郝 俊，汪 雨，劉 聰，吳 贊，邵 鵬，祖文川*

1.天津大學環(huán)境與工程學院，天津 300072 2.北京市科學技術(shù)研究院分析測試研究所(北京市理化分析測試中心)，北京 100089

引 言

鈣是保持生命健康不可或缺的營養(yǎng)素之一。鈣元素不僅是構(gòu)成生命體骨骼組織的主要礦物質(zhì)成分，還直接參與機體的代謝活動。鈣是維持細胞生存代謝和機能的主要電解質(zhì)元素，其在神經(jīng)、肌肉的應激過程以及維持生命體酸堿平衡等方面具有重要作用。缺鈣可能會導致兒童佝僂病，青少年發(fā)育遲緩，孕婦高血壓，老年人骨質(zhì)疏松癥等諸多問題。目前，我國居民日常鈣攝入量嚴重不足，尤其是兒童、青少年和老年人缺鈣比例比較高[1]。通過牛奶等高鈣食品補鈣已經(jīng)成為一種大眾認可的生活或食療習慣。牛奶中含有豐富的活性鈣，是奶業(yè)加工最重要的產(chǎn)品之一。鈣含量水平直接影響原料奶的質(zhì)量，鈣元素對維持牛奶的鹽類平衡，保持牛奶體系的穩(wěn)定性等發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。通過測定牛奶鈣含量可以在一定程度上反映牛奶的品質(zhì)。

目前，牛奶中鈣含量測試主要采用滴定法[1]、分光光度法[3]、火焰原子吸收光譜法[2, 4-7]、電感耦合等離子體-原子發(fā)射光譜法[8-12]或離子選擇電極法[13-14]。其中，滴定法存在干擾嚴重、終點顯示不明確、準確度不高等缺點；分光光度法分析效率低，干擾嚴重；火焰原子吸收光譜法以及ICP-AES法對牛奶中鈣含量分析均依賴于乙炔、氬氣等氣體鋼瓶，故對實驗室的分析條件要求較為苛刻；離子選擇性電極法電極處理過程較為繁瑣耗時，且需定期維護或更換。此外，上述方法均需要借助干灰化或者濕法消解等前處理手段進行樣品制備[15]，很難在現(xiàn)場快速分析中應用。激光誘導擊穿光譜(LIBS)法曾有應用于奶粉中金屬元素測定[16]的報道，但該法更加適合固體樣品分析，很難應用于液態(tài)奶中鈣元素的測定。牛奶分析樣品量巨大，開發(fā)一種無需氣體鋼瓶，分析成本低且高效、靈敏的牛奶中鈣含量測定技術(shù)具有顯著的實用價值。

液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法在大氣壓下，通過在金屬陽極和進樣溶液陰極間施加一幾百到上千伏的電壓，使電極間的氣體發(fā)生放電，產(chǎn)生輝光電離，形成微等離子體。放電過程中，液體電極中的溶液不斷被氣化，使得溶解在溶液中的金屬離子也進入到微等離子體中并受熱激發(fā)，進而產(chǎn)生發(fā)射光譜，通過檢測不同元素的特征輻射實現(xiàn)溶液中金屬離子的定性與定量檢測。目前液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法已成功應用于水中多種金屬元素的分析，并展現(xiàn)了良好的分析性能[17-22]。本工作采用直接酸稀釋進樣，采用自制便攜液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀，建立了牛奶樣品中鈣含量的快速、簡便、高靈敏且可現(xiàn)場應用的分析方法。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗采用的硝酸為優(yōu)級純試劑(北京化工廠)；實驗用水為二次離子交換水。

實驗采用自主研制液體陰極輝光放電裝置(配海洋光學HR-4000光纖光譜儀)，該裝置采用注射進樣，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牛奶樣品，市售，購自北京當?shù)爻小?/p>

圖1 自制液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜裝置示意圖

本裝置放電室采用鎢陽極，以進樣試液作為陰極(石墨為輔助陰極)。溶液進樣由柱塞泵控制，由切換閥1號位吸入試液5 mL, 而后由2號位經(jīng)進樣管路推入放電室。由光纖光譜儀采集鈣元素在622 nm下的發(fā)射光譜。自制液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀器的條件參數(shù)：放電電壓700 V；放電電流35 mA；放電電極間距離2 mm; 試液流速4 mL·min-1；光纖光譜儀積分時間100 ms；進樣玻璃管內(nèi)徑0.3 mm×0.3 mm；讀數(shù)方式為峰高模式。

標準系列：由鈣標準儲備液(1 000 mg·L-1，購自中國計量科學研究院)，逐級稀釋至濃度分別為0.0，2.0，5.0，15，20和50 mg·L-1的系列，保持標準系列硝酸濃度為1%(V/V)。實驗所需其他濃度標準試液也由儲備液逐級稀釋而得。

1.2 樣品處理

準確吸取牛奶樣品1 000 μL至100 mL容量瓶，用1%(V/V)硝酸稀釋至刻度，充分震蕩搖勻，此為稀釋100倍的樣品；準確吸取牛奶樣品500 μL至100 mL容量瓶，用1%(V/V)硝酸稀釋至100 mL，充分震蕩搖勻，此為稀釋200倍的樣品。其他稀釋倍數(shù)的牛奶樣品試液參照以上方法制備。

