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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。
[实验原理]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 di gestion)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 M Hz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。
实验：奶粉(或米粉)中微量元素的定性及定量分析（ICP-AES）一、实验目的:1. 掌握湿法消解法对食品进行前处理方法2. 了解ICP光源的形成机制3. 理解ICP-AES的工作原理及其应用。
二、实验原理：原子发射光谱法是一种成分分析方法，可对约70种元素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素）进行分析。
这种方法常用于定性、半定量和定量分析。
在一般情况下，原子发射光谱用于1%以下含量的组份测定，检出限可达百万分之一。
一般情况下，原子处于基态，通过电致激发、热致激发或光致激发等激发光源作用下，原子获得能量，外层电子从基态跃迁到较高能态变为激发态，约经10-8 s，外层电子就从高能级向较低能级或基态跃迁，多余的能量的发射可得到一条光谱线。
每种原子都有其特征谱线，根据这个道理，我们通过仪器使分析试样中所含的原子得到激发，然后将产生的光谱分光，使其按波长顺序呈现出有规则的线条记录下来，即称为光谱图，将之与标准谱图对照，由特征谱线是否存在，从而决定出该样品是否含有某种元素，从而完成定性分析。
进一步的分析还可测定所含元素的含量。
电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）是一种快速有效的多元素同时或顺序检测方法。
其定量计算公式：I=ac b（以ICP作为光源时，其自吸系数b=1），参见理论书P216和P222。
本工作选用ICP-AES对奶粉中的部分金属元素进行测定。
在测试样品中无机金属元素时, 需用消解方法对样品进行预处理, 以破坏大量共存的有机物. 目前应用范围较广的消解方法有干法和湿法。
这两种方法, 各有所长, 究竟选用何种方法, 要视分析元素和样品基体的性质以及测试方法而定。
三、仪器与试剂：1. 仪器：消解仪、分析天平、电感耦合等离子发射光谱仪2. 本实验用水均为去离子水，试剂为分析纯。
浓硝酸；0.5%硝酸；5μg/mL铜/锌/铁标准使用液及1000μg/mL钙标准使用液。
3. ICP的仪器操作条件及参数RF功率1150 （750~1350w）泵速：50 （0~125rpm）辅助器流量：0.5 （0.0~1.5L/min）四、实验步骤1. 湿法消解试样：称取0.4 g 左右研好的奶粉或米粉样品（两份）, 放入试管中, 加入去离子水润湿（约10滴）, 逐步加入浓硝酸6.0 m L 。
微波消解在婴幼儿奶粉元素测定中的应用
1.摘要
中国是全球第二大婴童消费市场，市场规模更是逐年递增。
巨大的市场蛋糕之下，国内外奶粉品牌竞争激烈，乱象丛生。
婴幼儿食品安全事件频发，重金属摄入并在体内积累，会损害人体健康，对于婴幼儿和儿童来讲后果更严重。
婴幼儿神经系统和身体各器官都仍在快速发展阶段，且他们对食品中重金属的吸收率也相对更高。
重金属过量摄入，可以损害孩子的大脑和神经系统发育,增高某些癌症风险等.而且,重金属对孩子健康造成的损害是不可逆的。
微波消解能够将奶粉样品彻底消解。
2 .仪器与试剂
仪器：
3 .步骤
3.1 分别称取样品0.3g 于消解罐中，每个样品做6个平行样；分别向每个消解罐中加相应体 积的硝酸，并同时做两个空白
3.2 空白对照直接加入相应的酸。
3.3 按如下程序进行消解: 步骤 温度设定(C 。
) 升温时间(min) 保温时间(min) 1
140 10 5 2 190 8 20
3.4 将消解好的内罐直接放入微波消解仪配套的加热赶酸器进行赶酸，赶酸温度设置为160C o ,
M3微波消解仪 试剂：硝酸(优级纯) G-400智能控温电加热器 16GT400 转子
