ICP-MS在食品标准物质研制中的应用研究

唐本玲，王立秋

1. 钢研纳克检测技术股份有限公司 (北京 100081)2. 青岛市粮油质量检测和军队粮油供应中心 (青岛 266000)

近年来, 食品安全中食品添加剂、重金属残留、食品毒素污染物、农兽药残留等问题备受国内外关注, 对食品的质量控制已成为质量监督检验等机构的工作重点之一[1]。其中，重金属由于具有不可降解、可累积、可通过食物链污染环境[2]和危害人体的特性引起民众的广泛关注。据报道我国受镉、砷、铅、铬、铜等重金属污染的耕地面积近2 000万hm2，约占耕地总面积的1/5，被重金属污染的粮食多达1 200万t，合计损失至少200亿元[3]。为了保障食品安全从而保障民众的健康，我国制定了GB 2762—2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[4]，规定食品食中Cd、Pb、As的最高含量不得超过0.2 mg/kg，Hg的最高含量不得超过0.02 mg/kg，Cr的最高含量不得超过1.0 mg/kg。

食品安全强有力的监管手段是加强食品中污染物的检测工作，而食品安全质量检测结果的准确性、可比性是开展公平贸易、维护消费者权益及正确执行食品法规的有效保障[5]。检测离不开标准物质，食品标准物质的质量直接影响食品安全检测数据的可靠、可比与国际互认。食品中微量元素标准物质作为开展测量仪器校准、测量方法评价确认、测量过程质量控制等的重要工具，随着全世界对检测结果可靠性与可比性的不断追求，得到广泛的应用。

为得到质量可靠的标准物质，在研制过程中需要开展一系列的检测活动，包括：均匀性检验、稳定性检验、定值检验等。在这些检测活动中，要求方法具有较高的准确度、良好的精密度、明确的溯源性。食品中重金属元素含量较低，还需要检测方法具有较低的检出限，常用的方法有电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)[6-14]、中子活化法(neutron activation analysis，NAA)[15]、原子吸收法(atomic absorbance spectrometry，AAS)[16-20]以及原子荧光法(atomic fluorescence spectrometry，AFS)[21-25]。其中ICP-MS法由于具有检出限低、线性范围宽、可以多元素同时测定等优点得到了广泛应用。本文依据GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》，对分析方法进行优化，建立了微波消解-ICP-MS法同时测定Pb、Cd、As、Hg、Cd、Ni、Cu、Zn，并将其应用于大米、小麦、玉米成分分析标准物质的研制中。

1 材料与方法

1.1 主要仪器与装置

iCAPQ电感耦合等离子体质谱仪，美国Thermo Fisher公司，配有Qtegra数据处理系统；MASTER-40 40罐超高通量密闭微波消解仪，上海新仪微波化学科技有限公司。

1.2 主要材料与试剂

1.2.1材料

从不同地点农田选取样品。每个样品的初始重量约为70 kg。将候选样品去壳、清洗干净后，在80 ℃下干燥24 h。然后，将样品放入高铝陶瓷球磨机中，进一步研磨，直到99%以上的样品通过0.180 mm的筛网。样品充分混合后，装入高密度聚乙烯瓶中，铝塑膜密封，每瓶35 g。每种样品大约1 000瓶。所有包装均用60Co辐照，室温下置于阴凉干燥处保存。

1.2.2试剂

硝酸(MOS级)、H2O2(优级纯)国药集团化学试剂有限公司；实验用水为纯水(电阻率为18.25 MΩ·cm)；标准溶液Pb GBW(E) 082136、Cd GBW(E) 082123、Hg GBW(E) 082134、As GBW(E) 082113、Cr GBW(E) 082100、Ni GBW(E) 082105、Cu GBW(E) 082108、Zn GBW(E) 082109、Au GBW(E) 082133、In GBW(E) 082124、Sc GBW(E) 082167、Bi GBW(E) 082137，浓度均为100 μg/mL，用时稀释到相应浓度。

1.3 方法

1.3.1样品前处理

称取0.5 g样品于聚四氟乙烯内罐中，加入5 mL HNO3，1 mL H2O2，将样品置入微波消解仪上调节微波消解程序进行消解；待微波消解结束后打开外罐，取出内罐，置于赶酸器60 ℃赶酸30 min，再将样品转移到50 mL容量瓶中，加内标Bi，In，Sc及作为Hg稳定剂的Au元素(浓度均为1 μg/L)，定容，摇匀待测。

1.3.2质谱条件

雾化气流量0.9 L/min；辅助气体流量0.8 L/min；冷却气体流量13.0 L/min；泵速40 r/min；射频功率1 500 W。

1.3.3均匀性检验

均匀性是标准物质的重要特性。均匀性分为单元内均匀性和单元间均匀性。单元间均匀性保证不同包装单元间特性值一致，单元内均匀性保证可以多次取样的单元内的特性值一致。根据JJF 1343规定，样品包装单元大于500、小于1 000时，抽取25瓶样品，进行均匀性检验。每瓶重复测试3次，测试结果用单因素方差法进行分析。

1.3.4稳定性检验

稳定性是标准物质的基本属性，是用来描述标准物质的特性量随时间变化的性质，即描述标准物质特性随时间分布特征的。稳定性分为长期稳定性和短期稳定性(通常指运输稳定性)。

