自然科学食品中微量元素的测定课件

第六章 食品中微量元素的测定 第一节 概述 v 矿物质元素： v 食物中的元素50余种 ，除C、H、O、 N外的其他元素称为矿物质元素。 营养学：必需元素、非必需元素、有害元素 需要程度：常量元素、微量元素 性质：金属元素、非金属元素 食物中各种元素对人体需要来说，分为： 常量元素微量元素 微量元素： 地球化学角度：占地球组成0.01%的60余种元素 医学角度：占人体总重量万分之一以下的元素 人体必需的有铁、锌、铜、锡、锰、硒、碘、氟等14种 微量元素 进入人体的 渠 道（主要是 食 物） 必需 元素 有毒 元素 + + 自然条件 决定的 加工、包装、 贮存时污染 强化营养添加 到食品中的 新材料及工 业三废等 食品中微量元素的检测方法 v(1)原子吸收分光光度法 v(2)原子荧光光谱法 v(3)分光光度计法 v(4)比色法 v(5)滴定法 影响测定 结 果准确定 性 的因素 样品的采 集与处理 试剂 仪器 实验用水 溶液配制 第二节元素的提取与分离 以上这些元素都以金属有机化合物的形式 存在于食品中，要测定这些元素先要做两件 事： 1.用灰化法和湿化法先将有机物质破坏掉，释 放出被测元素。以不丢失待测成分为原则。 2.破坏掉有机物后的样液中，多数情况下待测 元素浓度很低，且为多种元素共存的状态， 有其它元素的干扰，所以要浓缩和除去干扰 。 第二节 元素的提取与分离 v1、破坏有机物质 。 v2、浓缩和分离 。 测定方法 原子吸收比色法 （一）有机物破坏法 测定食品中无机成分的含量，需 要在测定前破坏有机结合体，如蛋 白质等。操作方法分为干法灰化和 湿法消化两大类。 1.干法灰化 原理：将样品置于电炉上加热，使其 中的有机物脱水、炭化、分解、氧化， 再置高温炉中灼烧灰化，直至残灰为白 色或灰色为止，所得残渣即为无机成分 。 电炉 干法灰化方法优点 优 点 有机物分解彻底，操作简 单。 灰分体积小，可处理较多 的样品，可富集被测组分。 此法基本不加或加入很 少的试剂，故空白值低。 干法灰化方法缺点 缺 点 坩埚有吸留作用，使测定 结果和回收率降低。 因温度高易造成易挥发 元素的损失。 所需时间长。 2. 湿法消化 v原理：样品中加入强氧化剂，并加热消煮， 使样品中的有机物质完全分解、氧化，呈气 态逸出，待测组分转化为无机物状态存在于 消化液中。 v常用的强氧化剂有浓硝酸、浓硫酸、高氯酸 、高锰酸钾、过氧化氢等。 湿法灰化方法优点 优 点 由于加热温度低，可减少 金属挥发逸散的损失。 有机物分解速度快，所 需时间短。 湿法灰化方法缺点 缺 点 试剂用量大，空白值偏高 初期易产生大量泡沫外溢 产生有害气体。 浓缩、分离处理方法与后边测定方 法有关。 例： 比色法测定， 用合适的金属螯合剂在一定条 件下与被测金属离子生成金属螯合物，然 后用有机溶剂进行液液萃取，使金属螯合 物进入有机相从而达到分离与浓缩。 原子吸收分光光度法， 一般可不用特殊处理。测痕量 元素则用离子交换法分离、提纯金属离子 或除去干扰离子。 螯合萃取原理 + 金属离子螯合剂金属螯合物= 观察其溶解性的变化 水相有机相 Cu2+ Fe3+ Ca2+ 螯合剂 金属离子 3、影响分配比值的几个因素： （1）螯合剂的影响：螯合剂与金 属离子生成的螯合物越稳定，萃取效率就 越高。 （2）pH的影响：pH 越高，有利于 萃取，但金属离子可能发生水解反应。 要正确控制溶液的酸度,对萃取 有利，还可提高螯合剂对金属离子的选择 性。 例：Zn2+的最适宜pH为6.5-10。 (3)萃取溶剂的选择： 溶剂是否有利于萃取的分离主要取决 于它们的物理性质和化学性质。 一般尽量采用惰性溶剂，避免产生 副反应。 根据螯合物的结构，由相似相溶原 理来选： 含烷基螯合物选卤代烃（CCl4、CHCl3 等）， 含芳香基螯合物选芳香烃（苯、甲苯 等） 溶剂的相对密度与溶液差别要大、 粘度小。 