赶酸至近干，定容后进行后续分析。
4 .结论
上海屹尧M3微波消解仪能够将婴幼儿食品奶粉样品彻底消解，M3微波消解仪采用先进的全罐测温红外技术和定量泄压技术，从而保证了消解安全而精确地控制，它的高温高压的消解条件可以大大提高消解效率，减少人为操作带来的误差。
实验36微波消解ICP-AES法测定土壤中的重金属[实验目的]1 掌握微波消解的方法和电感耦合等离子体发射光谱分析的基本原理2 熟悉微波消解仪和电感耦合等离子发射的操作步骤[实验原理]环境介质中的重金属往往种类繁多，而且含量高低不一。
快速、准确地测定土壤和污水中重金属含量是环境监测的重要任务之一。
利用高压密闭微波消解、电感耦合等离子体原子发射法(ICP-AES)可以方便地对土壤中多种不同浓度的元素进行同时测定。
微波(microwave)是指频率为300∼300000MHz的电磁波。
通常，溶剂和固体样品中目标物由不同极性的分子或是离子组成，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。
原子发射光谱法(atomic emission spectrometry, AES)是根据待测物质的气态原子被激发时所发射的特征线状光谱的波长和强度来测定物质的元素组成和含量的一种分析技术。
其基本原理是处于气相状态下的原子经过激发可以产生特征的线状光谱。
根据特征谱线的存在与否，可鉴别样品中是否含有某种元素（定性分析）；根据特征谱线强度来确定样品中相应元素的含量（定量分析）。
采用ICP作为光源是ICP-AES与其他光谱仪的主要不同之处。
ICP光源是由高频发生器产生的高频交变电流(27∼41kHz, 2∼4kW)通过耦合线圈形成交变感应电磁场，当通入惰性气体Ar并经火花引燃时可产生少量Ar离子和电子，这些少量的带电粒子在高频电磁场获得高能量，通过碰撞将高能量传递给Ar原子，使之进一步电离形成更多的带电粒子(雪崩现象)，大量高能带电粒子受高频电磁场作用形成与耦合线圈同心的、炽热的涡流区，被加热的气体可形成火炬状并维持高温的等离子体。
HNO3-H2O2微波消煮－ICP测定植物样品微量元素含量的操作方法及注意事项（中国农业大学植物微量元素营养与人体健康研究小组）一、植物样品的前处理1.植物样品的洗涤从田间或是其它地方取回的实验材料，首先要进行清洗，目的是去掉材料本身所带的泥土等杂质，保证试验结果的真实性。
洗涤步骤：用自来水快速洗2-3次后，用去离子水快速冲洗2-3次至干净。
注意事项：（1）快速冲洗，避免长时间浸泡在水中；（2）样品尽量完整，避免过多切口而造成污染和养分流失；（3）所有样品清洗的时间和步骤尽量一致；（4）对于籽粒样品，应放在塑料网筛中直接快速用去离子水冲洗；（5）特别注意去掉杂质（非样品物质）。
2.植物样品的烘干清洗完毕后，甩干水后将实验材料装进信封内，放入烘箱进行烘干。
温度为65－70℃，连续烘48小时。
如果是鲜样，应在105℃下杀青30min，然后再按上面的条件进行烘干。
经检查样品烘干后，关掉烘箱，待温度降到室温后，再称取干重，并将样品保持干燥状态。
注意事项：（1）信封上应用铅笔注明样品编号、取样时间、取样地点、学生姓名等；（2）烘箱要开排风设置；（3）湿样和干样应分开烘；（4）如果要杀青，应事先将烘箱温度调到105℃；（5）烘箱中样品不要放得太满。
(6)样品烘干过程中应注意防止金属粉末等的污染,使用不锈钢烘箱。
3.植物样品的粉碎称取干重后，进行样品粉粹。
原则上应将采取的所有样品进行粉碎，混匀后放在事先写好编号的小封口袋中。
注意事项：（1）如果样品较大，应先用剪刀剪粹后再进行粉粹；（2）如果样品较多，应剪粹后混匀用四分法取适量样品进行粉粹；（3）用于微量元素测定的样品应用不锈钢或玛瑙粉碎机粉样，避免用铁制品；（4）样品一定要磨细，保证样品的均一性；（5）避免交叉污染，及在两个样品之间用喷枪清洗所有磨样用具；（6）磨好的样品放在封口袋中，应保持干燥状态。
（7）样品必需烘干后再粉。
最好及时测定，如果要重新测定以前的样品，最好再烘干一下。
微波消解ICP-AES联用测定食用菌中锌、铁、锰和铜的含量采用微波消解技术处理食用菌样品，用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）同时测定锌、铁、锰、铜等微量元素的含量。
