利用ICP-MS/MS測定白酒中無機元素的主成分分析及聚類分析

楊雯懿，郝婧，田佳于，黃建華，陳林*

1(中南大學 計算機學院，湖南 長沙,410083) 2(湖南省中醫(yī)藥研究院，中藥研究所，湖南 長沙,410013)

白酒是將富含淀粉的原料經(jīng)發(fā)酵后產(chǎn)生的酒精再通過蒸餾收集得到的高濃度蒸餾酒，是我國特有的酒精飲品。中國白酒與白蘭地、威士忌、伏特加、金酒、朗姆酒為享有盛譽的六大蒸餾酒，具有悠久的歷史和精湛的釀造技藝，是世界飲食文化的重要組成部分。白酒中的成分組成受原料種類和來源、釀造工藝以及貯存環(huán)境的影響存在很大差異，雖然白酒的整體質(zhì)量由有機成分所確定[1-3]，但其所含的多種無機元素不僅與白酒的品質(zhì)密切相關(guān)，而且還會影響飲用者的身體健康[4-6]。有研究表明，白酒中的Cu具有催化氧化作用，含量過高會影響酒體的感官品質(zhì)[7]；Fe、Mn形成的配合物具有著色作用，會影響白酒的色澤[8]；Mg、Fe、Ba超量或失衡均會引起酒體渾濁甚至沉淀，從而影響白酒的穩(wěn)定性[9]；As、Pb等重金屬元素含量過高具有毒害作用，影響白酒的飲用安全[10]。因此，無機元素常用于白酒的質(zhì)量控制和安全性研究。

白酒中無機元素的含量分布離散，且與白酒的種類密切相關(guān)，即使是相同元素在不同種類的白酒中仍然存在較大的差異[11]。白酒中大部分無機元素的含量處于微量和痕量水平級別，這就要求分析方法的靈敏度高、檢出限低。在各種用于測定白酒中無機元素的原子光譜技術(shù)中，相比于傳統(tǒng)的原子吸收光譜(atomic absorption spectroscopy, AAS)和電感耦合等離子發(fā)射光譜(inductively coupled plasma-atomic emission spectrum,ICP-OES)，電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma-mass spectrometry,ICP-MS)應用更廣泛[12-13]。然而，采用ICP-MS測定未經(jīng)消解的白酒中的痕量元素仍然具有挑戰(zhàn)性，由于低含量痕量元素產(chǎn)生的信號強度弱，會受到來自基質(zhì)元素產(chǎn)生的大量背景信號以及多原子離子的干擾，需要借助碰撞/反應池(collision/reaction cell，CRC)技術(shù)來消除這些干擾。盡管帶CRC的ICP-MS減輕了分析挑戰(zhàn)的壓力，但依然不能消除一些棘手的質(zhì)譜干擾[14]。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-MS的ICP和CRC之間附加了一級四極桿質(zhì)量過濾器(the first quadrupole，Q1)，與位于CRC后端配置的二級四極桿質(zhì)量過濾器(the second quadrupole，Q2)組成串聯(lián)質(zhì)譜(tandem mass spectrometry，MS/MS)，通過Q1和Q2的雙重過濾，可以將來自等離子體和樣品基質(zhì)的干擾離子阻止在檢測器外，極大提高消除干擾性能和分析靈敏度[15-18]。本研究采用體積分數(shù)1%的硝酸稀釋白酒樣品，應用ICP-MS/MS法測定其中Mg、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ba、Pb等14種無機元素，在MS/MS模式下分別選擇O2和NH3/He為反應氣消除質(zhì)譜干擾，建立了白酒中多元素的ICP-MS/MS分析方法，采用SPSS主成分分析和聚類分析法探討白酒特征元素和無機元素與白酒品種的關(guān)系，旨在為白酒中無機元素的分析提供科學方法，為白酒的品種識別提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

1 g/L的Mg、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ba、Pb單元素標準溶液，中國計量科學研究院；10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi混合內(nèi)標元素標準溶液，美國Agilent公司；質(zhì)量分數(shù)65%硝酸、無水乙醇，德國Merck公司；實驗用水均為Milli超純水。18種白酒(產(chǎn)地分別為四川9種、貴州3種、重慶3種、湖南3種)，湖南長沙各大超市。

