微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定啤酒中8种微量元素

徐珑珀 ,高巧玲

(1.四川省食品检验研究院,成都 611731;2.成都市香源供水有限责任公司,成都 610500)

啤酒中含有多种微量元素,这些微量元素不仅影响啤酒品质和口感,还与人体健康密切相关[1]。例如,锰可抑制或激活啤酒中的多种酶,影响啤酒酿造过程,过量的锰对人体正常代谢不利[2-3];适量的铜、铁、锌在维持人体造血功能、保护红细胞方面起重要作用,但过量的铜和铁会加快啤酒的自然氧化速率,缩短保质期,使啤酒颜色加深,口感变苦,甚至出现沉淀[4],过量的锌会引起人体内电解质失衡,出现困倦、恶心等症状[5];铅、砷、镉会在人体内产生积累效应。微量元素由啤酒生产过程各环节引入,原材料(水、啤酒花和酵母等)、设备容器、储存包装和运输都是这些元素的潜在来源。因此,从饮用安全方面考虑,有必要对啤酒中的微量元素进行测定。

文献报道啤酒中微量元素的测定方法有原子吸收光谱法(AAS)[6-8]、电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)[9-10]和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)[11]等。AAS只能进行单元素测定,分析速率较慢,不适合大批量样品的分析;ICP-AES、ICP-MS具有线性范围宽、分析快速、可同时测定多种元素等优点,但是ICP-MS灵敏度更高、检出限更低。另外,微波消解法克服了传统干法灰化和湿法消解的缺点,具有消解完全、快速省时、节省试剂、空白低等优势,还可防止易挥发组分损失。本工作采用微波消解法对啤酒样品进行处理,用ICP-MS同时测定啤酒中锰、铁、镍、铜、锌、砷、镉、铅的含量,以期为啤酒的质量控制提供方法参考。

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

ETHOS UP型微波消解仪;Nexion 350X 型电感耦合等离子体质谱仪;所用器皿经20%(体积分数)硝酸溶液浸泡24 h后,用水洗净备用。

锰、铁、镍、铜、锌、砷、镉、铅单元素标准溶液:1 000 mg·L－1,使用时,用2%(体积分数,下同)硝酸溶液稀释至所需质量浓度。

铑内标溶液:1 000 mg·L－1,使用时,用2%硝酸溶液逐级稀释,配制成50.0μg·L－1铑内标溶液。

硝酸、30%(质量分数,下同)过氧化氢溶液均为优级纯;试验用水为超纯水。

6种不同品牌的啤酒样品购自某超市。

1.2 仪器工作条件

1.2.1 微波消解仪

分析功率1 800 W;控制温度120 ℃,升温时间5 min,保持时间2 min;控制温度160 ℃,升温时间5 min,保持时间2 min;控制温度190 ℃,升温时间5 min,保持时间30 min。

1.2.2 ICP-MS

射频功率1 150 W;等离子体流量17.0 L·min－1,载气流量0.87 L·min－1,辅助气流量1.2 L·min－1,氦气流量2 mL·min－1;雾化室温度2 ℃;蠕动泵转速35 r·min－1;动能歧视(KED)模式;采集模式为跳峰;重复次数为3次。测定同位素为55Mn、57Fe、60Ni、65Cu、66Zn、75As、114Cd、208Pb;在线加入含1%(体积分数,下同)异丙醇的50.0μg·L－1铑内标溶液。

1.3 试验方法

由于啤酒具有发泡特性且含有大量二氧化碳,消解前先超声脱气20 min。准确移取2 mL脱气后的啤酒样品于微波消解管中,加入5 mL 硝酸和1 mL 30%过氧化氢溶液,加盖放置过夜后,放入微波消解仪,按照1.2.1节条件进行消解。结束后打开罐盖排气,用少量水冲洗内盖,将消解管放入赶酸器赶酸至近干,冷却后转移至25 mL 容量瓶中,用水洗涤消解管3次,合并洗涤液于容量瓶中,并用水定容,按照1.2.2节条件进行测定,外标法定量。随同做空白试验。

2 结果与讨论

2.1 质谱干扰与消除

质谱干扰主要与等离子体、样品溶液基体成分、环境中带入的氧气和氮气等因素有关,可以通过优化仪器工作条件,使用校正方程,选择合适的测试模式消除质谱干扰。采用ICP-MS普通模式,锰、镍、砷、镉等元素的检出限和背景等效浓度受到严重影响,而碰撞模式一般采用KED 模式来消除干扰。在四极杆质谱前设置一个小体积碰撞反应池,KED模式中通过加入氦气,使干扰离子碰撞面积大于待测元素,被碰撞几率较大,动能损失也大,当四极杆势能阱高于干扰离子动能时,干扰离子无法进入四极杆从而被消除。针对不同目标元素和不同类型干扰,KED 模式均可使用同一条件消除干扰,无需经过特殊反应[12-13]。因此,ICP-MS分析中选用KED模式来消除质谱干扰。

2.2 内标元素与同位素的选择

非质谱干扰主要源于样品基体,并且,测定中样品溶液、标准溶液和试剂空白溶液在溶剂蒸发速率、传送效率、密度以及表面张力上的差异也会产生基体效应。啤酒作为复杂基质样品,在ICP-MS分析中无法进行基体匹配,通过加入内标元素可有效地克服基体效应。试验发现以铑作为内标时,可消除基体效应,并以其响应值来衡量上机过程的稳定性。同时,基于有机试剂的增敏作用,在内标溶液中加入适量的有机试剂可提高分析灵敏度,因此在测定过程中在线加入含1%异丙醇的50.0μg·L－1铑内标溶液。

