超级微波消解—电感耦合等离子体质谱法测定豆奶粉中镍的含量

薛敏敏 刘芳芳 张 帆 唐吉旺 袁列江 吴海智 朱 礼 郭星辛

(1. 湖南省产商品质量检验研究院，湖南 长沙 410007；2. 长沙环境保护职业技术学院，湖南 长沙 410004；3. 湖南省检验检疫科学技术研究院，湖南 长沙 410004)

豆奶粉是由大豆和乳品等主要原料生产加工而成的粉状食品，含有丰富的维生素、矿物质以及膳食纤维、大豆低聚糖等营养成分[1-3]。但是豆奶粉中可能会存在镍污染现象，一方面，大豆作为豆奶粉的主要原料，对镍等重金属元素具有显著的富集作用，镍元素容易通过大豆进入到豆奶粉中；另一方面，豆奶粉的添加物以及磨浆、加热灭酶、浓缩、喷雾干燥等生产加工过程中也可能引入镍元素。过多镍元素会导致心血管和肾脏疾病[4-7]，影响人体健康。

镍元素常用的检测方法有原子荧光光谱法[8-9]、原子吸收光谱法[10-11]、电感耦合等离子体发射光谱法[12]和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[13-14]等。GB 5009.138—2017《食品安全国家标准 食品中镍的测定》中规定，食品中镍元素的检测使用石墨炉原子吸收光谱法，该方法受载气、样品酸度影响较大，且空心阴极灯使用寿命有限，稳定性较差。原子荧光光谱法与原子吸收光谱法类似，且对于复杂基体的样品测定较为困难。电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法均采用ICP为离子源，在灵敏度、检出限、线性范围等方面具有显著优势，且样品制备简单，检测结果稳定，适合批量样品检测，而电感耦合等离子体质谱法较电感耦合等离子体发射光谱法具有更高的灵敏度和更低的检出限[15-16]。尽管ICP-MS已被广泛应用于环境检测和食品分析等领域，但利用ICP-MS测定豆奶粉中镍的研究报道较少，需要针对质谱干扰、基质干扰的消除方法以及仪器条件的优化进行分析与验证。同时，超级微波消解是近几年出现的采用反应釜一体承压消解新技术[17-18]，在耐高温、耐高压等方面优势显著，样品消解更加彻底，同时具有酸加入量少、空白低、污染少等特点，因此重点研究利用超级微波消解优化前处理技术，进一步提升豆奶粉中镍检测的准确性与精密性。

试验拟采用超级微波消解—电感耦合等离子体质谱法测定豆奶粉中的镍元素含量，通过优化前处理技术，以及分析ICP-MS的干扰消除方法与最佳仪器条件，提升方法的准确度与精密度。同时采用此法测定多个市售豆奶粉样品中的镍，掌握市售豆奶粉中镍的污染情况，为相关产品中镍污染的风险防控提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试剂与标准物质

浓硝酸：痕量金属级，美国Fisher Chemical公司；

镍标准储备溶液：GSBG62022-90，1 000 μg/mL，国家钢铁材料测试中心；

多元素内标储备溶液：钪、锗、铟、铋、钇、铽、铑质量浓度均为100 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心；

质谱调谐液：钴、锂、钛、钇、铈质量浓度均为10 μg/mL，美国安捷伦公司；

豆奶粉中镍质控样(ZKQC5210)：批号P25295，河南标准物质研发中心；

试验用水均为超纯水。

1.1.2 主要仪器与设备

电感耦合等离子体质谱仪：7700 X型，美国安捷伦公司；

超级微波消解仪：Ultrawave型，莱伯泰科公司；

超纯水处理系统：Milli-Q型，美国密理博公司；

电子天平：1601MP8型，德国赛多利斯公司。

1.2 试验方法

1.2.1 样品前处理 准确称取0.5 g样品(精确至0.001 g)于15 mL消解管中，加入3 mL浓硝酸，加盖放置1 h后放入超级微波消解仪中，按照如表1所示的升温程序进行超级微波消解。待消解完毕冷却后取出，同时用少量超纯水多次洗涤消解管；继而转移至50 mL容量瓶中，并用超纯水稀释至刻度，混匀备用，同时制备试剂空白溶液。

