應(yīng)用ICP-MS/MS快速測定紅酒中的多種微量元素

張 萍，劉宏偉

（湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

紅酒是采用新鮮葡萄為原料釀制的低度飲料，富含多糖、有機酸、多酚、無機鹽、微量元素、含氮物質(zhì)及多種氨基酸和維生素[1]，具有香醇可口、抑瘤抗癌、延緩衰老、軟化血管的功效[2]。近年來，隨著人們生活水平的提高，紅酒越來越受到消費者的喜愛，在酒席宴會上也逐漸成為必備飲品[3]。紅酒中的微量元素主要來源于釀酒原料，在紅酒生產(chǎn)加工和貯藏運輸過程中都可能有微量元素帶入。鑒于紅酒中的微量元素是決定紅酒質(zhì)量的重要參數(shù)指標[4]，建立紅酒中微量元素準確測定的方法無疑對促進紅酒的貿(mào)易發(fā)展和提高紅酒的釀造工藝均有著積極的推動作用，世界各國均致力于建立紅酒標準和用于測量紅酒中化學(xué)成分的分析方法的研究[5]。

作為西方文明的標志，紅酒的悠久歷史可追溯至公元前七千年，經(jīng)過長期發(fā)展，紅酒相關(guān)的質(zhì)量控制參數(shù)和分析檢測手段也逐漸完善，包括紅酒摻假、紅酒釀造中微量元素的濃度變化以及毒理或生理效應(yīng)的研究，已有大量的文獻報道[6-10]。但紅酒中乙醇和溶解性固體的存在干擾其中微量元素的準確分析，同時，由于一些影響紅酒口味的元素以及毒理性元素的含量極低，對分析方法的檢出限提出了更高的要求。目前，用于紅酒中微量元素的分析方法主要有原子吸收光譜法[11-13]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[14-16]和電感耦合等離子體質(zhì)譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）法[17-22]，其中ICP-MS法具有最高靈敏度和最低檢出限，尤其是冷等離子體技術(shù)、雙聚焦扇形磁場技術(shù)和碰撞/反應(yīng)池（collision reaction cell，CRC）技術(shù)的使用大幅提高了ICP-MS的分析性能[23-25]。

圖1 ICP-MS/MS的工作機理Fig.1 Working mechanism of ICP-MS/MS

實驗所選用的電感耦合等離子體-串聯(lián)質(zhì)譜（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）是在ICP和CRC之間增設(shè)一個四極桿過濾器（Q1），與位于CRC后端的四極桿過濾器（Q2）構(gòu)成了雙四極桿過濾器，如圖1所示。ICP-MS/MS的數(shù)據(jù)采集方式分單四極桿（single quadrupole，SQ）和雙四極桿（MS/MS）2 種模式。采用SQ模式時，位于CRC前端的Q1無過濾功能，位于CRC后端的Q2具有過濾功能，因此，Q1不能對來自ICP的離子進行過濾，僅具有離子通道功能，SQ模式下的數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)配有CRC的ICP-MS無異，通過He碰撞模式可以成功消除大部分質(zhì)譜干擾，但由于碰撞過程中的能量損失，在消除干擾離子的同時也會降低待測離子的傳輸效率，并且對于某些特殊的質(zhì)譜干擾無能為力（如雙電荷離子干擾），此時，采用反應(yīng)模式消除干擾效果更好，但基于SQ模式的反應(yīng)模式存在局限，這是由于所有來自ICP的原子離子均進入了CRC中，反應(yīng)路徑變得無法預(yù)測，副反應(yīng)發(fā)生形成新的產(chǎn)物離子有可能產(chǎn)生新的干擾。在MS/MS模式下，Q1和Q2均處于開啟狀態(tài)，來自ICP的離子在進入CRC前通過Q1進行一次過濾，阻止了大量干擾離子進入CRC，離子運行通道更通暢，極大提高了離子傳輸效率，保證了CRC內(nèi)的反應(yīng)歷程和反應(yīng)產(chǎn)物處于可控狀態(tài)，反應(yīng)效率得到顯著提高，產(chǎn)物離子通過Q2的再次過濾消除干擾，從而實現(xiàn)待測元素的精準測定。與傳統(tǒng)的ICP-MS相比較，質(zhì)譜干擾經(jīng)過雙重過濾后消除得更加徹底，分析元素的靈敏度更高[26-29]。本實驗采用ICP-MS/MS法直接分析紅酒中12 種微量元素，探討紅酒中多元素的快速測定的分析方法，為研究紅酒的品質(zhì)與微量元素的關(guān)聯(lián)性提供科學(xué)的理論及技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2013年產(chǎn)長城干紅葡萄酒、2014年產(chǎn)長城玫瑰紅甜型葡萄酒、2014年產(chǎn)威龍赤霞珠干紅葡萄酒、2014年產(chǎn)張裕精品干紅葡萄酒（編號樣品1～4） 市購。

