周學(xué)忠 劉宏偉

(湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，衡陽 421002)

粗糧主要包括全谷物類(玉米、小米、高粱、蕎麥、黑米、燕麥、麥麩等)、雜豆類(黃豆、綠豆、紅豆、黑豆、蕓豆等)和塊莖類(紅薯、山藥、馬鈴薯等)[1]。粗糧中主要成分碳水化合物、膳食纖維、維生素B、礦物元素的含量均高于精細(xì)化加工的細(xì)糧[2]。為了追求更好的飲食結(jié)構(gòu)，人們更加注重膳食平衡，越來越多的人把粗糧視為健康食品，適宜的粗糧飲食，可以很好地補(bǔ)充細(xì)糧加工過程中流失的各種營養(yǎng)素。目前，有關(guān)粗糧營養(yǎng)素的研究主要側(cè)重于有機(jī)成分[3-5]，而其所含無機(jī)元素對于粗糧的品質(zhì)、口感以及食用安全也有重要作用，粗糧中的K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn是人類健康所必需的營養(yǎng)元素。對大多數(shù)人來說，飲食攝入是接觸礦物質(zhì)元素的主要途徑。因此，有關(guān)粗糧中多元素的準(zhǔn)確測定對于評(píng)估其對人類健康的影響非常重要。

糧食中無機(jī)元素的測定已有大量文獻(xiàn)報(bào)道，主要分析方法有原子熒光光譜(AFS)法[6]、原子吸收光譜(AAS)法[7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)法[8-10]和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法[11-13]。AFS對于特定元素的測定具有靈敏度高、檢出限(LOD)低、譜線簡單等特點(diǎn)，但能產(chǎn)生原子熒光的元素非常有限，且熒光淬滅效應(yīng)的存在以及散射光干擾影響AFS的分析靈敏度；AAS具有選擇性好、搞干擾能力強(qiáng)且靈敏度高，但AAS的分析效率低，檢出限(LOD)比ICP-OES高，單元素測定特性難以滿足高通量樣品的分析要求，對于堿金屬元素K、Na和堿土金屬元素Ca的分析，需要加入昂貴的改性劑和電離抑制劑，持續(xù)使用可燃性氣體或氧化性氣體導(dǎo)致分析成本高且存在安全隱患；ICP-OES和ICP-MS均為多元素分析方法，其中ICP-OES具有線性范圍寬、靈敏度高、LOD低的特點(diǎn)，是主量元素和微量元素的常用分析方法，而ICP-MS比ICP-OES具有更高的靈敏度和更低的LOD，是分析微量元素和痕量元素的強(qiáng)大工具，然而，ICP-OES和ICP-MS均采用電感耦合等離子體(ICP)為激發(fā)光源，維持ICP正常穩(wěn)定運(yùn)行需使用昂貴的高純氬氣，導(dǎo)致分析成本高，持續(xù)不斷地供氣要求限制了二者在生產(chǎn)一線或交通運(yùn)輸不便的地區(qū)使用。微波等離子體原子發(fā)射光譜(MP-AES)基于微波導(dǎo)波技術(shù)，利用磁場耦合微波能量高效聚集到等離子體環(huán)境中，激發(fā)形成穩(wěn)定的微波等離子體(MP)[14-16]，通過從空氣中提取氮?dú)鉃镸P連續(xù)提供工作氣，降低了分析運(yùn)行成本。本文應(yīng)用MP-AES對粗糧類食品中主量元素K、Na、Ca、Mg和微量元素Fe、Cu、Zn、Mn進(jìn)行測定，旨在為粗糧類食品中多元素的低成本高通量準(zhǔn)確測定提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液(1 000 mg/L)，國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心； Y單元素內(nèi)標(biāo)溶液(1 000 mg/L)，BV-III級(jí)硝酸、MOS級(jí)雙氧水，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)大米粉(SRM 1566a)，4種谷物類(小米、高粱、蕎麥、黑米)、3種雜豆類(黃豆、綠豆、黑豆)和3種塊莖類(紅薯、山藥、馬鈴薯)粗糧樣品購自于大型生活超市。

