基于微波消解電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICPMS)測定深海魚肌肉中12種元素

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(1.廣東食品藥品職業(yè)學(xué)院,廣東廣州 510520; 2.廣州檢驗檢測認(rèn)證集團(tuán)有限公司,廣東廣州 511447)

我國海水魚種類繁多,是人們膳食的重要組成部分,因其低脂肪、高蛋白、富含多種微量元素而被人們喜愛,其中,深海魚是對水深超過200 m的魚類的總稱,深海魚大多自然生長,深海污染少,生長周期長,具有很高營養(yǎng)價值[1]。目前,由于大量工業(yè)廢水等排入海洋,使海洋魚類受到不同程度的污染,魚體中的重金屬含量也隨之增加,沿食物鏈進(jìn)入到人體內(nèi),進(jìn)而對人體造成危害,因此有必要對深海魚的污染情況進(jìn)行深入探究。鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)等元素具有生物富集性、持久性、易遷移性,會對人體造成很大的危害[2-4],銅(Cu)、硒(Se)、鋅(Zn)、鉻(Cr)等是維持正常生命活動的必需元素,但濃度超過一定閾值也會對人體造成危害[5]。關(guān)于魚類的元素研究主要集中在砷、鎘等微量元素,并且關(guān)于淡水魚的報道較多[6-11],肌肉作為魚體主要食用部分,其污染情況直接關(guān)系居民食用安全,因此建立一種可準(zhǔn)確測定深海魚中多種元素含量的方法具有重要意義,能夠有效監(jiān)控有害元素的污染情況。

目前元素的測定多采用化學(xué)分光光度法、原子熒光光譜法[12-13](atomic fluorescence spectrometry,AFS)、原子吸收分光光度法[14](atomic absorption spectrophotometry,AAS)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)[15-16]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry,ICP-OES)[17]等,但是化學(xué)分光光度法、及AAS法和AFS法只能進(jìn)行單一元素或者雙元素逐個分析,分析速度慢,前處理過程比較麻煩;ICP-OES和ICP-MS是近年來興起的一種快速微量元素測定方法[18-21]。ICP-MS靈敏度高(檢出限可達(dá)ppt級),線性范圍寬(可同時測定多種且含量差異較大的元素)、抗干擾能力強(qiáng)(配合質(zhì)譜,專屬性強(qiáng))、耗時短,精密度高,可以進(jìn)行多個元素的快速分析(1～4 min/樣品)[22-23],越來越多的檢驗機(jī)構(gòu)使用該方法進(jìn)行元素檢測。目前該方法在深海魚類的元素檢測方面已經(jīng)見文獻(xiàn)報道,Copat等[24]采用ICP-MS法檢測了大西洋鯖魚、歐洲鳀等深海魚中As、Cd、Pb等10種元素,劉芳芳等[1]檢測了黃魚中Fe、Zn等8種元素,然而對于同時測定深海魚B、Al、Mn、Cu、Ni、Zn、Cr、Hg、Pb、Cd、Se和Sn 12種元素的方法和含量比較研究只有較少報道。

本文以白鯧魚(Pampusargenteus)、金鯧魚(Trachinotusovatus)、大黃花魚(Pseudosciaenacrocea)、午筍魚(Eleutheronematetradactylum)、小黃花魚(Psendosciaenapolyactis)、帶魚(Trichiuruslepturus)為研究對象,采用微波消解-ICP-MS法同時測定深海魚肌肉中B、Al、Mn、Cu、Ni、Zn、Cr、Hg、Pb、Cd、Se和Sn 12種微量元素,并進(jìn)行一系列方法學(xué)驗證,根據(jù)國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)對食品中污染物的限量要求和居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量進(jìn)行評價,為日常監(jiān)測海水魚中有害元素的污染情況提供科學(xué)手段,為居民日常選購深海魚類、合理膳食提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白鯧魚(約150 g/條)、金鯧魚(600 g/條)、大黃花魚(約300 g/條)、午筍魚(約500 g/條)小黃花魚(約80 g/條)、帶魚(約850 g/條)各10條 2018年10月購于廣州南沙水產(chǎn)市場;硝酸 MOS純(≥65.0%),德國Meker公司;雙氧水 BV-Ⅲ級,北京化學(xué)試劑研究所;超純水 電阻率≥18.2(ΜΩ·cm),自制;Sc(45)、Ge(72)、In(115)、Bi(209)內(nèi)標(biāo)液(各50 ppb) 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;B、Al、Mn、Cu單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 國家鋼鐵材料測試中心;Cr、Ni、Zn、Se、Cd、Sn、Hg、Pb單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;所有單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度均為1000 mg/L;生物標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)扇貝(GBW10024) 中國物理地球化學(xué)勘查研究所。

