超级微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定婴幼儿奶粉中钙和磷的含量

陈晓敏，吴嘉文，胡雯艳，陈韵，郑灿松

（广州市食品检验所，广州 511400）

0 引 言

钙和磷是人体必需的营养成分，具有重要的生理作用[1]，它们参与生命活动的各项代谢过程，是维持骨骼和牙齿的必要物质[2]。婴幼儿奶粉是婴幼儿除母乳外重要的营养来源之一，其中钙和磷是重要的营养指标，适宜的钙磷比对婴幼儿生长发育至关重要，缺乏对磷的摄取会引起骨骼及牙齿发育不正常、贫血和佝偻病等[3-4]，而摄入过多的磷会使血液中钙的含量降低导致骨质疏松[2]。GB10765—2021《食品安全国家标准婴儿配方食品》[5]和GB10767—2021《食品安全国家标准幼儿配方食品》[6]中，对各阶段的婴幼儿奶粉中钙、磷以及钙磷比值在限量方面均有详细的规定。因此，准确地测定婴幼儿奶粉中的钙和磷的含量，确保合理的钙磷比值非常重要。

现行标准中婴幼儿奶粉中钙和磷的检测主要采用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）[7-8]，近年来有较多学者对该方法在婴幼儿奶粉中的检测进行研究和优化[9-11]。随着分析技术的发展，仪器设备的更新换代，多元素同时快速准确测定的方法不断更新。电感耦合等离子体质谱法（ICP-M S）具有低检出限、高灵敏度、快速响应、宽线性范围等优点，能减少样品稀释，能够实现大批量的检测以及多元素同时分析检测，是国内外元素分析领域中最先进的方法之一[12-13]。现有标准GB5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》中第一法ICP-M S 法适用于食品中钙的测定，但磷的测定方法尚未形成食品安全国家标准[14]。主要原因是磷属于非金属元素，电离能力较低，同时也存在SiH、NOH 和NO 等多原子离子的质谱干扰，灵敏度较低。婴幼儿奶粉中钙和磷的测定结果会影响到钙磷比值的判断，因此采用统一的检测方法，使用同一种仪器进行钙和磷含量的同时测定尤为重要。随着仪器抗干扰技术的发展，加之奶粉中钙和磷的含量较高，ICP-M S 法通过技术消除质谱和基质的干扰，能做到准确定量。因此，建立ICP-M S 法同时测定婴幼儿奶粉中的钙和磷的含量具有较好的应用前景。

奶粉强化了多种营养物质，基质相对复杂，采用ICP-M S 法检测时会有多种离子干扰和同位素干扰，选择合适的前处理的方法可以适当除去部分干扰。普通微波消解法是目前使用较广泛的无机前处理方法，但由于普通微波消解难以将奶粉中有机成分彻底消解成无机态，消解后会留存大量的碳、氮等共存元素，产生的基体抑制效应，影响钙和磷的准确测定[15]。超级微波消解技术被称为打破样品无机检测预处理瓶颈的消解新技术[16]，采用的预加压消解技术能够在很高的温度和压力下工作，即使是难消解的样品也能够完全消解。超级微波消解具有安全环保、用酸量少、引入的污染少、消解效果好等优点，是测定无机元素更简便、消解更完全更彻底、能快速批量化的消解方法[17-19]。

本文采用超级微波消解技术对婴幼儿奶粉试样进行消解，利用电感耦合等离子体质谱仪对奶粉中钙和磷含量同时进行测定，通过一系列指标进行验证，研究该方法的可行性，对现有国家标准规定外的方法进行探索和研究，为婴幼儿奶粉中磷和钙含量同时测定提供新的方法参考。

1 材料与方法

1.1 试剂与材料

钙磷混合标准溶液（钙浓度为3 750 μg/m L，磷浓度为2 500 μg/m L），美国N silab solutions；内标混合溶液（钪浓度为100 μg/m L），安捷伦科技有限公司；硝酸（UP 级），苏州晶瑞；调谐溶液（1μg/L），安捷伦科技有限公司；婴儿奶粉中钙、磷质控样品，中国检验检疫科学研究院测试评价中心；奶粉，市售。

1.2 仪器与设备

7800 型电感耦合等离子体质谱仪，安捷伦科技有限公司；超级微波化学平台，莱伯泰科；电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；石墨赶酸仪，广州基创仪器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品前处理