1 000 μg/mL單元素（Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb）儲備溶液、無水乙醇 國藥集團化學(xué)試劑有限公司；10 mg/L內(nèi)標溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi） 美國安捷倫公司；質(zhì)量分數(shù)65%硝酸溶液、質(zhì)量分數(shù)35% H2O2溶液 德國默克公司。

1.2 儀器與設(shè)備

8800型ICP-MS/MS儀 美國安捷倫公司；MARS-5型微波消解系統(tǒng) 美國CEM公司；Milli-Q超純水機美國密利博公司。

1.3 方法

1.3.1 ICP-MS/MS測定條件

為降低紅酒中揮發(fā)性有機組分的影響，分析中采用內(nèi)徑為1.0 mm窄口徑進樣炬管和鉑錐?；贑eO+/Ce+小于1%優(yōu)化ICP-MS/MS的操作條件為：等離子模式，低基質(zhì)；射頻功率1 550 W；等離子氣流速15.0 L/min；載氣流速0.8 L/min；補償氣流速0.3 L/min；蠕動泵轉(zhuǎn)速0.1 r/s；采樣深度8.0 mm；數(shù)據(jù)采集模式為SQ模式和MS/MS模式；碰撞/反應(yīng)氣體為He（SQ模式）、H2（SQ模式）、O2（MS/MS模式）、NH3/He（MS/MS模式）；八極桿偏置電壓為－18 V（He、O2、NH3/He）、－10 V（H2）；動能歧視偏置電壓為5 V（He）、0 V（H2）、－10 V（O2、NH3/He）；氣體流速為5.2 mL/min（He）、4.0 mL/min（H2）、0.3 mL/min（O2）、6.5 mL/min（NH3/He）。

1.3.2 樣品處理與測定

準確移取經(jīng)0.45 μm的纖維濾膜過濾的紅酒樣品25 mL，置于250 mL高密度聚乙烯容量瓶中，加入5 mL硝酸酸化后用超純水定容，搖勻制得樣品溶液。采用微波消解處理樣品，消解程序：功率1 600 W，在8 min內(nèi)升室溫到150 ℃，在此溫度條件下保持5 min后在3 min內(nèi)升溫到180 ℃，保持10 min至消解結(jié)束。將2 種處理方法的樣品溶液分別采用ICP-MS/MS重復(fù)測定10 次，并應(yīng)用t檢驗法對測定結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)分析。

為消除樣品溶液與空白溶液和標準溶液之間存在的黏度差異，考慮到紅酒樣品中的乙醇體積分數(shù)在8%～14%之間，結(jié)合稀釋倍數(shù)，在所有空白溶液和標準溶液中均加入1%乙醇和2%硝酸以保持匹配。在質(zhì)譜分析過程中，采用T型在線內(nèi)標混合接頭將1.0 mg/L的內(nèi)標溶液加入到所有上機測試溶液中（由于T型接頭存在稀釋因子，實際進入霧化器的量約為50 μg/L）。分別采用He和H2為池氣體進行測試，用來模擬常規(guī)ICP-MS的質(zhì)譜干擾消除能力；在MS/MS模式下，分別采用O2和NH3/He為反應(yīng)氣體進行測試。利用安捷倫MassHunter工作站軟件，根據(jù)待測元素與內(nèi)標元素的信號比對應(yīng)的標準溶液質(zhì)量濃度繪制校準曲線，從而得到樣品溶液中待測元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集方式的選擇

