ICP-MS測定小米中的22種元素及營養價值分析

賀麗霞,閆偉偉,梁 偉,狄 慧

(1.張家口市食品藥品檢驗中心,河北 張家口 075000;2.張家口市宣化區人民醫院,河北 張家口 075100)

谷子(SetariaitalicaL.),稱為粟米,又叫粱,是世界上最古老的栽培農作物之一,起源于我國黃河流域,是中國古代的“五谷”之一。在北方稱谷子,谷子脫殼為小米,小米是我國北方地區的居民最喜歡的主要糧食之一,其粒小,直徑1 mm左右。小米中礦物質的含量約為2.5%～3.5%,如鈉、鈣、鎂、磷、鉀等?！吨袊澄锍煞直怼凤@示,小米中鈣、鐵、鎂、鉀、鋅等礦物質相較于小麥粉和稻米更加豐富[1-6]。

目前,食品中元素測定的方法有很多,例如原子吸收光譜法(AAS)、原子熒光光譜法(AFS)、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)、電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)等。測定的標準方法主要采用國家標準方法,包括GB 5009.11—2014《食品安全國家標準 食品中總砷及無機砷的測定》、GB 5009.12—2017《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》、GB 5009.13—2017《食品安全國家標準 食品中銅的測定》、GB 5009.14—2017《食品安全國家標準 食品中鋅的測定》、GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》、GB 5009.16—2014《食品安全國家標準 食品中錫的測定》、GB 5009.17—2021《食品安全國家標準 食品中總汞及有機汞的測定》、GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》等。AAS和AFS每次只能測定一種元素,且AFS只能測定具有熒光發射的元素,如砷、汞。ICP-OES實現了多元素同時測定,但是其靈敏度不能滿足如鎘、汞等部分元素的測定要求。ICP-MS不僅實現了多元素同時測定,而且還具備了分析效率高、檢出限低、靈敏度高的優點[7-14]。

本研究采用微波消解-電感耦合等離子體質譜法對市售的18種小米的22種元素進行測定,結合統計學分析,運用主成分分析-降維的方法,對測定的22種元素進行分析,對小米的營養價值作出客觀評價。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

18批次小米分別購自于超市、農貿市場,其中計量稱重4批次,其余均為預包裝食品。

鉀溶液、鈉溶液、鋁溶液、鐵溶液、硒溶液、鎳溶液、鋅溶液、銅溶液(1 000 μg/mL),北京海岸鴻蒙標準物質技術有限責任公司;鈣Ca、鎂Mg、錫Sn、銻Sb、鉈Tl、鍶Sr、釩V、鉻Cr、鈷Co、鉬Mo、硼B、鈦Ti、錳Mn、鋇Ba(1 000 μg/mL)標準溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;1.00 μg/L(Ba、Bi、Ce、Co、In、Li、U)調諧溶液,美國Thermo Scientific;鍺Ge、銦In、鉍Bi、鈧Sc(1 000 μg/mL)內標溶液,國家有色金屬及電子材料分析測試中心;65%硝酸(分析級),德國默克股份兩合公司。

ICP Q電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS),美國Thermo Fisher Scientific公司;MARS 6微波消解儀,美國CEM公司;HK-UP-Ⅲ-20超純水機,成都浩康科技有限公司;BS224S電子天平,北京賽多利斯儀器系統有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1標準溶液的配制

混合標準溶液:將22種元素混合,配制成為含有K、Mg元素500 mg/L、Na、Ca、Al、Fe元素50 mg/L、Se、Sn、Sb、Tl元素50 μg/L、Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo元素500 μg/L、Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu元素5 mg/L的混標工作溶液。內標溶液:將混合內標溶液稀釋,配制成分別含Bi濃度為20 ng/mL;Ge、In、Sc濃度為50 ng/mL的混合溶液,進行在線加入。

1.2.2樣品前處理

將樣品去除塵土、沙石等雜質,經高速粉碎機研磨,過4號篩后,混勻,取樣0.5 g(精確到0.001 g)于微波消解罐中,加入5 mL濃硝酸,浸泡1 h后,將消解罐放入微波消解儀中,設定微波消解儀程序:第一步溫度(120℃)爬升5 min,保持5 min;第二步溫度(150℃)爬升5 min,保持10 min;第三步溫度(190℃)爬升5 min,保持20 min;功率1 200 W。消解完成后,將消解罐放置趕酸器100℃趕酸1 h,用超純水定容到50 mL。同步做空白實驗。

1.2.3ICP-MS工作參數

分析模式為全定量分析,射頻功率為1 550 W,氬氣純度大于99.999%,冷卻氣流速為14.000 L/min,輔助氣流速0.800 L/min,霧化器流速1.200 L/min,蠕動泵轉速40.0 r/min,采樣深度8.0 mm,駐留時間0.02～0.03 s,重復掃描30次,重復測定3次,采用ICP-MS中STD模式、KED模式進行測定,碰撞氣體為高純氦氣,流速5.0 mL/min。

