苜蓿中15种元素的质谱分析及其安全性评价

2018-12-05凌悦菲

家畜生态学报 2018年11期

凌悦菲

(陕西国防工业职业技术学院化学工程学院，陕西西安 710302)

苜蓿是一种多年生开花豆科类牧草，具有产量高、易于种植、草质优良、易于家畜消化等优点，其富含各种维生素及蛋白质，素有“牧草之王”的美誉，如今已被广泛推荐种植[1]。近年来，关于苜蓿中重金属元素的分析虽有报道，但存在一定的局限性[2-3]。如方勇等[4]用原子吸收光谱法检测苜蓿中的铁锌锰，该法样品消耗量大，线性范围窄，基体干扰严重，且不能同时测定多种元素，进行多元素分析时耗时很长，工作量较大。电感耦合等离子体发射法[5]虽能同时在线分析多个元素，但是其同样存在一定局限性(基体干扰严重，容易引起结果偏差)。

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)兴起于20世纪80年代，由于兼具了检出限低、干扰少、线性范围宽、谱线简单、并可进行多元素同时快速分析等优点[6-8]，所以其已慢慢取代传统的原子吸收法和原子荧光法成为主流的元素分析手段[9]。

本试验采用密闭高压消解方法对苜蓿样品进行处理，该法前处理设备价格低廉，消解效果理想，空白值低，并且一次可进行大批量样品的多元素的同时在线分析；在测定过程中辅以动态反应池技术消除质谱干扰，结果更为准确、可靠。试验分别对40份苜蓿的根、茎叶中15种元素含量进行测定，以期从元素层面评价我国种植苜蓿的安全性，为有关部门的决策提供科学依据，同时为进一步研究苜蓿价值提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与试剂

Nexion 300D电感耦合等离子体质谱仪(美国PerkinElmer公司)；Milli-Q超纯水系统(美国Millipore公司)；Mettler PB303-S天平；配套不锈钢消解罐(南京瑞尼克科技有限公司)；恒温干燥箱(上海博迅)；PFA消解内罐(100 mL)；PFA容量瓶(50 mL)。

65%硝酸(优级纯，德国Merck公司)；30%过氧化氢(优级纯，国药集团)；超纯水(电阻率18.25 MΩ·cm)；24种元素混合标准溶液(100 mg·L-1，GSB04-1767-2004，内含Al，As，B，Ba，Be，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，Ga，Li，Mg，Mn，Ni，Pb，Sb，Sn，Sr，Ti，Tl，V，Zn和Zr等24种元素，中国地球物理科学研究所)；钪、锗、铟、铋溶液(1000.0 mg·L-1)；国家有证标准物质紫菜(GBW10023)。

1.2 样品的采集与制备

采集甘肃某苜蓿种植基地40份紫花苜蓿(样品为5月上旬开初花的头茬苜蓿，开花率10%左右，20份根，20份茎叶混合物)洗净，80 ℃烘干，粉碎，装入洁净的密封袋内备用。

先将聚四氟乙烯消解内罐放在硝酸(20+80)溶液浸泡24 h以上，取出用超纯水洗净后烘干，往罐内加入3.0 mL纯硝酸，盖紧上盖将其放在赶酸仪(或电热板)上110 ℃下密封蒸煮1 h以上，趁热纯水洗净，烘干备用。称取一定量的苜蓿样品于100 mL聚四氟乙烯内罐中，加入8.0 mL硝酸和2.0 mL H2O2，将内罐放入不锈钢外罐中，拧紧外罐后将罐体放入烘箱中加热消解(100 ℃恒温保持2 h，140 ℃恒温保持2 h，170 ℃恒温保持3 h)，消解完毕后，自然放冷至室温。打开消解罐，用少量超纯水冲洗消解内罐上盖的内壁，合并至罐中。将消解罐放置在电热板上赶酸(150 ℃)，待消解液剩约1.0 mL时全量转移至50 mL塑料容量瓶中，用水定容至刻度。在最优化试验条件下，以硝酸(5+95)溶液为介质，配制0，0.05，0.1，0.5，1.0，2.0，5.0，10.0，20.0，50.0，100.0 μg/L系列混合金属元素标准溶液，在线加入内标溶液，建立标准曲线并测定苜蓿中金属元素含量，同时做空白试验和质控样。

1.3 数据处理

数据用EXCEL处理后，用SPSS 20.0统计软件对数据进行单因素方差分析，Duncan法进行多重比较，P>0.05表示差异不显著，P<0.05表示差异显著，P<0.01表示差异极显著。数据用平均数±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 仪器工作参数

射频功率1 100 W；采样深度2.5 mm；雾化器流量1.06 L/min；等离子体气流量15 L/min；辅助气流量1.2 L/min；氦气流量5.0 mL/min；氨气流量0.3 mL/min；雾室温度2 ℃；分析室真空度8.5×10-5Pa。

