微波消解-金纳米星比色法快速检测婴幼儿食品中的Co(II)

王永存，王素燕

（1.烟台职业学院，山东烟台 264670；2.中南林业科技大学食品科学与工程学院，长沙 410004）

0 引言

婴幼儿食品是婴幼儿摄取母乳以外必需营养的主要来源，具有种类繁多，市场来源广泛的特点。婴幼儿的机体免疫系统尚未发育成熟，肝脏和肾脏的解毒能力差[1]，对有害物质的抵抗能力远远低于成年人[2]，容易发生食品安全问题。近年来，婴幼儿食品中重金属安全事件时有发生[3-5]，研究表明重金属影响婴幼儿的生长和行为认知能力发育，损伤神经系统，引起语言和听觉障碍，甚至出现行为异常等现象[6-8]。钴是人体必需的微量元素之一，是维生素B12的重要组成部分。但人体若摄入过量钴会产生中毒现象，可引起胃肠功能紊乱、甲状腺肿大，甚至会导致组织癌变[9]。若食用了含放射性钴的食品，可导致脱发，甚至会损害人体血液内的细胞组织，造成白细胞减少[10-11]。钴广泛应用于合金、催化剂、陶瓷、电池等领域[12-14]。因此，必须加强对婴幼儿食品中钴含量的检测，以提高婴幼儿食品的质量和安全水平。

选取市售的婴幼儿食品（牛奶、奶粉、米粉、面条、果泥、蔬菜泥、肉酥、鱼肠、饼干、奶酪棒、磨牙棒、溶豆）为研究对象，利用类芬顿反应刻蚀金纳米星粒子的钴离子高灵敏比色法对其重金属钴元素进行检测，金纳米星粒子溶液对不同浓度的钴离子呈现不同的颜色，能灵敏地检测到低浓度的钴离子。该方法灵敏度高，为婴幼儿食品中Co(II)的检测提供了一种新方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 仪器

UV-1800 紫外可见分光光度计，日本岛津公司；Titan G2 60-300 透射电镜，美国FEI 公司；AI 1200 石墨炉原子吸收光谱仪，美国Aurora 公司；Centrifuge 5415D 离心机，Eppendorf；MDS-6G 微波消解系统，上海新仪微波化学科技有限公司。

1.1.2 试剂

氯金酸、氢氧化钠、硫氰化钾、碳酸氢钠、氯化钠、氯化钾、硝酸、过氧化氢、硝酸铅、醋酸锌、硫酸铜、硫酸钴、硝酸汞、氯化镉、氯化铬、硝酸镍、氯化铜、氯化钡、三氯化铁、硫酸亚铁，均为分析纯，上海国药化学试剂有限公司；4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES），上海瑞永生物科技有限公司；CTAB（C19H42NBr），博美生物科技有限责任公司。

1.2 样品采集及前处理

样品采集：样品来自超市、零售店和母婴店出售的婴幼儿食品，共抽取12 种食品（牛奶、奶粉、米粉、面条、果泥、蔬菜泥、肉酥、鱼肠、饼干、奶酪棒、磨牙棒、溶豆），每种食品涉及4 个不同品牌，每个品牌取1 份样品，共计48 份样品，基本上涵盖了婴幼儿食品种类。

样品前处理[15]：取0.3 g 样品，3.0 mL 14.5 mol/L硝酸，1.8 mL 10 mol/L 过氧化氢，放入消解罐中，按表1 的程序设置消解。消解好后移入25 mL 容量瓶中，用1 mol/L 氢氧化钠调pH 至6.00，然后定容、过滤，即可得到澄清、无色、透明的待测样品。

表1 微波消解程序

1.3 检测方法

1.3.1 金纳米星粒子合成

参考文献[15]的方法来完成金纳米星粒子制备。将100 mL 0.04 mol/L HEPES 溶液（pH=7.4）和823 μL 24.28 mmol/L 氯金酸溶液，充分混合，室温下反应30 min，待溶液变成蓝绿色即可获得金纳米星粒子（GNSs）溶液。

