基于微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法同时测定饲料中22种元素含量的方法研究

钟名琴，黄婷，陈彤，丁燕玲，何玉榆，谭磊

摘  要：采用电感耦合等离子体发射光谱技术建立了饲料中钒、锡、锑、钴、硒、钼、钛、锶、锂、铁、铜、锌、锰、镍、铝、钡、硼、钙、镁、钠、钾、磷等元素的测定方法。样品前处理采用HNO3-H2O2体系进行微波消解，在优化的条件下，所建立的方法灵敏度好，检出限在0.011 4～13.7 mg/kg，优于或相当于相应的国家标准方法；线性范围宽，相关系数均高于0.999；精密度好，相对标准偏差小于7.0％（n=6），加标回收率在65.00％～108.7％。运用所建立的方法对其他饲料产品的适用性进行验证，测定结果令人满意。试验证明该方法简单、快速、高效，可用于配合饲料、浓缩饲料、预混合饲料、饲料原料等基质中22种元素的同时快速测定，为饲料中多元素质量控制的理想分析法。

关键词：电感耦合等离子体发射光谱法；微波消解；饲料；微量元素；同时测定

中图分类号：S859.84 文献标志码：A 文章编号：1001-0769（2022）05-0058-09

饲料是现代畜牧业的物质基础，是向动物提供营养、保证动物产品品质的必需投入品。饲料质量的安全不仅关乎着养殖业發展，而且关乎着畜禽产品质量的安全，与人民的身体健康息息相关[1]。微量元素在确保饲料质量方面占据了重要的位置，像是一把双刃剑。如镁、锰、铁、铜、锌、硒等元素是动物维持正常生理机能所必需的矿物质元素，适量使用能起到维持动物正常生理机能、帮助新陈代谢以及促进生长发育、繁殖、免疫等作用[2]，但是缺乏或者过量使用这些元素会影响动物的健康，使动物发生中毒[3-5]。日粮所含必需矿物元素的多少会影响动物的饲料利用率，还会由于各种元素的比例失调导致畜禽发生各种营养性疾病[6]。另外，矿物质元素造成的环境污染及它们在动物肝脏和肾脏等器官内累积可能会通过食物链危害消费者的健康。农业农村部对铁、锌、锰、碘、钴、硒等微量元素和钠、钙、磷、镁等常量元素在动物的配合饲料或全价混合日粮中的最高限量有明确的规定[7]。因此，对饲料中微量元素含量的检测、监测和控制是非常必要的，对动物饲养、市场监管等具有重要意义。

目前，有关饲料中微量元素的检测方法主要采用原子吸收光谱法[8-9]、原子荧光光谱法[10-11]、分光光度法[12-13]、滴定法[14]等，这些方法只能同时测定一种或几种元素，即便是多种微量元素同时前处理，上机检测时也需对各种微量元素逐项测定，操作步骤繁琐、分析周期长，有些微量元素的检出限也不够理想，不能实现多种元素的同时测定[15]。另外，前处理方法多数采用干灰化法[16]、湿法消解[17]等开放式体系，消耗试剂多，受空气暴露污染影响大，采用传统的干灰化法时被测成分易受污染或损失。

本文利用电感耦合等离子体发射光谱仪（inductively coupled plasma-optical emission spectrometry，ICP-OES）所具有的抗干扰能力强、分析速度快、检出限低、精密度和准确度高、线性范围广、适用于多种元素同时测定等特点，建立了一种微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法，可同时快速测定饲料中钒（vanadium，V）、锡（stannum，Sn）、锑（stibium、Sb）、钴（cobalt、Co）、硒（selenium、Se）、钼（molybdenum、Mo）、钛（titanium、Ti）、锶（strontium、Sr）、锂（lithium、Li）、铁（ferrum，Fe）、铜（copper，Cu）、锌（zinc，Zn）、锰（manganese，Mn）、镍（nickel，Ni）、铝（aluminium，Al）、钡（barium，Ba）、硼（boron，B）、钙（calcium，Ca）、镁（magnesium，Mg）、钠（natrium，Na）、钾（kalium，K）、磷（phosphorus，P）22种微量元素。采用密闭消解体系的微波消解技术，能大大缩短溶样时间，消耗溶剂少，避免挥发损失和样品污染，提高分析的准确度和精密度，还能极大程度地降低人工劳动强度，改善工作环境[18]。该方法操作简便且高效，是一种方便、快速、可进行批量检测的方法，能很好地满足大批量样品同时快速检测多种微量元素的工作需求，为相关监管部门开展饲料质量安全评估、从源头排除掌握风险因子提供可靠的技术支撑，促进畜禽饲养的绿色可持续发展。

