CN109580802A - 同位素比率质谱仪、测试硫同位素方法、奶粉溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同位素检测领域，更具体地说，它涉及同位素比率质谱仪、测试硫同位素方法、奶粉溯源方法。其技术要点是：包括进样口，与进样口连通的氧化管、与氧化管连通的还原管，还原管顶端连通有有干燥管，干燥管内完全填充有干燥剂。本发明替换掉传统的直型干燥管，使得样品气从高温的还原管出来后立即干燥，降低了还原管与传统直型干燥管接口处水汽冷凝对样品气中的SO2的影响，使分析更加稳定。一般要求S测定的稳定性好于千分之0.5，采用本方法后稳定性可达到千分之0.3。

Description

同位素比率质谱仪、测试硫同位素方法、奶粉溯源方法

技术领域

本发明涉及同位素检测领域，更具体地说，它涉及同位素比率质谱仪、测试硫同位素 方法、奶粉溯源方法。

背景技术

硫在自然界中分布广泛，普遍存在于空气、水、岩石、土壤等介质中，存在形式有硫化物、硫酸盐等；硫有25种同位素，其中四种是稳定的：³²S(95.02％)、³³S(0.75％)、³⁴S(4.21％)和³⁶S(0.02％)，硫同位素的不同含量可以用来确定森林生态系统中矿物的来历，具有很好的研究意义。

同位素比率质谱仪擅长同位素分析，可以进行多种形态样品分析，同时或顺序检测多 种成分，提供丰富的结构信息，可以快速分析与实时监测，而且样品用量少，灵敏度很高。

同位素比率质谱法是对将样品中的硫元素制备成二氧化硫气体，二氧化硫法相对六氟 化硫法具有操作简单，安全性高等优点，但是由于二氧化硫样品具有粘滞性，氧同位素干扰 等缺陷，其准确性和精确性较差。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种同位素比率质谱仪，能够更精 准的测试硫同位素的数据，便于后期的更准确的数据分析。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种同位素比率质谱仪，包 括进样口，与进样口连通的氧化管、与氧化管连通的还原管，还原管顶端连通有干燥管，干 燥管内完全填充有干燥剂。

通过以上技术方案，经过反复试验发现硫同位素测试前样品处理在高温通氧条件下硫 化合物全部氧化成二氧化硫，二氧化硫进行干燥再进入稳定同位素质谱仪进行检测，传统的 干燥模式是将直形干燥管通过连接管与还原管连通，二氧化硫气体中掺杂有水蒸气，水蒸气 冷却后很可能在连接管处形成水滴，部分二氧化硫气体溶于水中冷凝水会导致分析过程中硫 稳定同位素分馏，进而对最终的测试结果造成影响；本发明将使得样品气从高温的还原管出 来后立即干燥，避免了水的干扰，获得了稳定的硫同位素比值。一般要求S测定的稳定性好 于千分之0.5，采用本发明中的质谱仪测定后稳定性可达到千分之0.3。

较佳的：干燥管包括与还原管顶端连接的横向干燥管，横向干燥管连通有纵向干燥管。

通过以上技术方案，相对于传统的直型冷凝管二氧化硫气体从高温的还原管出来后立 即干燥，而且增长了干燥路径，干燥效果更好；此外这种连接方式对传统的直型冷凝管改进 最小，工艺简单，成本低。

较佳的：还原管和干燥管连通处设有用于阻挡干燥剂的过滤网。

通过以上技术方案，过滤网限制干燥剂落入还原管内，不会影响还原反应，而且也便 于更换干燥剂。

较佳的：所述过滤网设置为石英棉。

通过以上技术方案，氧化管和还原管温度都比较高，石英棉在高温下强度保持率高、 化学稳定性、尺寸稳定，还具有一定的柔软性，不会影响过滤效果，也不会对还原反应有影 响。

本发明的目的二在于提供测试硫同位素方法，能够更精准的测试硫同位素的数据，而 且操作步骤简单。

本发明的上述技术目的二是通过以下技术方案得以实现的：一种测试硫同位素方法， 称取适量样品用锡杯包裹后进入上述方案中所述的同位素比率质谱仪，样品先经过氧化管进 行氧化反应，再经过还原管发生还原反应，生成的二氧化硫气体直接到达干燥管干燥后进行 测量分析。

通过以上技术方案，将使得样品气从高温的还原管出来后立即干燥，避免了水的干扰， 获得了稳定的硫同位素比值。一般要求S测定的稳定性好于千分之0.5，采用本发明中的质谱 仪测定后稳定性可达到千分之0.3。