1.2 儀器和設(shè)備

4200微波等離子體原子發(fā)射光譜儀，配備OneNeb霧化器，雙通道玻璃旋流霧化室，4107氮?dú)獍l(fā)生器，SPS 3自動(dòng)進(jìn)樣器，優(yōu)化后MP-AES的參數(shù)為：霧化氣流量，0.35～0.95 L/min；泵速，15 r/min；讀數(shù)時(shí)間，3 s(K和Na為2 s)；重復(fù)次數(shù)，3次；樣品吸入延遲時(shí)間，30 s；沖洗時(shí)間，45 s；穩(wěn)定時(shí)間，10 s；背景校正，快速線性干擾校正(FLIC)；分析波長，K 769.892 nm、Na 589.592 nm、Ca 393.366 nm、Mg 285.213 nm、Fe 259.940 nm、Cu 324.754 nm、Zn 213.857 nm、Mn 403.076 nm。MARs 5微波消解儀。Milli-Q超純水儀。

1.3 樣品預(yù)處理

所有粗糧樣品均采用超純水清洗干凈，晾干后置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，用植物粉碎機(jī)粉碎后混合均勻，分類保存于干燥器中。稱取粗糧樣品1.0 g(精確到0.000 1 g)樣品于微波消解罐中，加少量超純水潤濕，依次加入4 mL的硝酸和2 mL的雙氧水，敞開罐蓋靜置20 min，密封消解罐后采用程序升溫進(jìn)行微波消解。程序升溫分三步進(jìn)行：(1)功率1 600 W，溫度120 ℃，爬升時(shí)間5 min；(2)功率1 600 W，溫度150 ℃，爬升時(shí)間5 min；(3)功率1 600 W，溫度190 ℃，爬升時(shí)間，保持時(shí)間15 min。消解結(jié)束后用超純水定容至25 mL容量瓶中，搖勻待測。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液分別配制不同濃度的系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入1 mg/L的Y內(nèi)標(biāo)元素，根據(jù)分析元素與內(nèi)標(biāo)元素光譜強(qiáng)度的比值與所對應(yīng)的分析元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，利用MP-AES自帶軟件MP Expert建立分析元素的校準(zhǔn)曲線，在相同條件下同時(shí)測定空白溶液和樣品溶液，根據(jù)校準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品溶液中分析元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 分析波長的選擇

MP采用氮?dú)獾入x子體，由低功率微波源維持在大氣壓下工作，不同氣體產(chǎn)生的等離子體特性存在較大差異，與氬氣等離子體ICP相比，MP的溫度更低，高溫有利于等離子體激發(fā)形成更多離子，從而產(chǎn)生更多的發(fā)射譜線，豐富的發(fā)射譜線為分析元素提供了更多的波長，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的光譜干擾，由于MP的激發(fā)溫度較低，大多數(shù)分析元素在MP中處于比離子態(tài)光譜更簡單的原子態(tài)，減少了光譜干擾，但可用于光譜分析的譜線變少，分析波長的選擇變得復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)通過考察5 mg/L的K、Na、Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、Mn單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液不同分析波長的信號(hào)響應(yīng)強(qiáng)度和光譜干擾，從而選擇各元素的分析波長。

K標(biāo)準(zhǔn)溶液在766.491 nm和769.892 nm的信號(hào)強(qiáng)度分別為357 000和193 000，Na標(biāo)準(zhǔn)溶液在588.595 nm和589.592 nm的信號(hào)強(qiáng)度分別為1 160 000和580 000，然而，K和Na的最靈敏譜線分別受到了La原子線766.434 nm和Mo原子線588.831 nm的干擾，由于在所有粗糧樣品中均存在不同程度Mo和La的原子光譜干擾，而K和Na的次靈敏譜線769.892 nm和589.592 nm仍然具有高響應(yīng)強(qiáng)度，因此，實(shí)驗(yàn)選擇K和Na的分析波長分別為769.892 nm和589.592 nm。Fe和Mn的波長選擇與K、Na相似，分別選擇Fe和Mn的次靈敏線259.940 nm和 403.076 nm為分析波長。

