释放剂对火焰原子吸收光谱法测定乳粉中镁的影响

陈晓媛,张喜琦,张嘉月,高喜凤,崔玉花

(1.山东省食品药品检验研究院,山东济南 250100; 2.北京林业大学,北京 100083)

乳粉具有营养丰富、食用方便、保质期相对较长以及易于保存等优良特征。随着人们日常生活水平的不断提高和营养知识的普及,乳粉已逐渐成为人们日常生活中一种重要的营养食品[1]。乳粉中的镁是人体生长发育所必需的核心营养元素之一,几乎参与人体所有的新陈代谢过程,影响钾、钠、钙离子的细胞内外移动“通道”,有维持生物膜电位的作用[2]。人体每日镁的需要量为0.2～0.4 g[3],因为镁的摄入量有其安全阈值,因此乳粉中镁含量的检测尤为重要。

火焰原子吸收光谱法由于检测效率高,运行成本低而被实验室广泛采用[4]。但是由于乳粉中含有大量微量、常量元素,基体复杂,因此火焰原子吸收光谱法测定乳粉中镁的化学干扰大,必须要加入释放剂才能提高检测准确度。火焰原子吸收光谱法测定镁元素时,许多元素(离子)如铝、磷等因能与镁形成不易解离的耐热化合物,会影响镁的原子化。文献报道,在试液中加入适量的La3+或Sr2+作为释放剂,可大大消除化学干扰,使镁元素形成更易解离的化合物,提高原子化效率[5]。

微波消解技术在无机前处理中的应用优势比较明显,不仅操作步骤简便,反应速度快,而且空白值低,结果更加准确[6]。本文采用微波消解法进行样品前处理,考察火焰原子吸收光谱法测定乳粉中镁的实验条件,对几种释放剂的作用效果进行了对比,并用电感耦合等离子体原子发射光谱法对检测结果进行了验证。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

样品1(市售某品牌乳粉)、样品2(FAPAS食品理化检测乳粉)、样品3(婴幼儿配方乳粉定量分析质控样) 购自中国检验检疫科学研究院测试评价中心,编号为703IP03011;氧化镧 高纯试剂,国药集团化学试剂有限公司;氯化锶 优级纯,天津市科密欧化学试剂有限公司;30%过氧化氢、盐酸、硝酸 优级纯,国药集团化学试剂有限公司;镁标准储备溶液 1000 μg/mL,编号K2-MG04003,美国INORGANIC VENTURES公司;测定用水 超纯水,实验室自制。

PE900F火焰原子吸收光谱仪 美国珀金埃尔默公司;Optima 8000电感耦合等离子体光谱仪 美国珀金埃尔默公司;微波消解仪 美国CEM公司;万分之一分析天平 梅特勒-托利多集团;超纯水机 美国密理博公司。

1.2 实验方法

1.2.1 标准溶液的制备 镧溶液(50 g/L):称取29.32 g氧化镧,用超纯水湿润后,加入125 mL盐酸,溶解后定容至500 mL。

锶溶液(15 g/L):称取15 g氯化锶,加入100 mL水和45 mL盐酸溶解,用水定容至1000 mL。

以镧、锶、2%的硝酸溶液为基体的标准溶液的制备:由镁标准储备溶液用2%的硝酸溶液逐级稀释成浓度为10 μg/mL的镁单元素标准物质母液。取18个100 mL容量瓶,分三组,每组6个。分别移取0、2.00、4.00、6.00、8.00、10.00 mL镁单元素标准物质母液置于三组容量瓶中,第一组容量瓶中再加入2.0 mL镧溶液(50 g/L),然后用超纯水定容,摇匀;第二组和第三组容量瓶分别用锶溶液(15 g/L)和2%硝酸溶液定容摇匀,配制成三组浓度依次为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mg/L的镁标准工作液。

