懸浮液進樣GFAAS法測定食用明膠中的鉻

吳晨曦，汪亦茗，陳濰玲

（嵊州市食品藥品檢驗檢測中心，浙江嵊州312400）

食用明膠作為食品添加劑以及空心膠囊的主要原料被廣泛應用于食品和藥品中。我國食品衛生標準[1]和藥典[2]對食用明膠中鉻元素均有限量要求。檢測明膠中鉻所采取的前處理方法通常有干法消解，濕法消解和微波消解[3]。但是，這些方法通常存在污染環境和耗時長的缺點。若明膠不經過消解，直接配置成懸浮液后檢測就可以避免上述問題[4]。

相較于其它元素檢測儀器，石墨爐原子吸收光譜儀 （graphite furnace atomic absorption spectrometer，GFAAS）對樣品具有灰化處理能力，能夠對不經過消解的樣品進行檢測，所以GFAAS 更適用于懸浮液進樣法。近年，國內外對于懸浮液進樣GFAAS 進行元素的檢測均有研究[4-6]，如蘇耀東等利用懸浮液進樣石墨爐原子吸收法測定了海洋沉淀物的鉛元素[5]；Fernandes 等利用水溶性叔胺為介質將人體頭發制備成懸浮液，并對其含有的釩元素進行檢測[6]；Silva 等在低溫狀態下將海魚研磨成固體顆粒后制備成懸浮液，并對其進行銅、鐵、鎂元素的檢測[7]。但用于明膠中元素的測定卻未見報道。

在建立懸浮液直接進樣—石墨爐原子吸收光譜法測定食用明膠中的鉻過程中，配置適于檢測的懸浮液是關鍵之一。另外，由于樣品未經消化，基體效應較大，通過選擇合適的基體改進劑和優化升溫程序來減小基體效應也是影響檢測結果是否準確的重要因素。本文以明膠為試驗對象，就明膠懸浮液的配制，基體改進劑和儀器升溫程序進行試驗研究，得到一種能夠快速準確的檢測食用明膠中鉻含量的新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

硝酸（超級純）：蘇州晶瑞化學股份有限公司；硝酸鈀、磷酸二氫銨、六水合硝酸鎂（均為光譜級）、曲拉通-100（優級純）：國藥集團；鉻標準溶液（質量濃度1 mg/mL）、明膠產品中鉻成分分析標準物質[標準值（0.315±0.019）mg/kg]：中國計量科學研究院；水為超純水（電阻率18.2 Ω·m）；氬氣（純度大于 99.99%）：浙江省嵊州富豪氣體供應站；玻璃器皿均用30%的硝酸浸泡24 h 以上。

1.2 儀器設備

PinAAcle900z 石墨爐原子吸收光譜儀：美國PerkinElmer 公司；UV-TOC/UF 超純水儀：德國 Thermo 公司；ML204 電子天平：美國 Mettler Toledo 公司；Tissuelyser-24 冷凍研磨儀：寧波新芝生物科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 儀器工作條件和石墨爐升溫程序

波長：357.87 nm；夾縫寬度：0.7 nm；燈電流：20 mA；測量方式為峰面積；氬氣出口壓力為0.35 MPa～0.40 MPa。石墨爐升溫程序見表1。

1.3.2 基體改進劑的配制

分別稱取0.5 g 磷酸二氫銨，0.05 g 硝酸鈀和0.087 g 六水合硝酸鎂于50 mL 容量瓶中，用體積分數0.5%的硝酸定容至刻度備用。

表1 石墨爐升溫程序Table 1 Heating program of graphite furnace

1.3.3 樣品前處理方法

利用冷凍研磨儀將明膠制成粉末并過100 目篩。稱取0.30 g～0.35 g 明膠顆粒至10 mL 容量瓶中，并用體積分數為0.5%的硝酸定容至刻度，振蕩、混勻直接上機檢測。

1.3.4 標準曲線的繪制

用體積分數為0.5%的硝酸將鉻標準溶液稀釋為1 mg/L 的中間液，在100 mL 的容量瓶中加入1 mL 的中間液并用體積分數為0.5%的硝酸定容至刻度，振搖使其形成均一的標準使用液，濃度為10 ng/mL。最終自動進樣器將使用液稀釋成濃度為2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 ng/mL 的標準系列。

