ICP-MS 測定火腿中多元素微波消解條件的正交試驗(yàn)優(yōu)化

◎ 周鴻艷，李 韜

（金華市疾病預(yù)防控制中心，浙江 金華 321002）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和消費(fèi)水平的提高，火腿的食品安全受到消費(fèi)者的關(guān)注。基于原材料豬腿或加工技術(shù)的問題，火腿在加工過程中會發(fā)生一些不良的物理變化、化學(xué)變化、生物變化[1]。不少生產(chǎn)廠家為了獲取高額利潤，在反季生產(chǎn)時，違法添加有毒、有害物質(zhì)[2]。其中，重金屬污染是不容忽視的問題，重金屬一旦在人體內(nèi)富集，會給身體帶來很多潛在危害。目前，國內(nèi)有關(guān)火腿中元素的數(shù)據(jù)較少，探討其對消費(fèi)者潛在的健康風(fēng)險的研究比較少。

食品樣品中多元素的分析技術(shù)主要有紫外-可見分光光度法[3-4]、原子吸收光譜法[5-6]、原子熒光光譜法[7-8]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜[9-10]和電感耦合等離子體質(zhì)譜法[11-12]等。電感耦合等離子體質(zhì)譜（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICPMS）在痕量和超痕量重金屬檢測中表現(xiàn)優(yōu)異，具備多元素分析快、檢出限低、靈敏度高和線性范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[13]。前處理會對樣品檢測結(jié)果造成較大的誤差，合適的前處理方法是獲得準(zhǔn)確結(jié)果的前提。食品樣品的前處理方法主要是干灰化法、濕消解法、微波消解法。微波消解法具有酸消耗量少、空白值低、操作簡單和元素回收率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于食品領(lǐng)域[14-15]。微波消解的樣品量、消解液、消解溫度和消解壓力等條件的選擇會直接影響元素的溶出效率，目前國內(nèi)報(bào)道多考慮單因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，對于多影響因素的試驗(yàn)過程，想要得到較為理想的試驗(yàn)條件，必須引入一種高效率、快速的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本研究采用正交設(shè)計(jì)的方法，以較少的試驗(yàn)次數(shù)保證試驗(yàn)的可靠性、均衡性，得到最佳的火腿微波消解條件，建立了微波消解-ICP-MS 同時測定火腿中7 種元素的方法。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ICAP RQ 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國賽默飛；ETHOS UP 微波消解儀，意大利麥爾斯通；超純水儀，美國密理博。7 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 mg·L-1），中國壇墨；錸（Re）、銠（Rh）、鈧（Sc）混合內(nèi)標(biāo)（100 mg·L-1），國家有色金屬及電子材料分析測試中心；調(diào)諧液，美國賽默飛；硝酸（超純級），德國默克。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 溶液的配制

（1）工作曲線的配制。吸取混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，用2%硝酸溶液配制，Cu 濃度為0～500.0 μg·L-1，Pb、Cd、As、Cr 和Ni 濃度為0～100.0 μg·L-1，Hg 濃度為0～3.0 μg·L-1。

（2）內(nèi)標(biāo)溶液的配制。吸取混合內(nèi)標(biāo)溶液，用2%硝酸溶液稀釋100 倍，Sc、Rh、Re 濃度為1.0 μg·mL-1。

1.2.2 樣品前處理

將有代表性的火腿樣品切成小塊，高速搗碎機(jī)粉碎，裝入樣品瓶中冷凍保存。準(zhǔn)確稱取0.500 g 的樣品，置于消解罐中，加入一定量硝酸，按表1 中的程序微波消解。消解完畢，進(jìn)行趕酸處理，期間用少量水沖洗消解罐內(nèi)壁，將洗液合并于容量瓶中，并定容至刻度線。

表1 微波消解條件表

1.2.3 質(zhì)譜條件

等離子氣流量14.5 L·min-1，霧化氣流量1.1 L·min-1，輔助氣流量0.85 L·min-1，射頻功率1 600 W，模擬電壓-2 000 V，脈沖電壓1 260 V，透鏡電壓7.50 V，測量方式KED，掃描方式跳峰掃描，重復(fù)次數(shù)3 次。