本发明的目的三在于提供奶粉溯源的方法，可对多数奶粉样品的产地准确判别，更有 利于检验奶粉的质量，打击假冒伪劣产品。

本发明的上述技术目的三是通过以下技术方案得以实现的：一种奶粉溯源的方法，包 括以下步骤：

S1获取多个国家进口奶粉样品；

S2将多个样品分别采用权利要求1-4中任意一项所述的同位素比率质谱仪进行稳定硫同位素 的检测；

S3对上述硫同位素比率特征分析得到不同国家的特征元素；

S4测试未知样品稳定硫同位素，根据S3的分析数据判断未知样品的产地属性。

通过以上技术方案，地球上硫元素可分为陆地来源和海洋来源，不同来源的S同位素 理论上具有显著的差异。S元素通过生物地球化学循环累积到动植物体内，牛吃牧草或者饲 料后积累硫元素传递到牛乳中。因此，不同产地奶粉中S稳定同位素比值可能存在差异，本 发明通过测试奶粉样品发现，不同国家之间均具有显著的差异，可用于奶粉的产地溯源；有 利于检验奶粉的质量，打击假冒伪劣产品。

较佳的：S2中还将样品进行了稳定碳、氮同位素的检测并分析。

通过以上技术方案，研究表明，不同国家和中国不同省份奶粉样品的δ¹³C存在显著性 差异，受喂养方式的影响，我国同一地区的样品的δ¹³C值也存在显著性差异，并且，可能受 生产工艺和外源添加影响，δ¹³C值随加工层次增加而增大。地理位置、制作工艺和喂养方式 等因素会导致奶粉δ13C值变化，据此，可判别奶粉产地。

较佳的：S2中还将样品进行了稳定氢、氧同位素的检测并分析。

通过以上技术方案，对四种同位素都进行分析，判别准确率更高。

较佳的：S2中还将样品进行了微量元素分析。

通过以上技术方案，进一步提高了判别准确率。

较佳的：微量元素包括Mn、Ni、Cu、Rb、Sr、Ba、As、Li、V、Co、Y、Cs、La、 Ce、Nd。

通过以上技术方案，为了提高奶粉的品质，一般会在奶粉中加入一些含Fe、含Zn、含Ca等的添加剂，因此这些元素的测定不但不会提高产地判别准确率，可能还会降低产地判 别准确率，通过实验发现使用以上微量元素进行分析产地判别准确率更高。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

其一、替换传统的直型干燥管，使得样品气从高温的还原管出来后立即干燥，降低了还原管 与传统直型干燥管接口处水汽冷凝对样品气中的SO2的影响，使分析更加稳定。一般要求S 测定的稳定性好于千分之0.5，采用本方法后稳定性可达到千分之0.3。

其二、测试方法简单，测试准确率高，有利于推广使用。

其三、不同产地奶粉中S稳定同位素比值可能存在差异，本发明通过测试奶粉样品发 现，不同国家之间均具有显著的差异，可用于奶粉的产地溯源；有利于检验奶粉的质量，打 击假冒伪劣产品。

附图说明

图1是实施例1中硫化合物前期处理流程图；

图2是实施例3中不同国家硫同位素比值汇总图。

附图标记：1、进样口；2、氧化管；3、还原管；4、干燥管；41、横向干燥管；42、 纵向干燥管；5、吸附柱；6、稳定同位素质谱仪；7、石英棉。

具体实施方式

下面结合附图1-2、表格和实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1

一种同位素比率质谱仪，如图1所示，包括进样口1，与进样口1连通的氧化管2、与氧化管 2连通的还原管3，还原管3顶端连通有干燥管4，干燥管4内完全填充有干燥剂(图中未画出)。干燥管4包括与还原管3顶端连接的横向干燥管41，横向干燥管41连通有纵向干燥 管42。在其它实施例中，横向干燥管41和纵向干燥管42还可以是蛇形或者球形。使得样品 气从高温的还原管3出来后立即干燥，避免了水的干扰，获得了稳定的硫同位素比值。一般 要求S测定的稳定性好于千分之0.5，采用本发明中的质谱仪测定后稳定性可达到千分之0.3。

还原管3和干燥管4连通处设有用于阻挡干燥剂的过滤网。过滤网优选为石英棉7。氧化管2和还原管3温度都比较高，石英棉7在高温下强度保持率高、化学稳定性、尺寸稳定，还具有一定的柔软性，过滤网限制干燥剂落入还原管3内，不会影响还原反应，而且也便于更换干燥剂，二氧化硫气体干燥后经过吸附柱5进一步净化进入稳定同位素质谱仪6检测。

