微波等离子体原子发射光谱分析粗粮中的多元素

周学忠 刘宏伟

(湖南工学院材料与化学工程学院，衡阳 421002)

粗粮主要包括全谷物类(玉米、小米、高粱、荞麦、黑米、燕麦、麦麸等)、杂豆类(黄豆、绿豆、红豆、黑豆、芸豆等)和块茎类(红薯、山药、马铃薯等)[1]。粗粮中主要成分碳水化合物、膳食纤维、维生素B、矿物元素的含量均高于精细化加工的细粮[2]。为了追求更好的饮食结构，人们更加注重膳食平衡，越来越多的人把粗粮视为健康食品，适宜的粗粮饮食，可以很好地补充细粮加工过程中流失的各种营养素。目前，有关粗粮营养素的研究主要侧重于有机成分[3-5]，而其所含无机元素对于粗粮的品质、口感以及食用安全也有重要作用，粗粮中的K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn是人类健康所必需的营养元素。对大多数人来说，饮食摄入是接触矿物质元素的主要途径。因此，有关粗粮中多元素的准确测定对于评估其对人类健康的影响非常重要。

粮食中无机元素的测定已有大量文献报道，主要分析方法有原子荧光光谱(AFS)法[6]、原子吸收光谱(AAS)法[7]、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)法[8-10]和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)法[11-13]。AFS对于特定元素的测定具有灵敏度高、检出限(LOD)低、谱线简单等特点，但能产生原子荧光的元素非常有限，且荧光淬灭效应的存在以及散射光干扰影响AFS的分析灵敏度；AAS具有选择性好、搞干扰能力强且灵敏度高，但AAS的分析效率低，检出限(LOD)比ICP-OES高，单元素测定特性难以满足高通量样品的分析要求，对于碱金属元素K、Na和碱土金属元素Ca的分析，需要加入昂贵的改性剂和电离抑制剂，持续使用可燃性气体或氧化性气体导致分析成本高且存在安全隐患；ICP-OES和ICP-MS均为多元素分析方法，其中ICP-OES具有线性范围宽、灵敏度高、LOD低的特点，是主量元素和微量元素的常用分析方法，而ICP-MS比ICP-OES具有更高的灵敏度和更低的LOD，是分析微量元素和痕量元素的强大工具，然而，ICP-OES和ICP-MS均采用电感耦合等离子体(ICP)为激发光源，维持ICP正常稳定运行需使用昂贵的高纯氩气，导致分析成本高，持续不断地供气要求限制了二者在生产一线或交通运输不便的地区使用。微波等离子体原子发射光谱(MP-AES)基于微波导波技术，利用磁场耦合微波能量高效聚集到等离子体环境中，激发形成稳定的微波等离子体(MP)[14-16]，通过从空气中提取氮气为MP连续提供工作气，降低了分析运行成本。本文应用MP-AES对粗粮类食品中主量元素K、Na、Ca、Mg和微量元素Fe、Cu、Zn、Mn进行测定，旨在为粗粮类食品中多元素的低成本高通量准确测定提供新方法。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn单元素标准溶液(1 000 mg/L)，国家标准物质中心； Y单元素内标溶液(1 000 mg/L)，BV-III级硝酸、MOS级双氧水，标准参考物质大米粉(SRM 1566a)，4种谷物类(小米、高粱、荞麦、黑米)、3种杂豆类(黄豆、绿豆、黑豆)和3种块茎类(红薯、山药、马铃薯)粗粮样品购自于大型生活超市。

1.2 仪器和设备

4200微波等离子体原子发射光谱仪，配备OneNeb雾化器，双通道玻璃旋流雾化室，4107氮气发生器，SPS 3自动进样器，优化后MP-AES的参数为：雾化气流量，0.35～0.95 L/min；泵速，15 r/min；读数时间，3 s(K和Na为2 s)；重复次数，3次；样品吸入延迟时间，30 s；冲洗时间，45 s；稳定时间，10 s；背景校正，快速线性干扰校正(FLIC)；分析波长，K 769.892 nm、Na 589.592 nm、Ca 393.366 nm、Mg 285.213 nm、Fe 259.940 nm、Cu 324.754 nm、Zn 213.857 nm、Mn 403.076 nm。MARs 5微波消解仪。Milli-Q超纯水仪。

