引用本文
赵婷, 池海涛, 刘奕忍, 高峡, 黄瞾, 张梅, 李琴梅. X射线荧光微区分析结合电感耦合等离子体质谱法进行保健食品中元素含量的测定[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(3): 750-754.
ZHAO Ting, CHI Hai-tao, LIU Yi-ren, GAO Xia, HUANG Zhao, ZHANG Mei, LI Qin-mei. Determination of Elements in Health Food by X-Ray Fluorescence Microanalysis Combined With Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(3): 750-754.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)03-0750-05  
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X射线荧光微区分析结合电感耦合等离子体质谱法进行保健食品中元素含量的测定
赵婷1,2,3, 池海涛1,2,3,*, 刘奕忍1,2,3, 高峡1,2,3, 黄瞾1, 张梅1,2,3, 李琴梅1,2,3
1.北京市理化分析测试中心, 北京 100089
2.有机材料检测技术与质量评价北京市重点实验室, 北京 100089
3.北京市食品安全分析测试工程技术研究中心, 北京 100089
*通讯作者 e-mail: cht9732@sohu.com

作者简介: 赵 婷, 女, 1984年生, 北京市理化分析测试中心高级工程师 e-mail: zhaoting2018@sina.com

收稿日期: 2020-01-06 修订日期: 2020-05-02
基金: 北京市科学技术研究院创新团队项目(HIT201902), 北京市科学技术研究院北科萌芽计划项目(BGS201904), 北京市市级财政项目(PXM2020-178305-000007)资助
摘要

X射线荧光光谱微区分析法既有X射线荧光光谱法快速、 简便、 无损检测等特点, 又可对保健食品表面的元素分布进行检测, 电感耦合等离子体质谱法具有检出限低、 线性范围宽、 多元素同时测定等优点, 旨在建立一种X射线荧光光谱微区分析法和电感耦合等离子体质谱法联合测定保健食品中元素种类、 分布及含量的方法。 利用X射线荧光光谱微区分析技术对一种保健食品进行了元素种类及元素在样品表面的分析, 并对元素含量进行了半定量分析, 确定保健品中含有钙(Ca)、 铁(Fe)、 钌(Ru)、 钼(Mo)元素。 利用微波消解-电感耦合等离子体质谱法对其中含有的主要元素Ca和Fe进行了定量分析。 微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定结果Ca元素平均值为6.23%, 相对标准偏差1.78%; Fe元素平均值3.82%, 相对标准偏差 2.14%。 与X射线荧光光谱微区分析法半定量测试结果的样品中含有的Ca元素含量在6.0%~10.0%之间, 样品中含有的Fe元素含量在2.0%~4.0%之间的结论一致。 且通过X射线荧光光谱微区分析法得知保健食品表面的各元素分布不均匀。 结果表明: X射线荧光光谱微区分析方法既可利用微量样品快速无损测得保健食品中的元素半定量含量, 又可测得保健食品中的元素分布情况。 结合电感耦合等离子体质谱法, 还可以对样品中感兴趣的元素含量进一步检测, 得到定量分析结果。

关键词: X射线荧光光谱法(XRF); X射线荧光光谱微区; 电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS); 保健食品
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Determination of Elements in Health Food by X-Ray Fluorescence Microanalysis Combined With Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
ZHAO Ting1,2,3, CHI Hai-tao1,2,3,*, LIU Yi-ren1,2,3, GAO Xia1,2,3, HUANG Zhao1,2,3, ZHANG Mei1,2,3, LI Qin-mei1,2,3
1. Beijing Centre for Physical and Chemical Analysis, Beijing 100089, China
2. Beijing Key Laboratory of Organic Materials Testing Technology & Quality Evaluation, Beijing 100089, China
3. Beijing Engineering Research Center of Food Safety Analysis, Beijing 100089, China
*Corresponding author
Abstract

