电感耦合等离子体质谱法测定鲜奶、酸奶和奶粉中稀土元素

姚春毅,唐录华,高文惠,*,剧京亚,李玉朴

(1.石家庄海关技术中心,河北石家庄 050051;2.河北科技大学生物科学与工程学院,河北石家庄 050000)

乳及乳制品是人们日常生活中重要的营养食品。随着生活水平的不断提高,乳及乳制品的需求量不断增长,同时人们对乳及乳制品安全问题也越来越重视。稀土元素广泛存在于自然界,从20世纪初期至今,稀土元素被广泛应用于多个领域。稀土元素作为饲料添加剂被用于畜牧养殖过程中,它具有明显促进畜产动物生长、提高饲料利用率、提高动物免疫力、增加产奶量等多种生理作用[1-3]。然而,稀土元素通过食物链进入人体,在不同器官中蓄积,长期蓄积的稀土元素会对人体健康造成危害。有研究发现,长期摄入低剂量稀土,会导致儿童智力发育不良、神经系统病变以及肝细胞损伤,甚至引起癌变[4-5]。因此,研究快速、准确测定乳及乳制品中稀土元素含量的检测方法,对于维护消费者权益、保障食品安全、监控稀土元素污染等方面具有重要意义。

目前,稀土元素检测方法主要有原子荧光光谱法[6]、原子吸收光谱法[7-8]、X射线荧光光谱法[9-10]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[11-13]和电感耦合等离子体质谱法[14-16]。而电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)与其他检测技术相比更具优势,不仅具有检出限低、灵敏度高、动态线性范围宽等特点,而且可同时测定多种元素,检测速度快,是目前元素分析技术中的重要手段。

本方法采用微波消解前处理技术,利用硝酸-双氧水消解体系快速处理乳及乳制品样品,并对仪器检测条件进行优化,以Rh、In、Bi为内标元素校正基线漂移,氦气碰撞模式消除多原子离子干扰,采用电感耦合等离子体质谱法测定乳及乳制品中16种稀土元素。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

鲜奶、酸奶、奶粉样品 均购买市售产品;Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu 16种稀土元素混合标准溶液(10 μg/mL) 美国Agilent公司;浓硝酸 BVⅢ级,北京化学试剂研究所;双氧水 优级纯,北京化学试剂研究所;铑、铟、铋单标储备溶液(1000 μg/mL) 国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院;Li、Y、Ce、Tl、Co混合调谐溶液(10.0 μg/L) 美国Agilent公司;柑橘叶标准物质(GBW10014) 中国地球物理地球化学勘查研究所;水 均为电阻率为18.2 MΩ·cm超纯水;高纯氩气 纯度≥99.999%。

Agilent7500ce电感耦合等离子体质谱仪 美国Agilent公司;Multiwave 3000微波消解仪 奥地利安东帕公司;Milli-Q超纯水制备装置 美国Millipore公司;AE240电子天平 瑞士梅特勒公司。

1.2 标准溶液和内标溶液的配制

标准溶液的配制:将浓度为10 μg/mL稀土元素混合标准溶液用5%硝酸溶液逐级稀释,配制成质量浓度分别为0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、5.0 mg/L混合标准工作溶液,同时以5%硝酸溶液作为空白溶液。

内标溶液的配制:将浓度为1000 μg/mL的铑、铟、铋单标溶液用5%的硝酸溶液逐级稀释,配制成质量浓度为1 μg/mL的内标混合溶液。

1.3 样品前处理

称取样品0.5 g(准确至0.1 mg),置于微波消解管中,加入6 mL硝酸和2 mL双氧水,轻轻摇匀,静置20 min后,拧紧密封盖,放入微波消解仪中进行消解,微波消解仪工作参数见表1。消解结束后,冷却至室温,慢慢拧开消解帽,排气,将消解液倒入25 mL容量瓶中,再用超纯水洗消解管3～5次,清洗液并入容量瓶,用超纯水稀释至刻度,混匀,备用。同时做试剂空白。