1.2.2 标准曲线的绘制 以镧、锶、2%的硝酸溶液为基体的标准曲线绘制:将三组标准曲线溶液进行火焰原子吸收光谱仪测定,以镁元素浓度为横坐标、吸光度为纵坐标绘制标准工作曲线。ICP光源作为高温原子化器,有较低的化学干扰效应[7],因此用电感耦合等离子体原子发射光谱仪做比对试验时,只需用2%硝酸为基体的溶液进样上机。将以2%的硝酸溶液为基体的镁标准系列溶液进电感耦合等离子体光谱仪进行测定,以镁元素浓度为横坐标、以发射光强度为纵坐标绘制标准工作曲线。

1.2.3 样品前处理 本实验采用微波消解法对样品进行前处理,参考文献[8]的样品前处理操作步骤,结合实验室仪器特点,优化后的参考条件如下:

称取约0.5 g样品于聚四氟乙烯消解罐中,加入8 mL浓硝酸,1 mL 30%过氧化氢,放入微波消解仪中消化,再用赶酸电热板160 ℃赶酸至余约1 mL溶液,冷却后用蒸馏水准确定容至50 mL,待用,同时按照上述步骤作样品空白。微波消解仪的工作参数见表1。

表1 微波消解仪的工作参数Table 1 Parameters working of microwave digestion

1.2.4 仪器工作条件及操作步骤

1.2.4.1 火焰原子吸收光谱仪工作参数 经实验确定火焰原子吸收光谱仪工作参数为:镁空心阴极灯,波长279.50 nm,狭缝宽度0.7 nm,燃气乙炔-空气焰。

1.2.4.2 ICP-OES工作参数 参考文献[9-10],并根据实验室仪器特点,优化电感耦合等离子体原子发射光谱仪操作参数为:功率1.5 kw,载气流量8 L/min,频率40.68 MHz,泵速1.5 mL/min,观测高度15 mm,雾化器压力0.7 MPa,辅助气流量0.2 L/min,雾化气流量0.55 L/min。

1.2.4.3 火焰原子吸收光谱法样品检测 按照1.2.4.1仪器条件,将样品消解液分别稀释到适于标准曲线的浓度,按照标准曲线配制方法,分别加入适量的2%硝酸溶液、镧溶液和锶溶液,定容摇匀,进行火焰原子吸收光谱仪检测。

1.2.4.4 ICP-OES法样品检测 按1.2.4.2优化好仪器条件,将消化好的样品消解液分别稀释到适于标准曲线的浓度,用2%的硝酸溶液定容,依次使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪进行测定。

1.2.5 火焰原子吸收光谱法测定不同释放剂对样品中镁检测结果的影响 将样品1、样品2、样品3三个乳粉样品分别做6组平行,消解后的样品消解液,分别加入2%硝酸溶液、镧溶液、锶溶液,使试样基体与标准曲线工作溶液匹配,并稀释至合适浓度。在1.2.4.1选定的工作条件下,优化好仪器状态,测定不同浓度镁标准溶液的吸光值,以吸光度对元素浓度做工作曲线,然后依次检测样品空白和样品消解稀释溶液。

1.2.6 火焰原子吸收光谱法测定不同释放剂对样品中镁加标回收率的影响 样品2为FAPAS食品理化检测乳粉,粉末颗粒更细,有更好的均匀性和稳定性,因此选取样品2做加标回收实验。做4组平行,用加标一、加标二、加标三、加标四表示。每组3个样品,向消解液中加入1000 μg/mL镁标准储备溶液0.5 mL,即500 μg的镁,然后每组的3个平行样均分别加入2%硝酸溶液、镧溶液、锶溶液,使试样基体与标准曲线工作溶液匹配,并稀释至合适浓度。将样品溶液依次进火焰原子吸收光谱仪测定。

1.2.7 电感耦合等离子体原子发射光谱法 不同谱线样品镁含量 将乳粉样品1、样品2和样品3各做6个平行,消解液分别稀释10倍、25倍和10倍,将样品稀释液进电感耦合等离子体原子发射光谱仪,在四个波长下同时检测镁的含量。