1.3.2 灵敏度评价方法

在5 mL 离心管中加入2.4 mL 制备的GNSs 溶液，90 μL 0.02 mol/L CTAB，60 μL 0.01 mol/L KSCN，150 μL 0.1 mol/L NaHCO3，然后分别加入300 μL 不同浓度Co(II)溶液，摇匀，室温下反应15 min，最后测定溶液的紫外可见吸收光谱。

1.3.3 选择性度评价方法

为评价该方法对于检测Co(II)的选择性，选择了10 种重金属离子（Cr(III)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Ba(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(III)，浓度均为1 μmol/L；Fe(II)浓度为0.5 μmol/L）进行对比实验，根据1.3.2 节所述实验步骤进行检测，其中Co(II)浓度为100 nmol/L。

1.3.4 实际样品检测方法

在5 mL 离心管中加入2.4 mL GNSs 溶液，90 μL 0.02 mol/L CTAB，60 μL 0.01 mol/L KSCN，150 μL 0.1 mol/L NaHCO3，然后加入300 μL 待测样品，摇匀，室温反应15 min，待反应结束后，用石墨炉原子吸收光谱仪和紫外可见分光光度计对样液中的钴含量进行对比检测。

2 结果与讨论

2.1 方法可行性分析

利用透射电镜（TEM）和紫外可见分光光度计对GNSs 的形貌尺寸和光学性质进行研究。GNSs 的表面等离子体共振主要有两种模式，即纵向局部表面等离子体共振和横向局部表面等离子体共振。纵向局部表面等离子体共振主要取决于分枝的数目和长度，横向局部表面等离子体共振取决于“核”的大小[16-17]。GNSs的边缘和尖端控制着金原子的排列，并且其表面的电磁场被增强，因此GNSs 具有优异的导电性能或催化活性[18-20]。如图1 所示，合成的GNSs 在波长654 nm处具有很强的纵向局部表面等离子体共振吸收峰，在波长526 nm 处的横向局部表面等离子体共振峰较弱，此时，GNSs 溶液呈蓝绿色，且分散均匀。当CTAB、KSCN 或NaHCO3加入到GNSs 溶液中时图1（b、c、d），没有发生明显的吸收峰变化。然而，当Co(II)加入到CTAB、KSCN 与NaHCO3存在的GNSs 溶液中图1（e），引发类芬顿反应[21-22]，产生大量O2●-，GNSs 表面的单质Au 被O2●-迅速氧化成Au(I)，导致GNSs 的形貌发生改变，引起GNSs 溶液的局部表面等离子共振峰蓝移、紫外可见吸收强度显著降低，溶液颜色从蓝绿色变为紫色。

图1 方法检测Co（II）可行性分析

同时TEM 结果也证实了GNSs 的刻蚀变化如图2 所示，合成的GNSs 具有高度分枝的结构图2（Ⅰ），分枝数目4～8 个，通过对TEM 图中GNSs 的尺寸统计，平均外径约为34 nm。将Co(II)加入到CTAB、KSCN 与NaHCO3存在的GNSs 溶液中，相应的TEM显示图2（Ⅱ），GNSs 分枝尖端钝化、枝长变短。随着Co(II)浓度的增加如图2（Ⅲ），GNSs 分枝几乎消失，几何形状变圆，平均粒径约为15 nm。这进一步说明了在CTAB、KSCN 与NaHCO3存在的GNSs 溶液中，Co(II)浓度越大，GNSs 刻蚀程度越大。基于此，可以通过本实验的GNSs 比色检测法来检测Co(II)浓度。