采用超级微波消解法：称取约0.50 g 样品于石英消解管中，加入5 m L 硝酸溶液，尽量让酸液浸没样品。将样品盘挂到样品盘位，操作台上行锁紧，并向腔体内充入氮气，气表压力调至0.3～0.5 M Pa，仪器自动运行消解程序进行消解，参考条件如表1 所示。待消解过程完成后，降温，泄压，取出样品盘。将样品置于石墨赶酸仪上，设置100 ℃加热30 min，用一级水定容至50 m L，混匀，待测。同时做空白试验。

表1 超级微波化学平台的消解程序

1.3.2 样品测定

配制标准系列，分别为0、1.50、7.50、15.0、30.0、75.0、120、150 m g/L 的钙标准系列溶液和 0、1.00、5.00、10.0、20.0、50.0、80.0、100 m g/L 的磷标准系列溶液。配制好内标使用溶液，浓度为10.0 m g/L。

根据优化的仪器参数条件，调谐通过后，将配制好的混合标准系列溶液注入ICP-M S 仪器中，测定钙、磷元素和内标钪元素的信号响应值，以钙、磷元素的浓度为横坐标，钙、磷元素与内标元素响应信号值的比值为纵坐标，绘制标准曲线。将待测的空白溶液和试样溶液分别注入ICP-M S 仪器中，测定钙、磷元素和内标钪元素的信号响应值，根据标准曲线计算得到待测液中钙、磷元素的浓度。

2 结果与讨论

2.1 参数的选择和优化

仪器参数主要考察射频功率、等离子体流量、质量数以及分析模式等对被测元素的影响。ICP-M S 法分析过程中主要存在质谱干扰和非质谱干扰两大类。

质谱干扰主要包括同量异位素干扰、多原子离子干扰以及双电荷干扰。选择合适的质量数能减少质谱干扰：磷是单同位素，31P 丰度比100%，因此选择31P 作为待测质量数。钙元素有多个同位素，其中40Ca 丰度比最大为96.9%，但会受到来自等离子体40Ar 的干扰；44Ca 丰度比2.1%，排列第二，但容易受到双电荷离子88Sr++及分子离子CO2和SiO 的干扰；43Ca 干扰少，丰度比0.135%,相对较低，但由于奶粉中钙的含量水平较高，能满足检测的灵敏度的需求，综合考虑选择43Ca 作为待测质量数。同时，消除质谱的干扰常用的方式就是选择合适的碰撞模式。绝大多数的质谱干扰可以通过使用碰撞模式（H e 模式）消除干扰，氦气是惰性气体，He 模式利用非反应过程消除干扰，不产生离子分子的种类变化，具有通用性，故本研究采用氦气模式进行实验。

在ICP-M S 方法中，消除基质的干扰最常用的方式就是使用内标校正。内标选择的原则主要有：化学性质稳定、且基体中不含或含量较低的元素；内标质量数与待测元素接近的元素；内标元素和待测元素之间的质谱干扰或干扰较低。现有参考标准中推荐选择45Sc 或72Ge 作为钙的内标元素，本研究为快速、准确同时测定钙和磷的含量，考虑到磷的质量数为31P，因此选择45Sc 作为本研究中钙和磷的共同内标元素。

通过综合考虑元素的灵敏度和稳定性，选择合适的参数，使用1 μg/L 质谱调谐液，对ICP-M S 仪器测定时的工作条件进行优化，确定本研究中使用仪器参数条件，如表2 所示。

表2 电感耦合等离子体质谱仪的参数

2.2 线性范围及方法检出限

将配制好的混合标准系列溶液注入仪器中，内标溶液在线加入，绘制标准曲线。将连续测量11 次空白溶液，以响应值的3 倍标准偏差计算检出限，以响应值的10 倍标准偏差计算定量限。测定结果如表3所示。

表3 ICP-MS 方法的线性范围、检出限及定量限

婴幼儿奶粉样品以称样量为0.5 g，定容体积为50 m L，计算检测方法检出限和方法定量限；同时参考文献[14] 中现有方法的要求，进行方法间的检出限及定量限的比较，结果如表4 所示。

表4 方法间检出限和定量限的比较情况

从表3 和表4 的结果分析，可以看出电感耦合等离子体质谱法测定婴幼儿奶粉中的钙的线性范围为0~150 m g/L，磷的线性范围为0~100 m g/L，线性相关系数R2大于0.9995，钙和磷的方法检出限分别为0.527 m g/kg 和0.232 m g/kg，方法定量限分别为1.75 m g/kg和0.774 m g/kg，ICP-M S 法测定的方法检出限及定量限均低于现有标准中规定，说明该方法的线性范围宽，线性关系良好，灵敏度高，能满足检测分析需求。