2 結果與分析

2.1 懸浮液的研究

懸浮液的均一穩定性以及待測元素是否能夠被充分提取均會影響試驗結果。樣品顆粒直徑、表面活性劑的用量以及取樣量與定容體積的比例（質量體積比）則是影響待測元素提取率和懸浮液均一穩定性的重要因素[8]。

2.1.1 樣品顆粒大小對檢測結果的影響

粒徑越小的明膠顆粒，比表面積越大，越有利于鉻元素的提取，但同時也會提高樣品的研磨要求。試驗利用目篩對研磨的明膠顆粒進行篩分并利用體積分數為0.5%的硝酸配置成懸浮液進行連續6 次檢測并取結果的平均值以考察樣品顆粒大小對測量結果的影響，結果見圖1。

由圖1可知，隨著粒徑的減小，樣品中鉻元素的濃度也隨之變大；當樣品微粒通過100 目篩之后，樣品中鉻元素的濃度的變化趨于平緩。說明當微粒通過100目篩之后，既粒徑小于0.15 mm 時，溶液對明膠微粒中鉻元素的提取已趨近最大。故將明膠顆粒的粒徑控制在0.15 mm 以下即能滿足試驗要求。

圖1 顆粒直徑對結果的影響Fig.1 Effect of particle diameter on the results

2.1.2 表面活性劑的用量對結果的影響

添加表面活性劑是為了增加樣品顆粒之間的表面張力，使顆粒能夠均勻的分布，保證懸浮液的均一穩定，提高檢測結果的重復性。同時表面活性劑會使懸浮液基體更加復雜，影響試驗結果的準確性。曲拉通-100 作為表面活性劑，在重金屬懸浮進樣直接測定中有大量應用報道[9-10]，為了研究表面活性劑用量對試驗結果的影響，采用曲拉通-100（Triton X-100）作為表面活性劑，考察當取樣量為0.2 g，定容體積為10 mL時，不同體積分數的曲拉通-100 對連續6 次檢測結果的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD）以及回收率的影響，結果見圖2。

圖2 曲拉通-100 濃度對結果的影響Fig.2 Effects of 曲拉通-100 concentration on results

由圖2可知隨著曲拉通-100 濃度增加，懸浮液的基體變的更為復雜，回收率也逐漸變大。另外，曲拉通-100 濃度對結果的RSD 值影響并不明顯，且無論是否添加曲拉通-100，結果的RSD 值均小于5%。這是由于明膠分子中既有氨基又有羥基，具有雙親性[11]。故明膠本身就具有表面活性，能夠保障其微粒均勻的分布在介質中。為了不帶來新的干擾，本次試驗的懸浮液配制中不會加入表面活性劑。

2.1.3 質量體積比對結果的影響

取樣量與定容體積的比例既會影響懸浮液的均一性也是決定方法靈敏度的重要因素。當定容體積不變時，取樣量越大，方法的靈敏度越高；但過高的樣品濃度會產生大量沉淀導致懸浮液不均一，同時增加基體干擾不利于檢測。研究當定容體積為10 mL 時，明膠的質量對回收率和RSD 的影響，結果見圖3。

圖3 樣品質量對結果的影響Fig.3 Effect of sample weight on the results

在圖3中可以看出，隨著取樣量增加，回收率總體呈下降趨勢，RSD 值則上升。為了提高方法靈敏度的同時保證回收率在90%以上，RSD 值在5%以下，控制取樣量在0.30 g～0.35g 之間最為合適。

2.2 基體改進劑的研究

基體改進劑使基體更容易揮發，從而能夠達到減小基體效應的目的，同時減小待測元素在灰化階段的損失，并改善峰形。試驗比較了硝酸鈀、硝酸鎂和磷酸二氫銨3 種常用的基體改進劑對檢測結果的影響。圖4和表2分別為吸收峰的峰形和相關參數。

圖4 不同基體改進劑的峰形Fig.4 Different peak shape of the matrix modifier

表2 不同吸收峰的參數Table 2 The parameters of different absorption peaks

結合圖4和表2來看，不加基體改進劑時，出峰時間過早，峰形扁平且峰面積最小，說明不加基體改進劑時Cr 元素有大量損失；基體改進劑為磷酸二氫銨時，吸收峰會有明顯拖尾現象，而且背景值為0.042 3，遠大于其余兩種基體改進劑。吸收背景產生的原因是分子吸收干擾和光散射干擾[10]，背景值過大會導致待測元素的吸收強度發生改變，導致測量誤差。故磷酸二氫銨不適合作為本方法的基體改進劑；硝酸鎂與硝酸鈀作為基體改進劑時，吸收峰的完整性與對稱性均較為理想。且與硝酸鎂相比，硝酸鈀的吸收峰更高，峰面積更小。又因為以峰面積為測量方式的穩定性要優于峰高，所以應該選擇峰面積更大的硝酸鎂作為基體改進劑，這樣既能夠保證測量穩定性又使方法的靈敏度更高。

