微波消解-电感耦合等离子体质谱法同时测定婴幼儿配方奶粉中9 种元素

许文琪，赵华楠，刘华，王诗凝，李邦进，李光伟，许锦华

（国家加工食品质量监督检验中心（福州）福建省产品质量检验研究院，福州 350002）

0 引 言

婴幼儿配方奶粉是婴幼儿除母乳外摄取营养物质的主要来源之一[1]。是婴幼儿健康成长的重要营养保障[2]。婴幼儿配方奶粉中营养元素如钙、铁、锌、锰、铜、钾、碘等，是有利于婴幼儿的身体及智力发育的重要物质[3]，摄入的矿物质元素过多或者过少，均会危害婴幼儿身体健康[4-7]。因此，婴儿配方奶粉中营养元素的检测十分重要。

目前我国婴幼儿配方奶粉中营养元素检测的主要方法为原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、电感耦合等离子体质谱法（ICPM S）[8-13]。由于奶粉中各营养元素的样品前处理方法不一[14-15]，使用的分析仪器不同，检测方法多样[16-20]，导致婴幼儿配方奶粉中各元素含量的检验周期较长。部分元素用同一种前处理方法和同一种分析仪器进行同时测定，则可大大缩短检验时间[19]，以满足生产质量控制中快速、大批量检测的需求。因此，奶粉中多元素的同时检测成为奶粉分析检测领域的重点研究对象。目前，检验婴幼儿配方奶粉中钙、铁、锌、锰、铜、钾、碘等营养元素分为2 个标准，分别为GB 5009.267—2020《食品安全国家标准食品中碘的测定》第一法和GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》第二法[13,21]。其中，碘与钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌等其他元素的常规检测不能同时进行，需要至少2次前处理，2 种仪器，耗时3 d 以上，这使得奶粉中营养元素的检测效率明显降低。因此，有必要建立婴幼儿配方奶粉中多元素快速、准确、灵敏的分析方法。本研究建立了ICP-M S 同时检测婴幼儿配方奶粉中总碘、钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌9 种元素的新方法。本方法前处理简单，检测周期短，检测效率高、灵敏度高、检出限低、选择性好，为婴幼儿配方奶粉中的多元素快速检测提供了简单高效的方法。

1 材料与方法

1.1 材料

硝酸（优级纯），德国CNW 公司；氩气（≥99.995%）、氦气（≥99.995%）、25%四甲基氢氧化铵水溶液（分析纯）、TM AH，过氧化氢溶液（分析纯），国药集团化学试剂有限公司；婴配方奶粉质控样，中国检验检疫科学研究院测试评价中心；奶粉，市售。

碘的单标储备液（1 000 μg/m L），钾、钠、钙、镁混合标准储备液（100 μg/m L），铜、锰、铁、锌混合标准储备液（1 000 μg/m L），钪元素标准溶液（1 000 μg/m L），锗元素标准溶液（1 000 μg/m L），铟元素标准溶液（1 000 μg/m L），铼元素标准溶液（1 000 μg/m L），锂、钇、铈、铊、钴混合溶液（1.0 ng/m L），均购于国家有色金属及电子材料分析测试中心。

1.2 主要仪器

BSA224S 电子天平，德国赛多利斯科学仪器有限公司；M ars.6 微波消解仪，美国CEM 公司；7700E 电感耦合等离子体质谱仪，美国安捷伦公司。

1.3 样品制备

1.3.1 试剂配制

5% 硝酸溶液：硝酸和水按照V（硝酸）∶V（水）=5∶95 比例配置。

5% TM AH 溶液：取50 m L 25% TM AH 溶液，用水稀释定容至250 m L。

配置液：取硝酸、25% TM AH 溶液和水按照V（硝酸）∶V（25% TM AH）∶V（水）=3∶10∶37 的比例制成配置液，用于配制标准溶液和稀释样品溶液。

1.3.2 样品前处理

准确称取0.2 g（精确至0.001 g）样品，加入2 m L水、3 m L 硝酸、1 m L 过氧化氢置于聚四氟乙烯消解管内，旋紧罐盖，经微波消解仪消解。冷却静置过夜，加入10 m L 25% TM AH，混合均匀，转移至50 m L 比色管中，用水冲洗消解管内壁3 次，一并转移至比色管中，定容、摇匀。同时做空白试验。

1.3.3 标准溶液配置

吸取适量碘标准储备液，用配置液逐级稀释成0.100、0.500、1.0、5.00、10.0、20.0 μg/L 的碘标准使用液，吸取适量钾、钙、钠、镁混合标准储备液，用5%硝酸溶液逐级稀释成2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 m g/L的钾钙钠镁混合标准使用液，吸取适量铜、锰、铁、锌标准储备液，用配置液逐级稀释成2.00、5.00、10.00、20.00、50.00、100.00、200.00、500.00、1 000.00 μg/L 的铜锰铁锌混合标准使用液。