Agilent電感耦合等離子體質(zhì)譜儀7900 美國Agilent Technologies公司;Milestone ETHOS UP大微波消解儀 意大利Milestone公司;Mettler MS204S電子分析天平 德國梅特勒公司;Milli-Q超純水機(jī) 美國密理博公司;大龍DRAGON移液槍10～100和100～1000 μL各一支及槍頭若干 北京大龍興創(chuàng)實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 采購回來的魚放置在-18 ℃冰箱凍藏以備使用。在常溫下解凍,先稱量體重和測量體長,然后解剖,去掉內(nèi)臟、魚鰓、魚鱗等,取全部可食肌肉去皮后進(jìn)行樣品測定。魚肉切分后,均勻打碎。置于消解管中稱取1 g,精確至小數(shù)點后0.0001 g,加入硝酸5 mL,雙氧水2 mL,水1 mL,采用微波消解處理樣品。微波消解升溫曲線如表1所示。樣品消解完后取出消解管,放入控溫消解器中100 ℃趕酸至近干,取下冷卻,轉(zhuǎn)移到容量瓶中,用超純水定容至50 mL,待分析。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion procedure

1.2.2 儀器的工作條件 儀器開機(jī)穩(wěn)定后,用質(zhì)譜調(diào)諧液進(jìn)行調(diào)諧,得到最佳的靈敏度,最低的氧化物、雙電荷干擾以及較好的分辨率。把樣品管依次插入空白溶液、供試品溶液中,內(nèi)標(biāo)管插入內(nèi)標(biāo)溶液中,調(diào)用儀器內(nèi)置的半定量掃描方法,進(jìn)行半定量掃描,選擇合適的內(nèi)標(biāo)元素,制定合理的標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍及確定樣品的稀釋倍數(shù)。運(yùn)行工作參數(shù)為:等離子體氣(氬氣)流速15.0 L/min;射頻功率1550 W;載氣(氬氣)流速1.0 L/min;霧化室溫度2 ℃;采樣錐孔徑1.0 mm;截取錐孔徑0.4 mm;進(jìn)液速度0.40 r/s;進(jìn)液時間20 s;穩(wěn)定時間20 s,重復(fù)次數(shù)3次。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的制備及標(biāo)準(zhǔn)曲線制作 以2% HNO3溶液做介質(zhì),將不同元素的單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行逐級濃度稀釋,制備成混合標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液,最后配制成含待測物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)系列濃度如表2。

表2 各元素內(nèi)標(biāo)元素、標(biāo)準(zhǔn)曲線系列濃度Table 2 Internal standard elements,standard curve concentration

1.3 數(shù)據(jù)分析

實驗中所需數(shù)據(jù)以Excel 2010軟件統(tǒng)計并計算,結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 干擾及消除方法的選擇

對于ICP-MS而言,干擾分為質(zhì)譜干擾和非質(zhì)譜干擾。質(zhì)譜干擾即不能分辨的相同質(zhì)量的干擾,主要有同量異位素、多原子、雙電荷離子等。質(zhì)譜干擾的解決辦法主要有:選擇無干擾同位素(如137Ba代替138Ba)、最佳化儀器條件,消除基體,干擾校正方程等[25]。非質(zhì)譜干擾主要源于樣品基體,如溶解性固體、高質(zhì)量元素和易電離元素?？朔w效應(yīng)的最有效的方法是稀釋樣品、內(nèi)標(biāo)校正、標(biāo)準(zhǔn)加入、基體消除等。本實驗采用的是最佳化儀器條件、通過氦氣碰撞,選擇待測元素合適的同位素來避免多原子離子干擾。為減少儀器信號漂移和基體干擾的影響程度,本實驗采用內(nèi)標(biāo)法定量,根據(jù)各待測元素的質(zhì)量數(shù)、相對豐度及同位素所產(chǎn)生的的多原子離子干擾情況,選用加入混合內(nèi)標(biāo)元素Sc(45)、Ge(72)、In(115)、Bi(209)作為待測元素的內(nèi)標(biāo)元素(濃度),改善各待測元素的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性(見表2)。

2.2 微波消解液的選擇

比較了HNO3-H2O消解體系(5 mL HNO3,3 mL H2O)、HNO3-H2O2-H2O(5 mL HNO3,2 mL H2O2,1 mL H2O)的消解效果,以消解后溶液的澄清度為指標(biāo)。魚肉基體復(fù)雜,加入適量的H2O2效果更好,因為加入后消解液顏色較淺,保證消解更完全,最終選擇HNO3-H2O2-H2O來進(jìn)行樣品的消解,該體系氧化性較強(qiáng),加速樣品的消解,同時加入過氧化氫能降低氮?dú)獾尼尫?也不會產(chǎn)生多原子離子干擾[26]。消解后溶液顏色對比見圖1(A為HNO3-H2O消解體系,B為HNO3-H2O2-H2O消解體系),肉眼判斷,加入H2O2后顏色變淺,消解更徹底。

