响应面法优化电感耦合等离子体质谱法测定大米中的总硒

赖政炀 陆冬萍 符靖雯 翁健 方禧 朱凯业

基金项目：惠州市科技计划项目（2022CQ010019）。

作者简介：赖政炀（1994—），男，廣东深圳人，本科，工程师。研究方向：食品安全分析检测。

通信作者：符靖雯（1985—），女，广东惠州人，本科，高级工程师。研究方向：食品检测，重金属污染治理。E-mail：149002195@qq.com。

摘 要：通过单因素和响应面试验对硒的提取条件进行优化，建立了电感耦合等离子体质谱法测定大米中的总硒的方法。结果表明，在提取硝酸体积5 mL、微波消解最高温度为160 ℃、微波消解功率为1 000 W、赶酸温度为135 ℃条件下，硒的提取效率最高。经准确度与精密度验证，该方法测定结果可靠。

关键词：响应面法；电感耦合等离子体质谱法；微波消解；硒

Response Surface Methodology Optimization for Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry Determination of Total Selenium in Rice

LAI Zhengyang， LU Dongping， FU Jingwen*， WENG Jian， FANG Xi， ZHU Kaiye

（Huizhou Agricultural Product Quality and Safety Supervision and Testing Center， Huizhou 516000， China）

Abstract： The selenium extraction conditions were optimized through single factor and response surface experiments， and a method for the determination of total selenium in rice by inductively coupled plasma mass spectrometry was established. The results showed that under the conditions of extracting 5 mL nitric acid volume， microwave digestion at a maximum temperature of 160 ℃， microwave digestion power of 1 000 W， and acid driving temperature of 135 ℃， the extraction efficiency of selenium was the highest. After verification of accuracy and precision， the measurement results of this method are reliable.

Keywords： response surface methodology; inductively coupled plasma mass spectrometry; microwave digestion; selenium

硒（Se）是人类生长发育必不可少的一种微量元素，具有多种生物学功能，如清除体内自由基、提高机体免疫力、提高抗氧化水平等，可有效预防癌症[1-2]。人体内无法自行合成硒，必须通过食物摄入。虽然谷物中的平均硒含量与动物源性食物相比较低，考虑到谷物作为主食在亚洲地区具有主导地位，因此富硒大米是亚洲人补硒的良好载体。常用的硒含量检测方法有原子吸收光谱法[3]、原子荧光光谱法[4]、电感耦合等离子体原子发射光谱法[5]、电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）法[6]等。目前农作物中硒含量的测定主要依据《食品安全国家标准 食品中硒的测定》（GB 5009.93—2017）。

本研究在国家标准GB 5009.93—2017的基础上，利用微波消解具有污染小、时间短、准确度高等优点，对大米中硒提取进行条件优化。以硝酸用量、微波消解最高温度、微波消解功率、赶酸温度为研究因素，通过单因素试验设计，测定加标回收率，确定各个因素的影响水平，进一步通过Box-Behnken设计结合响应面分析法[7]，优化出最佳提取条件。用数据模型为农产品痕量硒的测定提供有力支撑，进一步做好农产品质量安全保障工作。

1 材料与方法

1.1 仪器

350X电感耦合等离子体质谱仪，铂金埃尔默股份有限公司；MASTER 40微波消解仪，上海新仪微波化学科技有限公司；DS-360石墨消解仪，广州格丹纳仪器有限公司；纯Mili-Q A10水仪，美国Millipore公司；BSA224S分析天平，北京赛多利斯科学仪器有限；碾谷机，佛山市顺德区欧雅西电器有限公司；DFY-800摇摆式高速中药粉碎机，温岭市林大机械有限公司。

1.2 试剂

浓硝酸（分析纯），默克化工技术（上海）有限公司；硒元素标准溶液物质，国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

参照《食品安全国家标准 食品中硒测定的方法》（GB 5009.93—2017）中总硒的测定方法，准确称取0.2 g的样品于消解内罐中，加入一定体积的硝酸，静置1 h，旋紧罐盖，依照微波消解仪标准操作步骤（表1），设计消解程序进行消解。冷却后取出，于电热板上100 ℃赶酸30 min，定容至刻度线，待测上机。试验样品为空白普通大米粉，加入适量浓度的硒标准溶液，使加标浓度为0.4 mg·kg-1。

1.3.2 仪器条件

射频功率：1 350 W；等离子体气：氩气，流量为16.0 L·min-1；载气：氩气，流量为0.92 L·min-1；辅助气：氩气，流量为1.2 L·min-1；定量离子：Se m/z为78；检测模式：He碰撞模式；Ni采样锥、Ni截取锥、Ni超级截取锥。

