Determination of Inorganic Arsenic in Infant Food Supplement by Ultrasonic Extraction Coupled with LC-AFS
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摘要: 基于超声辅助提取,建立了不同婴幼儿辅助食品中无机砷的液相色谱-原子荧光光谱联用检测方法。样品首先经超声提取、正己烷净化、过膜,经阴离子柱(PRP-X100,10 μm,4.1 mm×250 mm)分离。再以15 mmol/L磷酸氢二铵溶液(pH=6.0)为流动相,等度洗脱后进入原子荧光仪检测。结果表明:在5~100 ng/mL浓度范围内,各形态砷线性关系良好,各组分相关系数在0.999以上。该方法检出限为0.010 mg/kg。三水平加标回收率范围为88.7%~96.3%,相对标准偏差(RSD)为1.8%~4.9%。该方法具有样品前处理过程简单、提取效率高、分析速度快、准确度高和重复性好。因此可以满足婴幼儿辅助食品中不同形态无机砷的检测要求。
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关键词:
- 婴幼儿辅助食品 /
- 无机砷 /
- 液相色谱-原子荧光光谱 /
- 超声提取 /
- 等度洗脱
Abstract: Based on ultrasound-assisted extraction, a method for determination of inorganic arsenic in various supplementary food for infants and young children was established. The samples were successively subjected to ultrasonic extraction, n-hexane purification, membrane filtration, and anion column (PRP-X 100, 10 μm, 4.1 mm×250 mm) separation. Then, 15 mmol/L diammonium hydrogen phosphate solution (pH=6.0) was used as the mobile phase. After isocratic elution, it was detected by atomic fluorescence spectrometer. The results showed that the linear relationship of arsenic forms was good in the concentration range of 5~100 ng/mL, with correlation coefficient of each component of above 0.999. The detection limit of the method was 0.010 mg/kg. The recoveries of inorganic arsenic at three spiked concentration levels ranged from 88.7% to 96.3%, and the relative standard deviation (RSD) was 1.8% to 4.9%. The method had the advantages of simple pretreatment, high extraction efficiency, fast analysis speed, high accuracy and good repeatability. Therefore, it could meet the detection requirements of different forms of inorganic arsenic in various supplementary food for infants and young children. -
婴幼儿辅助食品是一类添加适量营养成分以补充婴幼儿营养达到均衡的食品,主要用于补充婴幼儿身体成长所必需营养成分[1-3]。婴幼儿辅助食品的安全性一直备受关注,其中,其内重金属含量一直是食品安全的焦点,而砷的含量又是焦点中的焦点。食品中的砷以多种形态存在,主要包括无机砷(As3+、As5+)、有机砷(一甲基砷酸MMA、二甲基砷酸DMA、砷甜菜碱AsB和砷胆碱AsC)等[4-7]。不同形态砷的毒性不尽相同,其中无机砷的毒性最大,而砷甜菜碱、砷胆碱和砷糖等有机砷常被认为是无毒的[5-8]。作为免疫力较弱的婴幼儿,对砷毒性更为敏感[9-11],无机砷作为Ⅰ类致癌物,长时间摄入对于婴幼儿的发育有着严重危害[12-15],因此准确高效地检测婴幼儿辅助食品中无机砷含量是保证婴幼儿健康成长的基本要求[16]。由于婴幼儿辅助食品的基质与添加物不同,且不同形态砷化合物的毒性差异较大,分析其中毒性较大的无机砷可以作为评价此类食品安全性的有效依据[17]。