无毒。无特殊气体、挥发性较小。 4干扰离子的消除 一种螯合剂往往同时和几种金属离子形成螯 合物，控制条件可有选择地只萃取一种离子或连 续萃取几种离子，使之相互分离。 控制酸度 控制溶液的pH值 使用掩蔽剂 例.KCN 可掩蔽 Zn2+ 、Cu2+ 柠檬酸铵可掩蔽 Ca2+、Mg2+、AL3+、Fe3+ EDTA可以掩蔽除 Hg2+、Au2+ 以外许多金属离 子。 常用的螯合剂 双硫腙（HDZ） 二乙基二硫代甲酸钠 （NaDDTC） 丁二酮肟 与 金属 离子生 成金属螯 合物，相当稳 定，难溶于水， 易溶于有机溶剂， 有时可直接比色 食品中铁的测定 邻菲罗啉光度法 原理：在pH为2-9(一般控制pH=5-6)的溶液中，邻菲罗啉 与 Fe2+生成稳定的橙红色配合物，其lgK稳=21.3，最大吸收 波 长为510nm，摩尔吸光系数为1.1104。在一定浓度范围 内， Fe2+的浓度与吸光度符合比尔定律。 Fe3+与邻菲罗啉作用生成蓝色配合物，稳 定性较差。样品中若有 Fe3+，应在酸性溶液中 加入盐酸羟胺（还原剂）将三价铁还原为二价 铁。此时测定的是总铁含量。 2、实验器材 1. 仪器：分光光度计 2. 试剂： （1）盐酸羟胺溶液(10%)：称取10g盐酸羟胺，用 水溶解并稀释至100mL（现用现配） （2）盐酸：1：1和1：9溶液； （3）乙酸钠溶液(450g/L)：称取45g乙酸钠,加水溶 解并稀释至100mL； （4）0.1%邻菲罗啉：称取0.10g邻菲罗啉于烧杯中 ，加60mL水，加热溶解(不超过80），移入100mL 容量瓶中，用水稀释至刻度，摇匀； （5）铁标准贮备液(1000g/mL) （6）铁标准使用液(10g/mL) 标准曲曲及样品测定 0123456样品 标准使用液体积 0.001.02.04.06.08.010.0 5.05.0 10%盐酸羟胺1.0mL，稍摇动 0.1%邻菲罗啉2.0mL 醋酸-醋酸钠缓冲 溶液（pH) 5mL 水至刻度(充分摇匀,静置5min) 比色测吸光度3cm比色皿,510nm,0管调零 注 意 1.注意加入试剂的顺序。显色时间的 影响可与绘制吸收曲线同步进行。 2.加入盐酸羟胺溶液后应摇匀，使 Fe3+完全还原为Fe2+后再加入显色剂。 分光光度计主要部件 吸收池比色皿 普通玻璃 石英玻璃 紫外区测量必须石英比色皿，普通玻璃有大吸收 1cm最常见 注 意 拿比色皿时，不要接触透光面，应拿毛玻璃面 。测定时，比色皿应先用蒸馏水洗3次，再用待测液 润洗2-3次。盛好溶液的比色皿，用擦镜纸轻轻擦去 外壁的液体，比色皿用过后，要清洗干净，晾干放入 比色皿盒中 比色皿中液体的高度应在皿高的2/3至3/4 测量时尽量使吸光度在0.2-0.7之间 A c 标准曲线法 选定条件下, 测一系列标液 得标准曲线, 又称工作曲线 据Ax, 查出cx cx 标准对比法 仅测一个标液cs得As 测Ax, 得出 3. 结果计算： cv1000 X= v样1000 式中：X试样中铁的含量，mg/L c根据试样的吸光度，从标准 曲线上查出的铁浓度 v样实验所取试样的体积 v定容体积 n吸收曲线：每一种物质对不同波长光的吸收 程度是不同的 。如果我们让各种不同波长的光分 别通过被测物质，分别测定物质对不同波长光的 吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标 作图所得曲线。 300400500600700/nm350 525 545 Cr2O72- MnO4- 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Absorbance 35 0 原子吸收分光光度法 样品经干法灰化或湿法消化后，导入原子吸收分 光光度计，经火焰原子化后，铁吸收波长248.3nm的 共振线，其吸收量与铁的含量成正比，与标准系列比 较定量 原子吸收光谱法亦称原子吸收分光光度法,是基 于蒸气相中待测元素的基态原子对其共振辐射的吸 收强度来测定试样中该元素含量的一种仪器分析方 法 空心阴极灯 原子化器 单色仪 检测器 原子化系统 雾化器 样品液 废液 切光器 助燃气 燃气 原子吸收仪器结构示意图 1.1.