X-ray fluorescence spectrum micro-area analysis method has the characteristics of rapid, simple and non-destructive testing, and can detect the distribution of elements on the surface of health food. Inductively coupled plasma mass spectrometry has the advantages of low detection limit, wide linear range and multi-element simultaneous determination. Methods: A health food was analyzed by X-ray fluorescence spectrum micro-region analysis technique, and the elemental content was semi-quantitatively analyzed to determine the elements of calcium (Ca), iron (Fe), ruthenium (Ru) and molybdenum (Mo) in health products. The main elements of Ca and Fe were quantitatively analyzed by microwave digestion-inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). The average value of Ca element was 6.23%, the relative standard deviation was 1.78%, the average value of the Fe element was 3.82%, and the relative standard deviation was 2.14%. The results were consistent with the conclusion that the content of Ca in the sample with X-ray fluorescence spectrum micro-analysis was between 6.0% and 10.0%, and the content of Fe in the sample was between 2.0% and 4.0%. The distribution of the elements on the surface of health food was not uniform by X-ray fluorescence spectrum analysis. The X-ray fluorescence spectrum micro-area analysis method cannot only measure the elemental semi-quantitative content in health food by using the trace sample, but also measure the elemental distribution in health food. Combined with inductively coupled plasma mass spectrometry, the content of the elements of interest in the sample can be further detected, and the quantitative analysis results can be obtained.

Keyword: X-ray fluorescence spectrometry (XRF); X-ray fluorescence spectrum microregion; Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS); Health food
引言

近年来, 随着我国经济的发展和人民生活水平的提高, 无论是政府、 社会还是个人都越来越关心生活、 生命质量。 人的身体健康状况是影响生活质量的一个最重要的因素, 加之医食同源的养生文化, 保健品的消费呈现出高速发展的状态, 在我国有着极大的市场潜力。 一方面, 不少保健品的主要有效成分是钙(Ca)、 铁(Fe)、 磷(P)、 碘(I)、 镁(Mg)、 锌(Zn)、 硒(Se)等元素, 这些元素摄入不足、 过量都会不同程度引起人体生理的异常[1]。 例如, 由于我国以谷物蔬菜为主食, 其中的植酸、 草酸等会减少钙在肠道中的吸收, 又加上日常的烹调方式、 饮食习惯等导致了钙摄入量的不足, 因此不少人需要补钙。 但补钙并不是越多越好, 当每次服用钙超过200 mg会降低吸收率, 而摄入过高又可能造成钙的蓄积、 影响其他微量元素的吸收, 同时增加了患肾结石的危险性[2]。 另一方面, 保健品的原料或制作过程中带入的砷(As)、 汞(Hg)、 铅(Pb)和镉(Cd)等重元素会对身体产生很大的毒副作用[3]。 除此之外, 部分保健品的原料在种植的过程中会施稀土微肥[4], 长期使用有可能会带入保健品中。 因此, 保健品中元素含量分布的测定对保健品质量的控制和监督有着非常重要的意义。 元素在保健品中的分布均匀度的不确定性及元素种类、 含量的不确定性, 需要建立一种能确定保健品中元素均匀度、 元素种类及具体含量的测定方法。 目前, 这方面的文献报道很少。

常用的元素检测方法有滴定法[5]、 比色法[6]、 原子荧光光谱法[7]、 原子吸收光谱法[8]、 电感耦合等离子体光谱法[9]、 电感耦合等离子体质谱法[10, 11, 12]、 X射线荧光光谱法。 X射线荧光光谱法(X-ray Fluorescence spectrometry, XRF)是利用特征X荧光射线, 从而对原子序数大于8的所有元素进行定性或定量分析的检测方法[13]。 X射线荧光光谱法的优点是无损检测, 可直接进行固体样品的多元素检测, 分析速度快且分析成本低。 作为X射线光谱分析领域的一个重要分支, X射线荧光微区分析技术与整体分析技术相比, 可以使用更少、 更小的样品进行检测, 并能够对样品中的元素分布进行分析[14]。 电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)具有检出限低、 线性范围宽、 多元素同时测定等优点, 同时可用于同位素分析及元素形态分析[15], 广泛应用于保健品检测行业。

通过本文的研究, 可为相关保健品的元素检测提供技术方法, 同时为其他研究对象比如食品、 药物等样品的元素检测提供技术参考。 同时为保健品的安全性和合理摄入研究提供技术支持, 对保障保健品使用安全具有重要的意义。

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

实验试剂: 65%硝酸, 优级纯, Merck公司; 70%~72%高氯酸, 优级纯, 国药集团化学试剂有限公司; Ca和Fe等元素混合标液, 1 000 μ g· mL-1, Agilent公司(货号: 5183-4682); Sc等元素混合内标, 10 μ g· mL-1, Agilent公司(货号: 5183-4681); 超纯水(MILLIPORE), 电阻率≥ 18.0 MΩ · cm。