為評價同時分析多元素的最佳數(shù)據(jù)采集方式，選擇各元素的高豐度同位素，在SQ模式下，分別采用He和H2為池氣體進行測試，用來模擬常規(guī)帶四極桿ICP-MS的質(zhì)譜干擾消除能力；在MS/MS模式下，分別采用O2和NH3/He為池反應(yīng)氣體進行測試。在4 種分析模式下各待測元素背景等效濃度（background equivalent concentration，BEC）的變化情況見表1。

表1 不同操作模式下待測元素的BECTable1 Background equivalent concentration (BEC) of analytes in different operating modes

通過表1可以看出，在MS/MS模式下多數(shù)元素的BEC均小于SQ模式。對于元素Cr、Mn、As、Se、Sn、Pb，在MS/MS模式下，采用O2為池氣體時，其反應(yīng)歷程為待測元素在CRC內(nèi)與O2發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)，分別生成CrO+、MnO+、AsO+、SeO+、SnO+、PbO+，設(shè)置Q2=Q1+16，使生成的氧化物離子能順利通過Q2，利用O2質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾，與另外3 種分析模式相比較，6 個氧化物離子的BEC處于最小值，消除干擾最徹底；對于元素Fe、Ni、Cu、Zn，在MS/MS模式下，采用NH3/He為池氣體時，其反應(yīng)歷程為待測元素在CRC內(nèi)與NH3發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)，分別生成團簇離子、、，設(shè)置Q2=Q1+34，利用NH3質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾，4 個團簇離子的BEC處于最小值；對于元素Cd和Hg的測定，其主要干擾離子為MoO+和WO+，基于這2 種干擾離子極易與O2反應(yīng)生成二次氧化物離子和（放熱反應(yīng)），而Cd+和Hg+不能與O2自發(fā)反應(yīng)（吸熱反應(yīng)），在MS/MS模式下，設(shè)置Q2=Q1，利用O2原位質(zhì)量法消除干擾，BEC處于最小值。本實驗最終確定了各元素的最佳數(shù)據(jù)采集方式，在MS/MS模式下，元素Cr、Mn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的測定選擇O2為池氣體，元素Fe、Ni、Cu、Zn為的測定選擇NH3/He為池氣體。

2.2 基體效應(yīng)

為克服實驗中存在的基體效應(yīng)，首先在標準溶液和空白溶液中加入乙醇和硝酸溶液，與樣品溶液中乙醇和硝酸的濃度相匹配，然后在線加入1 mg/L的內(nèi)標混合標準溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi），各元素內(nèi)標元素的分配見表2。

表2 各元素的產(chǎn)物離子及內(nèi)標元素的分配Table2 Product ions and the internal standard elements for the distribution of analytes

為考察基體效應(yīng)的校正效果，對一個加標的紅酒樣品在3 h內(nèi)重復(fù)測定18 次（元素Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的加標質(zhì)量濃度分別為60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5 μg/L），分別考察對基體效應(yīng)未校正（標準溶液中不加基體匹配溶液和內(nèi)標溶液）和校正（標準溶液中分別加入1%乙醇、2%硝酸、1%乙醇+2%硝酸、內(nèi)標、1%乙醇+2%硝酸+內(nèi)標）狀態(tài)下各元素的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD），結(jié)果見圖2。未進行基體校正時各元素的RSD均大于10%，加入基體匹配溶液時各元素的RSD在10%左右，加入內(nèi)標溶液后各元素的RSD在5%左右，而同時加入基體匹配溶液和內(nèi)標溶液時各元素的RSD均小于5%，表明樣品溶液在3 h內(nèi)所測元素的信號強度沒有出現(xiàn)漂移，基體效應(yīng)得到校正。

