前处理过程对电感耦合等离子体-质谱法测定乳粉中多种元素含量准确性的影响

黄晓燕，宁月莲，刘丽君，岳 虹，李翠枝

（内蒙古伊利实业集团股份有限公司，内蒙古 呼和浩特 010110）

电感耦合等离子体-质谱（inductively coupled plasmamass spectrometry，ICP-MS）法是近几十年发展最快的无机痕量元素分析技术之一，由于其具有灵敏度高、检出限低、干扰少、准确度高、精密度好等特点，应用十分广泛。目前用ICP-MS仪检测样品中多元素的方法已经很普遍，在食品[1-3]、包装[4]、医学[5-6]、地质环境[7-8]等多个行业领域都已经形成成熟的方法体系。铅、镉、铬、铝、砷、钼、硒、镍等元素在乳品中存在广泛，且其含量检测一直受到国内外消费者的关注和监管者的重视，用ICP-MS法检测乳粉[9]、液态乳[10-11]、酸乳[12-13]、奶酪[14]中各种元素的方法研究也层出不穷，但是由于乳制品中污染元素含量较低，加上其自身基质复杂、干扰因素多等特点，样品前处理也成为乳品金属元素检验中比较关键的步骤，直接影响分析结果的精密度和准确度，为了满足对各种元素的检测要求，需确定样品前处理对元素检测过程准确性和稳定性的影响。

元素检测的样品前处理主要包括消解和赶酸，消解方式的不同经过了许多研究者的论证，微波消解与其他方式相比最安全、方便、有效[15-16]，所以本研究只论证赶酸处理对元素检测的影响。目前常用的GB 5009.268—2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》[17]中，ICP-MS法检测多元素时，样品前处理消解后仅赶走酸雾，直接定容上机测定样品中的元素含量，这样长期积累的酸气会对仪器设备造成腐蚀，对人体的眼睛和呼吸系统有所伤害，对实验室环境造成污染。

本研究对前处理赶酸方法进行对比实验，确定前处理赶酸过程对实验准确性的影响，经过实验分析验证称样量、赶酸时间和赶酸剩余量对实验结果的影响，为乳品中多元素检测提供参考，为企业风险控制提供技术保障。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

乳粉共6 种，分别来自欧盟能力验证样品Fapas07318、Fapas07284、Fapas07346、标准物质BD150和一级国家标准物质GBW115、GBW116。

硝酸（高纯试剂，杂质含量ppb级） 加拿大Fisher公司；经国家认证并授予标准物质证书的多元素标准贮备液（包含元素Al、As、Cd、Cr、Pb、Se、Ni、Mo，各元素质量浓度均为100 μg/mL）、经国家认证并授予标准物质证书的多元素内标标准贮备液（包含元素Bi、Ge、In、Li、Re、Rh、Sc、Y，各元素质量浓度均为100 μg/mL） 美国O2Si公司；ICP-MS调谐溶液美国Agilent公司；去离子水为GB/T 6682—2008《分析实验室用水规格和试验方法》规定的一级水；氩气（纯度≥99.995%）、氦气（纯度≥99.995%） 紫瑞气体有限责任公司。

1.2 仪器与设备

8800 ICP-MS仪 美国Agilent公司；MARS6密闭微波消解系统（配有聚四氟乙烯消解罐） 美国CEM公司；AL-204电子天平 瑞士梅特勒-托利多公司；EHD40赶酸仪 东方科创生物技术有限公司；GenPure Pro UV超纯水机 美国Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 校准溶液的配制

标准溶液的配制：用体积分数5%硝酸溶液将混合标准溶液（100 μg/mL）逐级稀释成质量浓度分别为0、0.10、0.50、1.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 ng/mL的系列标准工作液。

