微波等离子体发射光谱法测定乳及乳制品中的11种元素

姚春毅， 李东东， 唐录华， 高文惠*， 剧京亚， 李玉朴

(1.石家庄海关技术中心，河北石家庄 050051；2.河北科技大学生物科学与工程学院，河北石家庄 050000)

乳及乳制品是人们生活中重要的食品，随着人们生活水平的不断提高，人们对乳及乳制品的需求量也不断增加，在需求增加的同时，人们也更加关注其营养成分和卫生安全。乳制品中含有丰富的蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质元素等多种营养成分。其中矿物质包含Ca、Fe、K、Na、Fe、P等多种元素，在人体生长过程中起到重要的作用[1]。

目前，测定乳及乳制品中元素的主要方法有火焰原子吸收光谱法[2,3]、石墨炉原子吸收光谱法[4,5]、原子荧光光谱法[6,7]、电感耦合等离子体发射光谱法[8,9]及电感耦合等离子体质谱法[10 - 11]等。火焰原子吸收光谱法使用成本较低，分析样品用量多，灵敏度差，适用于易原子化的元素测定，每次测定一种元素，检测效率低；石墨炉原子吸收光谱法灵敏度高，分析样品用量少，适用测定痕量元素，但每次也只测定一种元素，需要用基体改进剂提高灰化温度和原子化温度，减少基体干扰，测定高含量元素时，易造成石墨管记忆效应；电感耦合等离子体发射光谱法和电感耦合等离子体质谱法都具有多种元素同时测定，线性范围宽，灵敏度高等优点，但仪器价格昂贵，操作复杂，维护成本高，高纯氩气作为载气使用量大等缺点。微波等离子体发射光谱法(MP-OES)能够同时测定多种元素，采用氮气作为载气，增加了仪器使用的安全性；氮气可以通过氮气发生器制得，大大节约了仪器使用成本；与传统的原子吸收光谱法相比，具有更高的灵敏度、更宽的线性范围及更高的检测效率。本文采用微波灰化前处理技术，微波等离子体原子发射光谱法测定乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P 11种元素。方法简便快速，准确度高，采用氮气代替氩气作为载气，大大节约实验成本。

1 实验方法

1.1 仪器与试剂材料

Agilent4200微波等离子体发射光谱仪(美国，Agilent公司)；Phoenix微波灰化系统(美国，培安科技公司)；EH35B电热板(美国，莱伯泰科有限公司)；氮气发生器3055(英国，PEAK公司)；Milli-Q超纯水制备装置(美国，Millipore公司)；电子天平(瑞士，梅特勒公司)。

K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P单标储备溶液(浓度为1 000 μg/mL，钢铁研究总院国家钢铁材料测试中心)；HNO3(纯度为BVⅢ，北京化学试剂研究所)；H2O2(优级纯，北京化学试剂研究所)；高纯氩气≥99.999%；超纯水(电导率为18.2 MΩ·cm)。标准参考物质：奶粉(GSB-8)。

鲜奶、酸奶、奶粉样品均为市售产品。

1.2 标准溶液的配制

将浓度为1 000 μg/mL的K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P单标储备溶液，用5%HNO3溶液为介质配制成一系列11种元素混合标准工作溶液，其中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn浓度分别为0.0、0.2、0.5、1.0、2.0、3.0 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr浓度分别为0.0、0.01、0.02、0.04、0.06、0.08 mg/L，P浓度分别为0.0、10.0、20.0、30.0、40.0、60.0 mg/L。

1.3 样品前处理

称取0.50 g样品(准确至0.1 mg)于石英纤维坩埚中，放入微波灰化系统中进行灰化。微波灰化条件：第一步 功率1 200 W，爬升时间5 min，温度90 ℃，保持5 min；第二步 功率1 200 W，爬升时间10 min，温度500 ℃，保持25 min；第三步 功率0 W，爬升时间0 min，温度90 ℃，保持25 min。灰化结束后，取出坩埚，冷却至室温，加入2 mL 5%HNO3，在90 ℃电热板加热溶解后，转移至25 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，备用。同时做空白试验。

1.4 仪器分析条件

雾化室：双路旋流雾室；雾化器：One Neb雾化器；雾化器流量：0.5～0.85 L/min；读取时间：3 s；提升时间：40 s；稳定时间：35 s；背景校正：Auto；自动进样器：Agilent SPS3；气源：氮气发生器。