圖2 基體效應(yīng)的校正效果Fig.2 Correction of matrix effect

2.3 樣品處理結(jié)果

表3 樣品不同處理方法的分析結(jié)果Table3 Effect of different sample pretreatment methods on the analysis

為驗證樣品處理方法的可行性，取同一紅酒分成2 份，分別進行過濾酸化和微波消解處理。如表3所示，2 種處理方法的分析結(jié)果無顯著性差異（P＞0.05），表明本實驗中所測定的12 種元素在紅酒的溶解性固體中含量極低，紅酒過濾處理對分析結(jié)果的影響可忽略不計。

2.4 線性范圍與檢出限測定結(jié)果

配制12 種元素不同質(zhì)量濃度的系列標準溶液，上機測定通過儀器自帶的軟件獲得各元素校準曲線和線性相關(guān)系數(shù)。取空白溶液重復(fù)測定10 次，其產(chǎn)生的信號測定值的3 倍標準偏差（3σ）所對應(yīng)的分析物的質(zhì)量濃度為儀器的檢出限（limit of detection，LOD），其產(chǎn)生的信號測定值的10 倍標準偏差（10σ）的所對應(yīng)的質(zhì)量濃度為儀器的定量限（limit of quantitation，LOQ）[30]。從表4可以看出，各元素的線性相關(guān)系數(shù)不小于0.999 7，LOD在1.4～51.8 ng/L之間，LOQ在4.7～172.7 ng/L之間，完全滿足測定要求。

表4 各元素的線性相關(guān)系數(shù)、LOD和LOQTable4 Linear correlation coefficients, limit of detections (LODs) and limits of quantitation (LOQs) of the analytes

2.5 方法準確性驗證結(jié)果

為驗證方法的準確性，進行加標回收實驗。選取一種紅酒樣品，分別加入不同質(zhì)量濃度的待測元素標準溶液，按實驗方法重復(fù)測定10 次，結(jié)果見表5。各元素的加標回收率為94.0%～104.7%，RSD不大于4.0%，驗證了方法具有良好的準確性。

表5 樣品的加標回收率實驗Table5 Recoveries of spiked samples

2.6 樣品分析

表6 樣品分析結(jié)果Table6 Analytical results of real samples μg/L

分別測定購于大型超市的4 個紅酒樣品，每個樣品重復(fù)測定10 次，結(jié)果見表6。不同紅酒中微量元素的含量存在較大差異，紅酒中重金屬元素主要來源于葡萄原料的生產(chǎn)環(huán)境和紅酒生產(chǎn)過程中的污染，依據(jù)國際葡萄與葡萄酒組織制定的系列標準（Cu＜1 mg/L、Zn＜5 mg/L、As＜200 μg/L、Cd＜10 μg/L、Pb＜150 μg/L），所測4 個紅酒樣品中Cu、Zn、As、Cd、Pb的含量均符合國際葡萄與葡萄酒組織的質(zhì)量標準。

3 結(jié) 論

采用ICP-MS/MS測定紅酒中12 種微量元素，為防止紅酒樣品中的溶解性固體堵塞質(zhì)譜儀的霧化器或噴射管，所有紅酒均采用0.45 μm的纖維濾膜過濾，并經(jīng)硝酸酸化處理后直接分析。針對復(fù)雜基質(zhì)形成的質(zhì)譜干擾，在MS/MS模式下，分別選擇O2和NH3/He為反應(yīng)氣，利用CRC技術(shù)消除了所有質(zhì)譜干擾，各元素的LOD在1.4～51.8 ng/L之間。采用加標回收實驗驗證了方法具有良好的準確性和精密度。方法不僅能為紅酒中微量元素的測定提供準確的分析方法，還通過簡化樣品處理過程提高了工作效率，為紅酒中微量元素的高通量檢測提供了技術(shù)支持。