组成框图组成框图 空空 心心 阴阴 极极 灯灯 原原 子子 化化 器器 单单 色色 器器 检检 测测 器器 处处 理理 与与 控控 制制 数据处理和仪器控制数据处理和仪器控制 火焰原子化器火焰原子化器 单色器单色器 光电倍增管光电倍增管 雾化器和雾化室雾化器和雾化室 空心阴极灯空心阴极灯 测定的简要过程： 先将金属盐溶液雾化喷入火焰，由于热解离，金属 元素变成原子状态。从能发射待测定金属特征谱线的锐线光 源发出的辐射通过燃烧器上部的火焰，被火焰中的分析元素 的基态原子部份地吸收后进入单色器，经单色器分离出强度 降低的谱线，然后由检出器转换为电讯号，这个电讯号被放 大后直接在指示仪表上读出，通过测定不同浓度的基态原子 对特征谱线的吸收程度，决定浓度。 一、光源：作用是发射带测元素的特征谱 线。要求： a）发射稳定的共振线，且为锐线； b）强度大，没有或只有很小的连续背景 ； c）操作方便，寿命长。 最常用的是空心阴极灯（HCL）、无极放 电灯（EDL）。 二、原子化器： 将样品中的元素转化为自由基态原子蒸汽 。 空心阴极灯简图 雾化器 毛细管 助燃气 撞击球 火焰 燃烧器 扰流器 雾化室 废液试样溶液 v分光系统： 分出火焰中带测元素的谱线。 检测器： 把光信号转换为电信号，经调制、放大处理， 最后输出结果。 原子吸收分光光度计与紫外可见光度计在装置上的 异同： 同：均由光源、单色器、吸收池（或原子化器）、检测 器和记录仪组成。 异：在位置上是不同的。 前者单色器放在原子化器后面是为了避免火焰中非吸收光 的干扰。后者单色器放在吸收池的前面。 原子吸收分光光度计： 光源原子化器单色器检测 紫外可见光度计： 光源单色器吸收池检测 基本原理，都遵循基本原理，都遵循Lambert-BeerLambert-Beer定律定律 分子吸收分子吸收 ： 测定吸光测定吸光 度度 带宽带宽10nm10nm连续光源连续光源一般溶液一般溶液 原子吸收原子吸收 ：测定吸测定吸 光度光度 带宽带宽1010-3 -3nm nm 锐线光源锐线光源自由原子蒸自由原子蒸 汽汽 食品中锌的测定 常用的锌的测定方法 双硫腙比色法 原子吸收光谱法 双硫腙比色法 （一次提取） GB/T5009.14- 2003食品中 锌的测定 GB 5413.21-2010食品安全国家标准婴幼儿食 品和乳品中钙、铁、锌、钠、钾、镁、铜和 锰的测定 GB/T 23375-2009蔬菜及其制品中铜、 铁、锌、钙、镁、磷的测定 原子吸收分光光度法 1、原理 样品灰化或酸消解处理后，导入原子吸收 分光光度计，经火焰原子化后，锌吸收波长 213.8nm的共振线，其吸收量与锌的含量成正 比，与标准系列比较定量 电炉 干法灰化 湿法消化 2 仪器和试剂 (1)仪器 原子吸收分光光度计（附锌空心阴极灯 ） 马福炉 电热板 分析天平 (2)试剂 硝酸+高氯酸（3+1） 磷酸(1+10) 盐酸(1+11)：量取10mL盐酸，加到适量水中，再稀释 至120mL。 锌的标准储备液(0.5mg/mL)或 (1000g/mL) 可以直接购买该元素的有证国家标准物质作为标准溶液 。 锌的标准使用液(100g/mL) 3 操作步骤 (1)样品的处理 谷类:去除其中的杂物和尘土，必要时除去外壳，磨 碎，过40目筛，混匀。称取5.0010.00g置于50mL瓷坩埚 中，小火炭化至无烟后，移入马福炉中，于50025 下 灰化8h，取出坩埚，放冷后再加入少量混合酸，以小火 加热，避免蒸干，必要时补加少许混合酸。如此反复处 理，直至残渣中无炭粒。