應(yīng)用ICP-MS/MS準(zhǔn)確測(cè)定紫蘇籽油中的重金屬元素

江 波 黃建華

(長(zhǎng)江師范學(xué)院武陵山區(qū)特色植物資源保護(hù)與利用重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，涪陵 408100)(長(zhǎng)江師范學(xué)院武陵山片區(qū)綠色發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心2，涪陵 408100)(湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所3，長(zhǎng)沙 410013)

紫蘇籽油是從紫蘇籽中經(jīng)壓榨、溶劑浸提、水酶法、超臨界法提取得到的天然油脂[1]，富含亞麻酸、油酸等多不飽和脂肪酸和單不飽和脂肪酸[2]，具有調(diào)血脂、抗血栓、降固醇、強(qiáng)化記憶等功效，是具有保健作用的高品質(zhì)食用油[3]。近年來(lái)，隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢棄物的大量排放導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的承載能力變?nèi)?，部分重金屬元素通過(guò)土壤和水分被紫蘇所吸收，構(gòu)成了紫蘇籽油中重金屬元素的重要來(lái)源，同時(shí)，在紫蘇籽油的加工、生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中可能受到重金屬污染。因此，對(duì)紫蘇籽油中重金屬元素的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，建立快速準(zhǔn)確的分析方法對(duì)于了解紫蘇籽油中重金屬元素的危害程度具有重要意義。

目前，有關(guān)植物油中重金屬元素的測(cè)定已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道，由于紫蘇油中重金屬元素Cr、As、Cd、Hg、Pb的含量極低，而來(lái)自紫蘇油的有機(jī)基質(zhì)元素C、H、O、N、S構(gòu)成了嚴(yán)重的質(zhì)譜干擾，在眾多分析方法中，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法具有極低的檢出限，仍然是植物油中重金屬元素測(cè)定的主要分析方法[4-6]。針對(duì)ICP-MS所面臨的質(zhì)譜干擾，減少或消除干擾的通用手段是碰撞/反應(yīng)池(CRC)技術(shù)[7-9]，但準(zhǔn)確測(cè)定復(fù)雜并具有挑戰(zhàn)性紫蘇油樣品中的痕量元素仍然面臨著諸多難題。在碰撞模式下，通過(guò)碰撞解離或動(dòng)能歧視(KED)來(lái)識(shí)別分析離子與干擾離子，對(duì)于痕量元素的分析，由于經(jīng)歷多次碰撞，分析離子的能量損失大，導(dǎo)致這些元素的靈敏度降低；在反應(yīng)模式下，通過(guò)質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)來(lái)消除干擾非常適合痕量元素的分析，但由于反應(yīng)過(guò)程的選擇性差，樣品中副反應(yīng)的發(fā)生可能形成新的不可預(yù)知干擾，因此，準(zhǔn)確控制CRC中各反應(yīng)的歷程是提高反應(yīng)模式分析性能最有效的途徑。電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)法是對(duì)來(lái)自等離子體(ICP)的所有離子在進(jìn)入CRC之前進(jìn)行識(shí)別，在ICP和CRC之間增設(shè)第一級(jí)四極桿質(zhì)量過(guò)濾器(Q1)，Q1作為離子過(guò)濾器僅允許指定的目標(biāo)質(zhì)荷比(m/z)離子進(jìn)入CRC，而來(lái)自樣品基質(zhì)以及ICP所形成的大部分干擾離子被阻止在CRC外，分析離子以及與分析離子具有相同m/z的干擾離子進(jìn)入CRC與反應(yīng)氣進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)后，通過(guò)位于CRC后端的第二級(jí)四極桿質(zhì)量過(guò)濾器(Q2)再次過(guò)濾消除干擾，較之傳統(tǒng)的單四極桿ICP-MS(ICP-QMS，僅在CRC后端配置有一個(gè)四極桿質(zhì)量過(guò)濾器)，在啟用串聯(lián)四極桿質(zhì)量過(guò)濾器(MS/MS)模式下，顯著提高了ICP-MS/MS的消除干擾能力和分析靈敏度[10-13]，適合紫蘇油中痕量重金屬元素的測(cè)定。本研究應(yīng)用ICP-MS/MS測(cè)定紫蘇籽油中的重金屬元素Cr、As、Cd、Hg、Pb，在MS/MS模式(開(kāi)啟Q1和Q2的過(guò)濾功能)下，采用O2為反應(yīng)氣消除Cr和As測(cè)定過(guò)程中存在的干擾，采用無(wú)氣方式使離子運(yùn)行的質(zhì)譜通道更加暢通，提高Cd、Hg、Pb的傳輸效率，以期實(shí)現(xiàn)紫蘇籽油中的重金屬元素Cr、As、Cd、Hg、Pb的快速準(zhǔn)確分析，為正確評(píng)價(jià)紫蘇籽油中重金屬元素對(duì)人體構(gòu)成的潛在危害提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器和設(shè)備