1.2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過“正交試驗(yàn)助手”[16]進(jìn)行L9(34)正交設(shè)計(jì)，選擇硝酸用量（A）、最高溫度（B）、保持時間（C）和消解壓力（D）4 個因素，每個因素的具體水平見表2。

表2 微波消解正交試驗(yàn)因素與水平表

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

微波消解正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。分析可知，對于Pb 元素，消解條件A2B2C2D1的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)锳＞D＞C＞B；對于Cd 元素，消解條件A2B2C3D2的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)锳＞C＞D＞B；對于Hg 元素，消解條件A2B2C2D2的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)镃＞B＞A＞D；對于As 元素，消解條件A2B2C3D3的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)锳＞B＞D＞C；對于Cr 元素，消解條件A2B2C3D2的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)锳＞D＞B＞C；對于Ni 元素，消解條件A3B1C2D3的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)镃＞A＞B＞D；對于Cu 元素，消解條件A2B2C2D2的結(jié)果最佳，因素主次順序?yàn)锽＞A＞C＞D。因素A是6 種元素A2，1 種元素A3，綜合考慮選擇A2，因素B 是6 種元素B2，1 種元素B1，綜合考慮選擇B2，同理選擇C2、D2；綜合分析4 種因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，火腿微波消解的最佳組合為A2B2C2D2，即硝酸用量8 mL，最高溫度180 ℃，保持時間10 min，壓力3 MPa。

表3 微波消解正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析表

極差分析法雖簡單、直觀，但不能區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異是由因素的水平變化導(dǎo)致，還是隨機(jī)波動而導(dǎo)致[17]。為了彌補(bǔ)極差分析的不足，本文進(jìn)行了方差分析，通過分析各因素引起的數(shù)據(jù)波動較誤差引起的數(shù)據(jù)波動的差異程度，推斷相應(yīng)因素水平總體均值差異的顯著性[18]。本試驗(yàn)選擇離方差和最小者作為誤差項(xiàng)，對7 種元素進(jìn)行方差分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因素A對Cd、Cr 影響顯著（P＜0.05）；因素C對Ni 影響顯著（P＜0.05）；因素B、D對7 種元素影響不大。因此，A、C為主要因素，即硝酸用量、保持時間，B、D為次要因素，即最高溫度、消解壓力。根據(jù)方差分析的理論，有顯著影響的因素選擇最佳水平，非顯著影響的因素可按需選擇合適水平。根據(jù)分析方差分析的結(jié)果，各因素的最佳條件為A2B2C2D2，與極差分析結(jié)果一致。

2.2 方法的準(zhǔn)確度

2.2.1 精密度和回收率

采用優(yōu)化后的方法測定火腿中7 種元素的含量，重復(fù)測定8次。此外，對火腿樣品進(jìn)行加標(biāo)回收率試驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。火腿樣品的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（Relative Standard Deviation，RSD）為2.9%～5.3%，加標(biāo)回收率94.8%～102.0%。在最優(yōu)的試驗(yàn)條件下，方法的精密度和回收率均佳，符合檢測分析的要求。

表4 方法精密度及回收率表（n=8）

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)驗(yàn)證

采用優(yōu)化后的方法分別檢測雞肉（GBW10018，GSB-9）、大蝦（GBW10050，GSB-28）、豬肝（GBW10051，GSB-29）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，檢測結(jié)果見表5。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各元素的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，說明該方法的準(zhǔn)確度性高。

表5 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測定結(jié)果表

3 結(jié)論

本文研究了微波消解-ICP-MS 同時測定火腿中7 種元素的方法，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對消解條件進(jìn)行優(yōu)化，綜合分析，最佳條件為硝酸用量8 mL，最高溫度180 ℃，保持時間10 min，壓力3 MPa。在此條件下，樣品的加標(biāo)回收率在94.8%～102.0%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（n=8）≤5.3%，用3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確度考察，各元素的測定結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，表明方法回收率好，準(zhǔn)確度、精密度高，能夠滿足火腿中多元素的日常檢測要求。