2.2 试验干扰的消除

质谱干扰和非质谱干扰是元素质谱分析中遇到的两大类主要干扰。质谱干扰主要有：同量异位素干扰、多原子离子干扰和双电荷离子干扰，试验采用优化仪器参数(降低氧化物和双电荷的产生)和动态反应池(反应气：NH3)去除ClO、HSO对元素V测定的干扰；ArN、ClO、ArO、SO、ArC、HClO对Cr测定的干扰；ArN、ClO、HClO对Mn测定的干扰；

CaO、ArO对Fe测定的干扰；CaO对Co和Ni测定的干扰；TiO、VO、SO2、Ba2+对Zn测定的干扰；ArCl、Sm2+、Nd2+、Eu2+对As测定干扰；Kr、BrH、Ar2H、Ho2+、Dy2+、Er2+对Se测定的干扰；Ru、BrO对Mo测定的干扰；以及YO、ZrO对Ag测定的干扰和MoO对Cd测定的干扰。同时探讨了氨气的最佳用量选择，最终选定氨气流量为0.3 mL/min，低质量数过滤参数为0.75。非质谱干扰主要源于样品基体，消除基体效应最有效最直接的方法就是稀释样品、内标校正。试验通过在线加入Ge、In、Bi内标溶液监测信号变动情况，用内标法定量，有效地克服了仪器的漂移，保证了测量的准确性。

2.3 苜蓿中15种元素的定量限及质量控制

使用ICP-MS测定苜蓿样品消解液中铅镉砷铬镍铊等元素的含量，同时测定样品空白溶液。各元素的线性相关系数均大于0.9999，定量限分别为：铅为0.019 mg/kg，镉为1.2 μg/kg，砷为2.1 μg/kg，铬为8.3 μg/kg，镍为1.8 μg/kg，锰为6.1 μg/kg，铊为0.05 μg/kg，钴为4.2 μg/kg，钼为6.3 μg/kg，锑为7.9 μg/kg，钒为11.2 μg/kg，银为5.6 μg/kg，铁为0.23 mg/kg，硒为12.4 μg/kg，锌为0.13 mg/kg，所有未检出的结果均以定量限的1/2计。试验测定国家一级有证标准物质紫菜(GBW10023)(n=7)作为质量控制，结果见表1，各元素的测定值均在标示值范围内，RSD为0.38%～4.2%，结果准确可靠。

2.4 苜蓿中15种无机金属元素测定结果

应用上述方法对苜蓿样品进行测定，结果见表2。由表2可知，苜蓿中富含锌硒铁等营养元素，重金属含量较低;苜蓿根中的镉砷铬镍锰铊钴钒银铁与苜蓿茎叶中的镉砷铬镍锰铊钴钒银铁差异显著(P<0.05)，而苜蓿根中的铅钼硒锌与苜蓿茎叶中的铅钼硒锌差异不显著(P>0.05)。

3 讨论

由表2可知，苜蓿根茎叶中15种无机元素含量呈现的总体趋势为：苜蓿根部的各金属元素的含量普遍高于茎叶的含量。其中，苜蓿根中各元素的含量高低为：Mn>Zn>Se>Cr>V>Fe>Ni>Co>Pb>Mo>As>Cd>Tl>Ag>Sb。茎叶中各元素的含量高低为：Mn>Zn>Se>Cr>Pb>Mo>V>Fe>Co>Ni>Cd>Tl>As>Ag>Sb。

GB13078-2017饲料卫生标准对畜禽饲料原料中的几种有害重金属元素(铅、砷、镉、铬)做出明确的规定，其允许量分别为铅≤30 mg/kg、砷≤4 mg/kg、镉≤1 mg/kg和铬≤5 mg/kg[10]。与上述标准相比较可知，本研究中部分苜蓿样根中的铬(Cr)已超出国家标准，存在一定的食用风险，不宜单独作为家畜的饲料。而苜蓿根、茎叶中的铅、砷、镉等元素均未超出标准，符合饲料安全卫生标准。紫花苜蓿不仅仅是牲畜饲料的重要来源，它在造纸、纺织等方面也有着广泛的用途[11]。代惠萍等[12]的研究表明，紫花苜蓿对环境中的硒和锌元素具有很强的富集能力。本研究表明，紫花苜蓿中确实富含硒元素和锌元素，同时植株中铁和锰的含量也很高，说明苜蓿具有较高的营养价值和具备深度开发为保健食品的基本条件。

表1 紫菜标准物质的测定结果Table 1 Determination results of standard matter of Porphyra mg/kg

表2 苜蓿样品的测定结果(mg/kg)Table 2 Determination results of alfalfa samples

注：同行数据肩标为相同字母或无字母表示差异不显著(P>0.05)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。

Notes: In the same row,values with the same or no superscripts mean insignificant difference(P>0.05), different lowercase letter superscripts mean significant difference (P<0.05), different capital letter superscripts mean extremely significant difference (P<0.01).