超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定嬰幼兒奶粉中鈣和磷的含量

陳曉敏，吳嘉文，胡雯艷，陳韻，鄭燦松

（廣州市食品檢驗所，廣州 511400）

0 引 言

鈣和磷是人體必需的營養成分，具有重要的生理作用[1]，它們參與生命活動的各項代謝過程，是維持骨骼和牙齒的必要物質[2]。嬰幼兒奶粉是嬰幼兒除母乳外重要的營養來源之一，其中鈣和磷是重要的營養指標，適宜的鈣磷比對嬰幼兒生長發育至關重要，缺乏對磷的攝取會引起骨骼及牙齒發育不正常、貧血和佝僂病等[3-4]，而攝入過多的磷會使血液中鈣的含量降低導致骨質疏松[2]。GB10765—2021《食品安全國家標準嬰兒配方食品》[5]和GB10767—2021《食品安全國家標準幼兒配方食品》[6]中，對各階段的嬰幼兒奶粉中鈣、磷以及鈣磷比值在限量方面均有詳細的規定。因此，準確地測定嬰幼兒奶粉中的鈣和磷的含量，確保合理的鈣磷比值非常重要。

現行標準中嬰幼兒奶粉中鈣和磷的檢測主要采用電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）[7-8]，近年來有較多學者對該方法在嬰幼兒奶粉中的檢測進行研究和優化[9-11]。隨著分析技術的發展，儀器設備的更新換代，多元素同時快速準確測定的方法不斷更新。電感耦合等離子體質譜法（ICP-M S）具有低檢出限、高靈敏度、快速響應、寬線性范圍等優點，能減少樣品稀釋，能夠實現大批量的檢測以及多元素同時分析檢測，是國內外元素分析領域中最先進的方法之一[12-13]?，F有標準GB5009.268—2016《食品安全國家標準食品中多元素的測定》中第一法ICP-M S 法適用于食品中鈣的測定，但磷的測定方法尚未形成食品安全國家標準[14]。主要原因是磷屬于非金屬元素，電離能力較低，同時也存在SiH、NOH 和NO 等多原子離子的質譜干擾，靈敏度較低。嬰幼兒奶粉中鈣和磷的測定結果會影響到鈣磷比值的判斷，因此采用統一的檢測方法，使用同一種儀器進行鈣和磷含量的同時測定尤為重要。隨著儀器抗干擾技術的發展，加之奶粉中鈣和磷的含量較高，ICP-M S 法通過技術消除質譜和基質的干擾，能做到準確定量。因此，建立ICP-M S 法同時測定嬰幼兒奶粉中的鈣和磷的含量具有較好的應用前景。

奶粉強化了多種營養物質，基質相對復雜，采用ICP-M S 法檢測時會有多種離子干擾和同位素干擾，選擇合適的前處理的方法可以適當除去部分干擾。普通微波消解法是目前使用較廣泛的無機前處理方法，但由于普通微波消解難以將奶粉中有機成分徹底消解成無機態，消解后會留存大量的碳、氮等共存元素，產生的基體抑制效應，影響鈣和磷的準確測定[15]。超級微波消解技術被稱為打破樣品無機檢測預處理瓶頸的消解新技術[16]，采用的預加壓消解技術能夠在很高的溫度和壓力下工作，即使是難消解的樣品也能夠完全消解。超級微波消解具有安全環保、用酸量少、引入的污染少、消解效果好等優點，是測定無機元素更簡便、消解更完全更徹底、能快速批量化的消解方法[17-19]。

本文采用超級微波消解技術對嬰幼兒奶粉試樣進行消解，利用電感耦合等離子體質譜儀對奶粉中鈣和磷含量同時進行測定，通過一系列指標進行驗證，研究該方法的可行性，對現有國家標準規定外的方法進行探索和研究，為嬰幼兒奶粉中磷和鈣含量同時測定提供新的方法參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與材料

鈣磷混合標準溶液（鈣濃度為3 750 μg/m L，磷濃度為2 500 μg/m L），美國N silab solutions；內標混合溶液（鈧濃度為100 μg/m L），安捷倫科技有限公司；硝酸（UP 級），蘇州晶瑞；調諧溶液（1μg/L），安捷倫科技有限公司；嬰兒奶粉中鈣、磷質控樣品，中國檢驗檢疫科學研究院測試評價中心；奶粉，市售。

1.2 儀器與設備

7800 型電感耦合等離子體質譜儀，安捷倫科技有限公司；超級微波化學平臺，萊伯泰科；電子天平，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；石墨趕酸儀，廣州基創儀器有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

