超級微波消解—電感耦合等離子體質譜法測定豆奶粉中鎳的含量

薛敏敏 劉芳芳 張 帆 唐吉旺 袁列江 吳海智 朱 禮 郭星辛

(1. 湖南省產商品質量檢驗研究院，湖南 長沙 410007；2. 長沙環境保護職業技術學院，湖南 長沙 410004；3. 湖南省檢驗檢疫科學技術研究院，湖南 長沙 410004)

豆奶粉是由大豆和乳品等主要原料生產加工而成的粉狀食品，含有豐富的維生素、礦物質以及膳食纖維、大豆低聚糖等營養成分[1-3]。但是豆奶粉中可能會存在鎳污染現象，一方面，大豆作為豆奶粉的主要原料，對鎳等重金屬元素具有顯著的富集作用，鎳元素容易通過大豆進入到豆奶粉中；另一方面，豆奶粉的添加物以及磨漿、加熱滅酶、濃縮、噴霧干燥等生產加工過程中也可能引入鎳元素。過多鎳元素會導致心血管和腎臟疾病[4-7]，影響人體健康。

鎳元素常用的檢測方法有原子熒光光譜法[8-9]、原子吸收光譜法[10-11]、電感耦合等離子體發射光譜法[12]和電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)[13-14]等。GB 5009.138—2017《食品安全國家標準 食品中鎳的測定》中規定，食品中鎳元素的檢測使用石墨爐原子吸收光譜法，該方法受載氣、樣品酸度影響較大，且空心陰極燈使用壽命有限，穩定性較差。原子熒光光譜法與原子吸收光譜法類似，且對于復雜基體的樣品測定較為困難。電感耦合等離子體發射光譜法和電感耦合等離子體質譜法均采用ICP為離子源，在靈敏度、檢出限、線性范圍等方面具有顯著優勢，且樣品制備簡單，檢測結果穩定，適合批量樣品檢測，而電感耦合等離子體質譜法較電感耦合等離子體發射光譜法具有更高的靈敏度和更低的檢出限[15-16]。盡管ICP-MS已被廣泛應用于環境檢測和食品分析等領域，但利用ICP-MS測定豆奶粉中鎳的研究報道較少，需要針對質譜干擾、基質干擾的消除方法以及儀器條件的優化進行分析與驗證。同時，超級微波消解是近幾年出現的采用反應釜一體承壓消解新技術[17-18]，在耐高溫、耐高壓等方面優勢顯著，樣品消解更加徹底，同時具有酸加入量少、空白低、污染少等特點，因此重點研究利用超級微波消解優化前處理技術，進一步提升豆奶粉中鎳檢測的準確性與精密性。

試驗擬采用超級微波消解—電感耦合等離子體質譜法測定豆奶粉中的鎳元素含量，通過優化前處理技術，以及分析ICP-MS的干擾消除方法與最佳儀器條件，提升方法的準確度與精密度。同時采用此法測定多個市售豆奶粉樣品中的鎳，掌握市售豆奶粉中鎳的污染情況，為相關產品中鎳污染的風險防控提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試劑與標準物質

濃硝酸：痕量金屬級，美國Fisher Chemical公司；

鎳標準儲備溶液：GSBG62022-90，1 000 μg/mL，國家鋼鐵材料測試中心；

多元素內標儲備溶液：鈧、鍺、銦、鉍、釔、鋱、銠質量濃度均為100 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

質譜調諧液：鈷、鋰、鈦、釔、鈰質量濃度均為10 μg/mL，美國安捷倫公司；

豆奶粉中鎳質控樣(ZKQC5210)：批號P25295，河南標準物質研發中心；

試驗用水均為超純水。

1.1.2 主要儀器與設備

電感耦合等離子體質譜儀：7700 X型，美國安捷倫公司；

超級微波消解儀：Ultrawave型，萊伯泰科公司；

超純水處理系統：Milli-Q型，美國密理博公司；

電子天平：1601MP8型，德國賽多利斯公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 樣品前處理 準確稱取0.5 g樣品(精確至0.001 g)于15 mL消解管中，加入3 mL濃硝酸，加蓋放置1 h后放入超級微波消解儀中，按照如表1所示的升溫程序進行超級微波消解。待消解完畢冷卻后取出，同時用少量超純水多次洗滌消解管；繼而轉移至50 mL容量瓶中，并用超純水稀釋至刻度，混勻備用，同時制備試劑空白溶液。

