11奶粉中微量金屬元素的icp-aes分析

1、奶粉中微量金屬元素的 ICP-AES 分析方栩岸（12322042） 迪力亞爾肉孜 封亮廷 杜釗夷范志穎 方博馨 馮偉儀 胡亦清 陳保利 胡慶坤（中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)，廣州，510275）1 引言近年來，國內(nèi)外奶粉安全問題頻發(fā)，成為各國、消費者和科研工作者關(guān)注的焦點。鐵、銅、鋅、錳等屬于微量元素，是指成人膳食需要 100mg 以下，占中含量在 0.01%以下的元素，在新陳代謝、生長發(fā)育中起到重要作用1。鉻、鎘等重金屬元素的大量攝入則會引2-3。對奶粉中元素檢測方法兩個步驟：一是前處理，微波消解起急性或慢性甚至占主流位置4。二是分析檢測階段，有原子吸收光譜法、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法、熒光法

2、、注射分析法5等。在樣品消解方面，有傳統(tǒng)的電熱板消解法，干灰化法和微波消解法。電熱板加熱法簡單易控，但消化時間長，開放式消解會導(dǎo)致強酸性氣體逸出，造成損害；而干灰化法本身可用來處理幾乎所有的樣品的，但由于灰化過程易造成元素?fù)p失，同時因操作時間長、操作不當(dāng)容易造成樣品污染6。與傳統(tǒng)的方法比較，微波加熱是一種內(nèi)加熱，大大減少了由于熱傳導(dǎo)本身原理上的熱量散失效應(yīng)。在密閉的容器中微波消解避免了樣品的損失且保證了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。本實驗用微波消解技術(shù)對土壤樣品進行消解，用電感耦合等離子體原子發(fā)射法(ICP-AES)測定土壤中微量金屬的含量。原子發(fā)射光譜法(AES)是依據(jù)每種化學(xué)元素的原子或離子在熱激發(fā)或

3、電激發(fā)下,發(fā)射特征的電磁輻射而進行元素的定性與定量分析的方法。原子發(fā)射光譜分析的優(yōu)點為:(1)多元素同時檢測的能力;(2)分析速度)選擇性好:(4)檢出限低;(5)準(zhǔn)確度較高;(6)適用范圍廣7。本實驗使用 ICP摘要 奶粉中微量金屬元素含量過高會影響 健康，含量過低又會影響正常新陳代謝，因此 對南山、雀巢、伊利三種奶粉內(nèi)的微量金屬含量進行分析檢測，并對實驗過程進行優(yōu)化，選定最優(yōu)測定波長、 與載氣流量。經(jīng)測定，南山奶粉鐵、鋅、鉻含量符合包裝說明，雀巢奶粉鉻含量沒有 ，伊利奶粉鐵、鋅含量不符合包裝描述，錳、鉻含量符合包裝說明。實驗表明，ICP-AES 法具有操作簡便、靈敏度高、選擇性好、快速以及

4、多元素同時檢測的優(yōu)點。奶粉微量金屬元素ICP-AES微波消解光源進行分析測定。ICP 光源可達到 10000K 的高溫，使試樣充分轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，停留時間長，自吸效應(yīng)小。2 實驗部分2.1 儀器與試劑2.1.1 儀器高壓密閉微波消解儀（Mars-Xpress 型，培安-CEM 微波化學(xué)（中國）技術(shù)中心）。Spectro Ciros-ViEOP 水平觀測全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（德國斯派克分析儀器公司）。2.1.2 試劑3.0g/mL 混合金屬溶液（用于儀器條件優(yōu)化及分析線的定義）：與 50mL 容量瓶中加入金屬混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（50g/mL）3.00mL，加入 1mL 的濃硝酸（酸度為 2%），

5、用二次水稀釋至刻度，搖勻。2.2 實驗步驟2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的配制（1）先配制濃度大于 0.10g/mL 的 4 組高濃度及空白溶液：在 5 個 25mL 比色管中分別加入 0.5mL 的濃硝酸（酸度為 2%），分別吸取金屬混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（50g/mL）0.00mL、0.25mL、0.50mL、1.50mL、2.50mL 配置各元素濃度分別為 0.00、0.50、1.00、3.00、5.00g/mL 的標(biāo)準(zhǔn)系列溶液，用超純水稀釋至刻度，搖勻。（2）低濃度采用逐級稀釋法配制：吸取 1.00g/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液 2.5mL，加入 0.5mL 的濃硝酸（酸度為 2%），用超純水定容至刻度，即稀釋