1.3.3 硒标准曲线配制

取100 mg·L-1的硒标准储备液0.1 mL于100 mL容量瓶中，用超纯水稀释定容，制成浓度为100 μg·L-1的硒标准中间液。准确量取0 mL、0.5 mL、1.0 mL、

2.5 mL、5.0 mL和10.0 mL硒标准中间液于50 mL容量瓶中，用硝酸（2%）溶液定容至刻度，混合均匀，配制成含硒浓度分别为0 μg·L-1、1.0 μg·L-1、2.0 μg·L-1、5.0 μg·L-1、10.0 μg·L-1和20.0 μg·L-1的系列标准溶液。

1.3.4 单因素试验

（1）硝酸体积。准确称取空白大米0.2 g，加入硒标准中间液80 μL，涡旋混匀，放置一夜。在微波消解最高温度为115 ℃，微波消解功率为1 200 W，赶酸温度100 ℃的条件下，考察硝酸体积（1 mL、

2 mL、3 mL、4 mL、5 mL和7 mL）对硒提取效率的影响。

（2）微波消解最高温度。准确称取空白大米

0.2 g，加入硒标准中间液80 μL，涡旋混匀，放置一夜。在硝酸体积为5 mL，微波消解功率为1 200 W，赶酸温度100 ℃的条件下，考察微波消解最高温度

（100 ℃、120 ℃、140 ℃、160 ℃和180 ℃）对硒提取效率的影响。

（3）微波功率。准确称取空白大米0.2 g，加入硒标准中间液80 μL，涡旋混匀，放置一夜。在硝酸体积为5 mL，微波消解最高温度为115 ℃，赶酸温度100 ℃的条件下，考察微波功率（600 W、

800 W、1 000 W、1 200 W和1 500 W）对硒提取效率的影响。

（4）赶酸温度。准确称取空白大米0.2 g，加入硒标准中间液80 μL，涡旋混匀，放置一夜。在硝酸体积为5 mL，微波消解最高温度为115 ℃，微波消解功率为1 200 W的条件下，考察赶酸温度（115 ℃、125 ℃、135 ℃、145 ℃和155 ℃）对硒提取效率的影响。

1.3.5 响应面试验

为获得最佳的参数指标，在单因素试验的基础上，以回收率为指标，利用3因素3水平响应面分析法对微波消解最高温度（A）、微波消解功率（B）、赶酸温度（C）进行优化（表2）。

1.4 数据分析

运用Design-Expert 13.0软件设计本次试验方案，通过对其数学模型的回归方差分析和显著性检验进行数据分析并得出结论。

1.5 测定3种质控样的总硒含量

运用响应面试验得出的最优前处理条件，对

3种不同基质的农产品质控样进行总硒含量分析。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 硝酸体积对加标回收率的影响

硝酸体积加标回收率的影响如图1所示。由图1可知，随着提取体系内硝酸浓度的增大，提取效率不断提高，硝酸体积为5 mL时提取效率达到峰值，随后趋向平缓。提取体系内硝酸浓度过低会导致消解不完全，使测定结果偏低。提取体系内硝酸浓度过高时，酸的强挥发性不仅损害仪器，还会给人体和环境带来一定的危害。综合考虑提取效率和成本，选取硝酸体积5 mL搭建本次试验的微波消解体系。

2.1.2 微波消解最高温度对加标回收率的影响

微波消解最高温度对加标回收率的影响如图2所示。由图2可知，微波消解最高温度越高，加标回收率越高。这是因为在微波消解过程中，微波加热试剂的同时，增压迫使酸试剂和样品充分接触并最终迅速溶解样品，所以温度越高，消解越完全。然而，温度过高会对消解罐造成较大的压力，压力主要来源于以下几个方面。①大米本身是碳水化合物，含有碳、氢、氧3种元素，在消解过程中会产生大量的CO2气体。②消解使用的硝酸会被还原产生NO2气体。③试剂及水在加热升温过程中也会产生一定的水蒸气。3种气体产生的临界温度不同，因此在消解反应中，当温度升高到特定值时，密闭反应体系内压力会迅速增加，轻则会影响元素的稳定性，重则会造成消解罐爆罐，造成安全问题。因此，基于消解效果和实验室安全，微波消解的最高温度为160 ℃，此时达到消解效率与安全双平衡。

