ICP-MS 测定火腿中多元素微波消解条件的正交试验优化

◎ 周鸿艳，李 韬

（金华市疾病预防控制中心，浙江 金华 321002）

随着经济的发展和消费水平的提高，火腿的食品安全受到消费者的关注。基于原材料猪腿或加工技术的问题，火腿在加工过程中会发生一些不良的物理变化、化学变化、生物变化[1]。不少生产厂家为了获取高额利润，在反季生产时，违法添加有毒、有害物质[2]。其中，重金属污染是不容忽视的问题，重金属一旦在人体内富集，会给身体带来很多潜在危害。目前，国内有关火腿中元素的数据较少，探讨其对消费者潜在的健康风险的研究比较少。

食品样品中多元素的分析技术主要有紫外-可见分光光度法[3-4]、原子吸收光谱法[5-6]、原子荧光光谱法[7-8]、电感耦合等离子体原子发射光谱[9-10]和电感耦合等离子体质谱法[11-12]等。电感耦合等离子体质谱（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICPMS）在痕量和超痕量重金属检测中表现优异，具备多元素分析快、检出限低、灵敏度高和线性范围广等优点[13]。前处理会对样品检测结果造成较大的误差，合适的前处理方法是获得准确结果的前提。食品样品的前处理方法主要是干灰化法、湿消解法、微波消解法。微波消解法具有酸消耗量少、空白值低、操作简单和元素回收率高等优点，被广泛应用于食品领域[14-15]。微波消解的样品量、消解液、消解温度和消解压力等条件的选择会直接影响元素的溶出效率，目前国内报道多考虑单因素对试验结果的影响，对于多影响因素的试验过程，想要得到较为理想的试验条件，必须引入一种高效率、快速的试验设计方法。本研究采用正交设计的方法，以较少的试验次数保证试验的可靠性、均衡性，得到最佳的火腿微波消解条件，建立了微波消解-ICP-MS 同时测定火腿中7 种元素的方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

ICAP RQ 电感耦合等离子体质谱仪，美国赛默飞；ETHOS UP 微波消解仪，意大利麦尔斯通；超纯水仪，美国密理博。7 种元素混合标准溶液（100 mg·L-1），中国坛墨；铼（Re）、铑（Rh）、钪（Sc）混合内标（100 mg·L-1），国家有色金属及电子材料分析测试中心；调谐液，美国赛默飞；硝酸（超纯级），德国默克。

1.2 试验方法

1.2.1 溶液的配制

（1）工作曲线的配制。吸取混合标准溶液，用2%硝酸溶液配制，Cu 浓度为0～500.0 μg·L-1，Pb、Cd、As、Cr 和Ni 浓度为0～100.0 μg·L-1，Hg 浓度为0～3.0 μg·L-1。

（2）内标溶液的配制。吸取混合内标溶液，用2%硝酸溶液稀释100 倍，Sc、Rh、Re 浓度为1.0 μg·mL-1。

1.2.2 样品前处理

将有代表性的火腿样品切成小块，高速捣碎机粉碎，装入样品瓶中冷冻保存。准确称取0.500 g 的样品，置于消解罐中，加入一定量硝酸，按表1 中的程序微波消解。消解完毕，进行赶酸处理，期间用少量水冲洗消解罐内壁，将洗液合并于容量瓶中，并定容至刻度线。

表1 微波消解条件表

1.2.3 质谱条件

等离子气流量14.5 L·min-1，雾化气流量1.1 L·min-1，辅助气流量0.85 L·min-1，射频功率1 600 W，模拟电压-2 000 V，脉冲电压1 260 V，透镜电压7.50 V，测量方式KED，扫描方式跳峰扫描，重复次数3 次。

1.2.4 正交试验设计

在前期单因素实验的基础上，通过“正交试验助手”[16]进行L9(34)正交设计，选择硝酸用量（A）、最高温度（B）、保持时间（C）和消解压力（D）4 个因素，每个因素的具体水平见表2。

表2 微波消解正交试验因素与水平表

2 结果与分析

2.1 正交试验结果分析

微波消解正交试验结果分析见表3。分析可知，对于Pb 元素，消解条件A2B2C2D1的结果最佳，因素主次顺序为A＞D＞C＞B；对于Cd 元素，消解条件A2B2C3D2的结果最佳，因素主次顺序为A＞C＞D＞B；对于Hg 元素，消解条件A2B2C2D2的结果最佳，因素主次顺序为C＞B＞A＞D；对于As 元素，消解条件A2B2C3D3的结果最佳，因素主次顺序为A＞B＞D＞C；对于Cr 元素，消解条件A2B2C3D2的结果最佳，因素主次顺序为A＞D＞B＞C；对于Ni 元素，消解条件A3B1C2D3的结果最佳，因素主次顺序为C＞A＞B＞D；对于Cu 元素，消解条件A2B2C2D2的结果最佳，因素主次顺序为B＞A＞C＞D。因素A是6 种元素A2，1 种元素A3，综合考虑选择A2，因素B 是6 种元素B2，1 种元素B1，综合考虑选择B2，同理选择C2、D2；综合分析4 种因素对试验指标的影响，火腿微波消解的最佳组合为A2B2C2D2，即硝酸用量8 mL，最高温度180 ℃，保持时间10 min，压力3 MPa。

表3 微波消解正交试验结果极差分析表

极差分析法虽简单、直观，但不能区分试验结果的差异是由因素的水平变化导致，还是随机波动而导致[17]。为了弥补极差分析的不足，本文进行了方差分析，通过分析各因素引起的数据波动较误差引起的数据波动的差异程度，推断相应因素水平总体均值差异的显著性[18]。本试验选择离方差和最小者作为误差项，对7 种元素进行方差分析，结果发现，因素A对Cd、Cr 影响显著（P＜0.05）；因素C对Ni 影响显著（P＜0.05）；因素B、D对7 种元素影响不大。因此，A、C为主要因素，即硝酸用量、保持时间，B、D为次要因素，即最高温度、消解压力。根据方差分析的理论，有显著影响的因素选择最佳水平，非显著影响的因素可按需选择合适水平。根据分析方差分析的结果，各因素的最佳条件为A2B2C2D2，与极差分析结果一致。

2.2 方法的准确度

2.2.1 精密度和回收率

采用优化后的方法测定火腿中7 种元素的含量，重复测定8次。此外，对火腿样品进行加标回收率试验，结果如表4 所示。火腿样品的相对标准偏差（Relative Standard Deviation，RSD）为2.9%～5.3%，加标回收率94.8%～102.0%。在最优的试验条件下，方法的精密度和回收率均佳，符合检测分析的要求。

表4 方法精密度及回收率表（n=8）

2.2.2 标准物质验证

采用优化后的方法分别检测鸡肉（GBW10018，GSB-9）、大虾（GBW10050，GSB-28）、猪肝（GBW10051，GSB-29）标准物质，检测结果见表5。实验结果表明各元素的测定结果均在标准值范围内，说明该方法的准确度性高。

表5 标准物质测定结果表

3 结论

本文研究了微波消解-ICP-MS 同时测定火腿中7 种元素的方法，通过正交试验设计对消解条件进行优化，综合分析，最佳条件为硝酸用量8 mL，最高温度180 ℃，保持时间10 min，压力3 MPa。在此条件下，样品的加标回收率在94.8%～102.0%，相对标准偏差（n=8）≤5.3%，用3 种标准物质进行准确度考察，各元素的测定结果均在标准值范围内，表明方法回收率好，准确度、精密度高，能够满足火腿中多元素的日常检测要求。