電感耦合等離子質(zhì)譜法測(cè)定母乳中10 種礦物元素

王亞玲，趙軍英，喬為倉(cāng)，張明輝，劉 妍，陳歷俊

（北京三元食品股份有限公司，國(guó)家母嬰乳品健康工程技術(shù)研究中心，北京市乳品工程技術(shù)研究中心，母乳研究技術(shù)創(chuàng)新中心，北京 100163）

母乳是嬰兒最理想的天然食物[1-3]，可滿(mǎn)足嬰兒生長(zhǎng)發(fā)育的實(shí)時(shí)需求[4]。母乳含有嬰兒生長(zhǎng)所必需的各種營(yíng)養(yǎng)素[5]，如高品質(zhì)的蛋白質(zhì)、易消化的乳脂肪、獨(dú)特的乳糖、豐富的礦物質(zhì)和多種維生素。礦物質(zhì)作為母乳中重要的營(yíng)養(yǎng)素，對(duì)嬰兒的正常生理功能和生長(zhǎng)發(fā)育有無(wú)可替代的作用。

母乳中的礦物質(zhì)包括K、Ca、Na、Mg、P等常量元素，還包括Cu、Mn、Zn、Fe、Se等必需微量元素及Pb、Cr、Hg、As等其他元素[6]。目前母乳中礦物元素的測(cè)定方法主要有火焰原子吸收光譜（flame atomic absorption spectrometry，AAS）法[7-9]、火焰原子發(fā)射光譜（atomic emission spectrometry，AES）法[10]、原子熒光光譜（atomic fluorescence spectrometry，AFS）法[11-13]、紫外-可見(jiàn)分光光度（ultraviolet-visible spectrophotometry，UVVIS）法[14-15]、離子色譜（ion chromatography，ICP）法[16]、電感耦合等離子體-發(fā)射光譜（inductively coupled plasmaatomic emission spectrometry，ICP-AES）法[17-19]、電感耦合等離子體-質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）法[20-22]等。其中，ICP-MS法是檢測(cè)母乳中礦物元素含量的最常用方法[23-25]，其具有樣品需求量少、分析速度快、準(zhǔn)確度和靈敏度高、檢測(cè)限低、線(xiàn)性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[6]，不僅可以檢測(cè)樣品中多種礦物元素含量，還克服了AAS、AES、AFS、UV-VIS法測(cè)定單個(gè)元素、分析速度慢的缺點(diǎn)，同時(shí)分析了以上方法不能檢測(cè)的元素，是強(qiáng)有力的元素分析技術(shù)[6]，已廣泛應(yīng)用于乳品[26]、嬰幼兒配方食品[27]等。我國(guó)已將ICP-MS法列入GB 5009.268—2016《食品中多元素的測(cè)定》[28]，用于食品中多元素的測(cè)定。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于母乳中礦物元素的研究熱點(diǎn)多集中在研究單一元素，或一類(lèi)含量水平相近的元素，缺少全面分析母乳中礦物質(zhì)水平的研究[6]。因此，建立中國(guó)母乳數(shù)據(jù)庫(kù)，研究母乳中礦物質(zhì)水平及影響因素需要快速、準(zhǔn)確、靈敏的高通量檢測(cè)技術(shù)，其不僅解決了樣本量少、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題[29]，還實(shí)現(xiàn)了大批量樣本的快速檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外已有研究人員將微波消解-電感耦合等離子體-質(zhì)譜（microwave digestion-inductively coupled plasmamass spectrometry，MD-ICP-MS）法應(yīng)用于高通量測(cè)定嬰幼兒配方奶粉[27,30]、乳品[26]、母乳[31]及其他食品[32-33]的礦物元素，如高亦軍等[30]采用MD-ICP-MS法同時(shí)檢測(cè)配方乳粉中14 種礦物元素的含量；陳歷俊等[26]應(yīng)用ICPMS法高通量檢測(cè)原料乳及乳制品中15 種礦物元素的含量；Khan等[27]采用ICP-MS法同時(shí)測(cè)定嬰幼配方粉中Cr、Mo、Se含量；Astolfi等[31]應(yīng)用高通量ICP-MS法測(cè)定人乳中34 種礦物元素含量；Wei Yihua等[32]采用MD-ICPMS法同時(shí)測(cè)定富硒大米中Se和其他礦物元素的含量；Chevallier等[33]采用MD-ICP-MS法同時(shí)測(cè)定食品樣品中31 種礦物元素含量等，而已有文獻(xiàn)中有關(guān)應(yīng)用悶罐消解-電感耦合等離子體-質(zhì)譜（sealed digestion-inductively coupled plasma-mass spectrometry，SD-ICP-MS）法高通量檢測(cè)母乳中礦物元素含量的研究報(bào)道相對(duì)較少。

與ICP-MS法檢測(cè)母乳相配套的常用前處理方法[28]主要有微波消解法和壓力罐消解法。微波消解法于高溫測(cè)定Se等易揮發(fā)元素的結(jié)果偏低。壓力罐消解法要求在全密封的罐內(nèi)消解樣品，所以可測(cè)定易揮發(fā)、易損失元素，防止樣品損失，減少試劑消耗，因此壓力罐消解法是消解含有微量元素及痕量元素樣品的有效方法。