2 结果与讨论

2.1 微波灰化条件的选择

参考我国食品安全国家标准采用的传统干法灰化法，方法中灰化温度大多采用500 ℃作为灰化温度，再结合对实际样品的研究发现，在500 ℃条件下能够将样品完全灰化。因此选择灰化温度为500 ℃。为防止液体样品在灰化过程由于升温过快造成喷溅，先采用90 ℃低温预处理5 min，再程序升温至500 ℃的加热方式。然后将样品在500 ℃条件下，分别保持10、15、20、25、30、35、40 min。结果表明，样品在500 ℃条件下保持20 min以上均能使样品灰化完全。综合考虑样品性质不同、减少能耗、降低检测周期等因素，选择25 min作为灰化时间。

2.2 仪器最佳工作条件的选择

采用MP-OES法，被测元素被激发时可发射多条谱线，通过软件选择特征谱线强度大，背景小、受干扰小的波长，且信背比最大的发射谱线作为被测元素激发波长。将K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P单标储备液(1 mg/mL)，稀释配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr浓度均为1 mg/L、P浓度为40 mg/L的混合标准溶液，然后分别进行波长扫描，选择最佳分析谱线。优化后的被测元素波长见表1。

雾化气流量的大小对进样量和雾化效率都有重要的影响，从而影响被测元素信号强度。本方法将K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr、P单标储备液(1 mg/mL)，用5%HNO3配制成K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn浓度为1 mg/L，Mn、Cu、Ba、Cr浓度为0.1 mg/L，P浓度为40 mg/L的混合标准溶液，将该溶液导入MP-OES仪中，通过仪器分析软件，自动优化雾化气流量，调节雾化气流量最优条件，优化结果如表1所示。同上条件下，通过仪器分析软件，自动优化监视窗位置，优化结果如表1所示。

表1 各元素最佳工作条件

(续表1)

2.3 线性关系和检出限

按“1.2”方法配制一系列不同浓度的混合标准溶液，在仪器最佳工作条件下，绘制标准曲线。在相同条件下，MP-OES仪连续测定空白溶液11次，以3倍的标准偏差计算出待测元素的检出限，结果见表2。从表2中可以看出，11种元素在线性范围内线性相关系数≥0.9996，线性关系良好。

表2 方法的线性范围、回归方程、相关系数和检出限

2.4 回收率和精密度试验

本方法对市售乳制品进行加标回收试验，鲜奶和酸奶各取8份样品。依据实验结果计算加标回收率和相对标准偏差(RSD)，结果见表3。由表3可知，平均回收率在91.8%～115%之间，RSD为0.62%～4.06%。另外，从表3中还可以看出，鲜奶和酸奶样品中，除Mn、Cr未检出外，其余元素均有检出，且有些元素含量较高。

表3 市售样品分析结果及回收率和精密度(n=8)

(续表3)

2.5 标准物质验证

采用本方法对奶粉标准物质(GSB-8)平行测定8次，以验证方法的准确性和精密度，检测结果见表4。从表中看出，8次测定结果平均值均在认定值范围内，RSD在1.3%～5.3%之间。表明方法具有良好的准确性和精密度。将测定结果输入SPSS软件，在置信区间α=0.05与标准值进行显著性差异比较，结果表明，采用MP-OES测定奶粉标准物质(GSB-8)得到的测定结果与标准物质标准值比较没有显著性差异。

表4 奶粉标准物质(GSB-8)测定结果(n=8)

2.6 实际样品测定

对市售鲜奶、酸奶和奶粉共15份样品进行测定，测定结果显示，K、Ca、P和Na在鲜奶、酸奶和奶粉中含量较高，其次是Fe、Mg和Zn元素，其他元素含量较低。我国国家标准(GB 2762-2017)《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[12]中规定生乳和发酵乳中Cr限量为0.3 mg/kg，乳粉中Cr的限量为2.0 mg/kg，所测样品酸奶中未检出Cr，其鲜奶及奶粉中Cr均未超出限量。

3 结论

采用微波等离子体发射光谱法测定了乳及乳制品中K、Ca、Na、Mg、Fe、Zn、Mn、Cu、Ba、Cr及P 11种矿物质元素。微波灰化可快速处理乳及乳制品样品，节省了前处理灰化时间；优化了仪器的工作条件，检出限在0.01～1.5 mg/kg之间。方法快速、简便、准确度高，精密度好，可以满足乳及乳制品中多种元素同时测定的要求。