目前,不同砷形态分析较常用的方法有液相色谱(LC)与原子荧光光谱(AFS)[18]、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)[19]、原子吸收光谱(AAS)[20]等联用技术。而LC-ICP-MS检测成本较高,设备维护保养费用大,不太适用所有实验室,LC-AAS检测精度低,LC-AFS由于其灵敏度高、检出限低、分离效果好等特点成为目前形态分析中最常用的方法。本研究采用超声热浸提的前处理方法,以LC-AFS等度洗脱技术进行测定,以期达到快速、准确检测,降低载液消耗量,节约检测成本的目的,为综合性食品实验室和第三方检测机构提供方法参考。
1. 材料与方法
1.1 材料与仪器
砷酸根 0.233 μmol/g,中国计量科学研究院;亚砷酸根 1.011 μmol/g,中国计量科学研究院;一甲基砷 0.355 μg/g,中国计量科学研究院;二甲基砷 97.4 μg/g,中国计量科学研究院;硝酸、盐酸、氢氧化钾、甲酸、磷酸氢二铵(优级纯),硼氢化钾、磷酸二氢铵(分析纯) 国药集团化学试剂有限公司;正己烷 色谱纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;氩气 纯度99.999%,庐江县通达气体有限公司;拌饭海苔 300 g,江苏鲜之源水产食品有限公司;奶宝宝饼干 90 g,鹤山市嘉士威食品有限公司;鳕鱼肠 300 g,江苏鼎味泰食品有限公司。
AFS-8220原子荧光光度计 北京吉天仪器有限公司;SAP-20形态分析前处理装置 北京吉天仪器有限公司;AUW220D电子分析天平 日本SHIMADZU公司;Milli-Q超纯水机 美国Millipore公司;KQ-800DE超声波清洗机 昆山市超声仪器有限公司;TDZ5-WS高速离心机 湘仪离心机仪器有限公司;滤膜 0.22 μm,上海安谱实验科技股份有限公司;PRP-X100阴离子交换柱 10 μm,4.1 mm×250 mm,美国HAMILTON公司。
1.2 实验方法
1.2.1 标准溶液配制
As3+标准储备液(0.5 μg/mL);As5+标准储备液(0.5 μg/mL);一甲基砷标准储备液(0.5 μg/mL);二甲基砷标准储备液(0.5 μg/mL)。
标准溶液稀释配制(临用时现配):取标准储备液(0.5 μg/mL),然后稀释为5、10、20、30、50、100 ng/mL的浓度,定容至1 mL。
1.2.2 样品前处理
称取匀样后约1.0 g样品于50 mL塑料离心管中,加入20 mL 0.15 mol/L硝酸溶液,60 ℃超声(超声功率1600 W)提取60 min,提取完毕,取出冷却至室温,8000 r/min离心15 min。取5 mL上清液置于离心管中,加入5 mL正己烷,振摇1 min后,8000 r/min离心15 min,弃去上层正己烷。按上述过程重新加入5 mL正己烷,振摇1 min后,在8000 r/min离心15 min,弃去上层正己烷。吸取下层清液,经0.45 μm有机滤膜后上机进行分析。
1.2.3 仪器条件
1.2.3.1 液相色谱条件
色谱柱型号规格:阴离子柱(PRP-X100,10 μm,4.1 mm×250 mm),流速:1.0 mL/min;流动相:15 mmol/L磷酸氢二铵(pH=8.0);进样量:100 μL;洗脱方式:等度洗脱。
国标方法:色谱柱型号规格:阴离子柱(PRP-X100,10 μm,4.1 mm×250 mm),流速:1.0 mL/min;流动相A:1 mmol/L磷酸二氢铵(pH=9.0);流动相B:20 mmol/L磷酸二氢铵(pH=8.0)进样量:100 μL;洗脱方式:梯度洗脱,具体洗脱步骤如下:0~8 min以流动相A洗脱;8~26 min以流动相B洗脱;26~29 min以流动相A洗脱。
1.2.3.2 原子荧光条件
负高压:350 V;砷灯总电流:80 mA;辅电流:30 mA;载液:5% HCl;还原剂:20 g/L硼氢化钾;载气流速:400 mL/min;屏蔽气流速:700 mL/min。
1.3 数据处理
采用北京吉天SpeciaAnls软件对液相色谱所采集的数据进行积分处理,以保留时间定性,以各组分峰面积定量,无机砷结果以As3+与As5+之和报出,采用外标校正法处理实验谱图的结果,并导出色谱图,采用WPS 2021软件处理回收率、相对标准偏差等实验数据。
2. 结果与分析
2.1 样品前处理条件优化
2.1.1 提取剂浓度选择
提取剂是确保样品中各形态砷提取效率的首要条件[21-23],也是影响本实验方法准确度的关键因素。考虑到样品前处理过程中硝酸的浓度对无机砷提取率和不同形态砷变化的影响,实验表明低浓度酸提取无机砷效果较差,而酸浓度过高会导致不同形态砷之间的转化[4,24]。在保证无机砷提取率且不影响实际检测的前提下,降低提取剂的浓度有利于检测样品中低含量的无机砷。本实验以拌饭海苔为样品,在提取时间为60 min,提取温度为40 ℃的条件下,硝酸浓度分别取0.05、0.10、0.15、0.20、0.30、0.50 mol/L,结果见图1。在一定酸浓度范围内无机砷含量随着浓度的升高而升高,当酸浓度为0.15 mol/L时,无机砷含量最大;而随着酸浓度的进一步升高,当酸浓度超过0.20 mol/L时,无机砷含量呈下降趋势,过高的酸浓度导致无机砷的进一步分解。因此,酸浓度选择为0.15 mol/L。