1.2.4方法學驗證

1.2.4.1標準工作曲線的繪制

在上述最佳儀器條件下,將K、Ca、Na、Mg、Zn、Fe、Se、Sr等22種元素標準溶液按照濃度從低到高依次在ICP-MS中進樣,測定信號值,繪制標準曲線。

1.2.4.2穩定性和檢出限

目標元素的標準曲線建立好后,便可以得到以下信息:①R:線性,可以看出儀器的穩定性;②a:Y軸截距,空白樣品的響應值信號;③b:斜率,同位素靈敏度;④a/b:X軸截距,空白樣品的背景等效濃度BEC(Background Equivalent Concentration);⑤LOD:檢出限(Limit of Detection,3倍標準偏差)。

1.2.4.3重復性和回收率實驗

為了驗證實驗結果的準確性,稱取編號為Y6的樣品加入混合標準物質,同樣品處理和測定,進行加標回收實驗,采用ICP-MS測定22種元素的含量,并計算其回收率。重復測定6次,計算其RSD,用于重復性評價。

1.2.4.4方法可靠性

為了驗證方法的可靠性,稱取編號為Y2的樣品,與GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》結果進行對比,計算相對偏差,用于方法可靠性評價。

1.2.5樣品的測定

將每種小米樣品設置3個平行樣,按照上述實驗方法進行前處理,采用ICP-MS一次進樣快速分析22種元素含量,最終結果為3次測定的平均值。

1.2.6營養元素分析

將測定元素分為常量元素和微量元素,微量元素又分為必需元素和非必需元素,通過有效主成分分析對小米的元素營養價值進行評價。

1.3 數據處理

本研究中實驗設計3平行,數據以平均值表示,數據分析和繪圖通過Excel 2017和PASW Statistics軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 測定模式的選擇

ICP-MS的干擾主要分為質譜干擾和非質譜干擾兩種。質譜干擾包括多原子離子干擾、同位素干擾、雙電荷干擾等。非質譜的干擾主要來源于基體的復雜性。動能歧視消除模式(KED)利用產生干擾的分子離子具有更大的碰撞截面,碰撞氣體與其碰撞頻率更高,使之動能降低,而目標物仍然保持較高的動能,順利進入四極桿,它能消除大部分的原子離子干擾。內標法能有效地克服基體效應的影響[15-16]。本實驗通過普通模式(STD)與動能歧視消除模式(KED)的對比,考察了22種待測元素的背景等效濃度(BEC)和最低檢測質量濃度(LOD),并采用Sc、Ge、In、Bi作為內標元素,以克服基體帶來的干擾。結果見表1。

表1 不同檢測模式下各待測元素的背景等效濃度(BEC)和最低檢測質量濃度(LOD)

從表1可見,開啟碰撞反應模式(KED)對24Mg、44Ca、48Ti、51V、52Cr、57Fe、59Co、60Ni、63Cu、66Zn、77Se、95Mo、118Sn、121Sb的14種待測元素的BEC和LOD都有明顯的改善,且待測元素的BEC變異系數在0.26%～1.39%,LOD變異系數在0.10%～1.34%,均達到中等變異程度之上;11B、27Al在STD模式下,BEC和LOD的效果更好,11B的BEC變異系數為1.41%,LOD變異系數為1.41%,已達到強變異,27Al的BEC變異系數為0.77%,LOD變異系數為0.99%,已接近強變異;而對于23Na、39K、55Mn、88Sr、137Ba這5種元素,在KED模式下BEC有所改善,但是LOD在STD模式下更具有優勢;對于205Tl元素來說,STD模式和KED模式沒有特別顯著的區別。綜上所述,本研究中除B、Al選擇STD模式測定外,Na、K、Sr、Ba、Tl兩種模式都可以選擇,其余元素均選擇KED模式測定。

2.2 方法學考察

2.2.1標準曲線及最低檢測質量濃度(LOD)

將混合標準工作溶液進行逐級稀釋,配制成K、Mg濃度為0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 mg/L;Na、Ca、Al、Fe濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 mg/L;Se、Sn、Sb、Tl濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、3.0、5.0 μg/L;Sr、V、Cr、Co、Ni、Mo濃度為0.0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L;Zn、B、Ti、Mn、Ba、Cu濃度為0.0、10.0、50.0、100.0、300.0、500.0 μg/L。用Y字三通對22種元素標準混合溶液和內標溶液同時用ICP-MS進行測定,通過內標矯正,以測定強度值(Y)為縱坐標,以濃度(X)為橫坐標,建立線性回歸方程。實驗結果所示,待測元素的標準曲線R在0.998 1～1.000 0,滿足GB/T 27404—2008中規定的相關系數≥0.998的要求。檢出限(LOD)在0.001 1～14.1 μg/L。

2.2.2重復性和回收率實驗

稱取編號Y6的樣品0.25 g(精確至0.001 g),分別加入含有0.75 mg K,0.25 mg Mg,25 μg Ca,7.5 μg Fe,5 μg Na、Al、Zn,1 μg Cu,0.5 μg Ti、Mn,0.25 μg B、Ni、Sr,0.125 μg Ba,50 ng V、Cr、Co、Mo,25 ng Sn、Sb、Tl,5 ng Se的混合標準物質,同樣品處理和測定,進行加標回收實驗,加標回收率在82.20%～112.92%。重復測定6次,RSD在0.3%～9.9%,加標回收率和重復性均滿足實驗要求。實驗結果如表2所示。

