增敏劑改進超級微波消解-電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定食品中硒元素

王 婷 曹務倫 曹俊飛 張維權 李 鷹 李 劍

(1.杭州譜育科技發展有限公司,杭州 311300;2.寧陽縣綜合檢驗檢測中心,山東 濟寧 272500)

隨著研究的深入,硒元素逐步實現了從有毒元素到生物體必須微量元素這一轉變,被世界衛生組織認定為生物體內所必須的微量元素之一[1-2],2011年,經食品安全國家標準評審委員會審查通過,《食品中污染物限量標準》(GB 2762—2012)中硒元素限量值也已經被取消。硒元素在減緩人體衰老、預防常見中老年疾病及提高人體免疫力等方面的功能受到了越來越多的青睞,市面上出現了富硒小米、富硒玉米、富硒枸杞等大量富硒產品[3]。《中華人民共和國農業行業標準 富硒茶》(NY/T 600—2002)中規定富硒茶含硒量范圍為0.25～4.00 mg/kg,《中華人民共和國國家標準 富硒稻谷》(GB/T 22499—2008)中規定富硒稻谷硒含量范圍為0.04～0.30 mg/kg。但另一方面,硒元素對于人體毒性和營養閾值較窄,過量攝入硒元素又對人體有害,每日推薦硒攝入量為50～250 μg[4]。因此,準確測定食品中硒元素對于富硒食品的生產及監測具有指導性意義。

參照《食品安全國家標準 食品中硒的測定》(GB 5009.93—2017),目前硒元素測定多采用氫化物發生原子熒光光譜法[5-8]、分子熒光光譜法[9]和電感耦合等離子體質譜法[10-12]。但氫化物原子熒光光譜法和分子熒光光譜法前處理過程繁瑣,而電感耦合等離子體質譜法操作簡便,檢出限更低,線性范圍寬,且一次性可以測試多種元素,應用前景較為廣闊。但該方法的推廣使用又受到硒元素自身特性的限制:硒元素具有較高的電離能,在等離子體氬氣環境中較難電離,導致其響應值較低,無法滿足低濃度測試需求;而豐度較高的80Se又受Ar-Ar干擾嚴重,測試時標準曲線相關性較差[13]。有文獻指出,一定含量有機物的存在對汞、砷、金、硒等元素的有效電離(第一電離能介于9～11 eV之間)具有顯著的增強效應[14-15],鑒于此,本文為了提高硒的信號強度,在反應體系中加入不同增敏劑,并對前處理方法及儀器參數進行優化,提高食品中硒元素的檢測準確性。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

EXPEC 790S型超級微波化學工作站(杭州譜育科技發展有限公司),SUPEC 7000 型電感耦合等離子體質譜儀(杭州譜育科技發展有限公司),Milli-Q型超純水處理系統(美國Millipore公司)。

氬氣(99.999%),氦氣(99.999%)。超純水(電阻率不小于18.25 MΩ·cm)。

硒的單元素標準儲備溶液(1 000 mg/L,國家有色金屬及電子材料分析測試中心)。

甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇、硝酸均為優級純。

標準溶液系列:移取適量硒元素標準儲備溶液,用8%(體積分數,下同)硝酸配制成為濃度為0、0.5、1.0、2.0、5.0、10 μg/L的硒元素標準溶液系列。

調諧液:10 μg/L的鋰、鈷、銦、鈾、鋇、鈰混合溶液,添加0.5%鹽酸。

內標溶液:實驗采用在線加內標方式進行測試(內標與樣品進樣比例為1∶1),增敏劑添加于內標溶液中;Ge溶液(50 μg/L)分別添加0%、2%、4%異丙醇,2%甲醇、乙醇、乙酸、丙三醇。

食品標準物質:GSB-8 奶粉、GSB-9 雞肉、GSB-24 河南小麥、GSB-30 綠茶。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 超級微波消解

準確稱量1.0 g(精確到0.000 1 g)樣品于15 mL高純石英消解管中,加入1 mL水、6 mL硝酸,輕微振蕩搖勻,置于內襯桶中。根據超級微波消解儀操作規范,載液采用150 mL超純水和5 mL硝酸。將內襯桶放入超級微波反應腔中,確認密封圈完好,加蓋。設置預加壓4 MPa,冷卻溫度為60 ℃,按照表1程序進行消解。消解完后,將消解管轉移到趕酸儀上,130 ℃趕酸至2 mL后冷卻至室溫,用純水定容至25 mL。同樣方法制作試劑空白。