2 結(jié)果與討論

2.1 分析譜線

選取0～50.0 mg·L-1鈣元素標準使用液，通過光纖光譜儀采集其發(fā)射光譜。譜圖如圖2所示，在622 nm有較強的發(fā)射峰。此外，在該發(fā)射峰波長附近未發(fā)現(xiàn)顯著的干擾譜線。本工作采用622 nm作為分析譜線。

圖2 鈣元素的液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜

2.2 放電電壓的選擇

液體陰極輝光放電發(fā)射光譜儀固體陽極與液體陰極間施加的電壓直接影響兩極間微等離子體的產(chǎn)生以及等離子體的溫度、穩(wěn)定性等。實驗采用5 mg·L-1Ca元素標準溶液，對660～710 V之間的放電電壓對其發(fā)射強度的影響進行探究，結(jié)果表明在放電電壓低于670 V時，兩極間很難形成穩(wěn)定的等離子體，大于700 V時，基線噪音變大顯著。670～770 V放電電壓對Ca元素發(fā)射強度的影響如圖3所示, 當放電電壓在690 V以上時，靈敏度增加趨勢放緩。綜合考慮靈敏度及基線性能，實驗選擇700 V放電電壓。

圖3 放電電壓對鈣元素測定性能的影響(n=3)

2.2 稀釋試劑(酸)的選擇

試液酸化用酸以及酸度控制對液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜法測定金屬元素含量的準確度具有顯著影響。前期工作[18]曾報道了含有1%(V/V)硝酸、1%(V/V)鹽酸、1%(V/V)硫酸介質(zhì)對金屬元素測定靈敏度的影響：采用1%(V/V)硫酸介質(zhì)，發(fā)射強度最大；采用1%(V/V)鹽酸介質(zhì)，靈敏度和穩(wěn)定性均較差；采用1%硝酸(V/V)介質(zhì)，在實現(xiàn)較為理想靈敏度的同時，具有最佳的穩(wěn)定性。牛奶樣品中鈣元素的含量水平較高，一般原料奶鈣含量在 105～120 mg·(100 g)-1之間[7]，考慮方法的穩(wěn)定性，故實驗選取1%(V/V)硝酸作為牛奶樣品的稀釋試劑。

2.4 稀釋倍數(shù)與干擾消除

牛奶樣品中含有較多的蛋白、脂肪等有機質(zhì)，稀釋倍數(shù)過低容易給鈣元素分析帶來基體干擾。因此，稀釋倍數(shù)是保證牛奶中鈣元素測定準確度的關(guān)鍵因素。實驗驗證了50～200倍稀釋倍數(shù)范圍內(nèi)，稀釋倍數(shù)對測定結(jié)果的影響。結(jié)果如圖4所示，當稀釋倍數(shù)大于100時，鈣含量測定結(jié)果趨于穩(wěn)定，不存在顯著的基體干擾；稀釋倍數(shù)低于100時，進樣后容易產(chǎn)生較多的白色泡沫。綜合考慮牛奶中鈣元素含量的一般濃度，鈣的檢出限以及干擾因素，實驗一般選取稀釋倍數(shù)100～200，對于鈣含量偏高的牛奶樣品可以采用更高的稀釋倍數(shù)。

圖4 稀釋倍數(shù)對牛奶中鈣測定結(jié)果的影響

2.5 分析性能

由低濃度到高濃度分別測試鈣標準系列在622 nm下的光譜發(fā)射強度。采集譜圖如圖5所示，以發(fā)射強度為縱坐標，以鈣標準溶液濃度為橫坐標，擬合得到鈣標準系列的線性方程為I=151.7ρCa+171.3,R2=0.999 2。以11次標準空白發(fā)射強度重復測試值的標準偏差的3倍除以標準曲線線性方程的斜率，考察儀器的檢出限，為0.35 mg·L-1；當牛奶樣品稀釋100倍時，本方法對牛奶中鈣元素的方法檢出限為35 mg·L-1；可以滿足牛奶樣品Ca元素的分析需求[參考濃度水平105～120 mg·(100 g)-1]；對同一牛奶樣品鈣元素含量進行6次重復性測試，相對標準偏差為4.6%。單一樣品測試時間少于1 min。

2.6 實際樣品分析

將本法應用于北京市購牛奶樣品中鈣元素的測定，結(jié)果如表1所示，不同濃度水平加標回收率在89.0%～110.7%之間。平均回收率在100.2%～102.1%，表明本方法可以較好地應用于實際牛奶樣品中鈣元素含量的快速測定。

圖5 不同濃度水平Ca標準溶液的液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜

表1 加標回收實驗結(jié)果(n=7)

3 結(jié) 論

建立了基于自制便攜液體陰極輝光放電-原子發(fā)射光譜儀快速測定牛奶中鈣含量的方法。采用本方法，牛奶樣品經(jīng)稀硝酸酸化并適當稀釋后直接進樣，無需復雜的樣品前處理和大量的化學試劑，方便易行，有效避免了外來污染。同時，本方法在不需要使用任何輔助氣體鋼瓶的條件下，在1 min內(nèi)即可實現(xiàn)每個牛奶樣品鈣元素的快速分析，且實驗結(jié)果證明本方法對牛奶樣品中鈣含量的分析干擾少，分析結(jié)果可靠性強。此外所采用的自制儀器結(jié)構(gòu)簡單且可便攜，對工作條件要求低，可以有效降低分析成本。為牛奶中鈣含量測定提供了一種新穎的快速測試手段，可以滿足牛奶鈣含量質(zhì)量控制及現(xiàn)場快速篩查的需求。