1.2.8 电感耦合等离子原子发射光谱法测不同谱线样品镁回收率 选取均匀性和稳定性较好的样品2做加标回收实验。称取4份样品2试样于微波消解罐中,用微波消解程序进行消解,得到样品消解液。向4份消解液中分别加入1000 μg/mL镁标准储备溶液0.5 mL,即500 μg的镁,然后用2%硝酸溶液定容摇匀,得到4份加标后的样品测试液,用加标一、加标二、加标三、加标四表示。将加标后的样品测试液依次进电感耦合等离子体原子发射光谱仪,在四个波长下同时检测镁的含量。

1.3 数据处理

本研究所有试验进行至少三次,统计分析采用SPSS软件(Version 23.0,SPSS Inc.,IL,USA),数据以均数±标准偏差表示,p<0.05显示具有统计学意义。

2 结果与分析

2.1 火焰原子吸收光谱法测定乳粉中的镁

2.1.1 加入不同释放剂样品检测结果的比较 将不同基体的标准系列溶液、样品空白和样品溶液依次进火焰原子吸收光谱仪进行检测,得到镁的含量结果见表2。结果表明,以2%硝酸溶液定容的样品,三个样品的检测值都明显低于加入镧离子和锶离子的样品检测值;加入两种释放剂的试样溶液检测值相比,样品2的检验结果数据一致,样品1和样品3以镧为释放剂的检测值高于以锶为释放剂的检测值。以2%硝酸溶液为基体的样品RSD在1.07%～4.64%之间,以镧溶液为基体的样品RSD在1.69%～1.95%之间,以锶溶液为基体的样品RSD在1.8%～4.4%之间,由此可以看出以镧溶液为基体的测试液重现性明显优于其他两种基体。

表2 不同基体试样溶液检测结果(mg/kg)Table 2 Results of different matrix solutions(mg/kg)

2.1.2 加入不同释放剂样品加标回收率的比较 按1.2.6的方法进行检测,结果如表3所示。以2%硝酸溶液定容的样品回收率在80.7%～83.5%之间,以镧溶液为释放剂的样品回收率在97.7%～102.3%之间,以锶溶液为释放剂的样品回收率在116.5%～130.7%之间,可见以镧溶液为释放剂的加标回收最优。

表3 不同基体试样溶液加标回收结果Table 3 Results of recovery tests in different matrix solutions

以上数据显示,火焰原子吸收光谱法测定乳粉中镁的含量,加入镧溶液为释放剂,可以较好地提高溶液中镁的原子化效率,保证检测准确度。

2.2 ICP-OES测定乳粉中镁

为了进一步确定方法的准确性,本文采用电感耦合等离子体原子发射光谱法对试样中的镁含量进行检测,将试验结果与火焰原子吸收光谱法进行对比。

2.2.1 四条特征谱线标准溶液工作曲线的比较 电感耦合等离子体原子发射光谱法具有激发能力强,线性范围宽,化学干扰少等诸多优点,但是由于ICP光源的激发能力强,几乎每一种引入光源的物质都会发射出相当丰富的谱线,因此会产生一定的光谱干扰[11]。电感耦合等离子体原子发射光谱法测镁共有四条特征波长谱线,分别为:279.077、279.553、280.271、285.213 nm。在选定的工作条件下,测定不同浓度镁标准溶液的谱线发射强度,以发射强度对元素浓度做工作曲线。结果表明,在0～1.0 mg/L范围内,镁的浓度与发射强度呈良好的线性关系,线性相关系数r达到0.998以上。标准溶液工作曲线光谱图见图1,其中1.0 mg/L的镁标准溶液光谱图如图2所示。由图可见,四条谱线中279.553 nm波长信号值最高,灵敏度最好,基线稳定,干扰较少。