1.2 儀器及工作參數(shù)

Agilent 8800型電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜儀，美國Agilent公司。Milli-Q超純水機，美國Millipore公司。

ICP-MS/MS的工作參數(shù)：射頻功率1 550 W；等離子模式低基質(zhì)；等離子氣流速15.0 L/min；載氣流速1.09 L/min；輔助氣流速1.8 L/min；補償氣流速0.2 L/min；采樣深度8.0 mm；霧室溫度2 ℃；質(zhì)譜分析模式MS/MS；CRC氣體O2、NH3/He(1∶9，V/V)；反應氣O2流速0.40 mL/min；反應氣NH3/He流速3.0 mL/min；八極桿偏置電壓-15 V(O2)、-20 V(NH3/He)；KED偏置電壓-10 V(O2)、-10 V(NH3/He)。

1.3 實驗方法

采用體積分數(shù)1%的硝酸對白酒樣品進行10倍稀釋后直接進樣，在選擇的工作條件下利用ICP-MS/MS進行測定，通過內(nèi)標混合T型接頭在所有上機測試品中均在線加入1 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi混合內(nèi)標元素標準溶液，所有空白溶液和標準溶液均加入5%vol的乙醇溶液以匹配樣品基體消除黏度差別，校正基體效應。

1.4 數(shù)據(jù)處理

配制分析元素系列標準溶液，利用ICP-MS/MS的MassHunter工作站軟件(美國Agilent公司)繪制校準曲線，通過校準曲線計算18個樣品中14種無機元素的含量，組成18×14的原始數(shù)據(jù)分析矩陣，應用SPSS 25軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 ICP-MS/MS分析

ICP-MS/MS在單四極桿(single quad, SQ)模式下，Q1僅具有離子導入或離子帶通功能，類似于傳統(tǒng)的ICP-MS，對于無干擾或受到輕微干擾元素的測定，在SQ標準模式(CRC中無反應氣)下的靈敏度比MS/MS模式高，本實驗樣品中Sr、Ba、Pb受到的干擾比較輕微可忽略不計，采用SQ標準模式進行測定。在MS/MS模式下，Q1具有質(zhì)量過濾功能，僅允許與分析離子具有相同質(zhì)荷比(m/z)的離子進入CRC，在CRC內(nèi)通過反應氣的選擇，確保CRC中反應過程和生成產(chǎn)物的一致性，利用分析離子或干擾離子與反應氣反應產(chǎn)生的m/z差異，通過Q2對來自CRC的離子再次過濾消除干擾。本實驗采用ICP-MS/MS分析白酒中無機元素的工作原理見圖1。

圖1 在MS/MS模式下消除干擾的工作原理Fig.1 The working mechanism of interferences eliminatingin the MS/MS mode

2.1.1 質(zhì)譜干擾的消除

表1 待測元素的質(zhì)譜分析模式Table 1 Mass spectrometry analysis modes of analytes

2.1.2 內(nèi)標元素的選擇

樣品溶液與標準溶液的基質(zhì)組成差異表現(xiàn)為溶液的進樣速率和霧化效率不同，形成基體效應，影響分析信號的穩(wěn)定性，通常采用內(nèi)標元素為參照物進行校正[21]。考察了Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi為內(nèi)標元素，在待測樣品中加入5 μg/L的混合標準溶液，通過測定各元素的加標回收率來選擇內(nèi)標元素。從圖2可以看出，Sc作內(nèi)標元素時，Mg、Al、Cr、Mn、Fe的加標回收率高于其他內(nèi)標元素；Ge作內(nèi)標元素時，Co、Ni、Cu、Zn的加標回收率最高；Y作內(nèi)標元素時，As、Se、Sr的加標回收率最高；In和Bi作內(nèi)標元素時，Ba和Pb的加標回收效果最高。因此，本實驗Sc為Mg、Al、Cr、Mn、Fe的內(nèi)標元素，Ge為Co、Ni、Cu、Zn的內(nèi)標元素，Y為As、Se、Sr的內(nèi)標元素，In為Ba的內(nèi)標元素，Bi為Pb的內(nèi)標元素。

