微波消解-ICP-MS法同时测定营养素补充剂中20种元素

曹 璨 吴志刚

(辽宁省分析科学研究院，沈阳 110015)



微波消解-ICP-MS法同时测定营养素补充剂中20种元素

曹 璨 吴志刚

(辽宁省分析科学研究院，沈阳 110015)

建立了微波消解-电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法测定营养素补充剂中铜、铁、锌、锰、钙、镁、钾、磷、锶、钼、镍、钒、硒、锡、铬、铅、镉、砷、汞和锑共20种营养及有害元素的分析方法。通过对微波消解条件、质谱条件的优化、内标物的选择，克服高盐复杂基体对痕量元素测定的干扰，选择高浓度元素的低丰度质量数扩大线性范围。结果表明，铜、锌、铁、锰、钙、镁、钾、磷在0～50mg/L、汞在0～10μg/L、其他元素在0～50μg/L线性良好，相关系数在0.9992～1.0000之间，方法检出限为0.021μg/kg～21μg/kg，方法精密度为0.8%～5.7%。用该方法测定国家标准物质奶粉GBW(E)10017和芹菜GBW10048，测定结果与标准值无显著差异。方法简便、快速，可实现多种样品中含量在1%以下的主、微量元素同时测定。

微波消解 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS) 营养素补充剂 元素

营养素补充剂是单纯以一种或数种经化学合成或天然动植物中提取的营养素为原料加工制成的食品，由一种或多种维生素或矿物质组成，脂溶性维生素、微量元素等营养素，过量摄入具有明显的毒性作用，所以营养素补充剂中营养素的含量如钙、铁、锌、硒、锰、铜、钾、磷、钼、镍、镁、钒等，都有严格要求，通常作为保健食品管理。在提取和生产过程中也可能会引入一些有害元素，如铅、镉、砷、汞、铬、锑、锡等，国家对保健食品中有害元素的指标有明确规定[1]。

营养素补充剂种类繁多，常含有硬脂酸盐、碳酸盐或油脂等为辅料，前处理困难且基体成分复杂，多元素相互干扰，段建坤等[2]和陈彬等[3]各自对强化剂和保健食品中5种有害元素进行了分析，而营养补充元素与痕量有害元素浓度差高达7个数量级，同时检测难度较大，相关报道较少。目前常用的检测手段为国家食品检测标准GB 5009系列标准，采用原子吸收光谱法和原子荧光法，但多元素测定时要使用不同的抑制剂或是络合剂，前处理差异较大，效率低；而电感耦合等离子体发射光谱法测定痕量元素的检出限难以达到要求。电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)以其灵敏度高、快速简便、线性范围广的优势，广泛应用于各领域痕量元素检测。由于各元素沸点差异较大，干灰化法和普通湿消解法易造成部分元素特别是汞元素的损失，微波消解特别适合于易挥发元素的前处理。张江义等[4]通过调节DRC电压值达到在线稀释作用，同时测定了食品中浓度相差约5个数量级的10种元素，王雪婷等[5]经部分稀释测定了泥鳅中18种微量元素。

本研究采用微波消解进行前处理，ICP-MS法同时测定营养素补充剂中20种常见矿物质补充元素及有害元素，即铜、铁、锌、锰、钙、镁、钾、磷、锶、钼、镍、钒、硒、锡、铬、铅、镉、砷、汞和锑，旨在为食品、保健食品检测提供快速、简便、准确的分析方法。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

Agilent7700x电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent公司)；Mars6微波消解仪(美国CEM公司)；Milli-Q纯水仪(美国Millipore公司)。

各元素标准溶液浓度均为1000mg/L(国家标准物质研究中心)；内标混合溶液100mg/L(含Bi、Ge、In、Li6、Lu、Rh、Sc、Tb，美国Agilent公司)和调谐液10μg/L(含Li、Y、Ce、Tl、Co，美国Agilent公司)；硝酸、30%过氧化氢、乙二胺四乙酸(EDTA)均为优级纯(国药集团)。所有标准溶液和样品的制备用水为Milli-Q超纯水(电阻率>18MΩ·cm)。

