ICP-MS法测定食品级壳聚糖中的微量杂质元素

聂西度， 符 靓

1. 湖南工学院材料与化学工程系， 湖南 衡阳 421002

2. 长江师范学院化学化工学院， 重庆 408100

ICP-MS法测定食品级壳聚糖中的微量杂质元素

聂西度1， 符 靓2*

1. 湖南工学院材料与化学工程系， 湖南 衡阳 421002

2. 长江师范学院化学化工学院， 重庆 408100

建立了电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法直接测定食品级壳聚糖中杂质元素的分析方法。 壳聚糖用3%的柠檬酸溶解并加入低浓度盐酸后， 采用ICP-MS法直接测定其中的Be， Na， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb等20种杂质元素。 盐酸的使用有效地改善了元素的稳定性， 尤其是Hg和Sn。 选择动态反应池(DRC)技术消除了氯离子干扰以及其他质谱干扰， 采用基体匹配法并通过加入Sc， Y， In， Bi内标元素混合溶液补偿了样品传输效率的差异以及有机溶剂蒸发速率的影响。 在选定的工作条件下， 20种元素的标准曲线方程具有良好的线性关系， 线性相关系数不小于0.999 7， 各元素的检出限在0.64～19.01 ng·L-1之间， 加标回收率在89.50%～109.00%之间， 相对标准偏差(RSD)在1.17%～4.05%之间， 实际样品分析结果显示， 食品级壳聚糖中杂质元素的含量较低， 其中重金属元素的含量很低， 食用安全。 该方法能简便、 灵敏、 准确地测定食品级壳聚糖中的20种杂质元素。

壳聚糖； 电感耦合等离子体质谱； 柠檬酸； 盐酸； 杂质元素

引 言

壳聚糖是天然线性多糖甲壳素的衍生物， 一般而言， 脱去55%以上的N-乙酰氨基的甲壳素就被称为壳聚糖[1]。 壳聚糖具有多糖分子的长链结构， 形成了与膳食纤维素相似的特性， 作为自然界中唯一的碱性多糖， 在与酸作用时， 其长链上的—NH2可形成阳离子基团， 可改善酸性体质， 有利于维持机体正常的pH值， 而壳聚糖所具有的抗菌性和抗氧化性以及成膜性在食品工业领域显示了极好的应用前景。 与其他高分子聚合物相比较， 壳聚糖安全无毒、 生物兼容性好且具有可降解性， 在医药、 食品、 生物、 农业和环境保护等行业应用十分广泛[2-4]。

壳聚糖分子链中存在的大量—NH2和—OH基等官能团可以借助氢健和离子健形成具有网状结构的笼形分子， 从而对金属离子产生稳定的配位作用， 特别是能与重金属离子形成稳定的五环状螯合物， 因此， 壳聚糖是高性能金属离子吸附剂[5]。 食品级壳聚糖本身不含金属元素， 但受壳聚糖原料来源、 加工工艺和加工运输环境的影响， 以及对金属元素强大的富集作用， 食品级壳聚糖中必将存在金属杂质元素， 其含量的高低关系着食品的食用安全， 有必要对食品级壳聚糖中的金属杂质元素进行分析。

壳聚糖不溶于水， 能与酸作用发生—NH2质子化反应生成盐溶于水， 具有阳离子性和良好的成膜性[6]， 但壳聚糖在无机酸中的溶解速度较慢， 常规方法是加热促进其完全溶解， 而冷却后又会有沉淀析出， 不利于溶液的稳定。 有研究表明低浓度有机酸对无机元素的质谱行为有增敏效应[7]， 且壳聚糖易溶于有机酸。 本实验采用柠檬酸溶解样品， 应用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定了食品级壳聚糖中的Be， Na，， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb等杂质元素， 通过加入少量盐酸改善了许多元素的稳定性， 尤其是元素Hg和Sn， 确保了样品溶液的长期稳定； 利用动态反应池(DRC)技术校正了样品中氯化物基质存在所产生的干扰及其他质谱干扰； 采用内标元素混合溶液补偿了样品传输效率的差异以及有机溶剂蒸发速率的影响。 建立了食品级壳聚糖中多种杂质元素快速准确测定的新方法。

1 实验部分

1.1 材料与试剂

盐酸： MOS级， 北京化学试剂研究所； 柠檬酸： 分析纯， 广州化学试剂厂； 超纯水： Milli-Q超纯水机制备。

Be， Na， Mg， K， Ca， Ti， V， Cr， Mn， Fe， Co， Ni， Cu， Zn， As， Cd， Sn， Sb， Hg， Pb标准溶液： 1 000 mg·L-1， 国家标准物质中心。