实施例2

一种测试硫同位素方法，步骤为：称取适量样品用锡杯包裹后进入实施例1中的同位素比率 质谱仪，样品先经过氦气承载进入氧化管2进行氧化反应，再经过还原管3发生还原反应， 生成的二氧化硫气体直接到达干燥管4干燥后经过吸附柱5进一步净化进入稳定同位素质谱 仪6检测。本发明分析了10个国际标准品USGS43，标准差(SD)达到0.25‰，同时取同一 份奶粉样品，做10次平行测定，其SD达到0.22‰(具体数据见下表1)。一般而言S稳定 同位素比值分析过程中稳定性的要求为优于0.5‰，改进后稳定性优于0.3‰，大大提高了S同位素在产地溯源中的应用效果。

表1中的数据根据以下公式进行计算获得：

表1 10个国际标准品USGS43和同一份奶粉样品10次平行测定的δ3⁴S值。

实施例3

奶粉溯源的方法，包括以下步骤：

S1获取多个国家进口奶粉样品；

S2将多个样品分别采用实施例1中同位素比率质谱仪进行稳定硫同位素的检测；

S3对上述硫同位素比率特征分析得到不同国家的特征元素；

S4测试未知样品稳定硫同位素，根据S3的分析数据判断未知样品的产地属性。

优选的S2中还将样品进行了稳定碳、氮同位素的检测并分析；优选的S2中还将样品 进行了稳定氢、氧同位素的检测并分析。S2中还将样品进行了微量元素分析。微量元素包括 Mn、Ni、Cu、Rb、Sr、Ba、As、Li、V、Co、Y、Cs、La、Ce、Nd。

1材料与方法

1.1材料

依托深圳检验检疫局食检中心技术平台以及可靠进出口商，获取新加坡、英国、荷兰、德国、 瑞士、新西兰、韩国、爱尔兰、中国、澳洲每个国家10个奶粉样品，最终收集样品100份。

1.2仪器及标准物质准备

元素分析仪稳定同位素质谱仪(EA-IRMS,DELTA V advantage Thermo Fisher,USA)；标准物质： IAEA-600咖啡因(δ¹³C：-27.771‰±0.043‰；δ¹⁵N：1.0‰±0.2‰)；X series 2电感耦合等离子 体质谱仪(美国Thermo fisher公司)；MarsX微波消解仪(美国培安科技公司)。

浓硝酸(优级纯)，浓硫酸(优级纯)，浓盐酸(优级纯)；双氧水(MOS级)；各元素标准溶 液均为国家标准物质溶液，浓度为500mg/L或1000mg/L；内标溶液：采用Li、Sc、Ge、In、Bi 5种元素做内标，各元素单标溶液均为国家标准物质溶液,浓度为1000mg/L。使用时用2％ 硝酸配制成混合内标溶液，浓度为100μg/L；实验用水为去离子水。

1.3检测方法

取少许标准物质，用锡箔杯包好后通过字数采样器送入元素分析仪，此样品中的碳元素、氮 元素、硫元素转化为纯净的CO₂、N₂、SO₂气体，氢元素转化为H₂，氧元素转化为CO₂，硫元素转化为SO₂之后气体进入同位素质谱仪进行检测，标定CO₂、N₂、H₂钢瓶内气体值，用 表定好的起源气体作为检测用标准。秤取与标准物质相近质量的样品，同以上步骤，计算得到结果，经过计算机运算后，直接得到数值。

1.4仪器条件

稳定碳、氮、硫同位素的检测：采用元素分析-同位素比率质谱法测定¹³C、¹⁵N的丰度。称取适量样品，包入锡箔杯后置于自动进样器送至元素分析仪，样品中的碳元素和氮元素在960℃ 下燃烧生成CO₂和NO_X，然后NO_X在铜导线上还原生成N₂，硫化合物高温通氧条件下全部 氧化成SO2，然后经稀释仪稀释后进入质谱仪进行检测。具体参数如下：

EA条件：氧化炉960℃，柱温60℃，O₂流速75mL/min，充氧时间3s，载气流速200mL/min。

质谱条件：离子源电压2.97kV，真空度1.4×106Pa；轰击电压120.8eV。

稳定氢、氧同位素的检测：适量样品用锡杯包裹，通过自动进样器进入元素分析仪， 元素分析仪的裂解管温度为1380℃，样品中的H和O元素被裂解炉中的玻璃碳转化为H₂和 CO，H₂和CO通过气相色谱柱进行分离，柱温为80℃，H₂和CO分别经由ConFloIV装置进 入同位素质谱仪，同时测定H、O同位素值。载气氦气的流速为100mL/min。氢氧同位素的 相对标准为V-SMOW，测定时选择的标准物质为USGS54、USGS55和USGS56。