1.2 标准溶液配制

混合标准溶液用2%硝酸稀释成钾、钙、镁、磷、铜、铁、锌和锰浓度为0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0mg/L，铅、镉、砷、铬、锑、锡、锶、硒、钼、镍和钒浓度为0、1.0、5.0、10.0、20.0、50.0μg/L的混合标准溶液系列。汞标准溶液用2%硝酸和10mg/L的EDTA混合溶液稀释成汞浓度为0、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0μg/L的标准溶液系列。测定时在线加入内标，分别测定混合标准溶液系列和汞标准溶液系列后，测定样品溶液。

1.3 仪器条件的优化选择

用调谐液调试仪器，得到仪器最佳工作条件，即载气流量1.05 L/min；RF功率1550W；补偿气流量0 L/min；采样深度8mm；等离子气流量15 L/min；雾化室温度2℃；辅助气流量0.9 L/min；蠕动泵0.1 r/s；氦气流量3.5mL/min；铯元素氧化物比率1.10%，双电荷比率1.21%；四级杆真空度1.1×10-4Pa ；QP偏转电压-2.8V。

1.4 样品前处理

样品用高速粉碎机粉成粉末，称取0.2g(精确到0.0001g)于微波消解罐内杯中，加入5mL硝酸，有大量气泡冒出的样品要适当补加1～2mL硝酸，静置过夜。加入2mL30%过氧化氢，盖上内塞，拧紧外盖后按微波消解程序(见表1)进行消解。消解完成待冷却至室温，通风橱内散尽剩余挥发性酸后，转移至50mL容量瓶中，用水定容后摇匀，同时进行试剂空白试验。

表1 微波消解程序

2 结果与讨论

2.1 微波消解体系的选择

考虑到后期上机的酸度及基体稳定性，选择硝酸-过氧化氢消解体系，硝酸对ICP-MS基体干扰小，避免磷、硫和氯的干扰，过氧化氢促进反应进行，总酸量过高不利于采样锥体维护，因此选择5mL硝酸和2mL30%过氧化氢作为消解体系。片剂基质中常含有硬脂酸盐、碳酸盐等，加酸后剧烈反应，消耗掉部分硝酸，要及时补加，否则消解不完全；部分样品基质含有少量二氧化硅做辅料，导致样品消解不彻底，为避免氢氟酸对石英进样系统的腐蚀，本研究采用静置沉淀后取上清液上机检测的方式，没有使用氢氟酸。

2.2 微波消解程序的选择

维生素或油脂含量较高的样品，普通方法很难消解完全而是溶解在酸溶液中，定容后形成乳浊液导致测定结果偏低。分别设定最高消解温度180℃、190℃和200℃，保持时间为10min。实验表明，200℃消解液均匀且基本澄清，延长保持时间至15min，溶液完全澄清，因此选择200℃为最高消解温度，保持时间15min作为微波消解第三步程序。

2.3 样品量的选择

考虑到营养素补充剂中元素含量与有害元素限量相差达5～7个数量级，为降低高浓度元素造成采样锥污染，减少抑制效应、雾化效应和电离效应，同时避免称样量过少造成的样品均匀性误差，选择称样量为0.2g。

2.4 分析模式与积分时间的选择

选择碰撞模式可以很好去除分子离子干扰，调谐模式中高电离能元素铁、砷、锡、硒等选择高能He模式即HeHe模式，氦气流量为10mL/min，其他元素选择普通He模式，氦气流量为5mL/min；高钙镁补充剂中钙、镁元素含量高达10%以上，属于高盐样品，在等离子体模式中选择高基体模式即High Matrix(HMI)模式，其他样品选择常规模式。