实验仪器: X射线荧光光谱仪, Zetium, Panalytical公司; 电感耦合等离子质谱仪, 7700X, Agilent公司; 微波消解仪, Ethos 1, Milestone。

1.2 方法

1.2.1 X射线荧光微区法测定保健品中元素的分布及种类

将保健品药片用样品托盘和螺丝固定后放入微区专用测量杯中进行测试。 用微区配套相机对样品进行拍照, 设定横纵坐标刻度单位为0.5 mm, 选取代表样品各个区域的四十个点进行测量, 如图1所示。

图1 微区样品选点示意图Fig.1 Schematic diagram of sample selection for micro-area sample

微区半定量分析方法加了两个能谱通道, 分别为: Rh元素, 工作管压: 60 kV, 工作管流: 66 mA, 通道测量时间100 s; Rh元素, 工作管压: 32 kV, 工作管流: 125 mA, 通道测量时间100 s。

1.2.2 电感耦合等离子体质谱法测定保健品中元素的含量

利用微区半定量分析方法检测保健品中含有的元素种类后, 再用电感耦合等离子体质谱法对保健品中含有的元素进行定量分析。 将保健品样品研磨混匀, 称取0.100 0 g样品于微波消解管中, 加入6 mL优级纯硝酸和2 mL优级纯高氯酸, 同时做样品空白, 微波消解条件如表1所示。

表1 微波消解实验参数 Table 1 Experimental parameters of microwave digestion

电感耦合等离子体质谱仪的工作条件为: RF功率1 550 W, 载气流量0.99 L· min-1, 辅助气流量0.90 L· min-1, 等离子气体流量15 L· min-1, 蠕动泵转速0.1 rps, 采样深度8 mm。 使用含有1 ng· mL-1的Li, Co, Y, Ce和Tl的稀硝酸基体溶液对仪器进行调谐, 以将氧化物、 双电荷离子、 氩化物离子干扰的影响减小到最低值。

2 结果与讨论
2.1 保健品中的元素分布及半定量测试结果

为了确定保健品中的元素种类及其分布, 首先对样品进行快速、 无损的微区半定量分析, 结果表明样品中含有的主要元素为钙(Ca)、 铁(Fe), 微量元素为钌(Ru)、 钼(Mo), 各元素在保健品中的元素含量分布如图2— 图5所示。

图2 保健品中的Ca元素含量分布示意图Fig.2 Schematic diagram of Ca content distribution in health products

图3 保健品中的Fe元素含量分布示意图Fig.3 Schematic diagram of Fe content distribution in health products

图4 保健品中的Ru元素含量分布示意图Fig.4 Schematic diagram of Ru content distribution in health products

图5 保健品中的Mo元素含量分布示意图Fig.5 Schematic diagram of Mo content distribution in health products

通过微区半定量测试, 我们得出以下结论: (1) 样品中含有的Ca元素含量在6.0%~10.0%之间, 样品中含有的Fe元素含量在2.0%~4.0%之间。 (2) Ca, Fe, Ru和Mo元素在样品中各个部位的分布不均匀。 由于样品中主要含有元素Ca和Fe, 为了精确测定样品中含有的Ca和Fe, 利用电感耦合等离子体质谱仪对样品进行进一步检测。

2.2 保健品中的元素含量测试结果

2.2.1 标准曲线

分别量取含有Ca和Fe(1 000 μ g· mL-1)的混合标液40, 80, 160, 240和320 μ L, 称重, 用去离子水稀释至40 g, 配制出浓度分别为1.248 4, 2.154 0, 4.195 2, 6.392 1和8.245 8 μ g· mL-1的标准溶液。 以Sc作为内标, Ca和Fe的标准曲线图分别如图6、 图7所示。

图6 Ca的标准曲线Fig.6 Standard curve of Ca

图7 Fe的标准曲线Fig.7 Standard curve of Fe

通过图6和图7, 我们不难发现, Ca和Fe分别与Sc的比率的标准曲线方程和线性系数如表2所示, 满足测试要求。

表2 Ca和Fe分别与Sc的比率的标准曲线方程 Table 2 The Standard Curve equation of the ratio of Ca, Fe to Sc respectively