1.3.4 内标溶液配制

分别移取钪、锗、铟、铼元素标准溶液各100 μL，用5%硝酸定容至100 m L，配得1.00 m g/L 混合内标使用液。在线加入1.00 m g/L 混合内标使用液。

1.4 仪器条件

以1.0 ng/m L 锂、钇、铈、铊、钴混合调谐液对ICP-M S 进行优化调整。最佳仪器工作条件如下：射频功率1 550 W，等离子气流速15 L/min，载气流速1.0 L/min，辅助气流速1.0 L/min，氦气流量4~5 m L/min，雾化器为高盐/同心雾化器，温度2 ℃；检测模式：He碰撞池模式；检测元素质量数：39K，43Ca，23N a，24M g，63Cu，55M n，56Fe，66Zn，127I；内标：45Sc，72Ge，115In，185R e。

2 结果与讨论

2.1 前处理条件优化

国家标准中对碘元素检测的前处理为使用四甲基氢氧化铵于（85±5）℃提取3 h，而奶粉内含有丰富的蛋白质、维生素等复杂成分，杂质会干扰目标化合物的定量，会出现提取率低，对截取锥造成污染等问题，从而影响检测结果的准确性。目前已有研究通过采用盐析法、沉淀蛋白法以达到去除杂质的目的，但其试剂为乙酸锌和亚铁氰化钾，使用ICP-M S 检测时会引入大量的锌、铁离子，易对仪器造成污染，且前处理步骤较为复杂费时[22-23]。有文献报道单纯提取碘的方法不能断开碘与甲状腺蛋白的结合和去除脂肪，由此造成含脂肪奶粉中碘含量的检测结果偏低[24]。因此，本研究通过采用微波消解技术，并加入过氧化氢来改善杂质干扰、提取率低等问题。

2.1.1 消解时间的选择

考虑微波消解时间不够导致消解不充分对检测结果产生的影响，需要对微波消解时间进行优化。将奶粉质控样品分成4 组，设置不同的消解时间（10、15、20、25 min），比较不同时间的消解效果。结果表明，不同的消解时间下，样品溶液澄清度和颜色有很大差异。消解时间低于20 min 的样品溶液，颜色偏黄且有明显的微粒残留。而消解时间在20～25 min 时，奶粉样品完全溶解，溶液清澈透明，没有明显微粒残留，20 min和25 min 的测定结果没有显著差别。为提高检测效率，本试验消解时间以20 min 为最佳。

2.1.2 消解温度的选择

微波消解温度设置过低会导致消解不充分，过高可能造成碘元素损失。因此，需要对消解温度进行优化。本研究选用奶粉质控样，按照步骤1.3.2 处理样品，步骤1.4 条件检测，测试不同消解温度对各元素的影响。设置60、80、100、160、180、200 ℃6 个不同的消解温度。结果表明：奶粉样品在60、80、100 ℃的温度下会有微粒残留，消解不完全。在160 ℃至180 ℃的温度下消解完全，各元素含量随温度的升高而增大。但在200 ℃的时候，碘含量却开始有降低的趋势，结果见图1 所示。所以，综合考虑各元素消解情况，本次实验微波消解温度设置为180 ℃为最佳。

图1 消解温度对奶粉质控样中碘含量测定的影响

2.1.3 TM AH 浓度的选择

奶粉中广泛存在的元素在酸性条件下较为稳定，而碘在酸性溶液中容易生成碘化氢，极易造成碘含量的损失。丁玉龙等[25]通过加入氨水或氢氧化钠调节提取溶液的酸度使碘与其他元素共存于弱碱性溶液中，但由于碘的记忆效应较大，极易对仪器造成堵塞和损耗。而TM AH 提取可在很大程度上消除ICP-M S 法测定碘的记忆效应[26]。因此，本研究选用奶粉质控样，采用聚四氟乙烯消解罐消解，TM AH 溶液作为提取液，测试不同浓度TM AH 溶液对各元素含量测定的影响。设置5 个不同浓度（分别加入0、5、10、15、20 m L的25%TM AH）的提取溶液，按照步骤1.3.2 处理样品后，步骤1.4 条件检测，结果如图2 所示。结果表明，加入0~10 m L 25% TM AH 溶液，随着25% TM AH 溶液加入体积的增加，碘的含量也随之增加，而加入10 m L以上25%TM AH 溶液时，碘含量几乎没有变化。而对钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌8 个元素而言，加入0~20 m L 25%TM AH 溶液时，随着25% TM AH 溶液加入体积的增加，含量几乎无影响。由于TM AH 溶液有毒且有较强的腐蚀性，综合考虑，本实验选择加入10 m L 25%TM AH 溶液时为最佳。

