(cè)定結(jié)果和9個(gè)元素回收率測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析見圖5。在57個(gè)測(cè)定結(jié)果的RSD值中，小于2%的有27個(gè)，2%～5%的有8個(gè)，5%～10%的有13個(gè)，大于10%的有9個(gè)。RSD測(cè)定結(jié)果較大的元素都是一些在鰱魚中含量極低、低至方法檢測(cè)限附近的元素，如B、Pb、Cd等。元素加標(biāo)回收率測(cè)定結(jié)果都在93%～113%。

圖5 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差及回收率統(tǒng)計(jì)圖Figure 5 Statistical diagram of relative standard deviation and recovery rate.

3 結(jié)論

采用微波消解制樣，再應(yīng)用ICP-OES法對(duì)鰱魚肌肉中的礦物元素組成進(jìn)行較為全面的分析測(cè)定，鑒定出其含有19種礦物元素；實(shí)驗(yàn)精密度好，結(jié)果可信度高。對(duì)鰱魚肉中19種礦物元素的定量分析結(jié)果，可為相關(guān)應(yīng)用研究提供參考數(shù)據(jù)。