6、10 倍，得到 0.10g/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液；吸取 0.50g/mL標(biāo)準(zhǔn)溶液 2.5mL，加入 0.5mL 的濃硝酸（酸度為 2%），用超純水定容至刻度，即稀釋 10 倍，得到 0.05g/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液；吸取 0.10g/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液 2.5mL，加入 0.5mL 的濃硝酸（酸度為 2%），用超純水定容至刻度，即稀釋 10 倍，得到 0. 01g/mL 標(biāo)準(zhǔn)溶液；2.2.2 奶粉樣品的微波消解步驟（1）分別準(zhǔn)確稱取 9 份 0.5000g 不同品牌的奶粉樣品（雀巢、伊利、南山各 3 份），置于聚四氟乙烯（PTFE）消解罐中，分別用移液管加入 8mL 不同體積比的硝酸和雙氧水混合溶液（消解液配

7、比參考表 1），振搖使之與樣品充分混合，靜置，加內(nèi)蓋，用濾紙拭干罐蓋和罐壁；表 1 優(yōu)化微波消解條件用的樣品系列123456奶粉品牌空白南山雀巢伊利空白南山奶粉質(zhì)量/g00.5000.5000.50000.500硝酸/mL888866雙氧水/mL000022789101112奶粉品牌雀巢伊利空白南山雀巢伊利奶粉質(zhì)量/g0.5000.50000.5000.5000.500硝酸/mL664444雙氧水/mL224444（2）擰上消解罐罐蓋，放入Mars-Xpress 型高壓密閉微波消解儀爐腔內(nèi)；（3）打開儀器電源開關(guān)，待儀器自檢后，進入主菜單，無需預(yù)熱；（4）將裝配好的消解罐按均勻、對稱的原則擺放

8、在轉(zhuǎn)盤內(nèi)圈上。反應(yīng)罐要充分轉(zhuǎn)盤內(nèi)，并注意有外套，同一批至少要 8 個消解罐。（5）將裝配好的消解罐與轉(zhuǎn)盤放置在微波腔內(nèi)。保證轉(zhuǎn)盤與驅(qū)動軸耦合正確。按轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動鍵轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤 2 圈，查看轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動是否正常。（6）關(guān)好儀器門，根據(jù)實驗設(shè)置適當(dāng)方法。Edit/Create MethodUser DirectoryRtotemperature。（7）設(shè)定微波消解溫度-時間程序，見表 2 所示，命名方法，按下啟動開關(guān)開始樣品消解。表 2 微波消解程序功率百分比%升溫時間/min起始溫度/結(jié)束溫度/保持時間/min步驟功率11600W10010室溫120521600W1005120160531600W10051

9、6019010（8）待微波消解完成后，儀器自動冷卻，冷卻程序結(jié)束后，取出消解罐，室溫冷卻 5-10min后打開消解罐罐蓋，再打開內(nèi)蓋，在通風(fēng)櫥內(nèi)放置片刻直至大部分氮氧化物排出后拿出通風(fēng)櫥；（9）將消解液倒入耐酸過濾漏斗中，再分別以每次 1-2mL 的二次去離子水沖洗消解罐罐蓋和罐壁 2-3 次，抽濾，將過濾液轉(zhuǎn)移至 25mL 具塞試管中，再以 1-2mL 純水沖洗抽濾瓶 2 次，也轉(zhuǎn)移至 25mL 具塞試管中，最后以二次去離子水定容至 25mL，待測；（10）消解罐，關(guān)閉儀器電源，清潔儀器，儀器門，微波腔，轉(zhuǎn)盤，微波腔體保護板，關(guān)閉通風(fēng)櫥。2.2.3 ICP-AES 測定（1）啟動儀器。先啟動

10、儀器主機，再啟動蠕動泵，通氬氣、冷卻水并打開儀器的通風(fēng)設(shè)備，最后啟動計算機中的 Smartyzer Vi工作站，等待系統(tǒng)完成初始化。（2）建立測量方法。新建測量方法（New Method）并輸入方法名。設(shè)置參數(shù)如下：表 3 ICP-AES 方法信息（Method Infos）Application TypeNormalNebulizer TypeCrossflowDaransportComplete spectrumMin Corr. Coefficient0.99-0.999No. of Measurements1-3然后，在元素周期表中分別雙擊 Fe、Cu、Zn、Cr、Cd、Mn 元素，使