由于母乳樣品較難獲得且樣品量有限，實(shí)驗(yàn)采用高壓悶罐消解法對(duì)母乳樣品進(jìn)行前處理，利用ICP-MS法高通量測(cè)定母乳的K、Ca、Na、Mg、P、Cu、Mn、Zn、Fe、Se共10 種礦物元素的含量，在較寬的濃度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)高通量、快速、準(zhǔn)確分析母乳的多種礦物元素。實(shí)驗(yàn)還統(tǒng)計(jì)了北京地區(qū)母乳中礦物元素的含量，以期對(duì)中國(guó)母乳數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

母乳樣品采自首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院和北京市通州區(qū)婦幼保健院[34]，共收集211 例樣本，所有樣品在采集后均貯存于－80 ℃超低溫冰箱。

濃硝酸、過(guò)氧化氫（均為優(yōu)級(jí)純） 北京化學(xué)試劑研究所；K、Ca、Na、Mg、Cu、Mn、Zn、Fe、Rh單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL），Se單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（100 μg/mL），奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW10017），脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW08509） 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院；P單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL） 國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U調(diào)諧溶液（1 μg/L） 美國(guó)PerkinElmer公司；實(shí)驗(yàn)用水均為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm），所用器皿均在稀釋成質(zhì)量分?jǐn)?shù)20.0%的硝酸溶液（原質(zhì)量分?jǐn)?shù)69.0%）中浸泡24 h以上，并用超純水沖洗，烘干備用。

1.2 儀器與設(shè)備

NexION 350D ICP-MS儀 美國(guó)Perkin Elmer公司；恒溫電熱板 濟(jì)南精密科學(xué)儀器儀表有限公司；Milli-Q超純水機(jī) 美國(guó)Merck Millpore公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱 上海一恒科學(xué)儀器有限公司；BP 210S電子天平德國(guó)Sartorius公司；密閉高壓消解罐（配有聚四氟乙烯消解內(nèi)罐） 南京瑞尼克科技開(kāi)發(fā)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 儀器校正與參數(shù)

儀器開(kāi)機(jī)預(yù)熱后，用質(zhì)量濃度1 μg/L的Be、Ce、Fe、In、Li、Mg、Pb、U質(zhì)譜調(diào)諧液調(diào)試儀器，使儀器的靈敏度、氧化物、雙電荷和分辨率等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到測(cè)定要求的參數(shù)如下：9Be＞2 000、115In＞40 000、238U＞30 000、220Bkgd（background）≥3、156CeO/140Ce≤2.5%、Ce++/140Ce＜3%，霧化器氣體流量、輔助氣體流量、等離子氣體流量分別為0.92、1.20、18.00 L/min，ICP射頻功率為1 600 W，模擬階段電壓、脈沖階段電壓分別為－1 800、1 100 V。

1.3.2 光譜校正液的配制

準(zhǔn)確吸取0.1 mL Rh單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液于10 mL容量瓶中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的硝酸-高純水為介質(zhì)定容至刻度，配制成質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL的混合內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備溶液；搖勻后，再次準(zhǔn)確吸取1 mL質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL的混合內(nèi)標(biāo)儲(chǔ)備溶液于500 mL容量瓶中，用硝酸-高純水為介質(zhì)定容至刻度，配制成質(zhì)量濃度為20.0 ng/mL混合內(nèi)標(biāo)溶液，室溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.3.3 樣品前處理

準(zhǔn)確稱(chēng)取母乳樣品1.00 g于消解內(nèi)罐中，加入4 mL濃硝酸和2 mL過(guò)氧化氫溶液，蓋好內(nèi)蓋，旋緊不銹鋼外套，置于恒溫干燥箱中，于150～170 ℃保持4～5 h，冷卻至室溫后，緩慢旋松不銹鋼外套，將樣品從消解內(nèi)罐取出，在控溫電熱板上于100 ℃趕酸至液體剩余約0.5 mL，將消解液轉(zhuǎn)移至定容離心管中，用超純水洗滌消解罐3～4 次，合并洗液，定容至25 mL，搖勻、過(guò)濾后待測(cè)。同時(shí)，以同樣的方法制備空白對(duì)照組樣品、奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)消解液。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，對(duì)奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的10 種元素運(yùn)用單因素方差分析后，運(yùn)用同種分析方法統(tǒng)計(jì)不同泌乳階段母乳礦物元素的含量，結(jié)果以±s表示，以此判斷母乳中不同礦物元素含量隨泌乳時(shí)間的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜干擾的校正