1  材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1仪器与设备

Agilent 5110电感耦合等离子体发射光谱仪由美国Aglient公司生产，梅特勒XS105DU天平 （感量为0.1 mg）购自瑞士梅特勒-托利多公司，CEM MARS 6微波消解仪（配有聚四氟乙烯消解内罐）制造商为美国CEM公司，BHW-09C可调式控温电热板由上海博通化学科技有限公司提供，Milli-Q Integral 3型超纯水仪购自美国millpore公司。

聚四氟乙烯消解内罐和所有使用的玻璃器皿在使用前需用硝酸溶液浸泡过夜，用自来水反复冲洗后，用一级水冲洗干净并晾干。

1.1.2试剂与材料

除非另有说明，本方法所用试剂均为优级纯，水为按GB/T 6682-2016《分析实验室用水规格和试验方法》规定的一级水。

硝酸（HNO3）为优级纯或更高纯度；30％过氧化氢（H2O2），氩气（Ar）为含量≥99.995％的氩气或液氩。

硝酸溶液：取50 mL硝酸，缓慢加入950 mL一级水中，混匀。

微量元素贮备液 （1 000 mg/L）：钒、锡、锑、钴、硒、钼、钛、锶、锂、铁、铜、锌、锰、镍、铝、钡、硼、钙、镁、钠、钾、磷，采用经国家认证并授予标准物质证书的单元素或多元素标准贮备液。

0.45 μm水相针式滤膜（聚醚砜）。

1.2 样品制备

对于固体产品：用四分法缩减至250 g左右，研磨样品直至能全部通过1 mm的筛，混匀，将不少于100 g的试样量装入密闭广口容器，立即密封。

对于液体或半液体产品：用机械搅拌器或均质器，将样品充分混合后装入清洁干燥的样品容器（最好是玻璃或塑料材质）中，密封保存。

保存试样，应使样品的变化量最小，干燥条件下避光保存、备用。

1.3 混合标准工作液的配制

精确吸取适量单元素标准贮备液或多元素混合标准贮备液，依据样品溶液中元素质量浓度水平，用硝酸溶液逐级稀释配成混合标准系列工作溶液。

1.4 试样消解

称取饲料样品0.2～0.5 g （精确至0.001 g）于聚四氟乙烯消解内罐中，加入5～7 mL硝酸，加盖放置过夜后，加入2 mL 30％H2O2，旋紧罐盖，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解（消解参考条件见表1）。冷却后取出，缓慢打开罐盖排气，用少量水冲洗内盖，将消解罐于可调式控温电热板上150 ℃赶酸30 min后取下冷却，将消解液移入50.00 mL容量瓶中，并用少量水多次润洗，洗液合并于容量瓶中，定容至刻度，混匀备用（视样液澄清情况考虑是否需经0.45 μm水相针式滤膜过滤），同时做试剂空白。

1.5 ICP-OES参考条件

优化仪器操作条件，使待测元素的灵敏度等指标达到分析要求。编辑测定方法，选择各待测元素合适分析谱线。

仪器操作参考条件如下：

◇观测方式：轴向观测方式。若仪器具有双向观测方式，高浓度元素如钙、镁、钾、钠、磷等采用径向观测方式，其余采用轴向观测方式。

◇功率：1 150 W。

◇等离子气流量：15 L/min。

◇辅助气流量：0.5 L/min。

◇雾化气气体流量：0.60 L/min。

◇分析泵速：50 r/min。

各元素推荐使用的分析谱线波长见表2。

1.6 标准曲线的制作

将标准系列工作溶液注入电感耦合等离子体发射光谱仪中，测定待测元素分析谱线的强度信号响应值，以待测元素的浓度为横坐标，分析谱线强度响应值为纵坐标，绘制标准曲线。回归曲线的线性相关系数应≥0.995。各元素供参考的质量浓度范围见表3。