Sc， Y， In， Bi内标溶液： 100 μg·L-1， 国家标准物质中心。

Mg， Cu， Rh， Cd， In， Ba， Ce， Pb， U质谱调谐液： 10 μg·L-1， 美国PerkinElmer公司。

1.2 仪器

SCIEX ELAN DRCe电感耦合等离子体质谱仪： 美国PerkinElmer公司， 采用质谱调谐液调谐优化后的质谱工作参数见表1； Milli-Q超纯水机： 美国Millipore公司。

表1 ICP-MS仪器的工作参数

1.3 方法

称取约0.5 g食品级壳聚糖于100 mL容量瓶中， 加入2.0 mL盐酸， 用3%的柠檬酸溶液定容， 摇匀后直接上机测定， 同时做试剂空白。

2 结果与讨论

2.1 有机溶剂对元素分析信号的影响

使用3%柠檬酸溶液溶解壳聚糖样品， 样品溶液中有机溶剂的浓度约为4%， 与水溶液相比较， 有机溶剂的饱和蒸气压较高， 为防止在等离子体燃烧过程中出现不稳定现象， 通常使用小内径窄炬管， 但通道变窄， 样品在等离子体炬管内的运行速度也会变快， 穿过等离子体高温区的时间也会变短， 影响样品的电离效率， 各元素的灵敏度也会相应受损。 壳聚糖样品的粘度较高， 影响会更为明显； 另外， 有机样品的直接进样在质谱锥接口以及透镜系统会产生不同程度的积碳现象， 从而影响信号的稳定， 通常在等离子气中辅助加氧以消除积碳[8]。 本实验为获得最大的灵敏度， 采用常规内径等离子体炬管， 配制由低、 中、 高质量易电离元素和难电离元素组成的Be 1.0， Na 1.5， As 2.0， Sn 2.5， Hg 3.0， Pb 3.5 μg·L-1混合标准溶液， 考察了各元素在样品溶液中120 min内分析信号的稳定情况， 结果见图1。 6个待测元素的分析120 min内均接近真值， 表明本实验中低浓度有机试剂对待测元素的分析信号基本无影响， 无需使用辅助加氧消除积碳便可维持分析信号的稳定。

图1 Be， Na， As， Sn， Hg， Pb在样品消解液中的稳定性

2.2 盐酸的稳定作用

由于许多金属离子能与氯离子形成络合物产生稳定的配位作用， 加速了金属离子的溶解或在化学上更加稳定， 因此可在样品溶液中加入低浓度的盐酸使这些金属离子稳定。 实验通过对比加入2.0 mL盐酸(约1% HCl)和未加盐酸的样品溶液放置24 h后各元素回收率的变化来考察低浓度盐酸的稳定作用， 结果见图2。 未加盐酸时部分元素的回收率偏低， 而盐酸的加入则显著地提高了这些元素的回收率， 尤其是Hg和Sn， 稳定作用明显， 表明低浓度盐酸的加入能使样品中的金属元素的长期稳定。

图2 低浓度盐酸对样品溶液的稳定作用

2.3 干扰及消除

本实验过程中由于盐酸的使用存在氯离子干扰和其他元素质谱干扰， 通过质谱调谐优化仪器工作参数以及同位素的选择消除了部分干扰， 而对于仍然存在质谱干扰的Mg， K， Ca， Cr， Fe， As等6个元素采用DRC技术来校正。 通过向池内引入CH4， 调整DRC工作参数(见表2)， 较好地校正了其他元素质谱干扰。

表2 动态反应池的工作参数

非质谱干扰主要来源于基体效应， 为了补偿样品传输影响以及溶剂蒸发速率， 实验在标准溶液中加入3%的柠檬酸以使标准溶液中柠檬酸的含量和样品匹配， 并通过加入100 μg·L-1的Sc， Y， In， Bi内标溶液较好地消除了仪器分析信号的漂移。

2.4 标准曲线及方法的检出限

分别配制不同浓度的各待测元素系列标准溶液， 采用本法测定， 并以各待测元素信号强度及标准溶液浓度的关系做标准工作曲线并进行线性回归分析。 表3结果表明， 所得各标准曲线方程的线性相关系数不小于0.999 7， 线性关系良好； 各元素的检出限在0.64～19.01 ng·L-1之间， 检出限低。

表3 待测元素的标准工作曲线的线性相关系数和检出限

Table 3 Linear correlation coefficient of standard working curve and detection limits of analytes