实验结果表明：优化的消解剂用量为每0.25 g食用菌子实体4.5 mL HNO 3 + 4.5 mL H 2O 2；该方法适合测定食用菌中的锌、铁、锰、铜等微量元素，具简便、快速、稳定、准确等优点。
方法的检出限为0.77～1.54 μg/L，加标回收率为91.0％～101％，相对标准偏差为0.95％～7.10％。
食用菌；微量元素；微波消解；ICP-AES微量元素在人体内不仅具有重要的生物活性，而且还参与各种酶、激素、维生素、核酸等的合成与代谢过程［1］。
食用菌味美可口，营养价值丰富且含有人体需要的各种微量元素［2］。
因此对食用菌中微量元素的研究有重要的意义。
目前对于微量元素的测定多采用分光光度法、原子吸收法、阳极溶出伏安法、示波极谱法等。
但这些方法大都存在消解时间长、操作复杂、耗酸量大、灵敏度低、检出速度慢、结果偏差大等缺点［3,4］。
电感耦合等离子体原子发射光谱法（inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, ICP-AES）具有灵敏度高、稳定性好、线性范围宽、基体效应小、分析速度快等优点，更为重要的是该法测定微量元素可有效消除化学干扰，且可同时测定多种元素［5］。
微波消解技术是近年来兴起的一种样品前处理方法，具有快速、分解完全、元素无挥发损失、酸耗量少等优点，已成为目前测定食品重金属元素的最佳前处理方法［6］。
笔者采用微波消解法处理样品，用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定食用菌中的锌、铁、锰、铜元素含量，为食用菌中微量元素的检测提供参考。
1 材料与方法1.1材料1.1.1供试样品新鲜香菇(Lentinula edodes)、双孢蘑菇(Agaricus bisporus)、糙皮侧耳(Pleurotus ostreatus)、金针菇(Flammulina velutipes)、黑木耳(Auricularia auricula-judae)、灵芝(Ganoderma lucidum)子实体采集于湛江市赤坎区农贸市场，用蒸馏水洗干净，自然晾干后置于80 ℃烘10 h，粉碎机粉碎后过60目筛，再于80 ℃烘至恒重，贮存于干燥器中备用。
微波消解-ICP-AES法测定奶粉中的微量金属元素111111111111摘要通过对仪器工作条件和微波消解条件的优化，建立了微波消解-ICP-AES法同时测定奶粉中Fe、Cu、Zn、Cr、Cd、Mn各微量金属元素的方法，并对伊利、雀巢、南山三种奶粉进行了实际测定。
实验表明，各金属元素的质量浓度在0.00-5.00 mg/L之间时，发射光谱强度与浓度有一定的线性关系，对应R2在0.9980-0.9996之间，三种奶粉均只检出Fe和Zn，未检出有害金属元素。
方法方便快速，有一定的精确度。
关键词奶粉金属元素微波消解电感耦合等离子体原子发射光谱如今，奶粉已经是人们日常生活中非常重要的食品，从婴幼到老年人，各年龄段的人群均有很大需求。
因此奶粉中便添加了维生素等营养物质，当然也含有多种如Fe、Cu、Zn、Mn等人体所必须的微量金属元素。
但若质量检测不严格，也可能会含量如Cr、Cd等对人体有害的金属元素。
因此，尽管这些有益或有害的金属元素的含量都是十分微小的，但对它们的检测却是十分有必要的，特别是在最近几年国内奶粉质量事件频发的背景下，更应该寻找更高效更准确的方法以加强对奶粉质量的检测手段。
原子吸收(AAS)方法是目前最经常采用的检测奶粉中微量金属元素的方法，尽管其灵敏度很高，但基体干扰严重，且一次只能测定一种元素，测定效率不高[1]。
而本文选用的电感耦合等离子－原子发射光谱法(ICP-AES)具有分析速度快、灵敏度高、线性范围宽等特点，并具有同时或顺序测定多种元素的优点，目前在食品检测中的应用范围不断拓宽[2]。
样品前处理是制约分析速度和测定准确度的关键因素，而目前的奶粉样品前处理技术主要为干法灰化[3]和湿式消解法。
干法提取率高但操作要求高且费时较长，湿法主要是提取率不够且有环境污染。
因此本文在湿式消解的基础上采用了高效率的微波辅助技术来克服此两缺点。
MAE利用微波与介质的离子和偶极子分子的相互作用，具有可缩短提取时间、节省试剂、减少污染、提高萃取率等优势，在环境、食品、制药等领域中已得到了广泛的应用[4]。