2.3 石墨爐升溫程序的研究

在石墨爐升溫程序中，灰化溫度與原子化溫度是較為重要的兩個參數。灰化的作用是盡可能除去基體成分，同時也要保障待測元素不過多損失。原子化是將樣品溶液中的元素轉化為自由原子的過程[12]。

2.3.1 灰化溫度的優化

將原子化溫度設為儀器推薦的2 300 ℃不變，改變灰化溫度并測定吸光度與背景值。結果見圖5。

圖5 灰化溫度對吸光度和背景值的影響Fig.5 Effect of pyrolysis temperature on absorbance and background signals

在圖5中，背景值隨著溫度的增加不斷減小。說明樣品中的基體成分隨著灰化溫度的增加而變小，基體干擾也隨之變小。同時吸光度在溫度為1 500 ℃時達到最大值，之后便隨溫度的增加而變小。說明在1500℃之前，由于基體干擾的減小，鉻元素吸光度會不斷增加，當溫度超過1 500 ℃之后，鉻元素會有大量損失。所以，最佳灰化溫度為1 500 ℃，這既可以減小基體干擾又可以保證樣品中的鉻元素不會損失過多。

2.3.2 原子化溫度的優化

取最佳灰化溫度1 500 ℃不變，改變原子化溫度測定吸光度與背景值。結果見圖6。

圖6 原子化化溫度對吸光度和背景值的影響Fig.6 Effect of atomization temperature on absorbance and background signals

圖6可以看出，當灰化溫度為1 500 ℃時，原子化溫度對背景值的影響并不明顯，吸光度則隨原子化溫度的升高而增加，當溫度達到2 200 ℃之后吸光度則略微下降。說明最佳原子化溫度為2 200 ℃。

2.4 標準曲線與方法檢出限

本次試驗采用外標法定量，以鉻標準系列的質量濃度為橫坐標，測得的吸光度為縱坐標繪制標準曲線，得到線性回歸方程為A=0.013 69C+0.003 10，線性相關系數為0.999 6。據國標GB/T5009.1-2003《食品衛生檢驗方法理化部分總則》的計算方法，連續測量空白20 次并計算出標準偏差s，再根據標準曲線的斜率b，由3s/b 計算出最低檢出濃度為0.0317 ng/mL。若定容體積為10 mL，取樣量為0.3 g，則方法檢出限為0.001 mg/kg。

2.5 樣品分析

對明膠標準物質[標準值（0.315±0.019）mg/kg]和市場中購買的4 種食用明膠按試驗方法進行檢測，并與微波消解法（國標GB 5009.123-2014《食品安全標準食品中鉻的測定》）的檢測結果進行對比。同時做加標試驗，每個樣品平行測量6 次。結果見表3。

表3 樣品分析結果（n=6）Table 3 Analytical results of samples

由表3可知，懸浮液進樣法與微波消解法的檢測結果相近，且標準物質的測量結果在標準值范圍以內。加標試驗的回收率在95%～115%之間，連續測量6 次的RSD 值也小于5%，說明方法的準確性和重復性良好。

3 結論

稱取粒徑小于0.15 mm 的明膠顆粒0.30 g～0.35 g，并用體積分數為0.5%的硝酸定容至10 mL 配置成懸浮液后直接進石墨爐原子吸收光譜進行鉻元素的檢測。試驗中的基體改進劑選用硝酸鎂，儀器設置的灰化溫度為1 500 ℃、原子化溫度為2 200 ℃。利用外標法進行定量分析，回收率在95%～115%之間，RSD＜5%，方法檢出限為0.001 mg/kg。該方法解決了食用明膠中鉻元素檢測過程中樣品消解的勞動強度大、耗時長、同時避免了使用大量酸所帶來的環境污染，在保證檢測結果準確的同時提高了檢測效率。