1.3.5短期稳定性的测定

为评价样品的短期稳定性，设计4个极端条件：低温(-20 ℃)、高温(60 ℃)、运输(邮寄)、高湿(约80%RH)，每个条件持续10 d。10 d后，对样品进行检测。测试结果采用t检验法进行分析。

1.3.6长期稳定性的测定

对标准物质在1年的时间内进行5次稳定性检验。时间间隔分别是0个月、1个月、2个月、3个月、6个月。每种标准物质随机抽取2瓶，每瓶测试2次。测试结果采用趋势分析法进行处理。

1.3.7定值

标准物质的定值方式通常为：由单一实验室采用单一基准方法定值；由一个实验室采用两种或更多不同原理的独立参考方法定值；使用一种或多种已证明准确性的方法，由多个实验室合作定值；利用特定方法进行定值。基体类标准物质通常采取多家实验室采用多种方法协作定值的方式，一般实验室个数大于6个。每个实验室发放2瓶样品，并要求每瓶样品每个元素出具2～3个独立数据。

2 结果与讨论

2.1 试剂的选择

粮食中Cr、As、Pb、Hg的含量较低，通过比较国药集团化学试剂有限公司分析纯、优级纯、MOS级HNO3和H2O2进行分析试验。MOS级试剂中测试元素空白值均较低，可满足同时测定多种元素的需求。同时对硝酸和H2O2的使用量进行实验，如果硝酸量和H2O2量过少，消解不完全；如果硝酸量和H2O2量过大，会造成聚四氟乙烯内罐因压力过大而变形。本实验选取5 mL HNO3加1 mL H2O2作为实验试剂用量能满足分析要求。

2.2 工作曲线及检出限

为了防止二次污染，本实验采取对单元素标准溶液进行逐级稀释，重量法定容的方式配制。在优化好的仪器条件下对消解试剂进行11次空白测试，统计标准偏差，以3倍空白标准偏差为本实验方法检出限。在调试至ICP-MS最佳状态的仪器条件下，检测线性结果及检出限如表1所示，结果表明线性较好，检出限较低，且每种浓度测试3次相对标准偏差(RSD)均小于2%，满足实验分析要求。

表1 线性方程和检出限

2.3 方法的准确度

为了验证本方法的准确性，采用本方法对标准物质GBW 10043～GBW10045进行测试，结果见表2，结果与标准值吻合；将本文建立的ICP-MS法测定得到的数据与其它方法检测得到的数据比较，结果一致(见表3)，说明方法准确可靠。

表2 标准物质的测试结果

表3 不同检测方法测得结果比较

2.4 均匀性检验结果

通常采用单因素方差分析法进行均匀性检验结果的评估，对m组n次测量的数据分别计算单元间均方MSamong和单元内均方MSwithin，并作统计量F，比较F与F临界值(Fα)的大小，一般认为F

2.5 稳定性检验结果

2.5.1短期稳定性

由4个模拟试验得出的结果经t检验统计判断, 结果t值均小于临界值。可以认为, 在一般运输条件下温度、湿度对食品中重金属元素标准值均无显著性影响。

2.5.2长期稳定性

依据JJF1343—2012《标准物质定值的通用原则及统计学原理》中有关稳定性研究的结果评估，对检测结果进行趋势分析。

如以X表示稳定性考察的时间(月)，Y表示每次稳定性考察的检测结果，则存在Y=β1X+β0。通过以下公式分别计算斜率β1及其不确定度s(β1)，然后比较斜率的绝对值∣β1∣和t(α,n-2)×s(β1)的大小，考察斜率β1的显著性。如果∣β1∣小于t(α,n-2)×s(β1)，说明稳定；∣β1∣大于t(α,n-2)×s(β1)，则不稳定。

将5次稳定性检验数据按趋势分析进行处理，所有的∣β1∣均小于t(α,n-2)×s(β1)，说明样品的稳定性良好。

2.6 定值结果

2.6.1标准值的确定

全部定值分析数据收齐后，将所有数据进行格拉布斯(Grubbs)检验是否存在异常值、科克伦(Cochran)检验是否等精度，然后经夏皮罗-威尔克(Shapilo-Wilk)法检验正态性。剔除异常值后，各元素的单元平均值作为一组新的测试数据，计算平均值、标准偏差。取各实验室各元素定值数据平均值的均值作为该特性量的标准值。

2.6.2不确定度评定

特性值的标准不确定度(standard uncertainty，uCRM由以下几方面合成：

(1)因测定引起的标准不确定度(standard uncertainty of characterization，uchar)；

(2)因瓶间(不)均匀性引起的标准不确定度(standard uncertainty of homogeneity，ubb)；(3)因短期(不)稳定性引起的标准不确定度(standard uncertainty of short-time stability，usts)；(4)因长期(不)稳定性引起的标准不确定度(standard uncertainty of long-time stability，ults)。特性值的标准不确定度计算公式为：

特性值的扩展不确定度计算公式为：U=kuCRM

k为包含因子，95% 的置信概率时k=2。

3 结论

采用本文建立的微波消解-ICP-MS法测定Pb、Cd、As、Hg、Cr、Ni、Cu、Zn用于大米成分分析标准物质GBW(E)100348～GBW(E)100362、小麦成分分析标准物质GBW(E)100493～GBW(E)100496、玉米成分分析标准物质GBW(E)100497～GBW(E)100498研制中的均匀性检验、稳定性检验和定值，方便、快捷，结果准确可靠。