8800型ICP-MS/MS儀：美國(guó)安捷倫公司，配備2.5 mm石英炬管、同心玻璃霧化器和Scott雙通道霧化室，采用儀器調(diào)諧液優(yōu)化ICP-MS/MS的參數(shù)為：射頻功率，1 550 W；取樣深度，7 mm；輔助氣流速，1.8 L/min；補(bǔ)償氣流速，0.15 L/min；載氣流速，1.05 L/min；操作模式，MS/MS；反應(yīng)氣，O2；反應(yīng)氣流速，0.4 m L/min；八極桿偏置電壓，-20 V；動(dòng)能歧視電壓，-20 V。MARs 5微波消解系統(tǒng)：美國(guó)CEM公司；Milli-Q超純水制備系統(tǒng)：美國(guó)Millipore公司。

1.2 材料與試劑

1 000 μg/L的Cr、As、Cd、Hg、Pb、Au單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心；1 μg/L的Li、Y、Ce、Tl調(diào)諧溶液、10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi內(nèi)標(biāo)溶液(p/n 5183-4681)：美國(guó)安捷倫公司；HNO3、H2O2為優(yōu)級(jí)純：北京化學(xué)試劑研究所；高純O2：長(zhǎng)沙方罡氣體有限公司。紫蘇籽油樣品：市售。

1.3 樣品處理

稱(chēng)取約0.5 g(精確到0.000 1 g)紫蘇籽油于反應(yīng)罐中，加入2 mL HNO3和1 mLH2O2于180 ℃敞開(kāi)罐蓋預(yù)消解20 min，加5 mL超純水后密封反應(yīng)罐后置于微波消解系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行消解。設(shè)定微波消解功率1 600 W，微波消解分三步進(jìn)行：(1)5 min內(nèi)升溫至120℃；(2)3 min內(nèi)升溫至150℃后保持5 min；(3)5 min內(nèi)升溫至190℃后保持15 min。消解完畢后自動(dòng)冷卻至室溫，用超純水轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中定容，得到樣品溶液。采用相同方法制得空白溶液。

1.4 分析過(guò)程

以4%(V/V)的HNO3溶液為介質(zhì)配制不同濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。所有上機(jī)測(cè)定溶液(標(biāo)準(zhǔn)溶液、空白溶液和樣品溶液)均使用在線(xiàn)內(nèi)標(biāo)混合T型接頭加入1.0 mg/L的內(nèi)標(biāo)溶液，并加入200 μg/L的Au標(biāo)準(zhǔn)溶液消除Hg的記憶效應(yīng)。在優(yōu)化的ICP-MS/MS參數(shù)下進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)待測(cè)元素與內(nèi)標(biāo)元素的信號(hào)比所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，利用ICP-MS/MS儀自帶的MassHunter工具軟件建立校準(zhǔn)曲線(xiàn)，從而計(jì)算待測(cè)元素在樣品溶液中的濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集方式的選擇

ICP-MS/MS的數(shù)據(jù)采集模式有SQ模式(關(guān)閉Q1的過(guò)濾功能，僅開(kāi)啟Q2的過(guò)濾功能)和MS/MS模式，每個(gè)模式下可以選擇無(wú)氣、He碰撞和反應(yīng)3種數(shù)據(jù)采集方式，共有6種數(shù)據(jù)采集方式，考察各元素背景等效濃度(BEC)的變化。基于在MS/MS模式下反應(yīng)條件能?chē)?yán)格控制的前提下，O2是最常用并能有效去除多原子干擾物的反應(yīng)氣[14]，本實(shí)驗(yàn)在MS/MS 模式下使用反應(yīng)方式時(shí)，選擇O2為反應(yīng)氣。

表1 不同分析模式下各元素的背景等效濃度(BEC)