本文采用单因素优化法，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，并对不同奶粉样品中微量金属元素的含量进行了测定和比较。
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)。
Fe、Cu、Zn、Cr、Cd、Mn金属混合标准溶液(50 μg/mL，国家标准物质研究中心)；3.00 μg/mL混合金属溶液：于100 mL容量瓶中加入金属混合标准溶液(50 μg/mL) 6.00 mL，再加入2.00 mL浓HNO3 (酸度2%)，二次去离子水定容。
标准系列溶液的配制：在8个10 mL比色管中分别加入0.20 mL的浓HNO3(酸度2%)，用金属混合标准溶液(50 μg/mL)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的标准系列溶液，二次去离子水定容。
盐酸、硝酸均为优级纯；二次去离子水（实验室制备的超纯水）。
1.2 ICP-AES最佳工作条件表1 ICP-AES最佳工作条件入射功率载气流量辅助气流量冷却气流量测量范围冲洗时间进样流速测量次数1300 W 0.60 L/min 0.70 L/min 16.00 L/min 全光谱30 s 1.5 mL/min 11.3 样品前处理方法准确称取0.5000 g奶粉样品，置消解罐中，加入6.00 mL浓硝酸和2.00 mL双氧水后混合，加盖擦干后放入高压密闭微波消解仪炉腔内。
按照表2设定消解程序。
消解结束后，抽滤洗涤并用超纯水定容至25.00 mL，即得样品处理液。
表2 微波消解程序步骤功率/W 功率/% 升温时间/min 起始温度/℃结束温度/℃保持时间/min1 1600 100 10 RT 120 52 1600 100 5 120 160 53 1600 100 5 160 190 101.4 样品中金属元素含量的测定分别称取0.5000 g的三种奶粉(每种平行两份)和一份样品空白，在最佳条件下消解，用得到的最优ICP-AES条件进行测定。
2 结果与分析2.1 ICP-AES仪器条件的优化固定其他分析条件，分别以3.00 μg/mL混合金属溶液进行下列仪器条件的优化。
2.1.1 测定波长的优化表3 各元素测定波长元素Fe Cu Zn Cd Mn Cr推荐测定波长/nm 259.941 324.754 213.856 214.438 257.611 267.716实际测定波长/nm 259.951 324.765 213.868 214.451 257.619 267.7242.1.2 入射功率的优化在1000-1400 W之间，随入射功率增大，信号强度I也增大(图1)，但增大趋势渐缓，同时入射功率过高会降低仪器测定的稳定性[5]，再综合考虑仪器损耗，因而选择1300 W作为最佳入射功率。
图1 信号强度随ICP入射功率的变化2.1.3 载气流量的优化在0.40-0.80 L/min载气流量之间，信号强度的变化见图2，在0.60 L/min之后信号强度基本不再增加，因而选择0.60 L/min作为最佳的载气流量。
图2信号强度随载气流量的变化2.2 微波消解条件的优化分别准确称取6份0.5000 g 同种品牌的奶粉样品，分为三组，按表1所示各组分别加入8 mL 不同体积比的硝酸和双氧水的混合溶液。
如表2所设条件进行微波消解。
消解结束后，抽滤洗涤并用超纯水定容至25.00 mL ，即得样品处理液。
用得到的最优ICP-AES 条件进行测定。
由图3可知，第二组的消解方式（6.00 mL 浓硝酸+2.00 mL 双氧水）为最佳条件。
1 2 3blank sample sample blank sample sample blank sample sample 奶粉/g0.00 0.5000 0.5000 0.00 0.5000 0.5000 0.00 0.5000 0.5000 HNO 3/mL 8.00 8.00 8.00 6.00 6.00 6.00 4.00 4.00 4.00 H 2O 2/mL 0.00 0.00 0.00 2.00 2.00 2.00 4.00 4.00 4.002.3 工作曲线的绘制在最佳的仪器条件下，测量各元素浓度分别为0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00、3.00、5.00 μg /mL 的混合标准系列溶液，绘制各元素的工作曲线并拟合。