砷、硒、镉、锡、锑和汞元素激发能较高，选择积分时间为0.99s，钙、镁、钾、磷元素含量高，选择积分时间为0.10s，其他元素则为0.30s。

2.5 汞元素标准溶液介质的选择

汞元素在石英玻璃表面有较高的记忆效应，与其他元素混合会影响标准溶液系列的稳定性和线性，EDTA溶液对汞有很好的清洗作用，且硝酸对汞元素有增敏作用，选择2%HNO3-10mg/LEDTA溶液作为汞元素标准系列介质。依次测定混合标准系列和汞标准系列后，进行样品测定。

2.6 分析元素质量数、内标元素及浓度的选择

同量异位素干扰和分子离子干扰如ArO+、ArCl+等造成严重的质谱干扰。低含量元素选择丰度高无干扰的质量数，而高含量元素为降低灵敏度选择了通常不选用的低丰度质量数。

选择质量数与待测元素相近且样品中不含有的元素作为待测元素的内标元素。Bi、Ge、In、Lu、Rh、Sc、Tb是常用内标元素，通过蠕动泵在线引入混合内标溶液来校正标准溶液和待测溶液基体差异造成的待测元素响应值的偏差[6]，选择内标元素见表2。高盐基体可能样品中有分子离子峰重叠，选择高浓度内标溶液更利于维持基线信号稳定，浓度为0.5mg/L。

2.7 标准曲线、检出限和精密度

样品中有害元素铅、镉、铬、砷、锑与限量补充剂元素硒、锡、钼、锶等含量较低，选择1.0～50μg/L作标准曲线，汞元素记忆效应高，灵敏度高，选择0.5～10μg/L作标准曲线，铜、锌、铁、锰、钙、镁、钾、磷等补充元素一般含量较高，选择1.0～50.0mg/L作标准曲线，线性关系良好，相关系数在0.9992～1.0000之间。按照IUPAC规定，在优化条件下，对样品空白溶液测定11次，用每个元素3倍响应值的标准偏差除以校准曲线斜率即为该元素的检出限。线性范围、标准曲线方程、相关系数和检出限见表2。

以某两种维生素微量元素复合片的混合样为代表进行方法学考察，样品中即含有硬脂酸盐作辅料，又含有多种维生素，基体复杂。平行称取6份样品，按实验方法在最优条件下进行6次独立实验，测量结果的相对标准偏差RSD%即方法精密度，测定结果见表2。

表2 各元素分析质量数、内标元素、标准曲线方程、相关系数、检出限和精密度

分析元素内标元素标准曲线方程相关系数r检出限DL(μg/kg)RSD(%,n=6)25Mg45ScY=0.3807x+0.00810.99969.21.231P45ScY=0.2260x+0.00330.9996112.741K45ScY=0.2387x+0.00140.9992212.043Ca45ScY=0.6734x+0.00140.99995.74.551V45ScY=0.0463x+0.00140.99980.232.352Cr72GeY=0.0621x+0.00680.99970.0670.9

续表2

分析元素内标元素标准曲线方程相关系数r检出限DL(μg/kg)RSD(%,n=6)55Mn72GeY=0.2341x+0.00190.99944.22.257Fe72GeY=0.4738x+0.03961.00003.92.460Ni72GeY=0.0309x+0.00760.99980.173.263Cu72GeY=0.1074x+0.02150.99997.41.066Zn72GeY=0.1392x+0.02860.9992153.475As72GeY=0.0168x+0.00521.00000.0360.878Se72GeY=0.0025x+0.05540.99980.151.888Sr72GeY=0.0506x+0.00060.99960.284.495Mo72GeY=0.0021x+1.1918E-40.99980.122.7111Cd115InY=0.0045x+5.12E-40.99980.0773.5118Sn115InY=0.0062x+3.9965E-40.99970.0211.3121Sb115InY=0.0049x+2.02E-40.99980.0532.6202Hg209BiY=0.0039x+2.648E-40.99990.0555.7208Pb209BiY=0.0101x+0.00290.99970.0431.2