表1 超級微波消解的升溫程序Table 1 Heating program of ultra-wave digestion

1.2.2 前處理優化

(1)消解方法選擇：分析比較干法消解、濕法消解、微波消解、超級微波消解等方法的優劣確定最優樣品前處理方法。

(2)超級微波消解條件優化：影響超級微波消解的主要因素有酸用量、消解溫度與消解時間，因此參考1.2.1樣品前處理分別對酸用量、消解溫度與消解時間進行單因素試驗，通過單因素試驗確定對消解效果影響較大因素及其水平取值，再以豆奶粉中鎳質控樣的鎳回收率(測定值與標準物定值的比值)為評價指標，通過三因素四水平的正交試驗優化超級微波消解條件。

1.2.3 標準溶液的配制

(1)鎳標準使用液：準確吸取1 mL鎳標準儲備溶液，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，再吸取上述溶液1 mL，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，得到質量濃度為100 μg/L的鎳標準使用液。

(2)鎳標準工作液：分別移取鎳標準使用溶液0.00，2.00，4.00，6.00，8.00，10.00 mL于100 mL容量瓶中，用5%硝酸定容至刻度，得到質量濃度為0.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 μg/L的標準工作液。

(3)混合內標使用液：準確吸取1 mL多元素內標儲備溶液，用5%硝酸稀釋定容至100 mL，得到質量濃度為1 μg/mL的混合內標使用液。

1.2.4 ICP-MS工作條件 用質譜調諧液調試儀器，以靈敏度和分辨率達到最佳狀態為優化目標，優化矩管位置、電感耦合等離子體參數、質譜儀參數和測量參數等工作條件，結果如表2所示。

表2 ICP-MS優化后的工作條件Table 2 Optimized working conditions of ICP-MS

2 結果與分析

2.1 前處理優化

2.1.1 消解方法選擇 干法消解與濕法消解處理樣品量大，但兩者均為敞口消解，對易氧化的元素以及易揮發的元素會造成損失，導致回收率偏低，且消耗酸量較多，趕酸時間長，空白偏高。微波消解能夠加快消解的速度，最大限度地限制酸的揮發，干擾較小，但需要加入較多的消解溶劑，消解完成后同樣需要趕酸，效率較低。超級微波消解是近幾年出現的新技術，具有酸加入量少，空白低，污染少，消解完全后直接用超純水定容，無需趕酸，消解能力更強，因此在樣品前處理中首選超級微波消解。

2.1.2 消解條件優化 濃硝酸是重金屬檢測中常用的消解酸，具有不易爆、不易燃的優點，且大部分食品能夠在密閉條件下被濃硝酸安全、溫和地分解，因此在超級微波消解中選擇濃硝酸作為消解用酸。依據正交試驗原理，選取L16(43)正交表，按三因素四水平安排試驗(見表3)。同一消解條件下均做3次重復試驗，取其平均值作為最后結果，正交試驗結果如表4所示。

表3 超級微波消解的正交試驗因素與水平Table 3 Factors and levels of orthogonal design for ultra-wave digestion

由表4可知，消解時間與消解溫度對試驗結果的影響顯著大于酸用量，且前兩者對試驗結果的影響差異不大；超級微波消解的最佳條件為A4B2C3。由于酸用量為3 mL與4 mL的k值相差非常小，因此重點考察消解條件A3B2C3，按此工藝組合進行驗證實驗，測得3次驗證實驗平均回收率為98.5%，該結果盡管略低于條件A4B2C3下的回收率98.6%，但酸用量更少，經濟性、安全性與試驗效率更高，因此選擇A3B2C3為最佳消解條件，即濃硝酸用量3 mL，消解溫度210 ℃，消解時間30 min。

表4 超級微波消解正交試驗方案與結果Table 4 Scheme and results of orthogonal design for ultra-wave digestion

2.2 ICP-MS干擾與消除

2.2.1 質譜干擾 由于豆奶粉基質較為復雜，因此檢測過程中質譜干擾會比較嚴重，例如同質異位素重疊干擾、雙電荷離子干擾、氧化物離子干擾、基質干擾等。鎳的相對原子質量為58.69，具有5個穩定的同位素，即58Ni、60Ni、61Ni、62Ni與64Ni，其豐度分別為68.1%，26.2%，1.1%，3.6%，0.9%，可以發現58Ni具有顯著的豐度優勢，但考慮到鎳是典型親鐵元素，且極易受到58Fe、40Ca、18O等干擾，而61Ni、62Ni與64Ni豐度太小，因此選擇質量數60，使用八級桿氦模式及四級桿質量過濾器消除相應的質譜型干擾。同時在ICP-MS的KED模式下利用碰撞/反應池技術除去多原子離子的干擾，其基本原理是在碰撞/反應池中氦氣與截面積較大的多原子離子發生多次碰撞，大大降低多原子離子動能，進而用適當的截止電壓使其留在碰撞池內，從而實現干擾消除。