11、用儀器測定波長；設(shè)置測量條件，如表 4 所示：表 4 ICP-AES 測量條件設(shè)定線定義跳過，暫不設(shè)定；進入標(biāo)準(zhǔn)樣品表，點擊 SystemGlobal DatabaseGlobal Standards,按濃度從低到高的順序設(shè)定待測標(biāo)準(zhǔn)樣品名和濃度。在 Global Library 中逐個雙擊待測的標(biāo)準(zhǔn)樣品，將標(biāo)準(zhǔn)樣品、描述加入到方法中。（3）樣品測量。按參數(shù)調(diào)整矩管位置，點擊Apply；點燃等離子體；開啟蠕動泵；定義分析線：將進樣管放入 3.0g/mL 的混合金屬溶液中，點擊“單次測量”，完成后保存，點擊Display 放大譜圖，依次點擊峰高，半峰高，區(qū)域，背景，以 ctrl+左鍵點擊或拖動定

12、義各個元素譜線的相關(guān)積分參數(shù)；Generator ParameterRelative TorchitionGlobal Preflush ParameterPlasmaer1300W Coolant Flow16.00L/min Auxiliary Flow0.70L/minNebulizer Flow0.80L/minHorizontal0mmVertical0mmDistance0mmFast(s)0Fast Step4Total(s)30Normal Step2測定標(biāo)樣繪制工作曲線：ysisMethod MeasurementsMeasureSave，將濃度從低到高的順序測完標(biāo)準(zhǔn)系列后，

13、點擊鼠標(biāo)右鍵，選擇 Copy to Clipboard 將所有標(biāo)樣的 Standardizedensity到 Excel 中，最后點擊 CalculateRegres（回歸），至MethodRegres頁面查看標(biāo)準(zhǔn)工作曲線及其線性相關(guān)系數(shù)；測定奶粉樣品：ysis單次測量，在彈出的窗口中命名待測樣品，點擊 Start Measurement進定，測定完成后保存。所有樣品測定完成后，將所有樣品的 Element Concentration 和Standardizedensity到 Excel 中，用于數(shù)據(jù)處理。（4）對 ICP-AES 最佳工作條件的優(yōu)化：對各元素測定波長、ICP-AES 入射功率

14、以及載氣流量進行優(yōu)化；對于元素測定波長的優(yōu)化：定義分析線，調(diào)整積分定義時已經(jīng)完成，按 ctrl+左鍵點擊選定了峰值對應(yīng)波長。點擊 Line Definition，便可以找到實際選定的測定波長；對入射功率的優(yōu)化：將進樣管5.00g/mL 具塞試管中，點擊Method，固定載氣流量與之前均相同，調(diào)整功率，其它條件均不變，測定功率為 1000W， 1200W 與 1400W 時各元素的吸收，與實際使用功率 1300W 進行比較；對載氣流量的優(yōu)化：將進樣管5.00g/mL 具塞試管中，點擊Method，固定入射功率為1400W，調(diào)整載氣流量，其它條件均不變，測定載氣流量為 0.4mL/min，0.6m

15、L/min 時各元素的吸收，與實際使用載氣流量 0.8mL/min 進行比較（5）關(guān)閉儀器。測量完成后，依次用 5HNO3、蒸餾水進樣系統(tǒng) 3min，再拿出進樣管空燒 3min，直至無積液。然后依次關(guān)閉等離子體、儀器計算機、通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水以及氬氣，最后關(guān)閉電源，完成使用登記工作。3 結(jié)果與3.1 ICP-AES 儀器條件的優(yōu)化3.1.1 測定波長的優(yōu)化根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液進樣情況調(diào)整各元素的實際測定波長，將波長調(diào)整為對應(yīng)峰高最大值處，如表 5 所示：表5 各元素測定波長元素FeCuZnCrCdMn測定波長/nm259.941324.754213.856267.716214.438257.611實

16、際測定波長/nm259.950324.765213.868267.724214.452257.621在隨后的實驗中，都將使用實際測定波長進行分析。3.1.2 入射功率的優(yōu)化以濃度為 5.00g/mL 的混合金屬標(biāo)準(zhǔn)溶液分別用 1000W，1200W，1400W 的進行實驗，各元素的發(fā)射強度，如表 6 所示：表6 各元素不同在不同入射功率下的信號強度功率/WFeCuZnCrCdMn1000596157788193-435.6945611075366493090890120042542071760550593638613430629422048201300248275630694427793209

17、937159310120150014002607656307994429162216191692201268030實際觀測時，發(fā)現(xiàn)功率為 1000W 時，ICP 火焰是無法正常維持的，點燃數(shù)秒后馬上會熄滅，另外又根據(jù)其極高的發(fā)射信號強度，可以推斷這里面的信號強度很可能是存在背景干擾。當(dāng)功率調(diào)節(jié)至 1300W 時，發(fā)射信號強度達到整個優(yōu)化范圍內(nèi)的最小值，說明此時背景干擾最小，最適合進行奶粉樣品中重金屬含量的測定，因此選定 1300W。3.1.3 載氣流量的優(yōu)化以濃度為 1.00g/mL 的混合金屬溶液分別用 0.4L/min，0.6L/min，0.8L/min 的載氣流量進行實驗，各元素的發(fā)射強