分析母乳待測(cè)元素過(guò)程中，可能受到樣品基體組分及其相關(guān)的多原子離子、氬相關(guān)多原子離子的干擾，為解決這些光譜干擾，實(shí)驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)反應(yīng)池（dynamic reaction cell，DRC）法解決以上類(lèi)型的光譜干擾，利用反應(yīng)氣如O2或NH3選擇性去除多原子離子，降低較高質(zhì)量信號(hào)的可能干擾。此外，分析信號(hào)會(huì)由于基體干擾而隨時(shí)間發(fā)生漂移，為了降低信號(hào)漂移造成的誤差，改善分析精度，實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量濃度20 ng/mL的Rh單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液作為在線(xiàn)內(nèi)標(biāo)液監(jiān)測(cè)和校正基體效應(yīng)以減少非質(zhì)譜干擾。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的背景等效濃度（background equivalent concentration，BEC）、檢出限（limit of detection，LOD）、反應(yīng)池四極桿參數(shù)（reaction parameter quadrupole，RPQ）等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 質(zhì)譜主要干擾及DRC參數(shù)Table 1 Major mass spectral interferences and DRC parameters

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)及LOD

根據(jù)母乳中不同元素的含量，選擇合適的質(zhì)量濃度范圍繪制元素標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)方程，如表2所示，10 種元素的線(xiàn)性回歸方程相關(guān)系數(shù)（R2）均大于0.999 0。按照1.3.2節(jié)的方法對(duì)母乳樣品、奶粉生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)平行稱(chēng)量5 次進(jìn)行消解處理后測(cè)定不同元素的含量，計(jì)算測(cè)定方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD），結(jié)果表明，RSD均小于5.0%，因此實(shí)驗(yàn)方法的精密度良好。通過(guò)測(cè)量11 次樣品的空白組所得標(biāo)準(zhǔn)偏差的3 倍計(jì)算各元素LOD，結(jié)果顯示LOD在0.8～13.0 μg/L范圍內(nèi)。

表2 ICP-MS法檢測(cè)10 種元素的線(xiàn)性方程、相關(guān)系數(shù)及LODTable 2 Linear calibration equations, correlation coefficients and detection limits of ICP-MS for 10 elements

2.3 測(cè)定結(jié)果及方法準(zhǔn)確度

為了確定該方法的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)對(duì)奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如表3所示，所有元素測(cè)定的結(jié)果均在2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)示值范圍內(nèi)，其能滿(mǎn)足常量元素和痕量元素的分析要求。

表3 奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和脫脂奶粉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的10 種元素測(cè)定結(jié)果（n=5）Table 3 Measured and actual contents of 10 elements in milk powder certified reference material and skimmed milk powder certified reference material (n= 5)

2.4 加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

消解前，在母乳樣品中加入不同質(zhì)量濃度10 種元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液，每個(gè)樣品分別添加3 個(gè)不同水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，每個(gè)質(zhì)量濃度做3 個(gè)平行樣，分別測(cè)定11 次，并計(jì)算出10 種元素含量的RSD，結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)的加標(biāo)回收率在80.00%～118.19%，RSD均小于10.0%，因此實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確、可靠。

表4 樣品的加標(biāo)回收率及精密度（n=11）Table 4 Average recoveries and precision for 10 elements in spiked samples (n= 11)

續(xù)表4

2.5 母乳中礦物元素的含量分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)定了我國(guó)北京地區(qū)的初乳、過(guò)渡乳、成熟乳中常量元素和微量元素的含量，共檢測(cè)了211 例母乳樣本的10 種礦物元素，其中初乳、過(guò)渡乳、成熟乳分別為22、32、157 例。如表5所示，人乳中總礦物元素的水平與泌乳階段有關(guān)，隨泌乳期的延長(zhǎng)，母乳中礦物元素的含量逐漸減小。

表5 不同泌乳階段母乳礦物元素的含量Table 5 Contents of 10 elements in breast milk at different lactation stages

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)建立了SD-ICP-MS法測(cè)定母乳的礦物元素，并分別測(cè)定了不同泌乳階段母乳中10 種礦物元素的含量。實(shí)驗(yàn)采用器皿密閉性好、待測(cè)元素不易損失、試劑用量少、消化徹底等優(yōu)點(diǎn)的高壓密閉消解法對(duì)母乳樣品進(jìn)行前處理，因此有效避免了其他復(fù)雜的前處理步驟可能帶來(lái)交叉污染和待測(cè)元素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)大幅提升了實(shí)驗(yàn)通量和效率。實(shí)驗(yàn)通過(guò)在線(xiàn)加入內(nèi)標(biāo)液和DRC法消除實(shí)驗(yàn)中復(fù)雜多原子離子帶來(lái)的質(zhì)譜干擾以及其他可能出現(xiàn)的干擾，選用Rh為內(nèi)標(biāo)元素對(duì)基體效應(yīng)和信號(hào)漂移進(jìn)行校正。由于樣品的測(cè)量時(shí)間為3～5 min，因此本實(shí)驗(yàn)可準(zhǔn)確、快速測(cè)定批量母乳的多種元素。實(shí)驗(yàn)不僅統(tǒng)計(jì)了北京地區(qū)母乳中礦物元素的含量，還為建立中國(guó)母乳數(shù)據(jù)庫(kù)提供了支持。