2.2.2 精密度

分别称取约0.100 0 g保健品六份, 加入6 mL优级纯硝酸和2 mL优级纯高氯酸, 同时做样品空白, 按照表1提供的微波消解程序消解, 将得到的消解液冷却后定容至100 mL, 根据标准曲线的线性范围, 再稀释10倍后用电感耦合等离子体质谱仪进行测定。 各样品中Ca和Fe的含量如表3、 表4所示, 经计算: 保健品中含有的Ca元素平均值为6.23%, 相对标准偏差1.78%; Fe元素平均值3.82%, 相对标准偏差2.14%。 计算结果符合分析化学精密度要求, 且在X射线荧光光谱法半定量测试结果范围内。

表3 保健品中Ca的浓度 Table 3 The concentration of Ca in the health product
表4 保健品中Fe的浓度 Table 4 The concentration of Fe in the health product

2.2.3 回收率

分别称取约0.100 0 g保健品九份, 加入Ca 5.0 mg+Fe 3.0 mg, Ca 6.2 mg+Fe 3.8 mg, Ca 7.4 mg+Fe 4.6 mg各三份至样品中, 加入6 mL优级纯硝酸和2 mL优级纯高氯酸, 同时做样品空白, 按照表1提供的微波消解程序消解, 将得到的消解液冷却后定容至100 mL, 根据标准曲线的线性范围, 再稀释20倍后用电感耦合等离子体质谱仪进行测定。 得到的样品回收率如表5所示, 经计算: 保健品中Ca的80%样品浓度加标量的平均回收率为98.4%, 相对标准偏差3.21%; 100%浓度加标量的平均回收率为95.7%, 相对标准偏差1.86%; 120%浓度加标量的平均回收率为98.8%, 相对标准偏差4.40%。 保健品中Fe的80%样品浓度加标量的平均回收率为99.1%, 相对标准偏差3.26%; 100%浓度加标量的平均回收率为97.5%, 相对标准偏差1.69%; 120%浓度加标量的平均回收率为98.2%, 相对标准偏差3.32%。

表5 保健品中Ca和Fe的回收率 Table 5 The recovery rate of Ca and Fe in the health-care product
3 结论

利用X射线荧光光谱微区分析结合电感耦合等离子体质谱法对保健品中的元素含量进行了检测, 由于保健品片状物在制作的过程中会加入淀粉等基体进行混合压制, 存在混合不均匀的可能性, 首先利用无损、 快速的X射线荧光光谱分析技术对样品进行检测, 结果表明各元素在样品的表面分布非常不均匀, 且得到了样品的半定量测试结果。 由于X射线荧光光谱技术分析检测的是样品表面的某个点的元素含量, 我们改用电感耦合等离子体质谱法对保健品进行准确定量测试。 根据半定量分析结果, 样品中含有的主要元素是Ca和Fe, 含有的Ru和Mo含量较低, 甚至在样品某些部位含量为零, 初步判断样品中的有效元素成分为Ca和Fe。

钙是维持人体健康所必需的一种元素, 也是人体内含量最多的无机元素, 在所有的保健品中, 人们最熟知、 接受度最高的应当就是补钙产品[16]。 贫血是世界上常见的一种营养缺乏病, 缺铁、 出血、 溶血、 造血功能障碍等均会引起贫血, 其中缺铁为最常见的贫血原因, 因此铁强化食品被广泛推广[17]。 综上所述, 决定选取Ca和Fe元素进行准确定量测试。 测试结果表明, Ca和Fe元素分别为6.23%和3.82%, 与半定量测试所得结果6.0%~10.0%和2.0%~4.0%基本一致。

通过X射线荧光光谱微区分析法对保健品中元素测定, 既快速、 无损地得到了保健品中的常见元素半定量含量结果, 又明确了保健品中的元素分布情况。 结合电感耦合等离子体质谱法可以对感兴趣的元素进行进一步定量检测, 从而得到元素含量结果。 X射线荧光光谱微区分析法结合电感耦合等离子体质谱法既可以对保健品表面的元素种类及分布情况进行判定, 又可以根据无损检测结果对感兴趣的元素进行进一步检测, 从而得到定量分析结果。

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