基于ICP-MS/MS技術測定食用植物油中22種微量元素

張 萍 劉宏偉

（湖南工學院材料與化學工程學院 湖南衡陽 421002）

食用植物油是從植物果實、種子、胚芽中提取的天然油脂，含有豐富的不飽和脂肪酸和亞油酸，是人們?nèi)粘Ｉ攀辰Y構中不可缺少的重要組成部分[1]。食用植物油主要用作烹調(diào)原料、香料成分和載體，并可加工成氫化植物油和生物燃料[2]。近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境承載能力愈加脆弱，導致大量工業(yè)排放物中的無機元素通過土壤和水分遷移至植物中，同時，在植物油的加工運輸過程中受生產(chǎn)工藝和貯存設備的影響，成為食用植物油中無機元素的主要來源[3]。有研究表明，食用植物油中的部分微量元素會加速其氧化速率，縮短食用植物油的使用周期[4]，而食用植物油中重金屬元素所形成的潛在危害已成為社會關注的焦點，因此，無論是對于食用植物油的營養(yǎng)性還是安全性，建立快速準確測定食用植物中微量元素含量的分析方法都具有非常重要的意義。

目前，有關食用植物油中無機元素的分析方法已有大量報道，主要包括：分光光度法[5]、原子吸收法[6-8]、原子熒光法[9]、電化學法[10]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）法和電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法[11-15]。這些分析方法中，ICP-MS法靈敏度最高、檢出限最低，其面臨的質(zhì)譜干擾仍然沒有得到完全消除，限制了有些元素的準確測定。針對質(zhì)譜干擾所發(fā)展的冷等離子體、高分辨質(zhì)譜和碰撞/反應池（CRC）技術雖能降低或消除一些干擾，但冷等離子體技術是通過抑制等離子氣的電離來降低質(zhì)譜干擾，僅適合Ca、Fe、K等易電離元素的測定，無法準確測定難電離元素[16]；高分辨質(zhì)譜技術在提高質(zhì)譜分辨率消除干擾的同時，靈敏度受損嚴重[17]；基于動能甄別（KED）的CRC碰撞模式在消除多原子離子干擾的同時，在碰撞過程中使分析元素的能量受損導致靈敏度變差，并且不能消除雙電荷離子干擾，CRC反應模式因反應過程中副反應的發(fā)生無法控制，而易形成新的產(chǎn)物離子干擾分析物的測定[18]。本文首次采用電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜（ICP-MS/MS）對食用植物油樣品中的22種微量元素進行分析，利用ICP-MS/MS所特有的雙質(zhì)荷比（m/z）過濾功能，分別選擇H2、O2、NH3/He為反應氣，通過控制 CRC中的反應過程消除質(zhì)譜干擾，為準確分析食用植物油中22種微量元素提供新方法。

1 材料與方法

1.1 儀器和設備

8800 ICP-MS/MS，美國 Agilent公司；Milli-Q超純水機，美國Millipore公司。ICP-MS/MS調(diào)諧后的操作條件見表1。采用有機溶劑專用進樣工具包，含內(nèi)徑為1.5 mm的炬管、鉑錐、進樣管和抗溶劑排廢液組合件，載氣中加入20%的O2解離有機樣品中的碳基體。

表1 ICP-MS/MS的工作條件Table1 Operating conditions of ICP-MS/MS

1.2 材料與試劑

1 000μg/g 的Na、Mg、Si、P、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Hg、Pb、Sc、Y、Bi有機金屬標準貯備溶液，美國Spex Certiprep公司；不同濃度的元素標準混合溶液，按試驗要求以煤油為介質(zhì)稀釋有機金屬標準貯備溶液制得；1.0 μg/g 的Sc、Y、Bi內(nèi)標元素混合標準溶液，由有機金屬標準貯備溶液用煤油稀釋制得；優(yōu)級純煤油，美國Spectrum公司。菜籽油、花生油、葵花籽油、玉米油和橄欖油來自國內(nèi)不同地區(qū)各大超市。

