奶粉中微量金属元素的ICP-AES分析

实验 6 奶粉中微量金属元素的ICP-AES分析
实验目的: 1. 掌握微波消解法进行生物样品预处理的方法。

2. 掌握电感耦合等离子体发射光谱分析法进行多元素同时分析的方法。

3. 了解分析方法建立过程实验条件的优化方法及其对分析方法可靠性的评估。

奶粉中含有多种微量金属元素，如Zn、Fe、Mn、Ca、Cu、Mg、Co、K等，这些微量元素是人体内许多生化酶的组成成分，并参与生物体氨基酸、蛋白质、激素、维生素的合成及代谢。

但是奶粉中也存在某些对人体健康有害的元素，如Pb和Cd，它们会作用于全身各系统和器官导致一系列病发生，如贫血、高血压、肺水肿等。

监测奶粉中各金属元素的含量具有十分重要的意义, 特别是对于作为婴幼儿主食之一的各类婴幼儿奶粉更显得尤为重要。

目前，国内外对奶粉中微量金属元素测定的方法主要有电感耦合等离子体发射光谱法、分光光度法、示波极谱法、流动注射分光光度法、石墨炉原子吸收法、高效毛细管电泳法、原子荧光光谱法和原子吸收光谱法等。

本实验将采用微波消解法对3种奶粉样品进行消解，并用电感耦合等离子体原子发射法测定其中的微量金属元素含量，为奶粉中的微量元素的准确测定提供参考。

微波消解(Microwave digestion)通常是指在密闭容器里利用微波快速加热进行各种样品的酸溶解。

密闭容器反应和微波加热这两个特点，决定了其完全、快速、低空白的优点。

微波是指频率为300-300000 MHz的电磁波，萃取或消解体系在微波电磁场的作用下，具有一定极性的分子从原来的热运动状态转为跟随微波交变电磁场而快速排列取向。

分子或离子间就会产生激烈的摩擦。

在这一微观过程中，微波能量转化为样品分子的能量，从而降低目标物与样品的结合力，加速目标物从固相进入溶剂相。

电感耦合等离子体原子发射法(ICP-AES)基体效应和自吸效应小、稳定性高，检出限可达ng·mL-1级，准确度较高。

一般光源相对误差约为5%-10%，ICP-AES相对误差可达l%以下，试样消耗少。

ICP光源校准曲线线性范围宽，可达4-6个数量级。

同时，ICP-AES法样品制备简单。

液体、半流体饮食品，如植物油、鲜乳、酒或其它饮料可直接浓缩，也可采用湿法消化、微波消解或灰化处理后酸浸而制成样液。

粮食、肉类等固体食品，首选通过粉碎或剪切制成很小的粒状或粉末，再进行湿法消化、微波消解或灰化处理，制成样液。

实验科学中，对实验条件的优化方法有简单比较法、单因素优化法、正交试验优化法及单纯形优化法等。

在分析化学中对分析条件的优化多采用单因素优化法和正交试验优化法，当实验中各因素之间交互性影响不大时，一般采用较为简单的单因素优化法得到最优的实验条件。

实验中只有一个影响因素，或虽有多个影响因素，但在设计实验时，每次只改变一个因素，轮流对每个因素进行研究，其他的因素保持不变，观察其对目标的影响，这样的优化方法即为单因素优化法。

本实验采用单因素优化法，对高压密闭微波消解奶粉的条件及ICP-AES进行奶粉消解液中Fe、Cu、Zn、Cr、Cd、Mn多元素分析的条件进行优化，建立高压密闭微波消解-ICP-AES联用分析奶粉中微量金属元素的同时分析方法，并应用该方法对不同奶粉样品中微量金属元素的含量进行比较。

1. 实验部分
1.1 仪器与试剂
高压密闭微波消解仪(Mars-Xpress型，培安⋅CEM微波化学(中国)技术中心)，Spectro Ciros-Vison EOP水平观测全谱直读等离子体发射光谱仪(德国斯派克分析仪器公司)。

3.0 μg·mL-1混合金属溶液(用于仪器条件优化及分析线的定义)：于50 mL容量瓶中加入金属混
合标准溶液(50 μg·mL-1) 3.00 mL，加入1 mL的浓HNO3 (酸度为2%)，用二次水稀释至刻度，摇匀。