内标使用液的配制：取适量内标标准贮备液，用体积分数5%硝酸溶液配制质量浓度500 ng/mL的内标使用液。

1.3.2 样品前处理

称取乳粉样品0.20～0.30 g（精确至0.000 1 g），进行微波消解，冷却后按照选择的赶酸方式赶酸，赶酸后用去离子水定容，混匀备用，同时做空白实验。

1.3.2.1 样品消解

样品前处理消解方式有干法灰化、湿法灰化、微波消解法和高压消解法，干法灰化取样量大、结果精密度较好，但是耗时长，易造成部分重金属元素的损失和样品污染，适合处理微量元素；湿法灰化耗时长、酸用量大、对环境和人员危害较大，准确度也较低[18-19]；高压消解耗时长、效率低[20]；微波消解法是利用微波能量加热消解罐中的样品，管内的化合物、酸等可以快速吸收能量，最大限度发挥酸的作用，减少污染，提高效率[21-23]，适用于多元素的测定。

微波消解：称取样品于微波消解罐中，加入10 mL硝酸，旋紧罐盖，放入微波消解仪中，消解程序见表1。由于乳品样品的油脂含量较高，较低的消解温度对样品消解不彻底，样液容易产生浑浊，影响目标元素测定的稳定性。在195～200 ℃条件下，可保证消解液澄清透明，考虑到微波消解仪的使用性能和实验效率，选择200 ℃；处理样品量少于16 个时可选择800 W功率，本实验中消解平行样品量较大，超过16 个样品，应选择1 600 W功率。

表 1 微波消解仪消解程序Table 1 Microwave digestion program

1.3.2.2 样液赶酸

微波消解完成后，对于样液分别使用仅赶走酸雾（GB 5009.268—2016）和赶酸剩余量为0.5～1.0 mL 2 种赶酸方式赶酸，冷却后用纯水定容，上机测定，进行对比分析。

A方法（赶酸剩余量0.5～1.0 mL）：冷却后取出消解罐，在赶酸仪上于160 ℃赶酸至样液剩余量为0.5～1.0 mL；消解罐放冷后，将消化液转移至10 mL容量瓶中，用少量去离子水洗涤消解罐2～3 次，合并洗涤液于容量瓶中并用去离子水定容，混匀备用，同时在不加试样的情况下按照与样品处理相同的方法作空白实验。

B方法（仅赶走酸雾，赶酸剩余量约10 mL）：按照国标要求消解冷却后缓慢泄压打开罐盖排气，用少量去离子水冲洗内盖，将消解罐放在控温电热赶酸仪中，于100 ℃加热30 min或超声脱气2～5 min，此时样液赶酸剩余量约为10 mL，用去离子水定容至25 mL，混匀备用，同时在不加试样的情况下按照与样品处理相同的方法作空白实验。

1.3.3 ICP-MS仪器条件

分析模式为碰撞反应池模式，采样模式为质谱图，硒（Se）、镍（Ni）和砷（As）的内标选择锗（Ge），铅（Pb）的内标选择铋（Bi），钼（Mo）和镉（Cd）的内标选择铑（Rh），铬（Cr）和铝（Al）的内标选择钪（Sc）；采样锥和截取锥为镍锥；射频功率1 550 W；同心雾化器；等离子体气流量15 L/min；载气流量0.65 L/min；辅助气流量0.55 L/min；氦气流量4 mL/min；雾化室温度2 ℃；采样深度10.0 mm[24]。

1.3.4 结果计算

试样中的元素含量按照下式计算。

式中：X为试样中待测元素含量/（mg/kg）；ρ为试样溶液中被测元素质量浓度/（ng/L）；ρ0为试样空白液中被测元素质量浓度/（ng/L）；V为试样消化液定容体积/mL；n为试样稀释倍数；m为试样称取质量/g；1 000为换算系数。

1.4 数据处理

采用Office Excel对数据进行整理统计，计算数据的标准偏差和平均值，采用Minitab 16软件对数据进行单因素方差分析和折线图绘制。

2 结果与分析

2.1 样液赶酸方法的选择

单因素方差分析得出，在95%置信度下，A与B赶酸方法对铅、镍的检测结果无显著差异，铝、钼、铬、硒、镉、砷的检测结果有显著差异（P＜0.05）。

由表2可知，A与B赶酸方法对样液中铅、铝、钼、镍、铬元素含量检测结果的偏差均小于20%，对样液中硒、砷、镉元素含量检测结果的偏差均大于20%。A赶酸方法的检测结果平均值与标准样中位值的偏差均小于10%，B赶酸方法的检测结果平均值与标准样中位值的偏差较大，其中硒、砷、镉元素的检测结果平均值与标准样中位值偏差远大于20%。总体比较，A赶酸方法检测结果更准确。