1.3 試驗過程

準確稱取約5.0 g食用植物油于30 mL高密度聚乙烯（HDPE）塑料瓶中，用煤油稀釋至20.0 g，制得樣品溶液；以煤油為介質(zhì)分別配制質(zhì)量濃度為 0.0，1.0，5.0，20.0，100.0 μg/g 系列待測元素混合標準溶液。分別測定樣品溶液、空白溶液和混合標準溶液，在測定過程中使用在線內(nèi)標混合T型接頭將 1.0 μg/g的Sc、Y、Bi內(nèi)標元素混合標準溶液加入到上機測定溶液中，利用儀器自帶的MassHunter軟件，以分析元素與內(nèi)標元素的信號比對標準溶液的濃度自動建立校準曲線，從而得到分析樣品中待測元素的含量。

2 結果與分析

2.1 等離子條件的選擇

植物油經(jīng)煤油稀釋后進入等離子體 （ICP）會加大ICP的負載，降低ICP溫度，本試驗中難電離元素 Si、P、S、As、Se 需要更高溫度的等離子條件。增大RF功率能提高ICP溫度，但干擾物增多，背景信號也相應增大，過高的RF功率也會降低ICP炬管的使用壽命，試驗設置RF功率為1 550 W；使用窄口徑炬管，降低載氣流速和補償氣流速能減少進入ICP的進樣量，減輕有機溶劑對ICP的影響，從而提高等離子溫度，但過低的載氣流速和補償氣流速會降低分析元素的靈敏度，本試驗設定載氣流速為0.7 L/min，補償氣流速為0.2 L/min，維持了等離子體的穩(wěn)定。

2.2 質(zhì)譜干擾及消除

采用煤油稀釋植物油直接進樣分析，復雜的基質(zhì)組成會產(chǎn)生嚴重的質(zhì)譜干擾，本試驗利用ICP-MS/MS的反應模式進行消除。ICP-MS/MS是在帶CRC的單四極桿ICP-MS（ICP-QMS）基礎上增配一個四極桿質(zhì)量分析器，形成雙四極桿質(zhì)量分析器（見圖1），在MS/MS模式（同時啟用兩個質(zhì)量分析器）下，通過設置位于CRC前端的第一級四極桿質(zhì)量分析器（Q1）的荷質(zhì)比（m/z），僅允許目標離子進入CRC，將大量干擾離子阻止在外，進入CRC的離子少，傳輸通道更為通暢，靈敏度更高；在CRC內(nèi)加入反應氣，使干擾物或分析物與反應氣發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應，利用反應后干擾物和分析物的質(zhì)量差，設置位于CRC后的第二級四極桿質(zhì)量分析器（Q2）的m/z消除干擾，兩個質(zhì)量分析器的雙重過濾，極大提高了消除干擾的能力和分析元素的靈敏度[19]。

圖1 ICP-MS/MS工作原理Fig.1 Operation principle of ICP-MS/MS

基于ICP-MS/MS強大的消除干擾能力，本試驗選擇各待測元素的高豐度同位素進行測定，并與單四極桿（SQ）模式（不啟動 Q1只啟動 Q2，Q1僅做為離子運行通道，相當ICP-QMS）下的無氣、He碰撞和H2反應模式進行對比，考察22個待測元素背景等效濃度（BEC）和檢出限（DL）的變化，結果見表2。

從表2可以看出，在SQ的無氣狀態(tài)下，由于沒有進行消除，僅 Sr、Cd、Hg、Pb 4 個元素的BEC和 DL處于較低水平，這是由于 Sr、Cd、Hg、Pb的質(zhì)譜干擾輕微可以忽略，在SQ的He碰撞模式和MS/MS的O2反應模式下，雖然改善了元素的BEC，但DL反而變大，表明開啟CRC對于無干擾元素不利于元素的測定，因此，本試驗對于Sr、Cd、Hg、Pb 4個元素采用SQ的無氣模式進行測定。