采用超級微波消解法：稱取約0.50 g 樣品于石英消解管中，加入5 m L 硝酸溶液，盡量讓酸液浸沒樣品。將樣品盤掛到樣品盤位，操作臺上行鎖緊，并向腔體內充入氮氣，氣表壓力調至0.3～0.5 M Pa，儀器自動運行消解程序進行消解，參考條件如表1 所示。待消解過程完成后，降溫，泄壓，取出樣品盤。將樣品置于石墨趕酸儀上，設置100 ℃加熱30 min，用一級水定容至50 m L，混勻，待測。同時做空白試驗。

表1 超級微波化學平臺的消解程序

1.3.2 樣品測定

配制標準系列，分別為0、1.50、7.50、15.0、30.0、75.0、120、150 m g/L 的鈣標準系列溶液和 0、1.00、5.00、10.0、20.0、50.0、80.0、100 m g/L 的磷標準系列溶液。配制好內標使用溶液，濃度為10.0 m g/L。

根據優化的儀器參數條件，調諧通過后，將配制好的混合標準系列溶液注入ICP-M S 儀器中，測定鈣、磷元素和內標鈧元素的信號響應值，以鈣、磷元素的濃度為橫坐標，鈣、磷元素與內標元素響應信號值的比值為縱坐標，繪制標準曲線。將待測的空白溶液和試樣溶液分別注入ICP-M S 儀器中，測定鈣、磷元素和內標鈧元素的信號響應值，根據標準曲線計算得到待測液中鈣、磷元素的濃度。

2 結果與討論

2.1 參數的選擇和優化

儀器參數主要考察射頻功率、等離子體流量、質量數以及分析模式等對被測元素的影響。ICP-M S 法分析過程中主要存在質譜干擾和非質譜干擾兩大類。

質譜干擾主要包括同量異位素干擾、多原子離子干擾以及雙電荷干擾。選擇合適的質量數能減少質譜干擾：磷是單同位素，31P 豐度比100%，因此選擇31P 作為待測質量數。鈣元素有多個同位素，其中40Ca 豐度比最大為96.9%，但會受到來自等離子體40Ar 的干擾；44Ca 豐度比2.1%，排列第二，但容易受到雙電荷離子88Sr++及分子離子CO2和SiO 的干擾；43Ca 干擾少，豐度比0.135%,相對較低，但由于奶粉中鈣的含量水平較高，能滿足檢測的靈敏度的需求，綜合考慮選擇43Ca 作為待測質量數。同時，消除質譜的干擾常用的方式就是選擇合適的碰撞模式。絕大多數的質譜干擾可以通過使用碰撞模式（H e 模式）消除干擾，氦氣是惰性氣體，He 模式利用非反應過程消除干擾，不產生離子分子的種類變化，具有通用性，故本研究采用氦氣模式進行實驗。

在ICP-M S 方法中，消除基質的干擾最常用的方式就是使用內標校正。內標選擇的原則主要有：化學性質穩定、且基體中不含或含量較低的元素；內標質量數與待測元素接近的元素；內標元素和待測元素之間的質譜干擾或干擾較低?，F有參考標準中推薦選擇45Sc 或72Ge 作為鈣的內標元素，本研究為快速、準確同時測定鈣和磷的含量，考慮到磷的質量數為31P，因此選擇45Sc 作為本研究中鈣和磷的共同內標元素。

通過綜合考慮元素的靈敏度和穩定性，選擇合適的參數，使用1 μg/L 質譜調諧液，對ICP-M S 儀器測定時的工作條件進行優化，確定本研究中使用儀器參數條件，如表2 所示。

表2 電感耦合等離子體質譜儀的參數

2.2 線性范圍及方法檢出限

將配制好的混合標準系列溶液注入儀器中，內標溶液在線加入，繪制標準曲線。將連續測量11 次空白溶液，以響應值的3 倍標準偏差計算檢出限，以響應值的10 倍標準偏差計算定量限。測定結果如表3所示。

表3 ICP-MS 方法的線性范圍、檢出限及定量限

嬰幼兒奶粉樣品以稱樣量為0.5 g，定容體積為50 m L，計算檢測方法檢出限和方法定量限；同時參考文獻[14] 中現有方法的要求，進行方法間的檢出限及定量限的比較，結果如表4 所示。

表4 方法間檢出限和定量限的比較情況

從表3 和表4 的結果分析，可以看出電感耦合等離子體質譜法測定嬰幼兒奶粉中的鈣的線性范圍為0~150 m g/L，磷的線性范圍為0~100 m g/L，線性相關系數R2大于0.9995，鈣和磷的方法檢出限分別為0.527 m g/kg 和0.232 m g/kg，方法定量限分別為1.75 m g/kg和0.774 m g/kg，ICP-M S 法測定的方法檢出限及定量限均低于現有標準中規定，說明該方法的線性范圍寬，線性關系良好，靈敏度高，能滿足檢測分析需求。

