X射線熒光微區分析結合電感耦合等離子體質譜法進行保健食品中元素含量的測定

趙 婷，池海濤*，劉奕忍，高 峽，黃 瞾，張 梅，李琴梅

1. 北京市理化分析測試中心，北京 100089 2. 有機材料檢測技術與質量評價北京市重點實驗室，北京 100089 3. 北京市食品安全分析測試工程技術研究中心，北京 100089

引 言

近年來，隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，無論是政府、社會還是個人都越來越關心生活、生命質量。人的身體健康狀況是影響生活質量的一個最重要的因素，加之醫食同源的養生文化，保健品的消費呈現出高速發展的狀態，在我國有著極大的市場潛力。一方面，不少保健品的主要有效成分是鈣(Ca)、鐵(Fe)、磷(P)、碘(I)、鎂(Mg)、鋅(Zn)、硒(Se)等元素，這些元素攝入不足、過量都會不同程度引起人體生理的異常[1]。例如，由于我國以谷物蔬菜為主食，其中的植酸、草酸等會減少鈣在腸道中的吸收，又加上日常的烹調方式、飲食習慣等導致了鈣攝入量的不足，因此不少人需要補鈣。但補鈣并不是越多越好，當每次服用鈣超過200 mg會降低吸收率，而攝入過高又可能造成鈣的蓄積、影響其他微量元素的吸收，同時增加了患腎結石的危險性[2]。另一方面，保健品的原料或制作過程中帶入的砷(As)、汞(Hg)、鉛(Pb)和鎘(Cd)等重元素會對身體產生很大的毒副作用[3]。除此之外，部分保健品的原料在種植的過程中會施稀土微肥[4]，長期使用有可能會帶入保健品中。因此，保健品中元素含量分布的測定對保健品質量的控制和監督有著非常重要的意義。元素在保健品中的分布均勻度的不確定性及元素種類、含量的不確定性，需要建立一種能確定保健品中元素均勻度、元素種類及具體含量的測定方法。目前，這方面的文獻報道很少。

常用的元素檢測方法有滴定法[5]、比色法[6]、原子熒光光譜法[7]、原子吸收光譜法[8]、電感耦合等離子體光譜法[9]、電感耦合等離子體質譜法[10-12]、X射線熒光光譜法。X射線熒光光譜法(X-ray Fluorescence spectrometry，XRF)是利用特征X熒光射線，從而對原子序數大于8的所有元素進行定性或定量分析的檢測方法[13]。X射線熒光光譜法的優點是無損檢測，可直接進行固體樣品的多元素檢測，分析速度快且分析成本低。作為X射線光譜分析領域的一個重要分支，X射線熒光微區分析技術與整體分析技術相比，可以使用更少、更小的樣品進行檢測，并能夠對樣品中的元素分布進行分析[14]。電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)具有檢出限低、線性范圍寬、多元素同時測定等優點,同時可用于同位素分析及元素形態分析[15]，廣泛應用于保健品檢測行業。

通過本文的研究，可為相關保健品的元素檢測提供技術方法，同時為其他研究對象比如食品、藥物等樣品的元素檢測提供技術參考。同時為保健品的安全性和合理攝入研究提供技術支持，對保障保健品使用安全具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

實驗試劑： 65%硝酸，優級純，Merck公司； 70%～72%高氯酸，優級純，國藥集團化學試劑有限公司； Ca和Fe等元素混合標液，1 000 μg·mL-1，Agilent公司(貨號： 5183-4682)； Sc等元素混合內標，10 μg·mL-1，Agilent公司(貨號： 5183-4681)； 超純水(MILLIPORE)，電阻率≥18.0 MΩ·cm。

實驗儀器： X射線熒光光譜儀，Zetium，Panalytical公司； 電感耦合等離子質譜儀，7700X，Agilent公司； 微波消解儀，Ethos 1，Milestone。

