3种前处理方法在电感耦合等离子体质谱测定螺旋藻中铅、镉含量的比较

周美丽，杨子秋，杨伟，杨春花，范晓旭，刘泽弘

(大理州食品检验检测院，云南 大理，671000)

螺旋藻(Spirulina)是一类低等、原核生物，由多细胞组成的丝状体。医学研究发现，螺旋藻具有独特的营养成分，包括人体必需的氨基酸、蛋白质、不饱和脂肪酸、矿物质、维生素和抗氧化物质。具有减轻癌症放疗、化疗的毒副作用，提高免疫功能，降低血脂等功效，引起人们的广泛关注[1]。联合国世界粮食会议宣布，螺旋藻是未来最好的食物，世界卫生组织将螺旋藻描述为人类最好的健康产品，联合国教科文组织称，螺旋藻是最理想的未来食物[2]。

由于受养殖环境、农药、化肥和加工工艺的影响，螺旋藻产品极易受铅、镉等重金属的污染。因此，快速、准确地对螺旋藻中重金属进行定量分析显得十分重要。AL-HOMAIDAN等研究了湿法消解-原子吸收光谱法测定螺旋藻产品中的总砷、锰和铅等重金属元素的含量[3]，AL-DHABI等报道了微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定螺旋藻中的锰、镍和汞等重金属元素的含量[4]。电感耦合等离子质谱法因具有检出限低、线性范围宽、耐高基体和多元素同时测定等诸多优点，被广泛应用于食品和保健品分析[5-7]。

目前，传统的食品和保健品中重金属及有害元素测定的前处理方法主要有湿法消解法、干灰化法和微波消解法等。传统的前处理方法需要对样品进行繁琐的程序和操作以破坏有机基质，增加了样品污染和分析物损失的风险，湿法消解和微波消解过程需要使用大量的酸，污染环境，损害实验操作人员，存在耗时长，成本高等问题。为建立简单、快速的前处理方法，超声提取法、快速酸浸提法和酶水解法等被陆续报道[8-17]。本工作采用电感耦合等离子体质谱仪进行螺旋藻产品中铅、镉元素的测定，通过比较超声提取法、水浴振荡提取法与传统的微波消解法对测定结果的影响，建立了快速、简单、可靠、节能和环保的螺旋藻中铅、镉元素含量的测定方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

多元素标准溶液：Pb、Cd，10 mg/L(Agilent，Part﹟8500-6940)；标准调谐溶液：Li、Y、Ge、Tl、Co，1 μg/L(Agilent，Part﹟5188-6564)；内标溶液：In、Lu，10 mg/L(Agilent，Part﹟5185-5959)；柑橘叶标准物质GBW10020、胡萝卜标准物质GBW10047(地球物理地球化学勘查研究院)；HNO3(GR，德国Merck)；H2O2(GR，苏州晶瑞)；盐酸(GR，国药试剂)；螺旋藻片(祥云岩松生物科技公司)。

1.2 仪器与设备

7900型电感耦合等离子体质谱仪,美国Agilent公司；VB24 up赶酸仪,莱伯泰科公司；微波消解仪,意大利Mileston公司；AS系列超声波清洗机,天津奥特赛恩斯仪器公司；SHA-CA水浴恒温振荡器,金云市科析仪器公司；TDL-40B高速台式离心机,上海安亭科学仪器厂；涡旋振荡器,美国Thermo公司；电子分析天平,METLER TOLEDO；XF-100固体样品高速粉碎机,杰瑞尔公司；UPH-IV-20T超纯水机,四川优普超纯科技公司。

1.3 方法

1.3.1 样品处理

螺旋藻片在高速样品粉碎机中粉碎，过80目的筛，将筛好的螺旋藻粉末置于干燥器中备用。

1.3.1.1 超声提取法

称取螺旋藻样品0.3 g(精确至0.000 1 g)，置于50 mL聚四氟乙烯材料的离心管中，用体积分数为1% HNO3- 1% HCl混合酸溶液定容至50 mL，置于涡旋混合器上混匀，室温超声20 min，摇匀，离心(4 000 r/min)10 min，取上清液，用0.22 μm水系针头过滤器过滤后分析测定，同时做空白对照。整个处理过程约1 h。

1.3.1.2 水浴振荡提取法

称取螺旋藻样品0.3 g(精确至0.000 1 g)，置于50 mL聚四氟乙烯材料的离心管中，用体积分数为1% HNO3- 1% HCl混合酸溶液定容至50 mL，涡旋混匀，60 ℃水浴振荡45 min后摇匀，以4 000 r/min离心10 min，取上清液，用0.22 μm水系针头过滤器过滤，同时做空白对照。整个处理过程约1.5 h。

1.3.1.3 微波消解法

称取螺旋藻样品0.3 g(精确至0.000 1 g)，置于80 mL微波消解罐中，加入5.0 mL HNO3和2.0 mL H2O2，加盖放置2 h，旋紧罐盖，按(见表1)设定程序进行微波消解，冷却后用少量纯水洗涤罐盖合并至罐中，将消解罐置于赶酸仪内140 ℃赶酸，罐内溶液剩余0.5 mL左右取下冷却至室温，转移至50 mL比色管中，用纯水少量多次洗涤罐壁，定容至刻度，同时做空白试验。整个消解过程约8 h。

表1 微波消解仪工作条件Table 1 The working conditions for microwave digestion system

1.3.2 标准曲线的测定

精密量取标准储备液，用体积分数为1% HNO3逐级稀释，配制成0.0、2.0、4.0、6.0、8.0、10.0 μg/L的铅、镉元素混合标准溶液系列。以质量浓度为10 μg/L的115In、175Lu分别作为111Cd、208Pb的在线内标元素进行校正。