标准系列溶液的配制：在8个10 mL比色管中分别加入0.2 mL的浓HNO3(酸度为2%)，吸取金属混合标准溶液(50 μg·mL-1)配制各元素浓度分别为0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00、3.00、5.00 μg·mL-1的标准系列溶液，用超纯水稀释至刻度，摇匀。

(低浓度采用逐级稀释法配制)
1.2 I CP-AES最佳工作条件：
1.3 样品前处理方法：
1.4 样品中金属元素含量的测定：
2. 结果与讨论
2.1 I CP-AES仪器条件的优化
固定其他分析条件，分别以3.0 μg·mL-1混合金属溶液进行下列仪器条件的优化。

2.1.1 测定波长的优化，记录各元素的推荐测量波长和实际测量波长于表1中。

表1 各元素测定波长
推荐测定波长/nm
实际测定波长/nm
2.1.2 入射功率的优化：测定入射功率(Plasma Power)为1000-1400 W时的信号强度，选择折中优化的入射功率。

2.1.3 载气流量的优化：测定载气流量(Nebulizer Flow)为0.4-0.8 mL·min-1时的信号强度，选择折中优化的载气流量。

2.2 微波消解条件的优化
考察不同体积比的硝酸和双氧水的混合溶液对同一种奶粉样品的消解情况，以样品完全消解为准，选取最佳的消解液配比。

2.3 绘制标准工作曲线
2.4 不同奶粉样品中微量金属元素的含量比较
取3种奶粉样品各0.5000 g，按照上述微波消解方法以及ICP-AES条件进行测定，采用标准曲线定量，对不同奶粉样品中微量金属元素的含量进行比较。

3. 结论
参考文献：
例：[1] 张凤珍, 张媛英, 史仁玖等. 食品中铬元素的含量分析[J], 泰山医学院学报, 2003, 24(1): 18-20.
思考题：
1.分析方法建立过程中，优化实验条件的方法有几种？分别有什么特点？微波消解法一般可采用
哪些条件优化方法？为什么？
2.该分析方法中确定的实验条件是否对所有的目标分析物都是最佳条件？何谓折中优化条件？
3.如果有充足的时间对本实验中建立的分析方法进行可靠性和准确性的评估，可以采用什么方
法？请简述实验方案。

4.对比相关的国家标准方法，本实验建立的分析方法有何优缺点？试评述之。

附件1. ICP-AES 操作步骤
1. 开机：计算机→安装蠕动泵→氩气(0.8MPa)→冷却水→仪器抽风机→仪器主机→控制软件，等
待系统完成初始化。

2. 建立分析方法：点击 ，在Method Data Control 中点击New Method →命名→确定。

在工具栏上点击
翻页，或在其右侧下拉列表中选择，进行如下参数的设定，设定好每页
窗口的参数后保存。

(1) Method Infos (方法信息)：
Application Type Normal Nebulizer Type Crossflow
Data Transport
complete spectrum
Min Corr Coefficient 0.99~0.999
No. of Measurements
1~3
(2) Line Selection (分析元素和波长)：在元素周期表中分别双击Fe 、Cu 、Zn 、Cr 、Cd 、Mn 元素，
使用仪器推荐推荐测定波长。

(3) Measure Conditions (测量条件)：
(4) Line Definition (分析线的定义)：跳过，暂不设定。

(5) Standard Definition (标准样品表)：点击Syst em→Global Database→Global Standards ，按浓度
从低到高的顺序设定待测标准样品名和浓度。

在Global Library 中逐个双击待测的标准样品，将标准样品信息加入到方法中。

3. 测定
为减少氩气的不必要消耗，点燃等离子体后请尽快完成样品的测定，保存测定结果，测定完成后及时关闭等离子体，之后再进行数据处理等工作。

(1) 调整矩管位置：S ystem/SetupDevices→Torch -position, 设定Horizontal 为1 mm ，Vertical 为2.5
mm ，Distance 为1 mm ，Apply 。

(2) 点燃等离子体：同窗口→Generator→Plasma 。

(3) 开启蠕动泵：点击工具栏上的
按钮或Generat or→Pump 。

(4) 定义分析线：在测定前，必须先做分析线的定义。

将进样管放入3.0 μg ·mL -1的混合金属溶液中，点击单次测量，完成后保存，点击Display
放大谱图，用
两个按钮切换元素，依次点击
Peak
、
Line Rang
、
Region 、
Background ，以ctrl+左键点击或拖动定义各个元素谱线的相关积分参数。