元素分析-稳定同位素质谱判别奶粉产地的方法，包括以下步骤：

S1获取多个国家进口奶粉样品；将奶粉样品分别用高氯酸氧化，再用硝酸和硫酸消解后待用；

S2将待用的样品分别送入元素分析仪进行元素分析；

S3将样品分别分别采用实施例1中同位素比率质谱仪进行稳定碳、氮、硫同位素的检测，稳 定氢、氧同位素的检测，并进行分析；

S3对上述硫同位素比率特征分析得到不同国家的特征元素；

S4测试未知样品稳定硫同位素，根据S3的分析数据判断未知样品的产地属性。

S4对多个样品进行微量元素分析；微量元素包括Mn、Ni、Cu、Rb、Sr、Ba、As、 Li、V、Co、Y、Cs、La、Ce、Nd。

2结果与讨论

2.1不同产地奶粉中稳定同位素比率特征分析

稳定同位素作为农产品产地溯源的特征指纹信息，主要是基于稳定同位素的自然分馏效应， 不同同位素组成主要受环境、地形、气候、土壤、生物代谢型等影响而发生不同程度的分馏 作用，可反映不同的地域和膳食信息，提供相应的指纹信息。

稳定性碳、氮、氢、氧同位素比率分别用δ¹³C、δ¹⁵N、δ³⁴S、δD、δ¹⁸O表示。计算公 式为：

其中R为重同位素与轻同位素丰度比，即¹³C/¹²C，¹⁵N/¹⁴N，³⁴S/³²S，D/H，¹⁸O/¹⁶O。

通以上公式计算及方差分析得到表2：

表2不同产地奶粉中δ¹³C、δ¹⁵N、δ³⁴S平均值的地域性差异。

将上表中不同国家S同位素比值作图得到图2，从图2中可以很直观的看出，除了瑞士、新西兰、中国的δ³⁴S值比较接近，区分度有点低，其他7个国家的δ³⁴S值都具有显著差异，可用于奶粉的产地溯源；对10个国家S稳定同位素比值进行单因素方差分析表明，不同国家之间均具有显著的差异p<0.05，可用于奶粉的产地溯源。

δ¹³C的变化幅度(-26.23-24.34)较小，各组之间差异不够显著；δ¹⁵N的变化幅度为5.24-6.83，除变化幅度较小外，各组之间也不存在显著性差异。综上，δ¹³C和δ¹⁵N方差分析不能精确区分各个国家的奶粉样品，但是δ³⁴S可区分7个国家的奶粉样品，而且测试数据很稳定，重现性很好。

本发明还对韩国、新加坡、爱尔兰、瑞士、德国、法国、荷兰进口奶粉样品进行了稳定氢、氧同位素的检测，测试结果见表3。

表3不同产地奶粉中δD、δ18O值的地域性差异

同位素	δD(‰)	δ<sup>18</sup>O(‰)
			韩国	-96.71±8.33a	19.06±2.01a
新加坡	-78.06±20.87b	21.23±3.1b
			爱尔兰	-94.18±9.04ac	19.77±2.24abc
荷兰	-56.5±22.28d	21.75±2.5bd
			德国	-77.79±9.41b	21.87±1.92b
瑞士	-86.87±7.06bc	19.68±3.22ab
			p	p<0.05	p<0.05

由表3可知，不同产地样品的δD变化幅度较大，各组之间存在显著性差异，但是组内差异 也较大，可能是每个国家不同地区的差别也比较大导致的。其中荷兰与其他国家均存在显著 性差异，其δD值为-56.5±22.28d，显著大于其他国家；δ¹⁸O变化幅度(19.06-21.87)较小，但 是组内方差较小，因此各组之间也有有一定的差异性；因此5中稳定同位素中硫同位素对奶 粉产品的判别率最为准确，因此硫同位素的准确测量具有非常大的意义。