從表1可以看出，元素Cr的高豐度同位素52Cr所面臨的主要質(zhì)譜干擾為40Ar12C、35Cl16OH、36Ar16O、38Ar14N，在SQ模式下，選擇無(wú)氣方式時(shí)由于干擾沒(méi)有消除，設(shè)置Q2的m/z為52，52Cr+與干擾離子都能通過(guò)Q2進(jìn)入質(zhì)量檢測(cè)器，不能實(shí)現(xiàn)52Cr的準(zhǔn)確測(cè)定，BEC處于最大值；選擇He碰撞方式能有效消除多原子離子干擾，雖然52Cr+的質(zhì)譜干擾均為多原子離子干擾，Cr的BEC顯著下降，但紫蘇籽油中Cr含量低，在He的碰撞下，但能量損失嚴(yán)重導(dǎo)致靈敏度下降，不適合紫蘇籽油中痕量Cr的測(cè)定；選擇反應(yīng)方式，以O(shè)2為反應(yīng)氣，52Cr+與O2發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)生成52Cr16O+，而干擾離子不與O2發(fā)生反應(yīng)，設(shè)置Q2的m/z為68，通過(guò)質(zhì)量轉(zhuǎn)移消除m/z為52的干擾離子，但由于Q1不具有過(guò)濾功能，來(lái)自ICP 的m/z為68的離子(28Si40Ar+、35Cl16O2H+、24Mg216O+)也能通過(guò)Q2進(jìn)入質(zhì)量檢測(cè)器，對(duì)52Cr16O+形成干擾，因此在SQ模式下采用O2反應(yīng)方式無(wú)法完全消除干擾，BEC高于He碰撞方式。在MS/MS模式下，設(shè)置Q1的m/z為52，將m/z≠52的離子排除在外，待測(cè)離子52Cr+與干擾離子40Ar12C+、35Cl16OH+、36Ar16O+、38Ar14N+能順利通過(guò)Q1進(jìn)入CRC，選擇無(wú)氣方式，設(shè)置Q2的m/z為52，由于干擾離子的m/z沒(méi)有改變，與52Cr+一并通過(guò)Q2，不能消除質(zhì)譜干擾，BEC值仍然很高；選擇He碰撞方式，多原子離子40Ar12C+、35Cl16OH+、36Ar16O+、38Ar14N+在He的碰撞下形成單原子離子，m/z發(fā)生變化，設(shè)置Q2的m/z為52可消除這些干擾，當(dāng)紫蘇籽油中Cr的含量很低時(shí)，與SQ模式下的He碰撞方式相似，BEC值顯著降低，但Cr的靈敏度受損嚴(yán)重；選擇O2為反應(yīng)氣，52Cr+與O2在CRC中反應(yīng)生成52Cr16O+，干擾離子不與O2反應(yīng)，設(shè)置Q2的m/z為68，由于Q1將m/z為68的干擾離子已經(jīng)排除在外，所獲得的BEC在6種分析模式中處于最小值，本實(shí)驗(yàn)選擇52Cr16O+為目標(biāo)離子實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾測(cè)定。

元素As只有一個(gè)同位素75As，所面臨的質(zhì)譜干擾除多原子離子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+以外，還存在雙電荷干擾150Nd++和150Sm++，在SQ模式下，采用無(wú)氣方式，由于沒(méi)有消除干擾，BEC值很大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)As的準(zhǔn)確測(cè)定；選擇He碰撞方式，多原子離子被完全消除，BEC得到改善變小，但不能消除雙電荷離子干擾，并且當(dāng)樣品中As的含量很低時(shí)同樣會(huì)導(dǎo)致分析靈敏度降低；選擇反應(yīng)方式，以O(shè)2為反應(yīng)氣，基于75As+能與O2反應(yīng)而干擾離子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+以及雙電荷離子150Nd++和150Sm++均不與O2反應(yīng)，設(shè)置Q2的m/z為91，可通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)物離子75As16O+來(lái)消除干擾，但由于Q1沒(méi)有對(duì)m/z為91的干擾離子(91Zr+、51V40Ar+、74Ge16OH+)進(jìn)行過(guò)濾，在這些干擾離子中，除91Zr+能與O2反應(yīng)生成91Zr16O+外，51V40Ar+和74Ge16OH+都不能與O2反應(yīng)，這兩個(gè)干擾離子能與75As16O+一起通過(guò)Q2進(jìn)入質(zhì)量檢測(cè)器，BEC雖然處于很低水平，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)75As+的準(zhǔn)確測(cè)定。在MS/MS模式下，設(shè)置Q1的m/z為75排除m/z≠75的干擾，待測(cè)離子75As+與干擾離子40Ar35Cl+、36Ar39K+、36Ar38Ar1H+、150Nd++、150Sm++進(jìn)入CRC，選擇無(wú)氣方式，由于質(zhì)譜干擾沒(méi)有消除，不能實(shí)現(xiàn)75As+的準(zhǔn)確測(cè)定，BEC仍然很大；選擇He碰撞方式，設(shè)置Q2的m/z為75，與SQ模式下的He碰撞方式相似，BEC變小，但無(wú)法消除雙電荷離子干擾且75As+的靈敏度受損嚴(yán)重；選擇反應(yīng)方式，利用O2為反應(yīng)氣，75As+與O2反應(yīng)生成75As16O+，干擾離子不與O2反應(yīng)，設(shè)置Q2的m/z為91，由于Q1消除了m/z為91的干擾離子，BEC處于最低水平，可實(shí)現(xiàn)75As16O+的無(wú)干擾測(cè)定。