等坩埚稍冷，加10mL盐酸 (1+11)溶解残渣，移入50mL容量瓶中，再用盐酸(1+11) 反复洗涤坩埚，洗液也并入容量瓶中，稀释至刻度，混 匀备用。 取与样品处理量相同的混合酸和盐酸 (1+11)，按相同 的操作方法做试剂空白试验校正结果。 蔬菜、瓜果及豆类:将可食用部分洗净晾干，充分 切碎或打碎后混匀。称取10.0020.009置于瓷坩埚中，加 lmL磷酸 (1+10)，小火炭化，然后按谷类样品的处理自“ 至无烟后移入马福炉中”起，依法操作。 禽、蛋及水产品:将可食用部分充分混匀后，称取 5.0010.00g置于瓷坩埚中，小火炭化，然后按谷类样品的 处理自“至无烟后移入马福炉中”起，依法操作。 乳制品:样品经混匀后，量取50mL置于瓷坩埚中， 加lmL磷酸 (1+10)，在水浴上蒸干，再小火炭化，然后按 谷类样品的处理自“至无烟后移入马福炉中”起，依法操作 。 原子吸收光谱仪参考条件 测定波长：213.8nm 灯 电 流：6mA 狭 缝：0.38nm 空气流量：10L/min 乙炔流量：2.3L/min 灯头高度：3mm 背景校正：氘灯 标准曲线法是原子吸收光谱法最常用的 方法。此法最根据被测元素的灵敏度及其在样 品中的含量来配制标淮溶液系列，测出标准系 列的吸光度，绘制出吸光度与浓度关系的工作 曲线。测得样品溶 液的吸光度后，在 工作曲线上可查出 样品溶液中被测元 素的浓度。 A c 样品测定 将标准系列溶液以浓度从低到高的顺序分别 导入火焰原子化器进行测定，记录其对应的吸光度 值。以标准系列溶液锌的浓度为横坐标，对应的吸 光值为纵坐标，绘制标准曲线 (或计算直线回归方程 )。 将处理后的样液、试剂空白溶液分别导入火 焰原子化器中进行测定，记录其对应的吸光度值， 与标准系列比较定量（或代入回归方程求出锌的含 量）。 4 结果计算 式中：X样品中锌的含量，mg/kg(或mg/L) ； m1测定用样品液中锌的容量,g/mL ； m2试剂空白溶液中锌的含量,g/mL ； m样品的质量(或体积)，g(或mL)； V样品处理液的总体积，mL。 双硫腙比色法 试样经消化后，在pH4.5-5.0, Zn2+与双硫 腙生成紫红色络合物，此络合物溶于CCl4 ，其 它金属离子靠加入硫代硫酸钠掩蔽。 螯合萃取原理 +金属离子螯合剂金属螯合物= 观察其溶解性的变化 水相有机相 Cu2+ Fe3+ Ca2+ 螯合剂 金属离子 Zn 双硫腙双硫腙 HgHg、CuCu CdCd Zn-双硫腙 HgHg、CuCu CdCd 双硫腙双硫腙 掩蔽剂 双硫腙双硫腙 二硫棕比色法测金属元素的条件： 元素pH值值掩蔽剂剂呈色有机溶 剂剂 铅铅8.59. 0 柠柠檬酸铵铵、氰氰 化钾钾、盐盐酸羟羟 氨 红红色三氯氯甲 烷烷 汞12盐盐酸羟羟氨橙红红色三氯氯甲 烷烷 锌锌4.05. 5 硫代硫酸钠钠紫红红色四氯氯化 碳 食品中钙的测定 GB/T 5009.92-2003 食品中钙的测定 原子吸收分光光 度计法 滴定法（EDTA法） 原子吸收分光光度法 1、原理 样品灰化或酸消解处理后，导入原子吸收 分光光度计，经火焰原子化后，钙吸收波长 422.7nm的共振线，其吸收量与钙的含量成正 比，与标准系列比较定量 滴定法（EDTA法） 原理 钙与氨羧络合剂能定量地形成金属络合剂，其 稳定性较钙与指示剂所形成的配合物为强。在适当 的pH范围内，以氨羧络合剂EDTA(乙二胺四乙酸二钠 )滴定，在达到当量点时，EDTA就自指示剂络合物 中夺取钙离子，使溶液呈现游离指示剂的颜色(终点 )。根据EDTA配合剂用量，可计算钙的含量。 酒红色纯蓝色纯蓝色 试剂 氰化钾或氰化钠溶液(1) 柠檬酸钠溶液(0.05 mol/L) 2mol/L氢氧化钠溶液 盐酸溶液（1+4） 0.1%钙指示剂酒精溶液 钙标准溶液（0.1mg/mL) 0.01mol/L1EDTA溶液 3 操作步骤 (1)样品的处理 称取35g置于瓷坩埚（事先经高温灼烧至 恒重）中，小火炭化至无烟后，移入马福炉 中，于550下灰化24h，冷却干燥，反复灼 烧至恒重为止。