2.3 方法精密度和準確度

為驗證方法的精密度和準確度，以嬰兒奶粉中鈣、磷質控樣品作為測定樣品，稱取7 個平行樣品，樣品采用超級微波消解法進行消解前處理，ICP-M S 儀器對樣品中鈣和磷含量進行測定，計算7 個平行樣品含量的相對標準偏差RSD，并將平均含量與標準物質證書值進行比較。樣品同時采用標準方法ICP-OES法測試，進行結果比對。試驗結果如表5 所示。

表5 樣品精密度和準確度(n=7)

從表5 ICP-M S 法測定結果分析，7 次平行樣品間的鈣和磷的相對標準偏差RSD 分別為0.67%和1.17%，滿足GB/T 27404—2008《實驗室質量控制規范食品理化檢測》中精密度的規定：被測組分含量為1 000~10 000 m g/kg ，精密度要求RSD 為3.8%~5.3%；嬰兒奶粉中鈣、磷質控樣品的7 次平行測定結果鈣和磷含量平均值分別為591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g，根據質控樣品證書要求：鈣特性值為604.5 m g/100 g，區間為567.5~641.5m g/100g；磷特性值為：385.8m g/100g，區間為371.8~399.8 m g/100 g。本次質控樣品測定結果均在特定值區間內，鈣和磷含量測定平均值與特性值偏差范圍分別為2.08%和0.57%，滿足GB/T 27404—2008中準確度的規定，被測組分含量為1 000~10 000 m g/kg的偏差范圍＜10%。同時，從ICP-M S 法與ICP-OES 法測試結果比對分析，2 個方法的平均值結果偏差范圍分別為3.13%和0.87%，結果滿意。通過以上的驗證結果，表明該方法的精密度好，準確度高，能滿足分析需求。

2.4 加標回收率

為進一步驗證ICP-M S 法對于嬰幼兒奶粉該類樣品基質的可行性，以嬰兒奶粉中鈣、磷質控樣品作為測定樣品，以重復性試驗中7 次平行樣品的鈣和磷含量平均值分別為591.9 m g/100 g 和383.6 m g/100 g作為基準，按其測定值的80% 、100% 、120%的加標量進行3 水平加標試驗，每個水平濃度均進行3 份平行樣品測定。3 水平的加標測試結果如表6。

表6 加標回收率結果(n=3)

從表6 ICP-M S 法的加標回收測試結果分析，3個不同水平的加標試驗結果中鈣和磷的加標回收率范圍分別為：96.3%~102.3%和102.3%~104.4%，相對標準偏差范圍分別為：0.66%~2.28%和0.63%~1.10%，滿足GB/T 27404—2008 中回收率范圍的規定，被測組分含量＞100 m g/kg 時，回收率范圍為95%~105%；說明該方法適用于嬰幼兒奶粉基質的樣品分析測試。

2.5 實際樣品測定

隨機選取市售的不同品牌，不同年齡段數12 款嬰幼兒奶粉，采用本研究方法進行檢測，并與標準方法ICP-OES 法進行方法比對，比對結果如表7所示。

表7 嬰幼兒奶粉的測定結果(n=3)

從表7 實際樣品的測定結果分析：ICP-M S 法測定的12 款嬰幼兒奶粉中鈣和磷的含量的相對標準偏差RSD 小于3.88%；同時采用成對雙樣本均值T檢驗分析評價ICP-M S 法和ICP-OES 法2 種方法的實驗結果：鈣結果評價：t=-0.2766，置信度P=0.394＞0.05；磷比對結果評價：t=1.518，置信度P=0.079＞0.05，根據統計學分析2 種方法在實際樣品的檢測不存在統計學差異。結果表明，該方法在實際樣品分析中精密度好，能滿足日常產品的檢測需求。

3 結 論

研究建立了超級微波消解-電感耦合等離子體質譜法測定嬰幼兒奶粉中鈣和磷含量的方法。根據嬰幼兒奶粉脂肪含量大，強化營養物質，基質復雜等特點，選擇采用消解更完全更徹底、酸用量少、引入污染少、安全、環保的新型的消解技術-超級微波消解作為樣品前處理手段。通過標準物質比對、加標回收試驗以及方法比對等手段進行方法學驗證，結果表明該方法線性范圍寬，檢出限低，準確度高，精密度好，基質效應低，適用于嬰幼兒奶粉中鈣和磷的同時測定，能為今后嬰幼兒奶粉中鈣和磷含量同時測定提供方法參考和依據。