表2 加標回收率與重復性

2.2.3方法可靠性

為考察方法的可靠性,選擇編號為Y2的樣品,稱取0.5 g,采用本實驗方法與GB 5009.268—2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》ICP-MS法進行測定,兩種測定結果計算相對偏差,具體結果見表3,兩種方法的變異系數為0.184 3%～7.896%,結果令人滿意。

表3 本實驗與GB 5009.268—2016測定結果比對

2.3 結果分析

2.3.1小米中22種元素含量的測定

常量元素,即常量礦物質,是指無機鹽中在人體內含量較多,每日需要量在100 mg以上的元素。微量元素是指無機鹽中在人體內含量較少,每日需要量在100 mg以下的元素,微量元素又分為必需微量元素和非必需微量元素。本次實驗測定的22種元素中,包括4種常量元素,分別是K、Ca、Na、Mg;微量元素18種,其中必需微量元素12種,非必需微量元素6種。由檢測結果可知,小米中礦物元素含量豐富,其中在待測元素中,維持滲透壓、酸堿平衡、神經肌肉正常等功能的K含量最高,平均達到2 886 mg/kg,變異系數為0.16%,代表K在多批次小米中的含量波動很小。常量元素中,Na的含量最少,為35.31 mg/kg,K和Na的含量比為81.7∶1,是典型的高鉀低鈉食物。在微量元素中,起到合成血紅蛋白、肌紅蛋白等作用的Fe平均含量為23.09 mg/kg,變異系數為0.20%,同樣在多批次小米中Fe的含量相對比較穩定。22種元素中,變異系數最大的2個元素是Cr和Se,分別是1.40%和1.11%,兩種元素在多批次小米中含量波動較大。具體測定數據見表4、表5所示。

表5 微量元素測定結果表

2.3.2不同批次小米中22種元素的因子分析及綜合評價

通過PASW Statistics數據編輯器,對不含釩V、錫Sn、銻Sb、鋁Al四種未檢出元素的18種元素進行降維-因子分析的處理,KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗統計量是用于比較變量間簡單相關系數和偏相關系數的指標,其取值在0和1之間。KMO值越接近1,意味著變量間的相關性越強,原有變量越適合作因子分析;反之,KMO值越接近于0,表示變量間的相關性越弱,原有變量則不適合作因子分析。分析結果見表6。

表6 KMO和Bartlett檢驗

由表6可見,對12種元素進行分析的時候,KMO為0.561,大于0.5,說明可以進行因子分析,但是在將相關性差的元素去除,使變量縮減至9種時,其KMO值為0.646,說明9種元素的相關性更加適合做因子分析。這9種元素分別是Ca、Fe、Zn、Cu、Mn、Co、Ni、Mo、Sr。根據特征值大于1,累計方差貢獻率>80%,結合碎石圖綜合判定,2種主成分的累計方法貢獻率為77.319%,可以客觀反應小米中元素的信息,詳見表7。

表7 主成分特征值及貢獻率

為更好地確定造成差異的主要因素,用2個主成分做進一步因子載荷矩陣分析,載荷矩陣見表8。由表8可知,Mn、Co、Ni、Mo 4種元素對成分1的貢獻值為負,Ca、Fe、Zn、Cu、Sr在成分1中分別為0.901、0.706、0.927、0.766、0.886,其中Zn、Ca和Sr的貢獻值依次較高;在主成分2中,除Sr外,其他8種元素均對其有所貢獻,但Mn的貢獻率最高為0.880。綜上判定,小米中特征元素為Zn、Ca、Sr和Mn。對不同批次的小米以主成分因子得分和方差貢獻率進行綜合評價,綜合得分Y和排名詳見表9。由表9可見,樣品2的評價值最高,綜合排名第一,而樣品2中的Zn和Sr的含量在全部批次的樣品中最高。

表8 成分得分系數矩陣

表9 小米主成分因子及綜合評價結果

3 討論與結論

本研究通過微波消解-電感耦合等離子體質譜法對小米中的22種元素進行分析,運用降維主成分分析的方法進行分析。結果表明,不同批次小米中元素含量存在共性特征,K的含量都非常高,但是Na的含量相對較低,K和Na的均值比為87.1∶1,屬于典型的高鉀低鈉食品。眾所周知,高鉀低鈉食品有利于高血壓的控制,減少心腦血管疾病的發生。此外,通過因子分析,進而對不同批次的小米進行綜合評價發現,綜合評價高的小米中Zn和Sr的含量較高,作為人體必需的微量元素,Zn可促進人體的生長發育,提高食欲,增強肌體抵抗力,促進傷口愈合等;Sr能促進鈣吸收、強壯骨骼、保護牙齒,調節血壓、保護心血管、減少肝損傷;延緩衰老。由此可見,小米中的高含量元素和主要元素對人體調節血壓和保護心血管都具有重要意義。