加入5mL盐酸（1+4），置水 浴上蒸干，再加入5mL盐酸（1+4），移入 25mL容量瓶中，用热的去离子水多次洗涤灰 化容器，洗涤水也并入容量瓶中，冷却后用 去离子水定容。 (2)准确吸取钙标准溶液10mL于100mL三 角瓶中，加水10mL，用2mol/L的Na0H调至中性 ，加入1KCN 1滴，0.05 mol/L柠檬酸钠 2mL，2 mol/L NaOH 2 mL，钙指示剂5滴，用EDTA溶液 滴定至溶液由酒红色变为纯蓝色为终点。记录 EDTA的用量V(mL)。按下式计算每毫升EDTA溶 液相当于钙的毫克数T。 T = 0.1*10/V (3)测定：准确吸取样液5 mL(根据钙含 量而定)，注入100mL三角瓶中，加水15ml_，用 2 mol/L 的NaOH溶液调至中性加入1KCN l 滴，0.05molL柠檬酸钠溶液2 mL、2molL的 NaOH溶液2mL、钙指示剂5滴，用EDTA溶液滴 定至溶液由酒红色变为纯蓝色，记录EDTA标准 溶液的用量。用蒸馏水做空白试验。 4 结果计算 式中：X样品中钙的含量，mg/100g TEDTA滴定度，mg V滴定样品时消耗EDTA体积 V0滴定空白时消耗EDTA体积 样品的稀释倍数 m样品的质量，g。 5 说明及注意事项 (1)样品处理要防止污染，所用器皿均应使用塑 料或玻璃制品，使用的试管器皿均应在使用前泡酸， 并用去离子水冲洗干净，干燥后使用。 (2) 加指示剂后，不要等太久，最好加后立即。 (3)本反应中Zn，Co，Cu，Ni等会发生干扰， 可加入KCN或Na2S掩蔽，Fe3+可用柠檬酸钠掩蔽。 (4)滴定时的pH为1214。 食品中铜的测定 GB 5009.132003食品中铜的测定 第一法是原子吸收光谱法 第二法：二乙胺基二硫代甲酸钠法 原子吸收光谱法 原子吸收分光光度法 火焰原子化法 石墨炉原子化法 二乙胺基二硫代甲酸钠法 4、砷、硒的测定 v一、砷的测定 GB5009.112003 （一）银盐法 1、原理：样品消化后，让所含AS5+ASH3，再与二乙基二硫 代氨基甲酸银（AgDDTC）作用，在有机碱（三乙醇胺）存 在下，生成棕红色胶态银，进行比色测定。在生成AsH3过 程中，有H2S，会干扰测定，可用浸泡过醋酸铅的棉花来排 除H2S的干扰。 左边为AsH3发生器，里边放 ：样品消化液、HCl、 KI、氯化亚锡,Zn粒。 横管中有Pb(AC)2吸收H2S。 右边为AgDDC吸收管。 （二）、砷斑法（古蔡氏法） 原理：1、消化样品 2、同银盐法 As5+AsH3 3、与溴化汞试纸生成黄色至橙色的色 斑，与标准砷斑比较定量。 1、锑、磷等都能使溴化汞试 纸显色 2、同一批测定用的溴化汞试 纸的纸质必须一致。 3、As2O3剧毒，AsH3及HgBr2 极毒。 鉴别方法 采用氨熏蒸黄色斑 黑 黄 色 斑 褪色 砷 不变磷 黑锑 2、装置如图 3、操作：用标 准AS2O3液， 让溴化汞试纸 成一系列不同 颜色的标准色 斑，为保存时 间长一些，可 用油画颜料画 出标准色斑， 在暗处保存。 二、硒的测定 硒化氢，H2Se是无色气体，具有令人厌恶的臭 味。水溶液是酸。Se化合价有2、4、6。 硒酸H2SeO4属于强酸，它的性质与H2SO4相 似。不易挥发，它的盐硒酸盐，很像硫酸 盐。 硒的一切化合物都有毒。 ADI值50200g 。硒是与S共存的非金属。 应用于电讯器材、半导体和玻璃制造等，所以 硒的污染来自半导休工业和冶金工业等排出 的三废。 硒是动物生长中必需的微量元素之一，起 调节氧化还原反应速度，强化某些酶系的活 性，调节VA 、C、E、K 在体内的吸收和消耗。 硒被科学家称之为人体微量元素中的“ 抗癌之王” 科学界研究发现，血硒水平的高低与癌 的发生息息相关。 增强免疫力： 有机硒能清除体内自由基，排除体内毒素、 抗氧化、能