2.7 方法准确度

用选定的方法测定标准物质奶粉GBW(E)10017和芹菜粉GBW10048，这两种标准物质元素含量丰富，基体复杂，代替营养素补充剂具有一定代表性。测定值与标准值相吻合，测定结果见表3。

表3 标准物质的准确度测定结果(n=3)

ND：未检出

2.9 实际样品的测定结果

用选定的方法测定市售多厂家、多种类营养素补充剂如维D钙胶囊、血红素片、钙铁锌颗粒及口服液、营养素片等，绝大部分营养元素含量在产品说明书标示范围内，重金属及有害元素均低于限定值，硒、锌、铁等元素偶有含量偏离标示含量情况出现，采用国标方法对含量偏离样品的待测元素进行分析，与本分析方法结果一致，见表4。

表4 与国标方法比对结果

3 结论

本研究建立了微波消解-ICP-MS法同时测定营养素补充剂中20种常见矿物质补充元素及有害元素铜、钙、镁、铁、锌、锰、钾、锶、磷、钼、镍、钒、铅、镉、砷、汞、铬、锑、硒和锡的分析方法，优化了微波消解条件和质谱仪器参数，对分析质量数和内标元素进行了选择，并对方法进行了方法学考证。结果表明，本方法很好的解决了多元素复杂基体干扰样品在前处理与分析过程中存在的问题，方法简便、快速、准确，并将方法应用于市售多种营养素补充剂的检测中，测定结果与国标方法测定结果不存在显著性差异，为食品、保健食品质量监督提供方法参考。本方法对含量在1%以下的主、微量元素均可以同时测定，各元素间含量差异可达到约7个数量级。但对于主含量元素(>1%)的分析，在线性范围上还有一定的局限性，有待于在今后的研究中进一步摸索。

[1]国家卫生和计划生育委员会. GB 16740-2014 食品安全国家标准 保健食品[S].

[2]段建坤，李珺，杨永. 电感耦合等离子体质谱法测定食品营养强化剂中5种痕量有害金属元素[J]. 理化检验-化学分册，2013，49(9): 1058-1064.

[3]陈彬，杨蕾，何广新，等. 微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定保健食品中铬、砷、镉、铅和汞[J]. 中国卫生检验杂志，2013，23(15): 3043-3046.

[4]张江义，王小菊，李国敏. 微波消解_电感耦合等离子体质谱法同时测定食品中的主_微量元素[J]. 分析化学，2014，42(11): 1706.

[5]王雪婷，夏梦，徐文科，等. 微波消解_电感耦合等离子体质谱法同时测定泥鳅中18种微量元素[J]. 分析试验室，2016，35(9): 1060-1065.

[6]曹璨. 微波消解-ICP-MS法测定中链甘油三酸酯中铜、铅、铬、镍和锡[J]. 质谱学报，2014，35(4): 341-346.

Simultaneous determination of 20 elements in dietary supplement by microwave digestion-ICP-MS.Cao Can，

Wu Zhigang

(LiaoningAnalysisScienceAcademe,Shenyang110015,China)

The optimized conditions of microwave digestion and mass spectrum, and selected internal standard elements were used to depress high-salt matrix interference of trace elements detection. Low abundance mass were used to enlarge the linear ranges of high contents elements. The results show that linear range are 0-10μg/L for mercury, 0-50mg/L for copper, iron, zinc, manganese, calcium, magnesium, potassium and phosphorus, and 0-50μg/L for the other elements, and the correlative coefficients are 0.9992-0.9999. The detection limits are 0.021-21μg/kg. The relative standard derivations are 0.8%-5.7%. The national standard material GBW10017 milk powder and GBW10048 celery were analyzed and the results were in according with the standard values. It is suitable for determination of less than 1% of elements content in various samples.

microwave digestion; inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS); dietary supplement; element

辽宁省自然科学基金20170540481；辽宁省科学事业公益研究基金2016002003。

10.3969/j.issn.1001-232x.2017.03.013

2017-02-16