2.1.3 微波功率对加标回收率的影响

微波功率对加标回收率的影响如图3所示。由图3可知，当消解功率为600～1 000 W时，对消解效果的影响较大，随后趋于平缓。这是因为微波功率直接影响消解温度，进而影响消解效果。微波功率高会加快升温速率，保证微波消解仪能快速达到设定的温度并保持稳定，从而使样品消解完全。微波消解功率在600～800 W时，低功率使得在设定的时间内无法升至设定的温度，且保温时间较短，导致样品消解不完全。当微波功率升至1 000 W以上时，可在设定的时间内升至设定的温度并保持稳定，样品能够完全消解。但过高的功率不仅会对微波消解仪和消解罐造成损坏，还可能造成样品消解速率过快，使消解罐内压力迅速增高，有爆炸的风险，触发安全装置自动放气泄压，导致微量元素损失。因此，综合考虑消解效果和实验室安全，选取微波功率1 000 W搭建本次试验的微波消解体系。

2.1.4 赶酸温度对加标回收率的影响

赶酸温度对加标回收率的影响如图4所示。由图4可知，当赶酸温度为115～145 ℃时，硒元素的加标回收率先增大后趋于稳定，在145 ℃时达到最大值。这是因为ICP-MS要求酸的浓度低于2%，酸浓度过高，黏度过大，影响雾化效果，從而影响信号强度。赶酸一般控制在1 mL左右，太干会导致待测元素损失严重，导致酸浓度过高从而抑制目标元素，腐蚀仪器部件，背景噪声大，导致检测结果不准确。赶酸温度低于135 ℃时，3 h内不能将试液中的硝酸赶至1 mL。在温度为145 ℃时，赶酸时间控制在3 h内，回收率最高。因此，基于消解效果和时间效率，应将赶酸温度控制在145 ℃以下。

2.2 响应面试验

2.2.1 试验结果

响应面试验结果见表3。

2.2.2 模型建立及显著性检验

利用软件Design Expert 13.0对表3试验数据进行多元回归拟合数据分析，得到硒提取回收率（R）对微波消解最高温度（A）、微波消解功率（B）、赶酸温度（C）的二次多项回归模型为R=94.6-1.35A-1.2B-0.65C-0.275AB+0.975AC-0.625BC-15.26A2-6.11B2-7.91C2。

对回归方程进行方差分析（表4），模型P＜0.000 1，

说明该模型具有统计学意义。不同条件对回收率影响大小顺序为A＞B＞C，即微波消解最高温度＞微波功率＞赶酸温度。模型的决定系数R2为0.994 4，

说明该方程拟合情况好，模型具有高显著性；R2Adj=

0.987 2代表试验有98.72%响应值变异，与预测相关系数R2Pred相对接近，说明该数据模型较为符合真实数据情况，试验误差小，具备实际指导意义，可用该模型对最优提取条件进行分析和预测。

2.2.3 响应面及最优条件确定

根据Design Expert 13.0软件运行结果，最优提取条件为微波消解最高温度160.88 ℃、微波功率981 W、赶酸温度134.6 ℃，在此条件下模型预测的最大加标回收率是94.7%。结合实际参数设置，将提取条件优化为微波消解最高温度160 ℃、微波功率

1 000 W、赶酸温度135 ℃，在此条件下，经过5次加标验证试验，得到的实测值平均为0.383 6 mg·kg-1，与实际添加相对误差小于5.0%，回收率为95.9%，比预测稍高，说明通过该数据统计模型优化得到的提取条件具有提取效率高、真实可靠等特点，且具有实际应用价值。

2.3 硒标准曲线绘制

根据优化的提取条件，将硒标准溶液配制成不同浓度梯度进行上机检测，得出标准曲线方程y=80.163x，相关系数R2=0.999 8。

2.4 方法的准确度

2.4.1 回收率及精密度

在富硒大米和普通大米中分别加入一定量硒标准溶液，使样品的硒含量分别为0.05 mg·kg-1、

0.1 mg·kg-1、0.5 mg·kg-1，每个样品平行测定6次，考察其回收率及精密度，见表5。

由表5可知，普通大米的加标回收率为92.0%～

97.4%，相对标准偏差在2.9%～4.9%。富硒大米的加标回收率为88.0%～97.0%，相对标准偏差在2.5%～4.2%。说明本方法准确度较好，重复性较好，准确度满足要求。

2.4.2 标准物质验证

应用本方法分别检测质控样芹菜（标准证书编号：GSB-26）、蒜粉（标准证书编号：GSB-13）、湖南大米粉（证书标号：GSB-23a），结果见表6。实验结果表明各元素的测定结果均在标准值置信区间内，说明该方法的准确度高。

3 结论

采用Design Expert 13.0软件，通过单因素和Box-Behnken试验设计试验方案，确定了电感耦合等离子体质谱法测定大米中总硒含量的最优提取条件：硝酸用量5 mL、微波消解最高温度160 ℃、微波功率1 000 W、赶酸温度135 ℃，此时大米中的总硒加标回收率可达到95.9%。该方法方便快捷，准确有效。

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