2  结果与讨论

2.1 标准曲线

按方法条件设置仪器参数，待仪器稳定后供电感耦合等离子体发射光谱仪测定，以浓度为横坐标，响应值为纵坐标，绘制标准工作曲线。如表3所示，V、Sn、Sb、Co、Se、Mo、Ti、Sr、Li的标准溶液系列质量浓度分别为0.00 mg/L、0.05 mg/L、0.20 mg/L、0.50 mg/L、0.80 mg/L和1.00 mg/L；Fe、Cu、Zn、Mn、Ni、Al、Ba、B的标准溶液系列质量浓度分别为0.00 mg/L、0.25 mg/L、1.00 mg/L、2.50 mg/L、4.00 mg/L和5.00 mg/L；Ca、Mg、Na、K、P的标准溶液系列质量浓度分别为0.00 mg/L、2.50 mg/L、10.0 mg/L、25.0 mg/L、40.0 mg/L和50.0 mg/L。從表4可以看出，各元素的标准工作溶液线性范围宽，在对应浓度范围内线性良好，标准曲线相关系数均在0.999以上，能很好地满足实际饲料产品中22种元素含量覆盖浓度范围宽的分析需求。

2.2 方法检出限确定

在优化确定的实验条件下，取样品的试剂空白溶液，进行20次平行测定。根据各样品检测值计算出20次平行测定结果响应值的标准偏差Sb，按公式（k×Sb×V）/（b×m） （k为置信因子，一般检出限取3、定量限取10；V为定容体积，mL；b为方法校准曲线的斜率；m为试样质量，g）计算所建立方法的检出限（limit of detection，LOD）和定量限（limit of quantification，LOQ）。如表5所示，测得22种元素的方法检出限均低于14 mg/kg，方法定量限均低于46 mg/kg，灵敏度优于或相当于相应国家标准方法规定的检出限或定量限值。

2.3 方法回收率和精密度验证

试样的加标浓度取决于饲料本底中各元素含量的高低，过高的本底值会影响加标回收的结果。选取具有代表性的预混合饲料作为测试对象，进行3个不同浓度水平的加标回收试验，同一浓度水平做6次平行试验，分别进行不同浓度的加标回收试验，以考察方法的正确度和精密度。按上述1.4方法进行处理，处理好的样液供电感耦合等离子体发射光谱仪测定。样品中22种元素的添加浓度、平均回收率和相对标准偏差结果详见表6。

根据表6中回收率和相对标准偏差结果可发现，该方法的重复性好、准确度高，预混合饲料中钒、锡、锑、钴、硒、钼、钛、锶、锂、铁、铜、锌、锰、镍、铝、钡、硼、钙、镁、钠、钾、磷不同浓度水平的加标回收试验的回收率基本在80％以上，分别为99.50％～104.2％、65.00％～102.8％、87.50％～101.8％、98.00％～102.5％、85.00％～100.5％、95.00％～104.4％、97.75％～102.5％、92.50％～100.6％、82.50％～98.25％、83.47％～93.73％、88.78％～100.0％、81.25％～96.25％、88.15％～98.75％、88.75％～100.0％、89.45％～105.0％、88.10％～98.75％、81.25％～91.25％、81.00％～108.7％、99.55％～107.7％、83.62％～98.00％、93.00％～103.3％、92.72％～107.0％；相对标准偏差均小于7.0％。

2.4 方法验证

鉴于不同饲料产品的基质存在差异，分别对其他典型的饲料产品，如配合饲料、浓缩饲料、饲料原料等，结合各元素本底值情况分别选择合适浓度点进行加标回收试验，以考察方法在不同饲料产品基质间的适用性。应用本文建立的方法分别对配合饲料、浓缩饲料和饲料原料中22种元素进行双平行加标回收试验，结果见表7。从表7的数据可知，本文所述方法对各种饲料产品中22种元素测定结果回收率范围为73.9％～123％，相对偏差均小于6.9％，能满足对大量不同基质类别的饲料产品中多种元素同时快速测定的要求。

3  结论

本方法采用密闭消解体系的微波消解-电感耦合等离子发射光谱法对饲料中钒、锡、锑、钴、硒、钼、钛、锶、锂、铁、铜、锌、锰、镍、铝、钡、硼、钙、镁、钠、钾和磷22种元素进行测定。方法步骤简化、分析速度快、检出限低、线性范围宽，灵敏度、精密度及准确度高，绿色节约，受干扰或损耗少。经试验证明，该方法能适用于配合饲料、浓缩饲料、预混合饲料、饲料原料等不同饲料产品中多种元素的同时测定，为饲料的批量检测提供强有力的技术支撑，对饲料产品的质量安全监管及畜禽饲养业的健康绿色发展具有重要的指导意义。

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