2.1.2 提取时间选择
提取时间的选择是无机砷提取效率的关键控制点[25],本实验以拌饭海苔为样品,在硝酸浓度为0.15 mol/L,提取温度为40 ℃条件下,提取时间分别取10、20、30、40、60、80 min,结果见图2。提取时间在60 min内,随着时间的增加,无机砷的提取效果有较为明显的提升,但超过60 min后,提升效果不明显,60 min以上的提取时间对提取效率的影响与60 min时无明显差异。综上,无机砷提取选择60 min时即可以完全提取样品中无机砷,也可以在较短时间内完成无机砷的提取。
2.1.3 提取温度选择
提取温度的选择是无机砷提取完全的关键控制点[26],本实验以拌饭海苔为样品,在提取时间为在提取60 min,硝酸浓度为0.15 mol/L时,提取温度分别取10、20、30、40、60、80 ℃,结果见图3。随着温度的升高,无机砷含量持续上升,当提取温度达到60 ℃以后,无机砷含量趋于稳定,过高的温会导致不同形态砷之间的转化,对无机砷的检出造成影响,而60 ℃以上的温度对提取效率的影响与60 ℃时无明显差异,因此选择60℃可以满足检测需要。
酸的浓度对无机砷的提取率和砷形态变化有影响,综上实验结果表明,较低水平的酸浓度时,无机砷的提取率较差,而酸浓度过高则会带来不同形态砷转化的问题[13-16],本方法采用0.15 mol/L的硝酸溶液与国标方法中酸浓度一致。提取时间在60 min内时,随着提取时间的增加,提取效果明显提升,但超过该时间后,提升效果并不明显。在硝酸浓度为0.15 mol/L,超声时间60 min,温度60 ℃下做验证实验,检测拌饭海苔中无机砷含量为0.19 mg/kg,相对标准偏差(RSD,n=6)为3.1%。采用国标GB 5009.11-2014硝酸溶液浸泡过夜90 ℃恒温提取法检测同一样品无机砷含量为0.18 mg/kg,相对标准偏差(RSD,n=6)为4.3%。二者相对误差为5.4%,满足相对误差的要求,但本方法较现行国标方法前处理方式简单快捷,单样品检测时间短,提高了无机砷检测效率。
2.2 洗脱方式的选择
本实验用等度洗脱法和梯度洗脱法(流动相A:1 mmol/L磷酸二氢铵(pH=9.0);流动相B:20 mmol/L磷酸二氢铵(pH=8.0)进样量:100 μL;具体洗脱步骤如下:0~8 min以流动相A洗脱;8~26 min以流动相B洗脱;26~29 min以流动相A洗脱。)分别测定了婴幼儿辅助食品,不同砷形态的分离情况见图4与图5,分析样品依据GB 2762-2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[27]规定海苔无机砷限量为0.3 mg/kg,本实验分别加入0.3 mg/kg浓度的无机砷标准物质测得加标回收率实验结果见表1。实验结果表明,等度洗脱法各组分出峰时间较梯度洗脱各组分出峰时间大大缩短,各组分分离度均满足要求。等度洗脱的加标回收较梯度洗脱更大,而等度洗脱较梯度洗脱的相对标准偏差略小,等度洗脱对于不同基质的婴幼儿辅助食品有更好的检出效果。因此洗脱方式选择等度洗脱可以准确高效地完成不同婴幼儿辅助食品样品无机砷的检测。
表 1 不同洗脱方式无机砷加标回收率(n=6)Table 1. Recovery rate of inorganic arsenic by different elution methods (n=6)样品名称 等度洗脱法 梯度洗脱法 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 87.3 4.3 81.1 5.9 拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.8 2.8 87.6 4.6 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 91.7 3.1 88.7 6.7 2.3 流动相条件的选择
2.3.1 流动相的选择
本实验分别以15 mmol/L磷酸氢二铵溶液(pH=6.0)、15 mmol/L磷酸二氢铵溶液(pH=6.0)为流动相等度洗脱不同婴幼儿辅助食品样品,各形态砷分离情况见图6与图7,分析样品依据GB 2762-2017《食品安全国家标准 食品中污染物限量》[27]规定添加藻类产品无机砷限量为0.3 mg/kg,婴幼儿谷类辅助食品无机砷限量为0.2 mg/kg,水产为原料的产品无机砷限量为0.3 mg/kg,本实验分别加入0.3 mg/kg浓度的无机砷标准物质测得加标回收率实验结果见表2。实验表明选择15 mmol/L磷酸氢二铵溶液(pH=6.0)为流动相时,各组分的分离度均满足实验要求,且不同婴幼儿辅助食品样品加标回收率高于15 mmol/L磷酸二氢铵溶液,因此流动相选择15 mmol/L磷酸氢二铵溶液(pH=6.0)。
表 2 不同流动相无机砷加标回收率(n=6)Table 2. Standard recovery of inorganic arsenic in different mobile phases (n=6)样品名称 15 mmol/L磷酸