图2 25%TMAH 加入量对奶粉质控样中碘含量测定的影响

综上，本实验选择微波消解温度为180 ℃，消解时间20 min，加入10 m L 25% TM AH 溶液作为提取液为最佳的前处理实验条件。

2.2 ICP-M S 条件的优化

奶粉基质比较复杂，各种元素含量不同，在仪器上的干扰不同。电感耦合等离子体质谱的干扰主要有质谱干扰和非质谱干扰，因此对仪器进行状态调谐优化，采用氩气保护消除质谱型干扰，同时在线加入内标元素消除基体干扰和信号漂移的影响，可克服非质谱型干扰，可以极大改善分析精度。为了使检测结果准确可靠，测定过程中采用在线内标法。考虑到单个内标有时候不能完全准确地反应基体效应的影响，尤其是对空间电荷效应的校正，当质量数有所差距时，可能产生不准确校正。因此本实验采用虚拟内标校正的方法，即将4 个内标元素的校正因子经过特定的拟合方式推算出一个虚拟的内标因子（VIS），这样的校正方式可以提高定量的准确性。

2.3 标准曲线、相关系数及检出限、定量限

在1.3.2 消解条件下，1.4 仪器工作条件下进行检测。以元素的质量浓度作为横坐标，元素与内标元素反应信号的比值为纵坐标，并绘出碘、钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌标准曲线，通过元素浓度x 和所得信号度CPS 比率y 进行回归分析，得到回归方程和相关系数；连续测定11 次空白溶液，根据测定值的3 倍标准偏差计算得到仪器检出限。当试样取样量为0.2 g，定容体积为50 m L 时，计算方法的检出限及定量限（按照仪器检出限乘以稀释倍数计算得出方法检出限，3倍检出限即为定量限），如表1 所示。

表1 各元素线性方程、相关系数及检出限

2.4 方法回收率和精密度

在1.3.2 消解条件下，1.4 仪器工作条件下进行检测。对奶粉样品进行3 个不同浓度，6 平行水平加标回收试验，计算RSD，结果如表2 所示。奶粉中各元素的加标回收率在85.7%～107%之间，表明该法能准确测定奶粉中的总碘、钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌9 种元素含量。相对标准偏差在0.06%～4.69%之间，表明该方法具有良好精密度。

表2 各元素加标回收试验结果（n=6）

2.5 方法准确性验证

在1.3.2 消解条件下，对婴儿配方奶粉标准物质QC-IP-701 进行处理，在1.4 仪器工作条件下进行测定，对本方法的准确性进行评价。结果如表3 所示，9种元素测试值在均在证书值的范围内，表明所建立的方法是准确可靠的。

表3 标准物质检测结果

2.6 实际样品的测定

选取市售的7 款婴幼儿配方奶粉，在1.3.2 消解条件下，对样品进行处理，在1.4 仪器工作条件下进行测定。同时，取相同样品按照GB 5009.267—2020《食品安全国家标准食品中碘的测定》第一法和GB 5009.268—2016《食品安全国家标准食品中多元素的测定》第二法进行测定，与本实验建立的方法进行比较，表4-表12 为7 款婴幼儿配方奶粉样品（n=6）中各元素含量测定的方法比较结果，且对所得结果采用G raphpad Instat 3.0 统计软件分析，对样本进行配对t-检验。

表4 钠元素含量测定（mg/100 g）

表5 镁元素含量测定（mg/100 g）

表6 钾元素含量测定（mg/100 g）

表7 钙元素含量测定（mg/100 g）

表8 铜元素含量测定（μg/100 g）

表9 锰元素含量测定（μg/100 g）

表10 铁元素含量测定（mg/100 g）

表11 锌元素含量测定（mg/100 g）

表12 碘元素含量测定（μg/100 g）

结果表明，本方法与食品安全国家标准方法比较，结果显示相对误差均小于10%，且对样本进行配对t-检验，分析得9 种元素的P值均大于0.05，由此得出，本实验方法与国标方法的检测结果无统计学差异，表明本方法可适用于婴幼儿奶粉中多元素含量的同时测定。

3 结 论

建立了微波消解-ICP-M S 法同时测定婴幼儿配方奶粉中的总碘、钾、钙、钠、镁、铜、锰、铁、锌9 种元素的新方法。比较本方法与国标方法分别对市售的7款婴幼儿配方奶粉中9 种元素进行的测定的结果，相对误差均小于10%，且对样本进行配对t-检验，分析得9 种元素的P值均大于0.05，本方法与国标方法的检测结果无统计学差异，表明本方法可适用于婴幼儿奶粉中多元素含量的同时测定。本方法极大缩短了检测时间，提高了检测效率，且具有较高的回收率和重现性，更为方便准确，并解决了杂质干扰以及提取率低等问题，为奶粉中多种元素的同时测定提供了一种新思路。