表1 超級微波消解儀升溫程序Table 1 Heating program of super microwave digestion

1.2.2 ICP-MS條件

射頻功率1 600 W,霧化器流量1.125 L/min,碰撞氣(He)流量0.75 mL/min,輔助氣流量1.00 L/min,冷卻氣流量15.0 L/min,沖洗/分析泵速20 r/min,采樣深度1.97 nm,鎳錐,駐留時間 200 ms。

2 結果與討論

影響ICP-MS測試過程中Se元素響應值的主要因素有:樣品中硒元素含量較低不易檢出,且基體影響較大;Se元素自身第一電離能較高,電離效率較低。一方面通過優化前處理方式提高待測溶液的上機濃度;另一方面通過在測試過程中添加增敏劑來彌補硒元素自身較難電離的缺陷。

2.1 前處理方法優化

消解方案及消解效果如表2所示,以奶粉標準物質GSB-8,硒認定值為(0.11±0.03) mg/kg為例,使用超級微波消解的方式分別從稱樣量、加酸量、消解溫度、是否趕酸來優化前處理方法,從消解狀態、測試過程中的內標回收率、測試值與標準物質認定值的相對誤差來評估消解方案的可行性。

由表2可知,方案1和2稱樣量分別為0.1、0.2 g,2 mL硝酸220 ℃即可保證消解液無色且無沉淀,且基體含量較低,未經趕酸操作即可保證內標回收率,但由于樣品稱樣量較少,硒上機濃度較低,導致標準物質測定值與認定值偏差較大,因此,需要進一步提高稱樣量。方案3～6提高稱樣量至0.5 g,同樣的加酸量及消解溫度消解效果較差,存在少量沉淀且溶液呈淡黃色,消解不完全的有機質對硒元素存在一定的增敏作用,導致測試結果偏高;為保證消解效果,提高加酸量至4 mL,消解溫度至240 ℃,趕酸后標準物質測試值相對誤差降至9.46%。為進一步提高測試結果的準確性,方案7～11提高稱樣量至1.0 g,加酸量至6 mL,消解溫度至260 ℃,標準物質測試相對誤差為6.33%,內標降至85.4%,130 ℃趕酸后定容測試,標準物質測試相對誤差降低至5.42%,內標提高至95.3%。為保證取樣均勻性并提高上機濃度,本方法提高食品樣品的一次性消解量至1.0 g;為減小基體干擾,消解過程中僅加入6 mL硝酸,260 ℃進行消解,同時消解結束后進行趕酸操作,測試過程中內標回收率為95.3%,證明趕酸操作能夠有效控制基體含量;此外,防止硒元素在趕酸過程中損失,控制趕酸溫度小于130 ℃。

2.2 測試方法優化

大量研究表明,在ICP-MS測試過程中添加一定比例有機物作為增敏劑能夠有效提高第一電離能為9～11 eV元素的響應值[16-17]。其增敏原理目前存在以下幾種說法:有機物如甲醇、乙醇等有機物的揮發性能有效提高霧化效率;有機物的存在改變了待測元素在等離子體中離子化的過程,進而提高了電離效率;有機物與待測元素離子發生作用,進而提高了離子的傳輸效率[14,18]。基于此,本文考察了不同增敏劑種類和比例下硒元素的響應值強度變化,找到了Se元素的最佳測試條件。

2.2.1 儀器參數的優化

添加增敏劑之前,首先調整儀器至最適硒測試狀態,即保證硒響應值最高且其儀器檢出限最低。本方法對霧化氣及碰撞氣流量進行了優化,通過監測在不同條件下5.0 μg/L硒溶液的響應值以及儀器檢出限,得出硒測試的最佳儀器參數。

如表3所示,霧化氣流量會影響待測元素的進樣量和電離效率,當霧化氣流量<1.125 L/min時,隨著霧化氣流量增大,硒進樣量增多,其響應值隨之升高;但當霧化氣流量>1.125 L/min時,硒進樣量雖然增多,但其電離效率下降,硒響應值反而呈下降趨勢。此外,碰撞氣流量會影響待測元素響應值及質譜干擾去除效率且對兩者的影響效果相反,由表4可知,當霧化氣流量一定時,隨著碰撞氣流量增大,硒信號損失增大,響應值降低,但其質譜干擾相對減少,故檢出限也隨之降低。

表3 霧化氣流量對Se響應值的影響Table 3 Effects of atomized gas flow on Se response value

表4 碰撞氣流量對Se響應值及儀器檢出限的影響Table 4 Effects of collision gas flow on response value and detection limits of Se