元素Cd、Hg、Pb的質(zhì)譜干擾主要來(lái)自樣品中Mo、Ga、W、Os所形成的多原子離子(見(jiàn)表1)，由于紫蘇籽油中的Mo、Ga、W、Os含量很低，所形成的質(zhì)譜干擾輕微可以忽略不計(jì)。而對(duì)于無(wú)干擾或輕微干擾可以忽略的待測(cè)元素，由于質(zhì)譜通道(包括CRC)中的離子數(shù)過(guò)多會(huì)阻礙待測(cè)離子的傳輸效率，因此，與無(wú)氣方式相比，這些元素在He碰撞和O2反應(yīng)方式下BEC反而變大；而采用MS/MS模式時(shí)，由于Q1能過(guò)濾掉大量干擾離子保持質(zhì)譜通道的暢通，降低了分析離子在質(zhì)譜通道中的傳輸阻力，因此，對(duì)于Cd、Hg、Pb的測(cè)定采用MS/MS模式優(yōu)于SQ模式，且在無(wú)氣方式下獲得的BEC最低。本實(shí)驗(yàn)所有元素的數(shù)據(jù)采集方式見(jiàn)表2。

表2 在MS/MS模式下各元素分析數(shù)據(jù)采集方式

2.2 O2流速的優(yōu)化

采用O2為反應(yīng)氣消除干擾，O2作為反應(yīng)物其濃度的高低影響產(chǎn)物離子的濃度，決定了干擾的消除程度，而CRC內(nèi)O2濃度的高低取決于O2的流速[15]。當(dāng)O2流速偏低時(shí)，在CRC內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)不徹底，生成的產(chǎn)物離子濃度也偏低；而當(dāng)O2流速偏高時(shí)，導(dǎo)致CRC內(nèi)的O2處于過(guò)量狀態(tài)，多余的O2會(huì)對(duì)生成的產(chǎn)物離子發(fā)生碰撞作用，導(dǎo)致產(chǎn)物離子的動(dòng)能降低，從而影響分析產(chǎn)物離子時(shí)的靈敏度?？疾炝瞬煌琌2流速下，52Cr+、75As+、52Cr16O+、75As16O+四個(gè)離子的信號(hào)強(qiáng)度變化，結(jié)果見(jiàn)圖1。隨著O2流速的增大，52Cr+和75As+的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變小，而52Cr16O+和75As16O+的信號(hào)強(qiáng)度逐漸變大，表明52Cr+和75As+與O2反應(yīng)逐漸生成了52Cr16O+和75As16O+，當(dāng)O2流速分別達(dá)到0.32 mL/min和0.40 mL/min時(shí)，52Cr16O+和75As16O+的信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到了最大，隨后信號(hào)強(qiáng)度開(kāi)始變小，由于Cr為易電離元素而As為難電離元素，為確保As的分析靈敏度，本實(shí)驗(yàn)最終確定O2流速為0.40 mL/min。