表1 超级微波消解的升温程序Table 1 Heating program of ultra-wave digestion

1.2.2 前处理优化

(1)消解方法选择：分析比较干法消解、湿法消解、微波消解、超级微波消解等方法的优劣确定最优样品前处理方法。

(2)超级微波消解条件优化：影响超级微波消解的主要因素有酸用量、消解温度与消解时间，因此参考1.2.1样品前处理分别对酸用量、消解温度与消解时间进行单因素试验，通过单因素试验确定对消解效果影响较大因素及其水平取值，再以豆奶粉中镍质控样的镍回收率(测定值与标准物定值的比值)为评价指标，通过三因素四水平的正交试验优化超级微波消解条件。

1.2.3 标准溶液的配制

(1)镍标准使用液：准确吸取1 mL镍标准储备溶液，用5%硝酸稀释定容至100 mL，再吸取上述溶液1 mL，用5%硝酸稀释定容至100 mL，得到质量浓度为100 μg/L的镍标准使用液。

(2)镍标准工作液：分别移取镍标准使用溶液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，得到质量浓度为0.0，2.0，4.0，6.0，8.0，10.0 μg/L的标准工作液。

(3)混合内标使用液：准确吸取1 mL多元素内标储备溶液，用5%硝酸稀释定容至100 mL，得到质量浓度为1 μg/mL的混合内标使用液。

1.2.4 ICP-MS工作条件 用质谱调谐液调试仪器，以灵敏度和分辨率达到最佳状态为优化目标，优化矩管位置、电感耦合等离子体参数、质谱仪参数和测量参数等工作条件，结果如表2所示。

表2 ICP-MS优化后的工作条件Table 2 Optimized working conditions of ICP-MS

2 结果与分析

2.1 前处理优化

2.1.1 消解方法选择 干法消解与湿法消解处理样品量大，但两者均为敞口消解，对易氧化的元素以及易挥发的元素会造成损失，导致回收率偏低，且消耗酸量较多，赶酸时间长，空白偏高。微波消解能够加快消解的速度，最大限度地限制酸的挥发，干扰较小，但需要加入较多的消解溶剂，消解完成后同样需要赶酸，效率较低。超级微波消解是近几年出现的新技术，具有酸加入量少，空白低，污染少，消解完全后直接用超纯水定容，无需赶酸，消解能力更强，因此在样品前处理中首选超级微波消解。

2.1.2 消解条件优化 浓硝酸是重金属检测中常用的消解酸，具有不易爆、不易燃的优点，且大部分食品能够在密闭条件下被浓硝酸安全、温和地分解，因此在超级微波消解中选择浓硝酸作为消解用酸。依据正交试验原理，选取L16(43)正交表，按三因素四水平安排试验(见表3)。同一消解条件下均做3次重复试验，取其平均值作为最后结果，正交试验结果如表4所示。

表3 超级微波消解的正交试验因素与水平Table 3 Factors and levels of orthogonal design for ultra-wave digestion

由表4可知，消解时间与消解温度对试验结果的影响显著大于酸用量，且前两者对试验结果的影响差异不大；超级微波消解的最佳条件为A4B2C3。由于酸用量为3 mL与4 mL的k值相差非常小，因此重点考察消解条件A3B2C3，按此工艺组合进行验证实验，测得3次验证实验平均回收率为98.5%，该结果尽管略低于条件A4B2C3下的回收率98.6%，但酸用量更少，经济性、安全性与试验效率更高，因此选择A3B2C3为最佳消解条件，即浓硝酸用量3 mL，消解温度210 ℃，消解时间30 min。

表4 超级微波消解正交试验方案与结果Table 4 Scheme and results of orthogonal design for ultra-wave digestion

2.2 ICP-MS干扰与消除

2.2.1 质谱干扰 由于豆奶粉基质较为复杂，因此检测过程中质谱干扰会比较严重，例如同质异位素重叠干扰、双电荷离子干扰、氧化物离子干扰、基质干扰等。镍的相对原子质量为58.69，具有5个稳定的同位素，即58Ni、60Ni、61Ni、62Ni与64Ni，其丰度分别为68.1%，26.2%，1.1%，3.6%，0.9%，可以发现58Ni具有显著的丰度优势，但考虑到镍是典型亲铁元素，且极易受到58Fe、40Ca、18O等干扰，而61Ni、62Ni与64Ni丰度太小，因此选择质量数60，使用八级杆氦模式及四级杆质量过滤器消除相应的质谱型干扰。同时在ICP-MS的KED模式下利用碰撞/反应池技术除去多原子离子的干扰，其基本原理是在碰撞/反应池中氦气与截面积较大的多原子离子发生多次碰撞，大大降低多原子离子动能，进而用适当的截止电压使其留在碰撞池内，从而实现干扰消除。