圖2 內(nèi)標元素的校正效果Fig.2 Correction effect of internal standard elements

2.1.3 校準曲線與檢出限

分別配制0、1.0、5.0、20.0、100 μg/L的Cr、Mn、Co、Ni、Cu、As、Se、Sr、Ba、Pb和0、5、20、100、500 μg/L的Mg、Al、Fe、Zn混合標準溶液，按所建立的分析方法上機測定后繪制校準曲線。連續(xù)測定空白溶液11次，以各元素測定結(jié)果的3倍標準偏差所對應的濃度為各元素的檢出限，以測定結(jié)果的10倍標準偏差所對應的濃度為各元素的定量限。結(jié)果表明(表2)，14個分析元素在各自范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 7，檢出限為1.34～25.8 ng/L，定量限為4.47～86.0 ng/L，說明方法的線性關(guān)系好，檢出限低。

表2 分析元素的校準數(shù)據(jù)、檢出限和定量限Table 2 Calibration data, limits of detection (LODs), and limits of quantification (LOQs) of analytes

采用所建立的ICP-MS/MS法對實際白酒樣品進行加標回收實驗，每10 min測定1次，每個元素重復測定6次，通過計算加標回收率和相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)來考察分析方法的準確性、穩(wěn)定性和精密度。從表3可以看出，各元素的加標回收率為93.0%～105%，表明方法的準確度好；RSD≤3.84%，表明方法的穩(wěn)定性好，精密度好。

表3 分析方法的準確度與精密度Table 3 Accuracy and precision of analytical method

2.1.4 白酒中無機元素的含量

實驗收集了國內(nèi)18種白酒，其中來自四川9種(樣品編號SC1-9)、貴州3種(樣品編號GZ1-3)、重慶3種(樣品編號CQ1-3)、湖南3種(樣品編號HN1-3)，測定各白酒中的14種無機元素，每個樣品重復測定6次，結(jié)果見表4。18種白酒中Mg、Al、Fe的含量相對較高，而Co的含量最低，四川白酒中Mg的含量明顯低于其他產(chǎn)地白酒，湖南白酒中的Al和Fe的含量明顯高于其他產(chǎn)地白酒；對照我國白酒國家標準GB 2757—2012、GB 23545—2009GB 以及食品國家標準2762—2017所規(guī)定的限量值[10, 22-23]，所有白酒中的重金屬元素Mn、Ni、As、Pb的含量處于較低水平，遠遠低于國家標準中的限量值。表4結(jié)果顯示不同產(chǎn)地白酒中無機元素的含量存在明顯差異。

表4 不同白酒樣品分析結(jié)果 單位：μg/L

2.2 主成分分析

主成分分析是將多個原始變量抽取和壓縮成能代表原始變量大量信息的少數(shù)綜合指標[24]，本實驗采用SPSS 25對國內(nèi)18種白酒中的14種無機元素進行主成分分析。

2.2.1 無機元素的正態(tài)分布檢驗

采用SPSS 25的正態(tài)性檢驗對18種白酒中的14種無機元素進行K-S檢驗，Mg、Al、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Ba、Pb的顯著性(雙側(cè))P值分別為0.230、0.364、0.208、0.278、0.236、0.137、0.105、0.231、0.288、0153、0.182、0.171、0.138、0.133，均大于顯著水平(α=0.05)，表明18種白酒中的14種無機元素的含量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。

2.2.2 無機元素的相關(guān)性分析

表5可以看出，14種元素兩兩之間大部分處于顯著相關(guān)，少數(shù)處于極顯著相關(guān)，因此，主成分分析可用于14種無機元素的相關(guān)性分析。

表5 白酒中無機元素的相關(guān)性矩陣Table 5 Correlation matrix of inorganic elements in Baijiu

續(xù)表5

無機元素MgAlCrMnFeCoNiCuZnAsSeSrBaPbZn-0.538-0.3500.102-0.352-0.351-0.4200.039-0.3791.000As0.1930.518-0.041-0.0210.6040.2600.0080.451-0.3981.000Se0.1020.568-0.214-0.1890.6140.3790.5260.230-0.4290.3741.000Sr-0.706-0.1400.538-0.230-0.2980.2230.0620.0240.123-0.1020.0211.000Ba-0.095-0.0570.5430.122-0.1050.4860.0870.462-0.3920.1340.1310.2291.000Pb0.3110.457-0.230-0.4750.381-0.1880.096-0.2250.215-0.0890.174-0.046-0.2691.000