18、度，如表 7 所示：表7 各元素不同在不同載氣流量下的信號強度載氣流量/ mLmin-1FeCuZnCrCdMn0.45860.6217089.821973.44275.3513827.917896.10.620704818123621902620357628585211028500.82607656307994429162216191692201268030需要的最優(yōu)載氣流量是能在此條件下，使化合態(tài)的重金屬元素變成游離態(tài)后，ICP-AES應(yīng)選擇 0.8 mLmin-1 作為實際分析采用的載氣流量。產(chǎn)生的發(fā)射信號最大，所以3.2 微波消解條件的優(yōu)化各奶粉中各項待測重金屬元素的發(fā)射強度如表 8

19、所示：表 8 各奶粉樣品的元素發(fā)射強度奶粉品種FeCuZnCrCdMn樣品1南山 138091.21616689146.31426.01-268.14619280.42南山 2.71527301419.87-329.91312391.43南山 362739.923321.4103663723.036-360.1915236.994伊利.3110585816.181-290.1176492.92伊利 2523726516223.41669551230.28-359.20811084.76伊利 382758.922156.993263.3646.733-456.7163552.457雀巢 1.51

20、516701705.46-226.767127678雀巢 222404.714687.390881.41138.75-391.792186579雀巢 312821.522508.260390.2970.148-414.7647992.87需要的消解液要能夠盡量將奶粉溶解，使化合態(tài)的重金屬元素變成游離態(tài)，因此各元素發(fā)射強度的那一種消解液則是最優(yōu)的，另外考慮到奶粉品種的影響，應(yīng)選擇使信號最大值出現(xiàn)最多的那一種消解液。根據(jù)分析，南山與雀巢奶粉的最優(yōu)消解液為消解液 1，伊利奶粉的最優(yōu)消解液為消解液 2。3.3 繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線按照 ICP-AES 功率為 1300W，載氣流量為 0.8L/min 為最

21、優(yōu)測定條件，在最優(yōu)測定吸收波長下，對標(biāo)準(zhǔn)樣品中的金屬進定，如表 9 所示：表 9 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列發(fā)射強度C/gmL-1FeCuZnCrCdMn樣品號10.003002.2419106.81806.46101.705-129.907248.3920.011492.51205412729.03453.722183.6222730.6430.052987.8125509.88528.92253.041470.512993.540.107086.2231204.99970.714271.613003.2424604.850.5025633.779003.445611.221188.615824.3124

22、13161.0050806.9.442462.232445.224730173.0014786138181125585712498696729.673162385.002482756306944277932099371593101201500以濃度為橫坐標(biāo)，發(fā)射強度為縱坐標(biāo)，由標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的測定結(jié)果（表 9）繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線圖，如圖 16 所示。表為各元素標(biāo)準(zhǔn)溶液對應(yīng)的相關(guān)性系數(shù)及回歸方程。表 10 標(biāo)準(zhǔn)溶液系列方程系數(shù)及相關(guān)性系數(shù)線性回歸方程元素相關(guān)系數(shù) Ry = 49208x + 1474.1Fe0.9999y = 122042x + 18398Cu0.9999y = 84920 x + 26

23、07.2Zn0.9999y = 41885x + 130.17Cr1.0000y = 31975x - 5.2866Cd0.9999y = 240829x + 2340.2Mn0.9999圖 1Fe 的標(biāo)準(zhǔn)曲線300000250000200000發(fā)射150000強度100000500000012345Fe濃度/(g/mL)圖 2Cu 的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖 3Zn 的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖 4Cr 的標(biāo)準(zhǔn)曲線250000200000發(fā) 150000射強度 100000500000012345Cr濃度/(g/mL)450000400000350000300000發(fā)射 250000強 200000度 150000100

24、000500000012345Zn濃度/(g/mL)700000600000500000發(fā)射400000強300000度2000001000000012345Cu濃度/(g/mL)圖 5 Cd 的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖 6 Mn 的標(biāo)準(zhǔn)曲線3.4 不同奶粉樣品中微量元素含量的比較取3種奶粉樣品各0.5000g，按照上述選取的最優(yōu)微波消解方法以及ICP-AES條件進定，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線定量，對不同奶粉樣品中微量金屬元素含量進行比較，如表11所示：表 11各奶粉樣品的元素發(fā)射強度樣品奶粉品奶粉FeCuZnCrCdMn種質(zhì)量/g1空白 1012063319652.319838.51278.53-252.539444