Ca標(biāo)準(zhǔn)溶液在393.366 nm和422.673 nm的信號(hào)強(qiáng)度分別為823 000和616 000，兩條譜線的響應(yīng)強(qiáng)度相差不大，但Fe的三條譜線422.545 nm、422.417 nm和422.743 nm會(huì)對Ca的次靈敏線422.673 nm形成干擾，而Ca在393.366 nm無干擾，實(shí)驗(yàn)選擇Ca的最靈敏線393.366 nm為分析波長；Mg標(biāo)準(zhǔn)溶液在285.213 nm和279.553 nm的信號(hào)強(qiáng)度分別為953 000和27 200，由于Mg在285.213 nm沒有干擾，實(shí)驗(yàn)選擇285.213 nm為Mg的分析波長。Cu和Zn的光譜特性與Ca、Mg相似，分別選擇Cu和Zn的最靈敏線324.754 nm和213.857 nm為分析波長。

2.2 光譜干擾及校正

粗糧中各種不同濃度的元素會(huì)導(dǎo)致光譜干擾，多數(shù)元素可以根據(jù)譜線強(qiáng)度和潛在光譜干擾選擇最佳的分析波長避開光譜干擾，但對于存在干擾且沒有可供選擇的其他靈敏譜線或無干擾譜線時(shí)，仍需校正光譜干擾，本實(shí)驗(yàn)使用快速線性干擾校正(FLIC)技術(shù)校正光譜干擾。當(dāng)光譜窗口中存在多個(gè)部分重疊的光譜成分，或者只有一個(gè)光譜成分時(shí)，采用樣品中的空白溶液、分析元素標(biāo)準(zhǔn)溶液和預(yù)期干擾元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液建立FLIC模型[18]，利用MP Expert軟件估計(jì)每個(gè)模型所需的數(shù)量，以使未知譜線與空白、分析元素和預(yù)期干擾的模型的比例和之間的平方差的總和最小化，從而為樣本光譜中識(shí)別的干擾提供了準(zhǔn)確和自動(dòng)的校正，由于FLIC模型引入了空白溶液數(shù)據(jù)，F(xiàn)LIC模型不僅能校正譜線重疊干擾，還能校正背景干擾。圖1所示為采用FLIC技術(shù)校正Fe光譜對Cu 324.754 nm的干擾。

圖1 Cu 324.754 nm的快速線性干擾校正(FLIC)模型

2.3 基體效應(yīng)及校正

在MP-AES分析中，溶液的基質(zhì)組成差異會(huì)導(dǎo)致霧化效率和傳輸速率不同，形成基體效應(yīng)影響分析元素的精密度和靈敏度，內(nèi)標(biāo)法是消除基體效應(yīng)常用方法。由于粗糧中的稀土元素Y的含量很低且不干擾待測元素所選分析譜線的測定，本實(shí)驗(yàn)通過在所有分析溶液中加入1 mg/L的Y為內(nèi)標(biāo)元素校正基體效應(yīng)，選擇Y在371.029 nm處的譜線為分析線補(bǔ)償分析元素的譜線強(qiáng)度，利用分析元素譜線強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素譜線強(qiáng)度的變化進(jìn)行定量分析。

為驗(yàn)證加入內(nèi)標(biāo)元素對基體效應(yīng)的校正效果和分析過程的穩(wěn)定性，選擇粗糧樣品中加入50 mg/L的K、Na、Ca、Mg和1 mg/L的 Fe、Cu、Zn、Mn混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)微波消解后在3 h內(nèi)采用MP-AES每10 min測定1次，計(jì)算各元素的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)來衡量穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2。可以看出，在3 h內(nèi)所有元素的歸一化信號(hào)均在1±0.1范圍內(nèi)變化，絕大多數(shù)歸一化信號(hào)在1±0.05范圍內(nèi)變化，各元素的RSD小于5%，說明各元素沒有發(fā)生明顯漂移，基體效應(yīng)得到了校正，分析過程的穩(wěn)定性好。