(5) 测定标样： Analysis→A nalysis/Method Measurements→Measure→Save 。

按浓度从低到高的顺序测完标准系列后，点击鼠标右键，选择Copy to Clipboard 将所有标样的Standardized Intensity 复制到Excel 中，最后点击Calculate→Regression (回归)，至Method→Regression 页面查看标准工作曲线及其线性相关系数。

Generator Parameter
Relative Torch Position
Global Preflush Parameter
Plasma Power
1300 [W] Horizontal
0 [mm] Fast[s]
0 Coolant Flow
16.00 [L/min] Vertical
0 [mm] Fast Step 4 Auxiliary Flow
0.70 [L/min] Distance
0 [mm] Total[s]
30 Nebulizer Flow
0.80 [L/min]
Normal Step
2
(6)测定样品：Analysis→点击，在弹出的窗口中命名待测样品，点击Start Measurement进行测
定，测定完成后保存。

所有样品测定完成后，将所有样品的Element Concentration和Standardized Intensity复制到Excel中，用于数据处理。

4.关机
(1)依次用5%HNO3、超纯水清洗进样系统3分钟；
(2)然后拿出进样吸管，空烧3分钟，直至雾化室、进样管没有积液；
(3)关闭等离子体(S ystem/SetupDevices→Generator→Plasma)，放松蠕动泵管。

(4)2分钟后，按如下顺序关机：计算机→仪器主机→排风机→冷却水→氩气→总电源。

(5)做完实验后请做好仪器使用记录的登记工作。

附件2. 奶粉样品前处理操作步骤(消解液配比及消解程序仅供参考)
1.分别准确称取6份0.5000 g同品牌的奶粉样品，置于聚四氟乙烯(PTFE)消解罐中，分别加入8 mL
不同体积比的硝酸和双氧水的混合溶液(消解液配比可参考表1)振摇使之与样品充分混合，静置，加内盖，擦干罐盖和罐壁。

表1 优化微波消解条件的样品系列
1 2 3 4 5 6 7 8 9
奶粉/g 0 0.5000 0.5000 0 0.5000 0.5000 0 0.5000 0.5000
HNO3/mL 8 8 8 6 6 6 4 4 4
H2O2/mL 0 0 0 2 2 2 4 4 4
2.拧上消解罐罐盖，放入Mars-Xpress型高压密闭微波消解仪炉腔内。

3.打开仪器电源开关，待仪器自检后，进入主菜单，无需预热。

4.把装配好的消解罐按均匀、对称的原则摆放在转盘内圈上。

反应罐要充分插入转盘内，并注意
有外套。

同一批至少要8个反应罐。

5.把装配好的反应罐与转盘放置在微波腔内。

保证转盘与驱动轴耦合正确。

按转盘转动键转动转
盘2圈，查看转盘转动是否正常。

6.关好仪器门，根据使用的反应罐及数量、样品以及反应类型建立适当的方法。

Edit/Create Method
或Load Method→User Directory→Ramp to temperature。

7.设定微波消解温度-时间程序(消解程序可参考表2)，命名方法，按下启动开关进行样品消解。

1 1600 W 100 10 室温120 5
2 1600 W 100 5 120 160 5
3 1600 W 100 5 160 190 10
8.待微波消解完成后，仪器会自动执行冷却程序，冷却程序结束后(屏幕上的显示时间为00:00)，
取出消解罐，冷却5-10 min后打开消解罐罐盖，再小心打开内盖(上推)，在通风橱内放置片刻直至大部分氮氧化物排出后拿出通风橱。

9.将消解液倒入耐酸过滤漏斗中，再分别以每次1-2 mL的二次去离子水(超纯水)冲洗消解罐罐盖和
罐壁2-3次，抽滤，将过滤液转移至25 mL具塞试管中，再以1-2 mL纯水冲洗抽滤瓶2次，也转移至25 mL具塞试管中，最后以去二次离子水定容至25 mL，待测。

10.清洗消解罐部件。

11.关闭仪器电源，清洁仪器，仪器门，微波腔，转盘，微波腔体保护板。