表 2 2 种赶酸方法的元素含量测定结果对比（n=6）Table 2 Comparison of residual amount of acid after acid removal by two different methods (n = 6)

2.2 样液赶酸时间和样品称样量的选择

由2.1节分析可知，硒、砷、镉元素的B赶酸方法检测结果比A赶酸方法偏小，且与标准值结果相比偏差均超过20%，需验证不同赶酸时间和样品称样量对检测结果的影响。本研究选用标准物质，采用不同的称样量和赶酸时间，将赶酸时间和赶酸剩余量对应，保证赶酸剩余量的一致性，每个组合（对应关系见表3）分别测定6 个值，赶酸温度设定为160 ℃。

表 3 不同称样量和赶酸时间的组合Table 3 Combinations of sample size and acid removal conditions

标注用Z比分数评价后|Z|≤2时样品的最高限、最低限、中位值和均值，由图1～2可知，砷和硒元素的检测结果在赶酸97.5 min、称样量0.250 0 g、赶酸剩余量约1.0 mL时均在标准范围的最高限与最低限之间，检测结果最准确。由图3可知，3组、4组和5组镉元素的检测结果均在最高限与最低限之间，考虑到称样量0.100 0 g较少，代表性不强，0.400 0 g容易出现消解不完全，而且多元素同时检测时要求前处理具有一致性。得出最佳选择为赶酸时间97.5 min、称样量0.25 g、赶酸剩余量约1.0 mL，该条件下检测值准确性较高。

2.3 方法精密度

结合2.1、2.2节实验结果，将A方法中的赶酸剩余量定为1.0 mL，验证对于铅、铝、钼、镍、铬元素不同赶酸方法的重复性。由表4可知，方法的重复性测定结果变异系数为1.1%～9.8%，铅、铝、钼、镍、铬元素的测定结果变异系数满足GB/T 27404—2008《实验室质量控制规范 食品理化检测》[25]要求：被测组分含量为1 mg/kg时，实验室内变异系数应≤11%，被测组分含量为10 mg/kg时，实验室内变异系数应≤7.5%。并且A与B赶酸方法的检测结果偏差均小于10%，表明2 种赶酸方法测定精密度均良好。为了减少硝酸对环境的污染和对人体、设备的伤害，最佳选择为A赶酸方法，且样液赶酸剩余量定为约1.0 mL。

表 4 精密度实验结果（n=6）Table 4 Results of precision test (n = 6)

2.4 方法准确度

依据2.2、2.3节实验结果，应选择称样量0.25 g（精确至0.000 1 g）微波消解样品，赶酸温度160 ℃、赶酸时间97.5 min、赶酸剩余量约1.0 mL，对5 种标准物质中包含的8 种元素进行检测分析。由表5可知，检测结果与标准样的中位值相比，偏差均小于5%，满足10%～20%的偏差范围要求[25]，准确性良好。

表 5 标准物质的测定结果Table 5 Results of determination of standard substances by the developed method

3 结 论

本实验对ICP-MS法测定乳粉中多种元素含量时样品前处理的不同赶酸方法进行比较，结果表明，相比于仅赶走酸雾（B方法），赶酸处理（A方法）可以更大程度满足ICP-MS法对乳制品中多种元素测定的准确性，同时减少酸气对人体和设备的危害；与国标仅赶酸雾的方式相比，酸剩余量为1.0 mL的优势十分突出，有效降低了样品的酸度，并与标准溶液的酸度更加匹配，同时可以使用较小的定容体积，检测含量较低的元素时能更有效提升样液质量浓度在标准曲线范围内的合理性。本研究确定了不同前处理过程对ICP-MS法测定乳粉中多种元素含量准确性的影响，为乳制品的质量控制和食品安全风险评估提供了有效的技术保障，适合在企业及应用赶酸技术的机构推广和使用。