氢二铵溶液15 mmol/L磷酸
二氢铵溶液回收率
(%)RSD
(%)回收率
(%)RSD
(%)婴幼儿奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 87.3 4.3 85.3 5.9 乐趣拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.8 2.8 87.7 4.9 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 91.7 3.1 89.6 6.8 2.3.2 流动相流速的选择
本实验探究不同流速对各组分分离效果的影响,设定0.6、1.0、1.2 mL/min的流动相洗脱流速[28],比较各组分出峰时间以及分离度结果见图8、图9与图10。分析得出0.6 mL/min时各组分峰型均有拖尾现象,各组分的分离度虽然最好,但出峰时间长,当日检测任务较大时效率较低;1.2 mL/min时各组分出峰时间最短,但各组分分离度较0.6、1.0 mL/min差,综上,流速选择为1.0 mL/min适宜。
根据上述研究结果,流动相选择15 mmol/L磷酸氢二铵(pH=6.0),流速1.0 mL/min,等度洗脱检测婴幼儿辅助食品中无机砷。吸取100 μL试样溶液注入液相色谱-原子荧光光谱联用仪中进行分析,以保留时间定性,得到色谱图,各组分分离情况如图11。以标准系列溶液中目标化合物的浓度为横坐标,色谱峰面积为纵坐标,选用外标校正法绘制标准曲线,各组分线性回归方程见表3。
表 3 不同砷形态线性回归方程Table 3. Linear regression equation for different arsenic forms序号 保留时间(min) 名称 曲线方程 相关系数 1 2.47 亚砷酸盐As(Ⅲ) Y=15780.2X+21728.5 0.9996 2 3.31 二甲基砷DMA Y=10580.1X+7982.5 0.9988 3 4.55 一甲基砷MMA Y=13549.3X+10963.0 0.9996 4 8.71 砷酸根盐As(Ⅴ) Y=8680.4X+6165.1 0.9995 2.4 方法学验证
2.4.1 方法检出限
本研究方法准确度验证参考GB/T 27404-2008《实验室质量控制规范 食品理化检测》提出的测定低限的要求[29],按照空白样品(20次)3倍的标准偏差除以标准曲线斜率(CL=3Sb/b),以婴幼儿奶宝宝饼干为样品,计算得出本方法检出限为0.011 mg/kg,低于GB 5009.11-2014检出限0.02 mg/kg的要求[19]。
2.4.2 加标回收试验及精密度测定
本实验以婴幼儿辅助食品不同基质样品为测定对象,待测样品用20 mL 1.0%硝酸溶液,分别用60 ℃下超声60 min的等度洗脱和国标的静置过夜热浸提2.5 h的梯度洗脱,进行精密度实验和加标回收实验。制备待测样品后,于样品处理前分别添加低(0.05 mg/kg)、中(0.3 mg/kg)、高(1.0 mg/kg)浓度的无机砷标准物质进行实验,各样品中无机砷的加标回收率结果见表4。当加标量为0.05、0.3和1.0 mg/kg时,超声等度洗脱法的回收率范围分别为88.7%~90.7%、91.8%~94.4%、93.2%~96.3%,每个加标量的相对标准偏差(RSD,n=6)分别为3.7%~4.9%、2.2%~3.4%、1.8%~3.1%;国标梯度洗脱法的回收率范围分别为80.3%~88.6%、89.6%~91.2%、90.3%~92.7%,每个加标量的相对标准偏差(RSD,n=6)分别为4.3%~5.7%、3.9%~4.5%、3.8%~5.1%。本研究的超声等度洗脱方法较国标方法有更高的加标回收率以及更小的RSD。检测结果符合理化检验方法精密度要求[24]。由此可见,该方法检测的准确性和重复性良好,更能满足分析测试要求。
表 4 不同婴幼儿辅食中加标回收率和精密度分析(n=6)Table 4. Different infants and young children see add mark recovery rate and precision analysis (n=6)洗脱方法 样品名称 加标量 0.05 mg/kg 0.3 mg/kg 1.0mg/kg 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 超声等度洗脱法 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 89.9 3.7 91.8 2.2 93.2 1.8 拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.7 4.1 92.8 2.9 94.5 2.3 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 88.7 4.9 94.4 3.4 96.3 3.1 国标梯度洗脱法 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 80.3 4.3 89.6 4.2 90.4 3.8 拌饭海苔(添加藻类的产品) 88.6 5.2 90.3 3.9 91.3 4.9 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 87.8 5.7 91.2 4.5 92.7 5.1 3. 结论