2.2不同产地奶粉中微量元素比率特征分析

奶粉的元素含量取决于奶牛饮食的元素含量，奶牛饮食的元素含量与奶牛生活的环境(土壤、 水、空气等)、人类生产活动(如饲料来源，放牧方式、污染等)密切相关。本发明对奶粉 中样品中多种微量元素含量进行一次性含量测定，ICP检出的元素主要有的Mn、Ni、Cu、Rb、Sr、Ba、As、Rh、Pb、Li、V、Co、Y、Cs、La、Ce、Nd共17种微量元素，分析结果 见表4，由表4可知，不同元素含量在不同国家之间均不同，多重比较的结果显示，除Rh、 Pb元素外，其他元素在各国之间均有显著性差异(p<0.05)，但是多数元素的组内差异也比较 大，说明元素在小范围地区变化比较大，因此只是通过多种微量元素的分析也很难准确的判 断奶粉的产地。

表4不同国家奶粉中微量元素含量(μg/kg)

3讨论

奶粉由牛奶加工而成，奶粉的稳定同位素和矿质元素组成取决于奶牛品种、产奶期和奶牛的 饮食结构。同地域奶牛生活的环境各不相同，生产奶粉的稳定同位素值和微量元素含量也具 有地方特征。本发明中不同产地国奶粉的碳、氮、氢、氧和硫稳定同位素比值和多种矿质元 素含量中，δD、δ³⁴S存在显著性差异。奶粉的δ¹³C主要来自奶牛进食的饲料和牧草，饲料和 牧草的来源是碳值低的C3植物还是碳值高的C4植物或者两者混合的比例对奶粉δ¹³C值都有 较大影响。奶牛进食不同比例的C3或C4植物会影响牛乳和尿液的δ¹³C值，进食牧草组的奶 牛，牛奶和尿液的δ¹³C值小于进食玉米组。牧草组乳和尿δ¹³C值大于牧草δ¹³C值；玉米组 乳δ¹³C值却小于食用饲料的δ¹³C值，尿δ¹³C值与食用饲料的δ¹³C值在同一范围内，但是从 测试数据来看还是很难单独区分奶粉产地。动物源农产品中的δ¹⁵N主要受饲料来源的牧草施 肥的影响，本发明中奶粉的δ¹⁵N值差异不显著，需要结合当地的土壤分析来判定δ¹⁵N是否 可作为奶粉产地溯源的指标，但是采集土壤分析相对比较困难，而且又会加大很多工作量。 本发明新加坡和韩国样品的δD比较中，新加坡作为热带的国家，δD值比韩国明显偏高。δ³⁴S 可以区分7个国家的奶粉产地，而且测试方法简单，计算简单，便于推广。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普 通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同位素比率质谱仪，其特征是，包括进样口(1)，与进样口(1)连通的氧化管(2)、与氧化管(2)连通的还原管(3)，还原管(3)顶端连通有有干燥管(4)，干燥管(4)内完全填充有干燥剂。

2.根据权利要求1所述的一种同位素比率质谱仪，其特征是，干燥管(4)包括与还原管(3)顶端连接的横向干燥管(41)，横向干燥管(41)连通有纵向干燥管(42)。

3.根据权利要求1所述的一种同位素比率质谱仪，其特征是，还原管(3)和干燥管(4)连通处设有用于阻挡干燥剂的过滤网。

4.根据权利要求3所述的一种同位素比率质谱仪，其特征是，所述过滤网设置为石英棉(7)。

5.一种测试硫同位素方法，其特征是，步骤为：称取适量样品用锡杯包裹后进入权利要求1-4中任意一项所述的同位素比率质谱仪，样品先经过氧化管(2)进行氧化反应，再经过还原管(3)发生还原反应，生成的二氧化硫气体直接到达干燥管(4)干燥后进行测量分析。

6.一种奶粉溯源的方法，其特征是，包括以下步骤：

S1 获取多个国家进口奶粉样品；

S2 将多个样品分别采用权利要求1-4中任意一项所述的同位素比率质谱仪进行稳定硫同位素的检测；

S3 对上述硫同位素比率特征分析得到不同国家的特征元素；

S4 测试未知样品稳定硫同位素，根据S3的分析数据判断未知样品的产地属性。

7.根据权利要求6所述的一种奶粉溯源的方法，其特征是，S2中还将样品进行了稳定碳、氮同位素的检测并分析。

8.根据权利要求6所述的一种奶粉溯源的方法，其特征是，S2中还将样品进行了稳定氢、氧同位素的检测并分析。

9.根据权利要求6所述的奶粉溯源的方法，其特征是，S2中还将样品进行了微量元素分析。

10.根据权利要求4所述的奶粉溯源的方法，其特征是，微量元素包括Mn、Ni、Cu、Rb、Sr、Ba、As、Li、V、Co、Y、Cs、La、Ce、Nd。