圖2 粗糧樣品中多元素加標(biāo)的3 h穩(wěn)定性

2.4 方法的分析性能評(píng)價(jià)

分別配制0.0、0.05～1.0 mg/L(0.05 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；1.0 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、0.2～5.0 mg/L(0.2 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；5.0 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、1.0～20 mg/L(1.0 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；20 mg/L的K、Na、Ca、Mg)、5.0～100 mg/L(5.0 mg/L的Fe、Cu、Zn、Mn；100 mg/L的K、Na、Ca、Mg)的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入內(nèi)標(biāo)元素后采用本法進(jìn)行測定，利用MP Expert軟件自動(dòng)建立校準(zhǔn)曲線。在相同條件下對空白溶液重復(fù)測定10次，計(jì)算各元素的標(biāo)準(zhǔn)偏差，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度為各元素儀器的檢出限(LOD)，經(jīng)稀釋校正為方法的檢出限(MDL)，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，各元素在寬線性范圍內(nèi)良好的線性關(guān)系(線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 6)可測定樣品中主量元素，MDL為0.02～0.38 μg/g，可測定樣品中微量元素。

表1 分析元素的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、儀器的檢出限(LOD)和方法的檢出限(MDL)

利用分析標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)大米粉(SRM 1566a)評(píng)價(jià)方法的準(zhǔn)確性和精密度，對標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)重復(fù)測定6次，計(jì)算各元素的RSD和回收率，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的測定值與認(rèn)定值基本一致，RSD≤4.0%之間，回收率在97.5%～105%之間，驗(yàn)證了分析方法的準(zhǔn)確性好，精密度高。

表2 標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)米粉(SRM 1566a)的分析結(jié)果

2.5 粗糧樣品分析

應(yīng)用所建立的分析方法分別對4種谷物類(小米、高粱、蕎麥、黑米)、3種雜豆類(黃豆、綠豆、黑豆)和3種塊莖類(紅薯、山藥、馬鈴薯)粗糧進(jìn)行測定，每個(gè)樣品重復(fù)測定6次，同時(shí)采用國標(biāo)法(GB 5009.268—2016)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果見表3。可以看出，本方法與國標(biāo)法對10種粗糧進(jìn)行測定的結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了本方法準(zhǔn)確可靠。10種粗糧中富含對人體有益的多種營養(yǎng)元素，3種雜豆類粗糧中的K、Ca、Mg含量很高，其中黃豆中K、Ca、Mg含量最高，而Na含量較低，是典型的高K低Na食品；4種谷物類粗糧中Mg含量高于3種塊莖類粗糧，而K、Ns、Ca含量與3種塊莖類粗糧相似；黑米中的Fe和Mn的含量最高，紅薯中Cu的含量最高，Zn在10種粗糧中的含量無分布規(guī)律。

表3 不同粗糧樣品的分析結(jié)果(mg/kg， n=6)

3 結(jié)論

利用微波磁場和氮?dú)猱a(chǎn)生等離子體的MP-AES測定粗糧中的主量元素(Ca、K、Mg、Na)和微量元素(Fe、Cu、Zn、Mn)，使用集成在儀器上的氮?dú)獍l(fā)生器從空氣中產(chǎn)生的氮?dú)?，提高了?shí)驗(yàn)室的安全性，具有運(yùn)行成本低、快速、安全簡便等突出優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了粗糧樣品中多元素的準(zhǔn)確測定。通過選擇易電離元素的離子線和難電離元素的原子線，最大限度地減少了光譜干擾，使用FLIC模型和內(nèi)標(biāo)法分別校正了光譜干擾和基體效應(yīng)。對10種粗糧的分析結(jié)果表明，粗糧中富含對人體有益的多種營養(yǎng)元素，無人值守的分析能力能滿足粗糧中多元素的高通量測定要求。