25、5.38空白 2018527.514242.618097.2523.679-269.8542719.823南山 138091.21616689146.31426.01-268.14619280.40.50294雀巢 1.51516701705.46-226.767127670.510012000001000000發(fā)射 800000強 600000度400000200000045Mn濃度/(g/mL)160000140000120000發(fā) 100000射 80000強度 6000040000200000-200005Cd濃度/(g/mL)5伊利 20.5030 23726516223.41669

26、551230.28-359.20811084.7將樣品與空白樣的同種元素發(fā)射信號強度作差，將差代入擬合得到的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程中來計算元素的濃度，所稱取奶粉樣品質(zhì)量為 m g；配制樣品溶液 25.00mL，因此土壤中重金屬含量為：=(25.00*C) /m gg-1。求得計算結(jié)果如表 12，表 13，表 14 所示：表 12 南山奶粉樣品的元素濃度FeCuZnCrCdMn發(fā)射強度差-82541.8-3486.369307.8147.48-15.60714835.02樣品濃度-1.70736-0.179320.7854520.000413-0.000320.051883c/gmL-1重金屬含量-84.

27、8759-8.9141939.046140.020545-0.016052.579168cm/gg-1表 13 雀巢奶粉樣品的元素濃度FeCuZnCrCdMn發(fā)射強度差73874-73.8131831.5426.9325.7728321.62樣品濃度1.471303-0.151361.5217180.0070850.0009710.024837c/gmL-1重金屬含量72.12272-7.4194274.594020.347310.0476151.21749cm/gg-1表 14 伊利奶粉樣品的元素濃度FeCuZnCrCdMn發(fā)射強度差218737.51980.8148857.8706.601

28、-89.3548364.9樣品濃度4.415205-0.134521.7222160.013762-0.002630.025017c/gmL-1重金屬含量219.4436-6.6859385.597230.684007-0.130671.243365cm/gg-13.5 實驗3.5.1 步驟優(yōu)化的分析本次實驗對 ICP-AES 的，載氣流量，測定波長進行了優(yōu)化；的優(yōu)化測定了 1000、1200、1300、1400W 的發(fā)射強度，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)在 1300W處達到最低值，根據(jù) 1000W 時點不著 ICP 火焰卻出現(xiàn)了高發(fā)射值的現(xiàn)象，應(yīng)該選擇極小值作為最優(yōu)的，此步分析較為合理。只測定了 0.4、0

29、.6、0.8L/min 的數(shù)據(jù)，它們是不斷遞增的，但并不清楚當(dāng)載氣載氣流量流量大于 0.8L/min 后的發(fā)射強度變化，進一步優(yōu)化時應(yīng)該對此區(qū)域進行一定的探究；測定波長，是對標(biāo)樣的線定義進行分析的，操作簡單，但同時要保證選擇發(fā)射強度最大的波長可以保證在后面的檢測中得到靈敏度更高的數(shù)據(jù)系列，另外在選定范圍與基線也要注意操作；3.5.2 步驟操作的分析由表 10 可見，所配制的標(biāo)準(zhǔn)系列各種元素的相關(guān)系數(shù)均達到了 0.999-0.9999 之間，說明線性相關(guān)系數(shù)十分高，說明的配制過程較為精確。同時本次采用了逐級稀釋法，應(yīng)該注意稀釋倍數(shù)也不能太大，如 0.01g/mL 不能直接用 1g/mL 來稀釋，

30、應(yīng)該分兩次，每次稀釋 10倍，減小誤差；對奶粉消解的過程中，由于組員往消解罐中加水過多造成了一定的，但由于是在樣品前處理過程中發(fā)生的，因此還可以重做，只是浪費了一定的時間。應(yīng)該注意，消解過程加水必須要謹(jǐn)慎，否則后面抽濾獲得的濾液體積大于帶塞試管的體積，會造成很大的誤差；對儀器工作站的操作，顯得較為生疏，第一次進標(biāo)樣時就出現(xiàn)了異常情況。應(yīng)注意每一步改變設(shè)定后都要點擊“保存”，才能進行下一步。另外則是儀器啟動順序，先啟動儀器主機，再啟動蠕動泵，通氬氣、冷卻水并打開儀器的通風(fēng)設(shè)備，最后啟動計算機中的 Smartyzer Vi工作站。結(jié)束時則倒過來完成，ICP-AES 內(nèi)完成了空燒與等凈化程序。3.5.3 實驗結(jié)果的分析由表 10 可見，所配制