2.3 方法精密度和准确度

为验证方法的精密度和准确度，以婴儿奶粉中钙、磷质控样品作为测定样品，称取7 个平行样品，样品采用超级微波消解法进行消解前处理，ICP-M S 仪器对样品中钙和磷含量进行测定，计算7 个平行样品含量的相对标准偏差RSD，并将平均含量与标准物质证书值进行比较。样品同时采用标准方法ICP-OES法测试，进行结果比对。试验结果如表5 所示。

表5 样品精密度和准确度(n=7)

从表5 ICP-M S 法测定结果分析，7 次平行样品间的钙和磷的相对标准偏差RSD 分别为0.67%和1.17%，满足GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范食品理化检测》中精密度的规定：被测组分含量为1 000~10 000 m g/kg ，精密度要求RSD 为3.8%~5.3%；婴儿奶粉中钙、磷质控样品的7 次平行测定结果钙和磷含量平均值分别为591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g，根据质控样品证书要求：钙特性值为604.5 m g/100 g，区间为567.5~641.5m g/100g；磷特性值为：385.8m g/100g，区间为371.8~399.8 m g/100 g。本次质控样品测定结果均在特定值区间内，钙和磷含量测定平均值与特性值偏差范围分别为2.08%和0.57%，满足GB/T 27404—2008中准确度的规定，被测组分含量为1 000~10 000 m g/kg的偏差范围＜10%。同时，从ICP-M S 法与ICP-OES 法测试结果比对分析，2 个方法的平均值结果偏差范围分别为3.13%和0.87%，结果满意。通过以上的验证结果，表明该方法的精密度好，准确度高，能满足分析需求。

2.4 加标回收率

为进一步验证ICP-M S 法对于婴幼儿奶粉该类样品基质的可行性，以婴儿奶粉中钙、磷质控样品作为测定样品，以重复性试验中7 次平行样品的钙和磷含量平均值分别为591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g作为基准，按其测定值的80% 、100% 、120%的加标量进行3 水平加标试验，每个水平浓度均进行3 份平行样品测定。3 水平的加标测试结果如表6。

表6 加标回收率结果(n=3)

从表6 ICP-M S 法的加标回收测试结果分析，3个不同水平的加标试验结果中钙和磷的加标回收率范围分别为：96.3%~102.3%和102.3%~104.4%，相对标准偏差范围分别为：0.66%~2.28%和0.63%~1.10%，满足GB/T 27404—2008 中回收率范围的规定，被测组分含量＞100 m g/kg 时，回收率范围为95%~105%；说明该方法适用于婴幼儿奶粉基质的样品分析测试。

2.5 实际样品测定

随机选取市售的不同品牌，不同年龄段数12 款婴幼儿奶粉，采用本研究方法进行检测，并与标准方法ICP-OES 法进行方法比对，比对结果如表7所示。

表7 婴幼儿奶粉的测定结果(n=3)

从表7 实际样品的测定结果分析：ICP-M S 法测定的12 款婴幼儿奶粉中钙和磷的含量的相对标准偏差RSD 小于3.88%；同时采用成对双样本均值T检验分析评价ICP-M S 法和ICP-OES 法2 种方法的实验结果：钙结果评价：t=-0.2766，置信度P=0.394＞0.05；磷比对结果评价：t=1.518，置信度P=0.079＞0.05，根据统计学分析2 种方法在实际样品的检测不存在统计学差异。结果表明，该方法在实际样品分析中精密度好，能满足日常产品的检测需求。

3 结 论

研究建立了超级微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定婴幼儿奶粉中钙和磷含量的方法。根据婴幼儿奶粉脂肪含量大，强化营养物质，基质复杂等特点，选择采用消解更完全更彻底、酸用量少、引入污染少、安全、环保的新型的消解技术-超级微波消解作为样品前处理手段。通过标准物质比对、加标回收试验以及方法比对等手段进行方法学验证，结果表明该方法线性范围宽，检出限低，准确度高，精密度好，基质效应低，适用于婴幼儿奶粉中钙和磷的同时测定，能为今后婴幼儿奶粉中钙和磷含量同时测定提供方法参考和依据。