在MS/MS模式下采用H2為反應氣時，Si和Ca的BEC和DL均小于SQ的無氣模式和SQ的H2反應模式，表明質(zhì)譜干擾得到了消除。在CRC中，由于Si+和Ca+均不能與H2反應，而干擾 Si+和Ca+測定的CO+、N2+、Ar+均能與 H2反應，但采用 SQ模式下以H2為反應氣，由于沒有Q1的過濾，來自樣品和等離子體的離子均能全部進入CRC，雖然CO+、N2+、Ar+等離子與 H2反應得到消除，但由于不可預知的反應副產(chǎn)物仍然存在干擾Si+和Ca+測定的可能，而在MS/MS模式下，分別設置Q1=Q2=28、Q1=Q2=40，通過Q1的過濾，防止了副反應的發(fā)生，從而利用H2原位質(zhì)量法可完全消除干擾。

O2作為一種強大的反應氣能與多種離子發(fā)生反應，從表2可以看出，在MS/MS模式下，促使P+、S+、Ti+、V+、As+分別與 O2發(fā)生反應的反應焓（△Hr） 分別為-3.14，-0.34，-1.63，-0.85，-0.63，0.71，均能與O2自發(fā)反應生成氧化物離子（△Hr＜0），Se+與 O2不能自發(fā)發(fā)生反應的（△Hr=0.71＞0），本試驗通過設置質(zhì)譜儀的八極桿偏置電壓為-18 V，促使該反應的發(fā)生，而干擾 P+、S+、Ti+、V+、As+、Se+測定的離子均不能與O2發(fā)生反應，因此，分別設置 Q1=31/Q2=47、Q1=32/Q2=48、Q1=48/Q2=64、Q1=75/Q2=91、Q1=78/Q2=94，將 P+、S+、Ti+、V+、As+、Se+與反應生成氧化物，利用O2質(zhì)量轉(zhuǎn)移法進行測定。

NH3/He作為混合反應氣最易與金屬離子形成團簇離子，適合消除金屬離子的干擾。對于元素Na、Mg、K的BEC和DL均得到明顯改善，表明干擾得到消除。由于 Na+、Mg+、K+均不與 NH3/He 發(fā)生反應形成團簇離子，而這些元素的干擾離子均能與NH3/He形成團簇離子，本試驗設置Q1=Q2，利用NH3/He原位質(zhì)量法消除干擾進行測定；而Cr+、Mn+、Fe+、Co+、Ni+、Cu+、Zn+能與 NH3/He 發(fā)生反應形成多種團簇離子，通過掃描發(fā)現(xiàn)，團簇離子52Cr（14NH3）2+、55Mn（14NH3）2+、Fe（14NH3）2+、Co（14NH3）2+、Ni（14NH3）3+、Cu（14NH3）2+、66Zn（14NH3）2+附近無干擾且離子豐度能完全滿足測定要求，因此，本試驗對于 Cr+、Mn+、Fe+、Co+、Ni+、Cu+、Zn+的測定，分別設置Q1=52/Q2=86、Q1=55/Q2=89、Q1=56/Q2=90、Q1=59/Q2=93、Q1=60/Q2=94、Q1=63/Q2=97、Q1=66/Q2=100，利用NH3/He質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾。

2.3 基體效應及校正

針對食用植物油與煤油混合組成的復雜基質(zhì)所產(chǎn)生的基體效應，本試驗通過專用的內(nèi)標進樣接頭將 1.0 μg/g的Sc、Y、Bi混合內(nèi)標溶液加入到上機測試溶液中進行校正。為考察內(nèi)標元素加入后基體效應及儀器信號漂移的校正效果，考察了加入內(nèi)標元素后2 h內(nèi)各元素歸一化信號的變化情況，每10 min測定一次，每次重復測定6次，各元素歸一化信號的變化以及各元素相對標準偏差（RSD）的變化分別見圖2和圖3。從圖2可以看出，所有元素的歸一化信號強度在前60 min內(nèi)均處于1±0.05范圍內(nèi)波動，后60 min內(nèi)均處于1±0.1范圍內(nèi)波動；從圖3可以看出，與加入內(nèi)標元素前相比較，在加入內(nèi)標元素后，所有待測元素的RSD均明顯變小，表明加入內(nèi)標元素后各元素的分析信號穩(wěn)定，基體效應得到了校正。