1.3.3 ICP-MS工作条件

经质量浓度为1 μg/L(Li、Y、Ge、Tl、Co)的调谐溶液对仪器条件进行自动优化，以灵敏度、检出限、氧化物、双电荷和背景噪音作为优化指标，使仪器达到最佳状态。等离子体模式为高灵敏模式，He模式分析，经优化后仪器的最佳工作条件如表2所示。

表2 优化后的ICP-MS工作条件Table 2 Optimized parameter of ICP-MS system

2 结果与讨论

2.1 前处理条件的选择

2.1.1 超声提取法条件

在其他条件不变的情况下，分别用体积分数为1% HNO3、1% HCl、1% HNO3-1% HCl混合酸溶液体系超声提取螺旋藻中的铅、镉，发现用1% HNO3-1% HCl混合酸溶液超声提取得到的回收率最佳，增加HNO3-HCl体积分数时，回收率并无差异，但样品空白值随HNO3-HCl体积分数的增加而增大，此外，超声提取时间超过20 min后回收率无明显差异，故选用1% HNO3-1% HCl混合酸溶液作为提取溶液，超声提取20 min。

2.1.2 水浴振荡提取法条件

水浴振荡提取法酸溶液体系和酸溶液体积分数的选择测试结果和超声提取法一致，铅、镉的回收率随着提取时间和水浴振荡温度的增加而增大，但水浴温度超过60 ℃、提取时间超过45 min后回收率无明显差异，故选用体积分数为1% HNO3-1% HCl混合酸溶液作为提取溶液，水浴振荡提取温度为60 ℃，提取时间为45 min。

2.1.3 微波消解法条件

螺旋藻中含有丰富的蛋白质，高达60%～70%，不容易消解，双氧水具有强氧化性，故采用硝酸-双氧水体系进行消解。

2.2 ICP-MS干扰及校正

ICP-MS的干扰可分为质谱干扰和非质谱干扰(基体效应)，质谱干扰主要是由同量异位素、多原子离子、双电荷产生的，实验中通过同位素选择(111Cd、208Pb)、优化仪器条件(氧化物156/140≤0.923%，双电荷70/140≤1.060%)、八级杆氦气碰撞反应池滤除干扰离子和四级杆质量分析器滤除非质荷比分析离子等方法减少质谱干扰。非质谱干扰主要源于基体效应，超声提取法、水浴振荡提取法可快速提取螺旋藻中的铅、镉，但提取液中可能含有部分无机盐和有机物基体。实验中通过HMI气溶胶稀释降低总溶解固体物，冷凝雾化减小基体效应，≦0.46 mm的截取锥使耐基体度提高，Omega二次90°偏转彻底滤除中性降低背景噪音和在线内标元素进行校正等方法克服基体效应。

2.3 线性关系与检出限

线性回归方程及检出限如表3所示。对3种不同前处理方法的试剂空白溶液进行连续11次测定，以3倍标准偏差所对应的浓度计算检出限。超声提取法和水浴振荡提取法对酸的需求量少，样品溶液不容易被污染，试剂空白值低，由表3可以看出超声提取法和水浴振荡提取法具有更低的检出限。

表3 线性回归方程及检出限Table 3 The linear regression equation and detection limit

2.4 测定结果及重复性试验

按照3种不同的前处理方法，对螺旋藻样品各进行6份平行样试验，分别测定铅、镉元素，计算含量及相对标准偏差(RSD)。结果(表4)表明，3种方法的测定结果具有较好的一致性，超声提取法、水浴振荡提取法的测试结果与微波消解法差异无统计学意义(p>0.05)。计算得到的RSD值在1.2%～4.8%，3种不同的前处理方法测得的结果均有较好的重复性。

表4 三种不同前处理方法样品测定的结果及精密度(n=6)Table 4 The determination results of samples and precision by three different preparation methods(n=6)

2.5 加标回收试验

分别取上述螺旋藻样品，进行铅、镉元素加标回收试验，结果见表5，超声提取法的加标回收率在91.7%～99.4%，水浴振荡提取法加标回收率在97.2%～98.4%，微波消解法加标回收率在91.0%～102.3%。采用3种不同的前处理方法测定螺旋藻中的铅、镉元素均有较好的回收率。

表5 三种不同前处理方法样品的加标回收率(n=4)Table 5 Recovery rate of samples by three different preparation methods(n=4)

2.6 标准物质验证

为进一步验证方法的准确性，对GBW10020柑橘叶、GBW10047胡萝卜2种生物成分分析标准物质进行测定，结果显示(表6)，3种前处理方法测定生物成分分析标准物质中铅、镉的测定值均在参考值范围内。

表6 标准物质分析结果(n=4)Table 6 Analytical results for standard material(n=4)

3 结论

采用超声提取法、水浴振荡提取法和微波消解法3种前处理方法-电感耦合等离子体质谱测定螺旋藻中铅、镉元素含量，测定结果具有较好的一致性，具有良好的准确度和精密度。3种方法对国家标准物质(GBW10020，GBW10047)进行处理，铅、镉的测定结果均在参考值范围内。与传统的微波消解法相比，超声提取法和水浴振荡提取法操作简单，用酸量少，分析处理时间短，具有节能、环保、可靠等优点，降低了样品污染和分析物损失的风险，具有更低的样品空白值和方法检出限。因此，超声/水浴振荡提取-电感耦合等离子体质谱法适用于螺旋藻中铅、镉元素的快速测定。