1.4 仪器分析条件

用10 μg/L Li、Y、Ce、Tl、Co混合调谐溶液进行仪器条件优化,优化之后的参数见表2。

表2 仪器条件和工作参数Table 2 Instrument conditions and working parameters

1.5 数据处理

用Excel 2007分析实验数据,计算RSD值,用ICP-MS ChemStation(B.04.00)获取多原子离子干扰物。

2 结果与讨论

2.1 酸消解体系的选择

由于乳及乳制品中含有蛋白质、脂肪等大量有机物,基质复杂,如果只使用硝酸来消解样品,消解效果较差,消解溶液有沉淀、不澄清。这时需要将硝酸与另一种氧化剂配合使用以增强消解效果。目前常用的氧化剂有高氯酸、硫酸和过氧化氢。高氯酸具有强氧化性,对有机物有很强的破坏作用,但是由于高氯酸不稳定,易分解,在微波消解过程中反应剧烈,易造成炸管的危险。硫酸具有氧化性和脱水性,能够有效分解有机样品,但是硫酸在处理乳制品过程中形成不溶性化合物,产生沉淀,并且对ICP-MS的样品锥和截取锥有腐蚀作用。过氧化氢是一种强氧化剂,对有机物具有较强的分解作用,且分解后只产生氢、氧两种元素,不会引入新的干扰物,减少在质谱测定中的干扰。综上所述,本试验初步选择HNO3和H2O2作为消解体系。

为了保证样品消解完全,酸体系的选择尤为重要;经试验证明,消解约0.5 g样品时,若只使用6 mL浓硝酸消解样品,则消解液呈深黄色,有肉眼可见不溶物,进一步在样品中加入20 μg/kg稀土混合标液验证消解效果,结果为16种稀土元素的平均回收率在62.5%～81.1%之间,回收率较低,意味着样品消解效果较差。为了解决上述问题,向硝酸溶液中加入2 mL双氧水,这时样品消解液呈淡黄色,无肉眼可见不溶物,同样经加标回收试验验证,16种稀土元素回收率在90.2%～106.0%之间,样品消解效果明显增强,结果见表3。故本试验采用6 mL HNO3和2 mL H2O2作为消解体系。

表3 不同酸消解体系回收率测定(n=3)Table 3 Determination of recovery rate of different acid digestion systems(n=3)

2.2 同位素的选择

在电感耦合等离子体质谱分析中,大部分元素都存在同位素,优先选择灵敏度高且干扰小的同位素为被测元素。基于该选择原则,本文选择45Sc、89Y、139La、140Ce、141Pr、146Nd、147Sm、153Eu、157Gd、159Tb、163Dy、165Ho、166Er、169Tm、172Yb、175Lu作为同位素。

2.3 内标元素的选择

ICP-MS在分析过程中会受到样品基体和仪器信号漂移的影响,使用内标元素可以监测信号漂移,校正样品基体的影响。内标元素选择主要依据:内标元素的物理化学性质接近被测元素;内标元素不应受同质异位素重叠或多原子离子干扰;有较好的灵敏度,且在样品中含量最低。按照内标元素选择的基本原则,本文选择103Rh、115In和209Bi 3种元素作为内标元素,通过在线方式引入内标,仪器自动匹配,校正由于仪器受到基体效应干扰而产生的信号漂移,保证仪器信号的稳定性。

2.4 质谱干扰和消除

在ICP-MS分析中存在的质谱干扰主要是氧化物干扰、多原子离子干扰、双电荷干扰和同质异位素。这些干扰的存在直接影响着测量准确性和精密性。通过调节载气流速、辅助气流速、矩管位置等仪器参数(见表2),可以有效降低氧化物干扰和双电荷干扰;通过选择不同同位素的测定,消除同质异位素的干扰。多原子离子干扰则是质谱干扰的主要来源,表4列出稀土元素多原子离子干扰离子。本文通过采用碰撞/反应池技术(collision and reaction-cell,CRC)可以有效消除多原子离子干扰。CRC技术是带电离子在进入四级杆质量分析器之前,先进入一个内置多极杆的腔体中,腔体内充入碰撞/反应气,与进入腔体的离子进行碰撞/反应,从而消除多原子离子干扰。本研究采用八极杆碰撞反应池,以氦气作为碰撞气,在氦气流量4.5 L/min条件下,消除多原子离子干扰。