2.2.2 非质谱干扰 在电感耦合等离子体质谱法检测过程中，非质谱干扰主要表现为由试验环境的变化和仪器锥口盐的沉积等引起的待测元素信号漂移，以及样品基质中某些成分对被测元素产生的信号增强或者信号抑制等偏移。试验采用内标校正法进行非质谱干扰的消除，依据内标元素的选择原则，即性质稳定、与待测元素电离能相近、与待测元素质量数相近、丰度大、灵敏度高且干扰小，选择锗、铑、铟3种元素为备选内标元素。考察该3种元素的回收率，结果见图1，表明铑元素回收率最高，因此采用铑作为内标元素测定镍元素。

图1 备选内标元素回收率比较Figure 1 Recovery percent comparison of optional internal standard elements

2.3 方法学验证

2.3.1 标准曲线与检出限 在ICP-MS最佳工作条件下，镍标准工作溶液经ICP-MS测定后，所得的线性方程见图2，其中相关系数为0.999 9，且在0～10 μg/L的质量浓度范围内线性关系良好。此外，依次测定试剂空白溶液11次并计算标准偏差，3倍标准偏差所对应的质量浓度值为0.02 μg/L，结合称样量与定容体积，计算该方法的检出限为0.002 mg/kg，远优于GB 5009.138—2017中石墨炉原子吸收光谱法测定食品中镍的检出限0.02 mg/kg，因此该方法灵敏度更高。

图2 镍元素的线性方程与相关系数Figure 2 Linear equation and correlation coefficient of Nickel

2.3.2 加标回收试验与精密度 测定随机选取的1份豆奶粉样品的镍元素本底值(3.17 mg/kg)，然后分别加入低、中、高3个浓度水平的镍元素标准溶液，且每个水平做6个平行。采用ICP-MS进行镍的测定，并计算加标回收率和精密度，结果如表5所示。ICP-MS方法的加标回收率为94.5%～100.6%，相对标准偏差(RSD)为1.8%～2.3%，因此方法的回收率与精密度均符合GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范食品理化检测》要求。

表5 加标回收率与精密度Table 5 Recovery percent of standard addition and precision (n=6)

2.3.3 准确度 为进一步验证方法的准确性，采用豆奶粉中镍质控样(ZKQC5210)，按照与豆奶粉样品相同方法进行消解和测定，试验结果表明，质控样品的测定值(2.23 mg/kg)在标定范围[(2.24±0.40)mg/kg]之内，表明其准确度较高。

2.4 市售豆奶粉中镍含量检测结果

采用建立的超级微波消解—电感耦合等离子体质谱法对8份市售豆奶粉样品进行镍含量测定，结果见表6。数据显示，8份市售豆奶粉中镍均有检出，测定镍的范围在2.72～5.23 mg/kg，均值为3.79 mg/kg，高于目前大部分食品中镍含量的检出值[9]，如奶粉中检出镍含量在0.1 mg/kg 左右[19]，菠菜在各类蔬菜中检出的镍含量最高，为0.14 mg/kg[20]，各类酱油醋中检出的镍含量最高为2.24 mg/L[21]。这源于其原料大豆等具有较强的镍富集性[22]，以及生产加工中的镍污染。尽管GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中仅对油脂及其制品规定了镍的限量指标(1.0 mg/kg)，然而数据表明市售豆奶粉中镍的测定值远超该指标，应当引起重视。

表6 市售豆奶粉中镍含量检测结果Table 6 Measured results of Nickel in market soy milk powder mg/kg

3 结论

试验建立了超级微波消解—电感耦合等离子体质谱法测定豆奶粉中镍含量的方法，该方法的标准曲线在0～10 μg/L的质量浓度范围内线性关系良好，相关系数为0.999 9，检出限为0.002 mg/kg，加标回收率为94.5%～100.6%，相对标准偏差为1.8%～2.3%；用该方法对豆奶粉中镍质控样(ZKQC5210)进行准确性验证，结果在证书标定范围内。该方法准确可靠，适用于豆奶粉中镍含量的测定。