ICP-MS测定还会受到同位素的干扰,一种元素通常具有多个同位素。结合仪器的默认值,按照干扰少、丰度高、灵敏度高的原则确定各元素的测定同位素,最终选择的测定同位素为55Mn、57Fe、60Ni、65Cu、66Zn、75As、114Cd、208Pb。

2.3 消解条件的选择

首先对消解体系进行考察,分别采用硝酸、硝酸＋高氯酸和硝酸＋30%过氧化氢溶液等3 种体系,通过观察消解液颜色、透明度以及残留物来评价消解效果。结果显示:硝酸消解后的消解液颜色呈淡黄色,有少量悬浮物,消解效果欠佳;而采用硝酸＋高氯酸和硝酸＋30%过氧化氢溶液两种体系均可将啤酒样品消解至无色澄清透明,但是硝酸＋高氯酸引入的氯离子会带来质谱干扰,并且硝酸＋高氯酸中各元素的空白值高于硝酸＋30%过氧化氢溶液的。因此,试验选用硝酸＋30%过氧化氢溶液体系消解啤酒样品。

试验进一步考察了不同消解试剂用量(5 mL硝酸＋1 mL 30%过氧化氢溶液,7 mL硝酸＋1 mL 30%过氧化氢溶液,5 mL 硝酸＋2 mL 30%过氧化氢溶液,7 mL 硝酸＋2 mL 30%过氧化氢溶液)对样品消解效果的影响。结果表明:当硝酸用量为5 mL时,消解效果已较好,继续增加硝酸用量会导致赶酸时间延长;并且过氧化氢分解产生的氧气有利于分解有机质,但也会增大消解管内部压力,因此用量不宜过多;当硝酸用量为5 mL,过氧化氢用量为1 mL时,消解效果达到最佳。并且试验发现,最高消解温度在190 ℃和200 ℃时消解效果几乎相同,均能使样品完全消解,出于消解管使用寿命以及试验安全因素考虑,选择最高消解温度为190 ℃。

2.4 标准曲线、检出限和测定下限

移取适量的单元素标准溶液,用2%硝酸溶液逐级稀释,配制成锰、铁质量浓度为0,20,50,100,200,500μg·L－1,镍质量浓度为0,10,20,30,40,50μg·L－1,铜、锌质量浓度0,10,20,50,100,200μg·L－1,砷、镉质量浓度0,0.5,1.0,2.0,5.0,10μg·L－1,铅质量浓度0,1.0,2.0,5.0,10,20μg·L－1的混合标准溶液系列。在优化的仪器工作条件下对上述混合标准溶液系列进行测定,以各待测元素的质量浓度为横坐标,其对应的响应值为纵坐标绘制标准曲线,线性参数见表1。

同时分析11个试剂空白溶液,以3倍和10倍标准偏差(s)所对应的质量浓度为检出限(3s)和测定下限(10s),结果见表1。

表1 线性参数、检出限和测定下限Tab.1 Linearity parameters,detection limits and lower limits of determination

结果显示:8种元素标准曲线的相关系数均大于0.999 0,检出限为0.02～1.87μg·L－1,测定下限为0.07～6.23μg·L－1。

2.5 稳定性试验

向未处理的啤酒样品中加入50μg·L－1的锰、铁、铜、锌标准溶液,10μg·L－1的镍、砷、镉、铅标准溶液,经微波消解后,在设定好的仪器工作条件下连续测定3 h,每30 min测定一次,共测定7次。结果显示,8 种元素在3 h 内测定值的相对标准偏差(RSD)为4.9%～9.0%。在相同仪器条件下对已处理好的啤酒样品(0～5 ℃冷藏保存)于2 d内测定,每天平行测定6次,共测定12次。结果显示,各待测元素测定值的RSD 均低于10%。上述试验结果表明,该方法分析过程具有良好稳定性。

2.6 精密度和回收试验

由于未找到与啤酒相同基质的标准物质,因此采用加标回收试验验证分析方法的精密度和准确度。根据样品中各待测元素的含量分别加入2个不同浓度水平的标准溶液,在设定好的仪器工作条件下平行测定6次,计算各待测元素的回收率和测定值的RSD,结果见表2。

表2 精密度和回收试验结果(n＝6)Tab.2 Results of tests for precision and recovery(n＝6)

结果显示,各待测元素加标回收率在93.0%～104%内,测定值的RSD 在1.7%～5.4%内,说明该方法具有良好的精密度和准确度。

2.7 样品分析

按照试验方法对6个不同品牌啤酒样品进行分析,每个样品平行测定3次,结果见表3。采用单边t检验法,分析各元素含量的显著性差异。

表3 样品分析结果Tab.3 Analytical results of the samples μg·L－1

结果表明:不同品牌啤酒样品中锰、铁、镍、铜、锌、砷的含量存在显著性差异(P＜0.05),镉和铅的含量无显著性差异(P＞0.05);啤酒中铁含量(182～276 μg·L－1)较高,其次是锰(88.6～172μg·L－1),两者的含量明显高于镍、铜、锌的;毒性元素方面,6种啤酒均未检出镉,仅一种啤酒未检出砷外,其余5种啤酒均检出砷,3种啤酒未检出铅,其余3 种啤酒均检出铅,但检出量远低于GB 2762－2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》中铅的限定值要求(≤0.2 mg·kg－1),说明啤酒样品未受重金属污染,饮用安全性好。

本工作以硝酸＋30%过氧化氢溶液为消解体系,提出了微波消解-ICP-MS测定啤酒中8种微量元素的方法。通过KED 模式消除潜在的质谱干扰,以铑为内标元素校正基体效应,选择合适的测定同位素避开光谱干扰,得到了较好的试验结果,该方法准确度好、精密度高、稳定性良好,可用于啤酒质量控制和安全评价。