表4 多原子离子干扰物Table 4 Polyatomic ion interferents

2.5 分析方法的线性关系和检出限

将浓度均为10 μg/mL的16种稀土元素混合标准溶液逐级稀释,用5%(V/V)硝酸溶液配制成一系列不同浓度的混合标准溶液。按照1.3和1.4实验方法对各组分进行测定,进而确定组分的线性范围、回归方程、相关系数。测定11次空白溶液,求其空白标准偏差,以3倍空白标准偏差计算得到本方法检出限。结果见表5,16种稀土元素在0.2～5 ng/mL范围内线性关系良好,线性相关系数r≥0.9995,检出限在0.03～0.52 μg/kg之间。

表5 线性范围、回归方程、相关系数及检出限Table 5 Linear range,regression equation,correlation coefficient and detection limit

本方法对市售酸奶、牛奶、奶粉三类样品进行加标回收率试验,添加浓度的三个水平分别为10.0、20.0和40.0 μg/kg,平行测定8次,结果见表6。由表6可知,样品加标平均回收率在92.3%～109.0%之间,相对标准偏差(RSD)为2.21%～5.36%,说明该方法具有良好的准确度和精密度。

表6 市售样品分析结果、回收率和精密度(n=8)Table 6 Recovery,precision,analysis results of commercial samples(n=8)

续表

续表

续表

2.7 标准物质验证

本方法对标准物质柑橘叶(GBW10014)进行分析测定,平行测定8次,验证方法的准确性,结果见表7。结果表明,测定柑橘叶中稀土元素8次,测定值均在标准物质认定值范围内,说明本方法准确、可靠。

表7 柑橘叶标准物质(GBW10014)测定结果(n=8)Table 7 Determination results of citrus leafstandard reference material(GBW10014)(n=8)

购买市售鲜奶、酸奶和奶粉样品各五份,采用本试验方法测定稀土元素含量,结果见表8。

从表8可以看出,鲜奶和酸奶中均含有稀土元素La,其他稀土元素未检出;奶粉中除Tb外,其余稀土元素均被检出,其中La和Sc含量较高。数据结果显示,鲜奶中稀土元素La含量为4.18～10.3 μg/kg,酸奶中稀土元素La含量为2.96～4.66 μg/kg,奶粉中稀土元素含量为0.04～19.3 μg/kg。王京仁等的研究结果表明,在饲料中添加的稀土添加剂在一定范围内使用能够提高动物的产奶量和乳脂率,而过量使用有抑制效果,甚至产生中毒[17-18]。饲料中La稀土元素可以促进动物生长,增加体重,样品中检出稀土La,可能是动物食用了含有La饲料。我国稀土钪含量较丰富[19],植物吸收土壤中钪[20],从而对钪进行富集,畜产动物食用植物饲料后,通过吸收,转移,代谢到乳制品中,加之乳粉是由液态奶浓缩制备,其中稀土元素含量也随之增高。

表8 市售样品检测结果(μg/kg)Table 8 Test results of commercial samples(μg/kg)

3 结论

采用硝酸+双氧水消解体系,微波消解前处理技术,电感耦合等离子体质谱法快速、准确测定乳及乳制品中16种稀土元素。6 mL硝酸+2 mL双氧水能够有效消解样品,通过密闭微波加热技术能够大大缩短前处理时间。以铑、铟和铋作为内标元素,有效校正样品基体引起的基线漂移,氦气模式消除多原子离子干扰。该方法在0.2～5 ng/mL范围内线性关系良好,检出限在0.03～0.52 μg/kg之间,平均回收率为92.3%～109.0%。该方法操作简单、快捷,准确度好,灵敏度高,为乳及乳制品中稀土元素快速检测提供了有效的分析方法,也为制定相关标准提供了有力技术支撑。

本实验通过对15批次市售鲜奶、酸奶和奶粉样品中稀土元素含量的测定后发现,鲜奶和酸奶中除稀土元素La被检出外,其余稀土元素均未检出,鲜奶中La含量为4.18～10.3 μg/kg,酸奶中La含量在2.96～4.66 μg/kg。奶粉中除稀土元素Tb未检出外,其余稀土元素均有所检出,稀土元素含量范围为0.04～19.3 μg/kg。稀土饲料添加剂能够促进动物生长,增加产奶量,已经被广泛应用于畜产动物养殖过程中。