本研究建立了液相色谱-原子荧光光谱联用超声提取等度洗脱测定婴幼儿辅助食品中无机砷的方法。通过对样品提取条件的优化,采用超声提取法提取样品中无机砷,对三种基质婴幼儿样品的检测,确定了婴幼儿辅助食品无机砷检测的仪器条件,探索出适用于婴幼儿辅助食品中无机砷超声提取等度洗脱的检测方法。在12 min内实现不同形态砷的分离,本方法回收率范围为88.7%~96.3%,相对标准偏差(RSD,n=6)为1.8%~4.9%,较国标方法更适用于日常婴幼儿辅助食品的快速检测需求,提高了单样品的检测效率,扩大了等度洗脱的检测范围。方便了综合性食品实验室及第三方检测机构对婴幼儿辅助食品中无机砷的快速、准确检测,选择低浓度的还原剂以达到降低检测成本的目的,同时对提升婴幼儿辅助食品的食品安全监管提供了可靠的技术支持。
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表 1 不同洗脱方式无机砷加标回收率(n=6)
Table 1 Recovery rate of inorganic arsenic by different elution methods (n=6)
样品名称 等度洗脱法 梯度洗脱法 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 87.3 4.3 81.1 5.9 拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.8 2.8 87.6 4.6 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 91.7 3.1 88.7 6.7 表 2 不同流动相无机砷加标回收率(n=6)
Table 2 Standard recovery of inorganic arsenic in different mobile phases (n=6)
样品名称 15 mmol/L磷酸
氢二铵溶液15 mmol/L磷酸
二氢铵溶液回收率
(%)RSD
(%)回收率
(%)RSD
(%)婴幼儿奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 87.3 4.3 85.3 5.9 乐趣拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.8 2.8 87.7 4.9 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 91.7 3.1 89.6 6.8 表 3 不同砷形态线性回归方程
Table 3 Linear regression equation for different arsenic forms
序号 保留时间(min) 名称 曲线方程 相关系数 1 2.47 亚砷酸盐As(Ⅲ) Y=15780.2X+21728.5 0.9996 2 3.31 二甲基砷DMA Y=10580.1X+7982.5 0.9988 3 4.55 一甲基砷MMA Y=13549.3X+10963.0 0.9996 4 8.71 砷酸根盐As(Ⅴ) Y=8680.4X+6165.1 0.9995 表 4 不同婴幼儿辅食中加标回收率和精密度分析(n=6)
Table 4 Different infants and young children see add mark recovery rate and precision analysis (n=6)
洗脱方法 样品名称 加标量 0.05 mg/kg 0.3 mg/kg 1.0mg/kg 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 回收率(%) RSD(%) 超声等度洗脱法 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 89.9 3.7 91.8 2.2 93.2 1.8 拌饭海苔(添加藻类的产品) 90.7 4.1 92.8 2.9 94.5 2.3 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 88.7 4.9 94.4 3.4 96.3 3.1 国标梯度洗脱法 奶宝宝饼干(谷类辅助食品) 80.3 4.3 89.6 4.2 90.4 3.8 拌饭海苔(添加藻类的产品) 88.6 5.2 90.3 3.9 91.3 4.9 鳕鱼肠(水产为原料的产品) 87.8 5.7 91.2 4.5 92.7 5.1 -
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