1.2 方法

1.2.1 X射線熒光微區法測定保健品中元素的分布及種類

將保健品藥片用樣品托盤和螺絲固定后放入微區專用測量杯中進行測試。用微區配套相機對樣品進行拍照，設定橫縱坐標刻度單位為0.5 mm，選取代表樣品各個區域的四十個點進行測量，如圖1所示。

圖1 微區樣品選點示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample selectionfor micro-area sample

微區半定量分析方法加了兩個能譜通道，分別為： Rh元素，工作管壓： 60 kV，工作管流： 66 mA，通道測量時間100 s； Rh元素，工作管壓： 32 kV，工作管流： 125 mA，通道測量時間100 s。

1.2.2 電感耦合等離子體質譜法測定保健品中元素的含量

利用微區半定量分析方法檢測保健品中含有的元素種類后，再用電感耦合等離子體質譜法對保健品中含有的元素進行定量分析。將保健品樣品研磨混勻，稱取0.100 0 g樣品于微波消解管中，加入6 mL優級純硝酸和2 mL優級純高氯酸，同時做樣品空白，微波消解條件如表1所示。

表1 微波消解實驗參數Table 1 Experimental parameters of microwave digestion

電感耦合等離子體質譜儀的工作條件為： RF功率1 550 W，載氣流量0.99 L·min-1，輔助氣流量0.90 L·min-1，等離子氣體流量15 L·min-1，蠕動泵轉速0.1 rps，采樣深度8 mm。使用含有1 ng·mL-1的Li，Co，Y，Ce和Tl的稀硝酸基體溶液對儀器進行調諧，以將氧化物、雙電荷離子、氬化物離子干擾的影響減小到最低值。

2 結果與討論

2.1 保健品中的元素分布及半定量測試結果

為了確定保健品中的元素種類及其分布，首先對樣品進行快速、無損的微區半定量分析，結果表明樣品中含有的主要元素為鈣(Ca)、鐵(Fe)，微量元素為釕(Ru)、鉬(Mo)，各元素在保健品中的元素含量分布如圖2—圖5所示。

圖2 保健品中的Ca元素含量分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of Ca contentdistribution in health products

通過微區半定量測試，我們得出以下結論： (1) 樣品中含有的Ca元素含量在6.0%～10.0%之間，樣品中含有的Fe元素含量在2.0%～4.0%之間。(2) Ca，Fe，Ru和Mo元素在樣品中各個部位的分布不均勻。由于樣品中主要含有元素Ca和Fe，為了精確測定樣品中含有的Ca和Fe，利用電感耦合等離子體質譜儀對樣品進行進一步檢測。

圖3 保健品中的Fe元素含量分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of Fe contentdistribution in health products

圖4 保健品中的Ru元素含量分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ru contentdistribution in health products

圖5 保健品中的Mo元素含量分布示意圖Fig.5 Schematic diagram of Mo contentdistribution in health products

2.2 保健品中的元素含量測試結果

2.2.1 標準曲線

分別量取含有Ca和Fe(1 000 μg·mL-1)的混合標液40，80，160，240和320 μL，稱重，用去離子水稀釋至40 g，配制出濃度分別為1.248 4，2.154 0，4.195 2，6.392 1和8.245 8 μg·mL-1的標準溶液。以Sc作為內標，Ca和Fe的標準曲線圖分別如圖6、圖7所示。

圖6 Ca的標準曲線Fig.6 Standard curve of Ca

圖7 Fe的標準曲線Fig.7 Standard curve of Fe

通過圖6和圖7，我們不難發現，Ca和Fe分別與Sc的比率的標準曲線方程和線性系數如表2所示，滿足測試要求。

表2 Ca和Fe分別與Sc的比率的標準曲線方程Table 2 The Standard Curve equation of the ratioof Ca,Fe to Sc respectively