图2 不同浓度Co(II)的TEM

2.2 方法灵敏度分析

通过计算GNSs 溶液的最大紫外可见吸收峰的波长差Δλ，以Co(II)浓度的自然对数为变量，绘制拟合曲线，结果如图3 所示。在0～20 μmol/L 范围之间，Co(II)的拟合方程为Δλ=7.69ln[Co(II)]-42.25，R2=0.995，检出限为35 pmol/L，方程具有良好的线性关系。随着GNSs 溶液中Co(II)浓度的增加，溶液颜色发生梯度变化图3（c），从蓝色慢慢变紫色最后变成红色，而且可以通过肉眼直接观察到低至500 pmol/L Co(II)引起的颜色变化。与其他已报道的方法相比如表2 所示，本文的GNSs 比色检测法具有较低的检出限和更宽的线性响应范围。

图3 方法对Co(II)的灵敏度分析

表2 钴的不同检测方法比较

2.3 方法选择性分析

为研究本检测方法对Co（II）的选择性，选取10种重金属离子（Cr（III）、Zn（II）、Cd（II）、Pb（II）、Hg（II）、Ba（II）、Ni（II）、Cu（II）、Fe（III）、Fe（II））为潜在干扰物质。如图4 所示，在0.6 mmol/L CTAB、0.2 mmol/L KSCN 和5 mol/L NaHCO3存在下，加入浓度为1 μmol/L Cr（III）、Zn（II）、Cd（II）、Pb（II）、Hg（II）、Ba（II）、Ni（II）、Cu（II）、Fe（III），以及0.5 μmol/L Fe（II），GNSs 溶液中最大紫外可见吸收峰波长差变化很小。但是当加入100 nmol/L Co（II）时，溶液的最大紫外可见吸收峰的波长差明显增加，表明本方法在测定Co（II）时表现出较高的选择性以及抗干扰能力。

图4 方法对100 nmol/L Co(II)和其它干扰离子(1 μmol/L Cr(III)、Zn(II)、Cd(II)、Pb(II)、Hg(II)、Ba(II)、Ni(II)、Cu(II)、Fe(III)和0.5 μmol/L Fe(II))的选择性分析

2.4 婴幼儿食品中钴含量检测

婴幼儿食品中钴含量采用GNSs 比色检测法和石墨炉原子吸收光谱法进行对比测定。测定结果如表3，GNSs 比色检测法的相对标准偏差范围为1.36%～3.57%；石墨炉原子吸收光谱法的相对标准偏差范围为0.93%～2.86%，2 种方法检测婴幼儿食品中Co(II)含量值和RSD 非常接近，表明该比色法在婴幼儿食品中钴含量的检测具有可行性。

表3 婴幼儿食品中Co(II)含量测定结果（n=3）

在表3 的婴幼儿食品中钴含量的检测结果中，肉松中钴含量最高，其平均值高到达0.3285 mg/kg，其次是鱼肠和奶酪棒，蔬菜泥和水果泥中钴含量较低。食品安全国家标准GB 2762—2022《食品中污染物限量》只规定了婴幼儿食品中铅、汞、砷、锡的限量值[32]，而对于钴元素未设定限量值。本研究开展婴幼儿食品中钴元素的分析检测，可为今后制定营养素或污染物限量标准提供参考依据，希望引起相关部门重视，进一步完善标准，规范婴幼儿食品的企业生产，确保婴幼儿食品具备较高的质量和安全性。

3 结论

保障婴幼儿食品安全是一项长期而繁重的工作。引发婴幼儿食品安全的因素涉及到食品企业对食品原料的质量把控、消费者对婴幼儿食品安全的认知，以及监管部门对婴幼儿食品的市场准入的把关等，通过检测婴幼儿食品的成分，可以促进婴幼儿食品的标准化，保障婴幼儿食品的安全。利用Co(II)引发类芬顿反应刻蚀金纳米星粒子导致GNSs 的形貌发生改变，进而导致GNSs 溶液发生改变，实现了对婴幼儿食品中Co(II)的简单、快速和高灵敏检测，可为制定婴幼儿食品中钴元素的限量标准提供检测依据。