2.2.2 非質譜干擾 在電感耦合等離子體質譜法檢測過程中，非質譜干擾主要表現為由試驗環境的變化和儀器錐口鹽的沉積等引起的待測元素信號漂移，以及樣品基質中某些成分對被測元素產生的信號增強或者信號抑制等偏移。試驗采用內標校正法進行非質譜干擾的消除，依據內標元素的選擇原則，即性質穩定、與待測元素電離能相近、與待測元素質量數相近、豐度大、靈敏度高且干擾小，選擇鍺、銠、銦3種元素為備選內標元素。考察該3種元素的回收率，結果見圖1，表明銠元素回收率最高，因此采用銠作為內標元素測定鎳元素。

圖1 備選內標元素回收率比較Figure 1 Recovery percent comparison of optional internal standard elements

2.3 方法學驗證

2.3.1 標準曲線與檢出限 在ICP-MS最佳工作條件下，鎳標準工作溶液經ICP-MS測定后，所得的線性方程見圖2，其中相關系數為0.999 9，且在0～10 μg/L的質量濃度范圍內線性關系良好。此外，依次測定試劑空白溶液11次并計算標準偏差，3倍標準偏差所對應的質量濃度值為0.02 μg/L，結合稱樣量與定容體積，計算該方法的檢出限為0.002 mg/kg，遠優于GB 5009.138—2017中石墨爐原子吸收光譜法測定食品中鎳的檢出限0.02 mg/kg，因此該方法靈敏度更高。

圖2 鎳元素的線性方程與相關系數Figure 2 Linear equation and correlation coefficient of Nickel

2.3.2 加標回收試驗與精密度 測定隨機選取的1份豆奶粉樣品的鎳元素本底值(3.17 mg/kg)，然后分別加入低、中、高3個濃度水平的鎳元素標準溶液，且每個水平做6個平行。采用ICP-MS進行鎳的測定，并計算加標回收率和精密度，結果如表5所示。ICP-MS方法的加標回收率為94.5%～100.6%，相對標準偏差(RSD)為1.8%～2.3%，因此方法的回收率與精密度均符合GB/T 27404—2008《實驗室質量控制規范食品理化檢測》要求。

表5 加標回收率與精密度Table 5 Recovery percent of standard addition and precision (n=6)

2.3.3 準確度 為進一步驗證方法的準確性，采用豆奶粉中鎳質控樣(ZKQC5210)，按照與豆奶粉樣品相同方法進行消解和測定，試驗結果表明，質控樣品的測定值(2.23 mg/kg)在標定范圍[(2.24±0.40)mg/kg]之內，表明其準確度較高。

2.4 市售豆奶粉中鎳含量檢測結果

采用建立的超級微波消解—電感耦合等離子體質譜法對8份市售豆奶粉樣品進行鎳含量測定，結果見表6。數據顯示，8份市售豆奶粉中鎳均有檢出，測定鎳的范圍在2.72～5.23 mg/kg，均值為3.79 mg/kg，高于目前大部分食品中鎳含量的檢出值[9]，如奶粉中檢出鎳含量在0.1 mg/kg 左右[19]，菠菜在各類蔬菜中檢出的鎳含量最高，為0.14 mg/kg[20]，各類醬油醋中檢出的鎳含量最高為2.24 mg/L[21]。這源于其原料大豆等具有較強的鎳富集性[22]，以及生產加工中的鎳污染。盡管GB 2762—2017《食品安全國家標準 食品中污染物限量》中僅對油脂及其制品規定了鎳的限量指標(1.0 mg/kg)，然而數據表明市售豆奶粉中鎳的測定值遠超該指標，應當引起重視。

表6 市售豆奶粉中鎳含量檢測結果Table 6 Measured results of Nickel in market soy milk powder mg/kg

3 結論

試驗建立了超級微波消解—電感耦合等離子體質譜法測定豆奶粉中鎳含量的方法，該方法的標準曲線在0～10 μg/L的質量濃度范圍內線性關系良好，相關系數為0.999 9，檢出限為0.002 mg/kg，加標回收率為94.5%～100.6%，相對標準偏差為1.8%～2.3%；用該方法對豆奶粉中鎳質控樣(ZKQC5210)進行準確性驗證，結果在證書標定范圍內。該方法準確可靠，適用于豆奶粉中鎳含量的測定。