图1 标准溶液工作曲线光谱图Fig.1 Working curve of standard solution注:a～d分别为279.07、285.213、279.553、280.271 nm波长标准溶液的工作曲线。

图2 1.0 μg/L的镁标准溶液在4个波长下的光谱图Fig.2 The spectrogram of 1.0 mg/L standard solution of magnesium

电感耦合等离子体发射光谱法中的干扰除了光谱干扰,还有基体干扰。在实际检测过程中要考察它们的综合影响[12]。因此为了验证、确定电感耦合等离子体原子发射光谱测定乳粉中镁的最佳条件,本文下面从重现性和回收率等方面进行了进一步实验。

2.2.2 不同谱线样品检测结果的比较 按照1.2.7的实验方法对样品1、样品2、样品3的消解稀释液进行检测,结果见表4。

表4 ICP-OES检测结果Table 4 Results of the detection by plasma atomic emission spectrometry

由表4数据可以看出,四个波长的谱线对三个样品检测得到的检测值精密度均小于5%。四条谱线中检测值无明显差异,可见乳粉中的镁在四个波长下检测值相差不大,各谱线重现性、稳定性均满足实验要求。

2.2.3 不同谱线样品回收率的比较 按照1.2.8的实验方法,在样品2中加标500 μg,做4组平行,进行加标回收实验,各波长的检测结果见表5。结果显示,加标回收率在95.6%～105.6%之间。

表5 ICP-OES检测样品加标回收结果Table 5 Results of recovery tests by plasma-atomic emission spectrometry

由以上数据看出,在选定的仪器条件下,镁在四个不同波长的特征谱线上检测值数据一致,精密度、重现性和加标回收均符合实验要求。相比较而言,279.553 nm波长下镁的灵敏度高,光谱干扰少,因此选取279.553 nm谱线的检测结果与火焰原子吸收光谱法进行比较。

2.3 ICP-OES与火焰原子吸收检测方法比较

选定279.553 nm波长下ICP-OES检测的数据与镧溶液为释放剂火焰原子吸收光谱仪的检测数据进行比较,结果见表6。

由表6检测结果可知,以镧溶液为释放剂,火焰原子吸收光谱法检测婴幼儿配方乳粉中的镁实验结果,比电感耦合等离子体原子发射光谱法检测结果略低,但差别很小,质控样检测值在证书标称范围内,说明用火焰原子吸收光谱法测定乳粉中的镁,加镧溶液为释放剂结果准确可靠。

表6 不同检测方法的比对结果(mg/kg)Table 6 Comparation of different determination methods(mg/kg)

3 结论

随着国家标准的更新,国家标准GB 5413.21-2010《婴幼儿食品和乳品中钙、铁、锌、钠、钾、镁、铜和锰的测定》第一法火焰原子吸收分光光度法和第二法ICP-OES法,分别被GB 5009.241-2017《食品中镁的测定》和GB 5009.268-2017《食品中多元素的测定》代替。

比较新旧两版国标,主要有两点更新:一是火焰原子吸收光谱法原国标中用镧做释放剂,以消除磷酸干扰[13],新国标中没有加入释放剂。二是新的国标中ICP-OES的检测方法前处理方法增加了微波消解法。

本文采用火焰原子吸收光谱法测定乳粉中的镁,比较了加入2%硝酸溶液、镧溶液和锶溶液的检测结果,发现消解液中加入释放剂可以有效提高检测的准确性。通过对加入不同释放剂检测结果的重现性、回收率的比较,发现加入镧溶液的效果优于锶溶液。用电感耦合等离子体原子发射光谱法对检测结果进行验证,以镧溶液为释放剂检测结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法的检测结果一致。由实验可以看出,GB 5009.241-2017《食品安全国家标准 食品中镁的测定》可能在检测大多数食品样品时均适用,但是检测乳粉中的镁时,需要加入释放剂。