表5 線性參數及檢出限Table 5 Linearity parameters and detection limits

綜上,為保證儀器響應值及檢出限,本方法選擇最佳霧化氣和碰撞氣流量分別為1.125、0.75 L/min。

2.2.2 增敏劑種類的優化

在上述優化所得儀器參數基礎上,本文選擇甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇作為增敏劑添加于標準曲線測試過程中,結果如圖1所示。對于77Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇后,響應值分別為無增敏劑存在時的2.9、3.5、2.3、4.6、1.5倍;對于78Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇后,響應值分別為無增敏劑存在時的4.2、4.7、3.9、5.2、3.4倍;對于82Se,添加2%甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇后,響應值分別為無增敏劑存在時的3.3、4.3、2.6、5.5、1.8倍。可見,對于不同增敏劑,異丙醇對硒的增敏效果最佳,且對于77Se、78Se和82Se都具有明顯的增敏效果。綜上,在本方法中優先選擇異丙醇作為增敏劑。

圖1 不同增敏劑存在下硒元素響應值(增敏劑濃度:2%)(a)77Se;(b)78Se;(c)82SeFigure 1 Response values for selenium in the presence of different sensitizers(Sensitizer concentration:2%)(a)77Se;(b)78Se;(c)82Se.

2.2.3 增敏劑濃度的優化

為進一步提高增敏效果,本文對異丙醇濃度進行優化:0、2%、4%、6%、8%異丙醇存在下硒的響應值結果如圖2所示,對于77Se,2%、4%、6%、8%異丙醇存在下其響應值分別為無增敏劑存在時的4.6、1.6、1.0、0.56倍;對于78Se,2%、4%、6%、8%異丙醇存在下其響應值分別為無增敏劑存在時的5.2、1.9、0.93、0.48倍;對于82Se,2%、4%、6%、8%異丙醇存在下其響應值分別為無增敏劑存在時的5.5、1.4、0.88、0.43倍。可見,2%異丙醇存在時增敏效果最佳,當異丙醇含量高于4%時,硒響應值反而下降。原因是有機物含量較高,消耗大量等離子體能量,導致等離子體中心通道溫度降低,硒的離子化程度反而降低,導致其響應值降低。綜上,在本方法中優先選擇2%異丙醇作為增敏劑。

圖2 不同濃度異丙醇存在下硒元素響應值(a)77Se;(b)78Se;(c)82SeFigure 2 Response values for selenium in the presence of different concentrations of isopropyl alcohol(a)77Se;(b)78Se;(c)82Se.

2.3 標準曲線和檢出限

實驗表明,2%異丙醇對硒的增敏效果最佳。為進一步證明該結論,本實驗研究了不同增敏劑對硒元素檢出限的影響,分別加入2%甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇、丙三醇,與不添加增敏劑的標準溶液作對比建立標準曲線,并計算77Se、78Se、82Se的儀器檢出限,結果如5表所示。將添加增敏劑后Se響應值與不添加任何增敏劑時Se響應值作比值,可見添加2%甲醇、乙醇、乙酸、異丙醇后,隨著Se響應值的提高,其檢出限均有不同程度的降低,其中2%異丙醇效果最佳,78Se檢出限降低了6.7倍,77Se與82Se檢出限分別降低了3.2和4.2倍,這是由于相對于77Se和82Se,78Se的豐度更高;對于丙三醇,其加入反而使Se檢出限提高。可見,2%異丙醇不僅能夠有效提高硒元素響應值,還能降低硒元素的檢出限,且對78Se的檢出限改善最為明顯。

2.4 準確度和精密度實驗

實驗表明,2%異丙醇對78Se的增敏效果最佳,為證明該方法測試結果的準確性,選擇4種食品標準物質進行測試,分析78Se測試結果如表6所示,表中不同增敏劑添加比例均為2%,異丙醇體系中測試結果相對于認定值的相對偏差最小,乙醇次之,甲醇對準確度改善不明顯,乙酸和丙三醇的加入對準確度改善無益。

表6 準確度實驗Table 6 Results of tests for accuracy /(mg·kg-1)

按照添加2%異丙醇作為增敏劑的方法對實際樣品中Se含量進行7次測定,分析78Se測試結果并計算測定值的相對標準偏差(RSD),結果見表7,其測試7次RSD小于1.7%,根據樣品濃度對樣品進行加標,加標范圍涵蓋低中高濃度,加標回收率為99.8%～101%,表明數據準確可靠。

表7 精密度實驗Table 7 Results of tests for precision /(mg·kg-1)

3 結論

利用超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法對食品中硒元素進行測定,通過添加合適的增敏劑提高了硒元素的響應值,進而有效地降低了硒元素的檢出限,提高了方法的準確度和精密度,可以用于食品中硒元素含量的測試。