2.2.3 無機元素的因子分析

采用主成分分析法提取公因子，進行因子分析，結(jié)果見表6?；诶鄯e方差貢獻值大于80%且特征值大于1為原則，選擇公因子數(shù)為5個時，累計方差貢獻率為80.003%，包含了14種無機元素的大部分信息，因此，本實驗提取5個主成分來評判18種白酒中無機元素的分布。

表6 主成分分析特征值和總體方差描述Table 6 Principal component analysis characteristicsand total variance explained

通過表7可以得到第一主成分F1、第二主成分F2、第三主成分F3、第四主成分F4、第五主成分F5的因子得分模型，分別為：

F1=0.661X1+0.884X2-0.321X3+0.026X4+0.927X5+0.494X6+0.335X7+0.171X8-0.611X9+0.624X10+0.709X11-0.339X12+0.075X13+0.282X14

F2=-0.410X1-0.070X2+0.689X3+0.117X4-0.124X5+0.501X6+0.132X7+0.573X8-0.378X9+0.279X10+0.201X11+0.538X12+0.814X13-0.534X14

F3=-0.470X1+0.232X2+0.194X3-0.741X4+0.169X5+0.127X6+0.467X7-0.191X8+0.489X9-0.085X10+0.344X11+0.545X12-0.117X13+0.519X14

F4=0.068X1+0.041X2-0.077X3+0.389X4-0.064X5+0.534X6+0.372X7-0.662X8-0.038X9-0.455X10+0.013X11+0.092X12+0.063X13-0.190X14

F5=0.243X1+0.254X2+0.361X3-0.068X4+0.086X5+0.213X6-0.533X7-0.226X8-0.036X9-0.021X10-0.413X11+0.180X12+0.174X13+0.345X14

可以看出，F(xiàn)1在X2、X5有較大荷載值，與對應的Al、Fe有高度正相關(guān)性，F(xiàn)2在X13有較大荷載值，與對應的Ba有高度正相關(guān)性，由于F1和F2對總方差的貢獻達到了48.632%，因此，所對應的Al、Fe、Ba可作為本實驗18種白酒的特征元素。

表7 白酒中無機元素的因子分析Table 7 Factor analysis of inorganic elements in Baijiu

2.3 聚類分析

采用SPSS 25對來自不同產(chǎn)地的18種白酒樣品進行聚類分析，把性質(zhì)相近的白酒歸為一類。將14種原始變量經(jīng)標準化處理后，采用系統(tǒng)聚類分析，選擇組間連接聚類，以歐氏距離平方為測量準則，從圖3可以看出，18種白酒樣品分為了4類，表明不同產(chǎn)地白酒之間無機元素的含量存在較大差異，其中四川9種白酒很好地歸為了一類，貴州的3種白酒歸為一類，重慶的3種白酒歸為一類，湖南3種白酒歸為一類，表明以14種元素為原始變量可以將不同產(chǎn)地白酒進行正確歸類。

圖3 白酒中無機元素含量系統(tǒng)聚類Fig.3 Phylogenetic clustering of distilled Baijiu basedon inorganic elements

3 結(jié)論

該文研究了不同產(chǎn)地白酒中14種無機元素的組成。白酒樣品經(jīng)1%的硝酸簡單稀釋后直接采用ICP-MS/MS法進行測定，在MS/MS模式下，分別采用O2和NH3/He為反應氣，利用質(zhì)量轉(zhuǎn)移法和原位質(zhì)量法消除了質(zhì)譜干擾。采用SPSS 25對18種白酒樣品中的14種無機元素進行了主成分和聚類分析，提取了5個主成分來評判白酒中無機元素的分布，確定了Al、Fe、Ba為國內(nèi)18種白酒的特征元素，聚類分析將國內(nèi)18種白酒樣品很好地按產(chǎn)地分為4類，白酒中無機元素的含量存在明顯差異且具有典型的地理特征。