2.2.2 精密度

分別稱取約0.100 0 g保健品六份，加入6 mL優級純硝酸和2 mL優級純高氯酸，同時做樣品空白，按照表1提供的微波消解程序消解，將得到的消解液冷卻后定容至100 mL，根據標準曲線的線性范圍，再稀釋10倍后用電感耦合等離子體質譜儀進行測定。各樣品中Ca和Fe的含量如表3、表4所示，經計算： 保健品中含有的Ca元素平均值為6.23%，相對標準偏差1.78%； Fe元素平均值3.82%，相對標準偏差2.14%。計算結果符合分析化學精密度要求，且在X射線熒光光譜法半定量測試結果范圍內。

表3 保健品中Ca的濃度Table 3 The concentration of Ca in the health product

表4 保健品中Fe的濃度Table 4 The concentration of Fe in the health product

2.2.3 回收率

分別稱取約0.100 0 g保健品九份，加入Ca 5.0 mg+Fe 3.0 mg，Ca 6.2 mg+Fe 3.8 mg，Ca 7.4 mg+Fe 4.6 mg各三份至樣品中，加入6 mL優級純硝酸和2 mL優級純高氯酸，同時做樣品空白，按照表1提供的微波消解程序消解，將得到的消解液冷卻后定容至100 mL，根據標準曲線的線性范圍，再稀釋20倍后用電感耦合等離子體質譜儀進行測定。得到的樣品回收率如表5所示，經計算： 保健品中Ca的80%樣品濃度加標量的平均回收率為98.4%，相對標準偏差3.21%； 100%濃度加標量的平均回收率為95.7%，相對標準偏差1.86%； 120%濃度加標量的平均回收率為98.8%，相對標準偏差4.40%。保健品中Fe的80%樣品濃度加標量的平均回收率為99.1%，相對標準偏差3.26%； 100%濃度加標量的平均回收率為97.5%，相對標準偏差1.69%； 120%濃度加標量的平均回收率為98.2%，相對標準偏差3.32%。

表5 保健品中Ca和Fe的回收率Table 5 The recovery rate of Ca and Fein the health-care product

3 結 論

利用X射線熒光光譜微區分析結合電感耦合等離子體質譜法對保健品中的元素含量進行了檢測，由于保健品片狀物在制作的過程中會加入淀粉等基體進行混合壓制，存在混合不均勻的可能性，首先利用無損、快速的X射線熒光光譜分析技術對樣品進行檢測，結果表明各元素在樣品的表面分布非常不均勻，且得到了樣品的半定量測試結果。由于X射線熒光光譜技術分析檢測的是樣品表面的某個點的元素含量，我們改用電感耦合等離子體質譜法對保健品進行準確定量測試。根據半定量分析結果，樣品中含有的主要元素是Ca和Fe，含有的Ru和Mo含量較低，甚至在樣品某些部位含量為零，初步判斷樣品中的有效元素成分為Ca和Fe。

鈣是維持人體健康所必需的一種元素，也是人體內含量最多的無機元素，在所有的保健品中，人們最熟知、接受度最高的應當就是補鈣產品[16]。貧血是世界上常見的一種營養缺乏病，缺鐵、出血、溶血、造血功能障礙等均會引起貧血，其中缺鐵為最常見的貧血原因，因此鐵強化食品被廣泛推廣[17]。綜上所述，決定選取Ca和Fe元素進行準確定量測試。測試結果表明，Ca和Fe元素分別為6.23%和3.82%，與半定量測試所得結果6.0%～10.0%和2.0%～4.0%基本一致。

通過X射線熒光光譜微區分析法對保健品中元素測定，既快速、無損地得到了保健品中的常見元素半定量含量結果，又明確了保健品中的元素分布情況。結合電感耦合等離子體質譜法可以對感興趣的元素進行進一步定量檢測，從而得到元素含量結果。X射線熒光光譜微區分析法結合電感耦合等離子體質譜法既可以對保健品表面的元素種類及分布情況進行判定，又可以根據無損檢測結果對感興趣的元素進行進一步檢測，從而得到定量分析結果。