1.3 样品预处理

所有粗粮样品均采用超纯水清洗干净，晾干后置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，用植物粉碎机粉碎后混合均匀，分类保存于干燥器中。称取粗粮样品1.0 g(精确到0.000 1 g)样品于微波消解罐中，加少量超纯水润湿，依次加入4 mL的硝酸和2 mL的双氧水，敞开罐盖静置20 min，密封消解罐后采用程序升温进行微波消解。程序升温分三步进行：(1)功率1 600 W，温度120 ℃，爬升时间5 min；(2)功率1 600 W，温度150 ℃，爬升时间5 min；(3)功率1 600 W，温度190 ℃，爬升时间，保持时间15 min。消解结束后用超纯水定容至25 mL容量瓶中，摇匀待测。

1.4 实验方法

采用单元素标准溶液分别配制不同浓度的系列混合标准溶液，加入1 mg/L的Y内标元素，根据分析元素与内标元素光谱强度的比值与所对应的分析元素标准溶液浓度，利用MP-AES自带软件MP Expert建立分析元素的校准曲线，在相同条件下同时测定空白溶液和样品溶液，根据校准曲线计算样品溶液中分析元素的含量。

2 结果与分析

2.1 分析波长的选择

MP采用氮气等离子体，由低功率微波源维持在大气压下工作，不同气体产生的等离子体特性存在较大差异，与氩气等离子体ICP相比，MP的温度更低，高温有利于等离子体激发形成更多离子，从而产生更多的发射谱线，丰富的发射谱线为分析元素提供了更多的波长，但同时也会产生更多的光谱干扰，由于MP的激发温度较低，大多数分析元素在MP中处于比离子态光谱更简单的原子态，减少了光谱干扰，但可用于光谱分析的谱线变少，分析波长的选择变得复杂，本实验通过考察5 mg/L的K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn单元素标准溶液不同分析波长的信号响应强度和光谱干扰，从而选择各元素的分析波长。

K标准溶液在766.491 nm和769.892 nm的信号强度分别为357 000和193 000，Na标准溶液在588.595 nm和589.592 nm的信号强度分别为1 160 000和580 000，然而，K和Na的最灵敏谱线分别受到了La原子线766.434 nm和Mo原子线588.831 nm的干扰，由于在所有粗粮样品中均存在不同程度Mo和La的原子光谱干扰，而K和Na的次灵敏谱线769.892 nm和589.592 nm仍然具有高响应强度，因此，实验选择K和Na的分析波长分别为769.892 nm和589.592 nm。Fe和Mn的波长选择与K、Na相似，分别选择Fe和Mn的次灵敏线259.940 nm和 403.076 nm为分析波长。

Ca标准溶液在393.366 nm和422.673 nm的信号强度分别为823 000和616 000，两条谱线的响应强度相差不大，但Fe的三条谱线422.545 nm、422.417 nm和422.743 nm会对Ca的次灵敏线422.673 nm形成干扰，而Ca在393.366 nm无干扰，实验选择Ca的最灵敏线393.366 nm为分析波长；Mg标准溶液在285.213 nm和279.553 nm的信号强度分别为953 000和27 200，由于Mg在285.213 nm没有干扰，实验选择285.213 nm为Mg的分析波长。Cu和Zn的光谱特性与Ca、Mg相似，分别选择Cu和Zn的最灵敏线324.754 nm和213.857 nm为分析波长。

2.2 光谱干扰及校正

粗粮中各种不同浓度的元素会导致光谱干扰，多数元素可以根据谱线强度和潜在光谱干扰选择最佳的分析波长避开光谱干扰，但对于存在干扰且没有可供选择的其他灵敏谱线或无干扰谱线时，仍需校正光谱干扰，本实验使用快速线性干扰校正(FLIC)技术校正光谱干扰。当光谱窗口中存在多个部分重叠的光谱成分，或者只有一个光谱成分时，采用样品中的空白溶液、分析元素标准溶液和预期干扰元素的标准溶液建立FLIC模型[18]，利用MP Expert软件估计每个模型所需的数量，以使未知谱线与空白、分析元素和预期干扰的模型的比例和之间的平方差的总和最小化，从而为样本光谱中识别的干扰提供了准确和自动的校正，由于FLIC模型引入了空白溶液数据，FLIC模型不仅能校正谱线重叠干扰，还能校正背景干扰。图1所示为采用FLIC技术校正Fe光谱对Cu 324.754 nm的干扰。