表2 不同質(zhì)譜模式下各待測元素背景等效濃度（BEC）和檢出限（DL）Table2 Background equivalent concentration （BEC） and detection limit （DL） obtained for different mass mode

圖2 加入內(nèi)標元素后各元素的歸一化信號Fig.2 The normalized signal of analyte after adding internal standard element

2.4 校準曲線與檢出限

以煤油為介質(zhì)，對22種元素的有機金屬標準貯備溶液進行稀釋，配制 P、S、K、Na、Ca、Mg 質(zhì)量濃 度 分 別 為 0.0，1.0，5.0，20.0，100.0 μg/g，Si、Fe、Mn、Zn、Sr質(zhì)量濃度為 0.0，0.05，0.2，0.5，1.0 μg/g，其余 11個元素質(zhì)量濃度分別為 0.0，1.0，2.0，10.0，50.0 ng/g的標準溶液，以內(nèi)標元素為參考點自動建立校準曲線，表3結果表明，22個元素的線性關系良好，相關系數(shù)R2≥0.9996。各元素儀器的檢出限為0.35～307.84 pg/g。

圖3 加入內(nèi)標元素后各元素的RSD的變化Fig.3 The change of RSD of the analyte after adding the internal standard element

表3 校準曲線參數(shù)與檢出限Table3 The allocation of internal standard element and the limit of detections

2.5 準確度與重復性

為驗證分析實際樣品時方法的準確性，采用混合標準溶液對植物油樣品進行加標回收率試驗，總共重復測定6次。表4列出了所有元素的加標結果，6次重復分析的加標回收率在96.60%～105.46%之間，RSD≤3.99%，表明方法的準確性好，具有優(yōu)異的重復性。

表4 加標樣品的加標回收率與重復性Table4 The spike recovery and reproducibility of the spiked sample

2.6 樣品分析

分別對來自國內(nèi)不同地區(qū)各大超市的菜籽油、花生油、葵花籽油、玉米油和橄欖油進行測定，每種植物油重復測定6次。表5顯示，5種植物油中的P、S、K、Na、Ca 含量較高，而重金屬元素 Cr、As、Cd、Hg、Pb 處于較低水平，符合 GB 2762-2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》[20]。從測定元素總含量來看，花生油中22種微量元素的含量高于另外4種植物油，這可能與植物油的原料來源和加工工藝相關。

表5 樣品分析結果Table5 Analytical results of samples

3 結論

建立了ICP-MS/MS法測定食用植物油中22種微量元素含量的分析方法。植物油經(jīng)煤油稀釋后直接上機分析，樣品的預處理過程簡單快速，在MS/MS模式下，向CRC中分別加入H2、O2和NH3/He，利用產(chǎn)物離子和目標離子與反應氣發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應消除分析過程中的質(zhì)譜干擾，并采用在線加入內(nèi)標元素校正了基體效應，并穩(wěn)定了各元素的質(zhì)譜信號。方法的檢出限在0.35～307.84 pg/g之間，加標回收率在96.60%～105.46%之間，相對標準偏差（RSD）≤3.99%。通過對實際樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)所分析的5種植物油中 P、S、K、Na、Ca含量較高，而重金屬元素 Cr、As、Cd、Hg、Pb 處于較低水平。所建立的方法具有靈敏度和準確度高的特點，為植物油中多種無機微量元素的分析提供了一種新方法。