元素 范围 mg/L 回归方程R 2 Fe 0.00-5.00 I = 275012 c + 8118 0.9983 Cu 0.00-5.00 I = 288531 c + 7586 0.9980 Zn 0.00-5.00 I = 223254 c + 4180 0.9996 Cd 0.00-5.00 I = 407073 c + 6141 0.9995 Mn 0.00-5.00 I = 1691307c+51907 0.9981 Cr0.00-5.00I = 293422 c + 71080.9990图3 消解条件对信号强度的影响表4 微波消解条件优化的样品系列表4 线性范围、工作曲线与相关性2.4 不同奶粉样品中微量金属元素的含量比较取伊利、南山、雀巢三种奶粉各0.5000 g（每种平行两份），同时配制一份样品空白溶液，使用优化后的消解条件进行处理后在最佳仪器条件下进行测定。
将样品的强度扣除空白后代入表4中相应的工作曲线计算处理液中的各元素含量，再由样品质量得出各奶粉中各元素的含量（见表5）。
实验结果表明，三种奶粉样品中均只检出Fe、Zn含量，其它元素低于工作曲线的最小浓度，即未检出。
其中只有雀巢奶粉样品的Fe含量偏低使两次平行测定的偏差较大。
元素伊利雀巢南山1 2 平均 1 2 平均 1 2 平均Fe 18.16 17.95 18.06 0.72 0.41 0.57 11.06 11.56 11.31Cu ND ND ND ND ND ND ND ND NDZn 12.76 10.69 11.73 8.88 6.37 7.63 11.05 11.53 11.29Cd ND ND ND ND ND ND ND ND NDMn ND ND ND ND ND ND ND ND NDCr ND ND ND ND ND ND ND ND ND注：ND表示低于方法最低检测范围2.6 问题与思考2.5.1 实验的不确定度分析本实验检出的奶粉中各金属元素含量（除Cd、Cr）与相应文献[2,3,6-8]相对较低，可能的影响因素主要为以下几点：1）消解过程：样品的消解提取率是本实验最大的影响之一，而主要又包括消解液的选择和消解程序的设定。
对于消解液的选择是非常重要的，因为若消解过度，大量非检测对象的元素进入待测试样溶液将使得测定基体非常复杂而影响测定。
而消解不完全直接导致测定结果偏低。
由于微波的“体加热”方式有利于提取物的扩散，缩短了扩散平衡的时间。
因此当提取时间一定时，提取率会随着温度升高面提高；而当温度一定时，随着提取时间的增加，提取率也会迅速提高。
但若温度太高或提取时间过长，可能导致物质复杂化学反应的发生或其它物质损失产生（如铬的挥发，多金属元素共沉淀等），同时提取液中杂质的组分含量也会上升，因此选择合适的温度和提取时间尤为重要。
最后，消解过程中由于奶粉中有大量非金属元素或复杂有机物存在，可能与被测元素发生如共沉淀或络合等复杂作用，同时铬元素可能挥发，同整个前处理过程可能引入溶剂干扰等。
2）光谱干扰：本实验的元素光谱干扰主要有三种，一是由于奶粉元素丰富，因此谱线丰富，谱线重叠也比较严重；二是一些含量丰富的元素，会产生杂散光干扰；三是待测元素自身的谱线重叠，这种干扰不仅在样品，在标准曲线中也存在。
2.5.2 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？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。
简单比较法适用于因素和水平较少，且要求不高时；单因素法主要用于因素之间无交互或交互作表5 奶粉样品检测结果（mg/kg）用较小时，同时水平数应在可接受范围；正交方法是最有效最常用到的优化方法，通过对正交表的合理选择，即使因素与水平较多且关系复杂时也能在比较少的试验次数下得到较全面较合理的数据，且分析结果一般比较理想；单纯形优化尽管原理更合理，但由于设计难度较大，在分析化学中一般也较少使用。