图1 Cu 324.754 nm的快速线性干扰校正(FLIC)模型

2.3 基体效应及校正

在MP-AES分析中，溶液的基质组成差异会导致雾化效率和传输速率不同，形成基体效应影响分析元素的精密度和灵敏度，内标法是消除基体效应常用方法。由于粗粮中的稀土元素Y的含量很低且不干扰待测元素所选分析谱线的测定，本实验通过在所有分析溶液中加入1 mg/L的Y为内标元素校正基体效应，选择Y在371.029 nm处的谱线为分析线补偿分析元素的谱线强度，利用分析元素谱线强度与内标元素谱线强度的变化进行定量分析。

为验证加入内标元素对基体效应的校正效果和分析过程的稳定性，选择粗粮样品中加入50 mg/L的K、Na、Ca、Mg和1 mg/L的 Fe、Cu、Zn、Mn混合标准溶液，经微波消解后在3 h内采用MP-AES每10 min测定1次，计算各元素的相对标准偏差(RSD)来衡量稳定性，结果见图2。可以看出，在3 h内所有元素的归一化信号均在1±0.1范围内变化，绝大多数归一化信号在1±0.05范围内变化，各元素的RSD小于5%，说明各元素没有发生明显漂移，基体效应得到了校正，分析过程的稳定性好。

图2 粗粮样品中多元素加标的3 h稳定性

2.4 方法的分析性能评价

分别配制0.0、0.05～1.0 mg/L(0.05 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；1.0 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、0.2～5.0 mg/L(0.2 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；5.0 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、1.0～20 mg/L(1.0 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；20 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、5.0～100 mg/L(5.0 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；100 mg/L的K、Na、Ca、Mg)的混合标准溶液，加入内标元素后采用本法进行测定，利用MP Expert软件自动建立校准曲线。在相同条件下对空白溶液重复测定10次，计算各元素的标准偏差，以3倍标准偏差所对应的浓度为各元素仪器的检出限(LOD)，经稀释校正为方法的检出限(MDL)，结果见表1。可以看出，各元素在宽线性范围内良好的线性关系(线性相关系数≥0.999 6)可测定样品中主量元素，MDL为0.02～0.38 μg/g，可测定样品中微量元素。

表1 分析元素的校准数据、仪器的检出限(LOD)和方法的检出限(MDL)

利用分析标准参考物质大米粉(SRM 1566a)评价方法的准确性和精密度，对标准参考物质重复测定6次，计算各元素的RSD和回收率，结果见表2。可以看出，标准参考物质的测定值与认定值基本一致，RSD≤4.0%之间，回收率在97.5%～105%之间，验证了分析方法的准确性好，精密度高。

表2 标准参考物质米粉(SRM 1566a)的分析结果

2.5 粗粮样品分析

应用所建立的分析方法分别对4种谷物类(小米、高粱、荞麦、黑米)、3种杂豆类(黄豆、绿豆、黑豆)和3种块茎类(红薯、山药、马铃薯)粗粮进行测定，每个样品重复测定6次，同时采用国标法(GB 5009.268—2016)进行了对比分析，结果见表3。可以看出，本方法与国标法对10种粗粮进行测定的结果基本一致，进一步验证了本方法准确可靠。10种粗粮中富含对人体有益的多种营养元素，3种杂豆类粗粮中的K、Ca、Mg含量很高，其中黄豆中K、Ca、Mg含量最高，而Na含量较低，是典型的高K低Na食品；4种谷物类粗粮中Mg含量高于3种块茎类粗粮，而K、Ns、Ca含量与3种块茎类粗粮相似；黑米中的Fe和Mn的含量最高，红薯中Cu的含量最高，Zn在10种粗粮中的含量无分布规律。

表3 不同粗粮样品的分析结果(mg/kg， n=6)

3 结论

利用微波磁场和氮气产生等离子体的MP-AES测定粗粮中的主量元素(Ca、K、Mg、Na)和微量元素(Fe、Cu、Zn、Mn)，使用集成在仪器上的氮气发生器从空气中产生的氮气，提高了实验室的安全性，具有运行成本低、快速、安全简便等突出优点，实现了粗粮样品中多元素的准确测定。通过选择易电离元素的离子线和难电离元素的原子线，最大限度地减少了光谱干扰，使用FLIC模型和内标法分别校正了光谱干扰和基体效应。对10种粗粮的分析结果表明，粗粮中富含对人体有益的多种营养元素，无人值守的分析能力能满足粗粮中多元素的高通量测定要求。