圖1 O2流速的優(yōu)化

2.3 非譜干擾及校正

本實(shí)驗(yàn)存在的非譜干擾主要為基體效應(yīng)和記憶效應(yīng)。采用4%(V/V)的HNO3介質(zhì)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，匹配了空白溶液和樣品溶液的酸效應(yīng)，所有上機(jī)測(cè)定溶液通過(guò)在線(xiàn)加入1 mg/L的內(nèi)標(biāo)溶液校正了分析過(guò)程中的基體效應(yīng)。針對(duì)待測(cè)元素Hg容易吸附殘留在進(jìn)校系統(tǒng)內(nèi)形成記憶效應(yīng)，在所有溶液中加入200 μg/L的Au標(biāo)準(zhǔn)溶液，使Hg與Au反應(yīng)形成金汞齊(Au2Hg)消除了記憶效應(yīng)。

2.4 方法的線(xiàn)性及儀器的檢出限

參照GB/T 27404—2008《實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制規(guī)范》進(jìn)行操作，配制濃度分別為0.0、1.0、5.0、25、50 μg/L的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液建立校準(zhǔn)曲線(xiàn)，表3結(jié)果顯示，5個(gè)元素的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R2≥0.999 7，各元素在0.0～50 μg/L的范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。取空白溶液重復(fù)測(cè)定10次的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的濃度為各元素儀器的檢出限，本實(shí)驗(yàn)中Cr、As、Cd、Hg、Pb的檢出限分別為3.56、1.91、0.84、2.25、0.89 ng/L。

表3 方法的線(xiàn)性及儀器的檢出限

2.5 方法的準(zhǔn)確性與精密度驗(yàn)證

將一個(gè)紫蘇籽油樣品分成3份，分別加入低(50 ng/L)、中(200 ng/L)、高(500 ng/L)三水平的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，經(jīng)微波消解處理后上機(jī)重復(fù)測(cè)定10次，通過(guò)計(jì)算各元素的加標(biāo)回收率和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)來(lái)確認(rèn)方法的準(zhǔn)確性與精密度，結(jié)果見(jiàn)表4。三份樣品的加標(biāo)回收率在92.5%～108.0%之間，RSD≤4.1%，表明在MS/MS 模式下，所有元素都獲得了良好的回收率，所建立的方法準(zhǔn)確可靠且精密高。

表4 在MS/MS模式下不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液加標(biāo)紫蘇籽油

2.6 分析方法的應(yīng)用

抽取產(chǎn)自湖南、河北、內(nèi)蒙古、山東四個(gè)紫蘇籽油樣品(樣品編號(hào)1、2、3、4、5、6、7、8)，按建立的方法進(jìn)行分析，每個(gè)紫蘇籽油樣品重復(fù)測(cè)定10次，并采用GB 5009.268—2016法進(jìn)行對(duì)照分析[16]，8個(gè)樣品中重金屬元素的濃度見(jiàn)表5。ICP-MS/MS的測(cè)定結(jié)果顯示，4種紫蘇籽油中重金屬元素的濃度極低，Cr、As、Cd、Hg、Pb的含量分別為1.38～5.49、0.95～4.10、0.36～2.83、0.32～0.82、0.75～4.53 ng/g，與GB 5009.268—2016法測(cè)定結(jié)果基本一致。8種實(shí)際樣品中5個(gè)重金屬元素的含量遠(yuǎn)低于GB 2762—2017《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》中的限量標(biāo)準(zhǔn)[17]，食用安全。

表5 實(shí)際樣品中重金屬元素的分析結(jié)果(ng/g，n=10)

注：“—”: 未檢出。

3 結(jié)論

采用微波消解系統(tǒng)對(duì)紫蘇油進(jìn)行消解，利用ICP-MS/MS法測(cè)定其中的重金屬元素，建立了快速準(zhǔn)確測(cè)定紫蘇油中Cr、As、Cd、Hg、Pb的分析方法。在MS/MS模式下，通過(guò)Q1消除了大量質(zhì)譜干擾，保持了離子運(yùn)行通道的暢通，選擇O2為反應(yīng)氣消除了Cr和As測(cè)定時(shí)面臨的嚴(yán)重干擾，通過(guò)應(yīng)用酸匹配和內(nèi)標(biāo)元素，使紫蘇油中重金屬元素檢測(cè)中的基體效應(yīng)得到了校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方法的加標(biāo)回收率在92.5%～108.0%之間，RSD≤4.1%，蘇籽油中重金屬元素的濃度極低，食用安全，不會(huì)對(duì)人體構(gòu)成潛在危害。