元素R2检出限/(ng·L-1)Be0 99990 81Na0 999810 62Mg1 000012 73K0 99996 32Ca1 00008 05Ti1 00005 71V0 999911 50Cr0 999716 17Mn0 99983 49Fe1 000013 62Co0 99990 64Ni1 00009 13Cu1 000015 56Zn0 999819 01As0 99993 92Cd1 00006 71Sn0 99999 25Sb1 00006 32Hg0 99972 87Pb0 99992 12

2.5 分析结果、 准确度与精密度

为验证方法的准确度与精密度， 选取两个食品级壳聚糖样品重复测定6次， 通过加标计算各元素的回收率和相对标准偏差(RSD)来验证方法的准确度和精密度， 结果见表4。

表4 分析结果、 准确度与精密度

“ND”： 未检出

从表4可以看出， 两个食品级壳聚糖中无机杂质元素的含量较低， 所有检出来的元素均处于ng级， 其重金属含量远低于GB 29941-2013所规定的限量标准。 样品的加标回收结果显示， 方法的回收率在89.50%～109.00%之间， RSD为1.17%～4.05%， 准确度好， 精密度高。

3 结 论

采用ICP-MS法测定了食品级壳聚糖中的20个无机杂质元素， 样品用柠檬酸溶解后即可直接分析， 通过在样品溶液中加入低浓度盐酸维持了样品溶液长时间稳定性， 应用DRC技术消除了由于盐酸的使用所产生的氯离子干扰和其他元素质谱干扰， 采用基体匹配并结合内标法消除了基体效应。 方法简便灵敏， 快速准确， 可用于食品级壳聚糖中多个无机杂质元素的日常检测。

[1] Rinaudo M. Progress in Polymer Science, 2006, 31(7): 603.

[2] Malatesta M, Galimberti V, Cisterna B, et al. Histochemistry and Cell Biology, 2014, 14(1): 551.

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[6] WANG Dong-feng, ZHANG Yi-mei, XU Ying, et al(汪东风, 张一妹, 徐 莹, 等). Modern Food Science and Technology(现代食品科技), 2014, 30(2): 62.

[7] Xie H L, Li Y J, Nie X D, et al. Chinese Chemistry Letter, 2006, 17(7): 945.

[8] LIU Hong-wei, ZHANG Ping, HU Han-xiang(刘宏伟, 张 萍, 胡汉祥). Chinese Journal of Analytical Chemistry(分析化学), 2014, 42(6): 913.

Determination of Trace Impurity Elements in Food Grade Chitosan with Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry

NIE Xi-du1， FU Liang2*

1. Department of Material and Chemical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China

2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Yangtze Normal University, Chongqing 408100, China

A method of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was established to determinate trace impurity elements in chitosan. After dissolving in 3% citric acid and low concentration of HCl, the elements including Be, B, Na, Mg, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Cd, Sn, Sb, Hg and Pb in chitosan were measured with ICP-MS directly. The addition of low concentration of HCl could effectively improve the stability of all elements, especially Hg and Sn. Dynamic reaction cell (DRC) was used to correct the interference of chlorine ion and other mass spectral interference. The matrix matching and the internal standard elements mixed solution (Sc, Y, In and Bi) had compensated the difference of sample transfer efficiency and evaporation rate of organic solvent. Under the optimum condition, the standard curve of each element exhibits linear correlation coefficient was not less than 0.999 7. The detection limit of the 20 elements was in the range of 0.6～19.0 ng·L-1while the recovery of standard addition was 89.50%～109.00% with RSD 1.17%～4.05%. The practical sample analysis results showed that the content of impurities in food grade chitosan is very low. And the heavy metal content is extremely low and safe to eat. This method is very simple, sensitive and accurate for the determination of 20 impurity elements in the food grade chitosan.

Chitosan; Inductively coupled plasma mass spectrometry; Citric acid; Hydrochloric acid; Impurity elements

Jan. 10, 2015; accepted Apr. 21, 2015)

2015-01-10，

2015-04-21

国家自然科学基金项目(21271187), 重庆市科委前沿与应用基础研究项目(cstc2015jcyjA10053, cstc2015jcyjA10038)， 湖南省教育厅重点科研项目(14A035)和湖南省重点学科建设项目(湘教发[2011]76号)资助

聂西度， 1964年生， 湖南工学院材料与化学工程系教授 e-mail: nxd1922@vip.sina.com *通讯联系人 e-mail: fuliang@vip.163.com

O657.6

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2621-04

*Corresponding author