圖1 消解后溶液顏色對比Fig.1 Color contrast of solutions after digestion

2.3 線性參數(shù)和檢出限

按照1.2.3所述系列標(biāo)準(zhǔn)溶液,按上述實驗條件進(jìn)行測定,儀器自動繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,以元素溶液濃度為橫坐標(biāo),待測元素的響應(yīng)值(離子計數(shù)CPS)與對應(yīng)的內(nèi)標(biāo)元素響應(yīng)值為縱坐標(biāo),擬合后得到線性回歸方程。各元素的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程、線性范圍、相關(guān)系數(shù)見表3,本實驗選擇的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線符合ICP-MS的動態(tài)檢測范圍,覆蓋樣品測定的濃度,所有元素的線性方程相關(guān)系數(shù)r在0.9991～1.0000(Hg為0.9921)。用樣品空白溶液連續(xù)進(jìn)樣20次,以測量值標(biāo)準(zhǔn)偏差(δ)的3倍所對應(yīng)的濃度值為檢出限,10倍所對應(yīng)的濃度值為定量限[27-28],通過計算,方法的檢出限在0.00074～2.2 μg/kg,定量限在0.0025～7.1 μg/kg。

表3 線性參數(shù)、檢出限和定量限Table 3 Linearity parameters,detection limits and quantitation limits

2.4 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測定

為驗證本試驗方法的準(zhǔn)確性和可靠性,在選擇的實驗步驟和操作條件下對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了測定。取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)扇貝約1 g,用萬分之一天平稱量[28],按照前述1.2方法,平行制備3份,測定。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值和測定值見表4,結(jié)果表明標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)扇貝中B、Al、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Se、Cd、Hg元素的測定值均在標(biāo)準(zhǔn)值規(guī)定的范圍內(nèi),證明該試驗方法準(zhǔn)確可靠(n=3)。

表4 扇貝的標(biāo)準(zhǔn)值與測定值(n=3)Table 4 Analytical results of scallop(n=3)

2.5 樣品的加標(biāo)回收率

為了考察方法的準(zhǔn)確度,在已知含量的實際樣品中分別加入不同濃度的待測元素的標(biāo)準(zhǔn)溶液做三次平行試驗。取帶魚的肌肉約1.0 g,精密稱定,按照表5設(shè)計的三個水平加標(biāo),平行制備樣品3份,測定結(jié)果見表5。加標(biāo)回收率為81.8%～110.0%,RSD為3.2%～9.1%,表明該方法的重復(fù)性及準(zhǔn)確性較好。

表5 加標(biāo)回收率與精密度(n=3)Table 5 Results of the recovery and precision(n=3)

2.6 樣品的實際測定

應(yīng)用本實驗方法檢測從市場購買的6種海魚,分別是帶魚、白鯧、金鯧、大黃花魚、小黃花魚、午筍魚。按照1.2所述方法進(jìn)行前處理并進(jìn)行測定,測定結(jié)果如表6。

根據(jù)GB 2762-2017《食品中污染物限量》[29]規(guī)定,Cr、Cd、Pb三種有害元素的限量標(biāo)準(zhǔn)分別是Cr≤2.0 mg/kg、Cd≤0.1 mg/kg、Pb≤0.5 mg/kg。由表6可以看出,6種海魚肌肉中Cr、Cd、Pb元素均檢出,但是遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量;通過測定結(jié)果可以看出,魚的種類不同,元素的含量有明顯差異。該實驗條件下測定的是總汞含量,由于水產(chǎn)品本身的生物富集效應(yīng),檢測毒性比較大的甲基汞來反映水產(chǎn)品的受污染水平。根據(jù)國標(biāo)要求,對于制定甲基汞限量的食品可先測定其總汞,總汞水平超過限量值時,需要再測定甲基汞,通過測定總汞結(jié)果,所有樣品遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量(甲基汞≤0.5 mg/kg)。Zn、Se、Cu、Cr是人體所需的必需微量元素,本次檢測的6種深海魚含量從高到低是Zn>Se>Cu>Cr,其中Zn含量范圍(3.72～22.1 mg/kg)、Se含量范圍(0.162～0.391 mg/kg)、Cu含量范圍(0.095～0.334 mg/kg)、Cr含量范圍(0.003～0.054 mg/kg)。參照中國居民膳食營養(yǎng)素參考攝入量WA/T578.3-2017[30],針對營養(yǎng)素需求最多的孕婦和乳母群體,Zn推薦攝入量(RNI)分別為9.5、12 mg/d,Se推薦攝入量(RNI)分別為65、78 μg/d,帶魚、大黃花魚肌肉中Zn含量高達(dá)22.1、21.7 mg/kg,小黃花魚肌肉中Se含量高達(dá)0.391 mg/kg。硒在人體內(nèi)無法合成,要滿足人體對硒的需求,需要依靠外界獲取,而人體硒的主要來源是食物[31],以上數(shù)據(jù)可以看出受檢魚類中含有比較豐富的微量元素Zn、Se,是孕婦和乳母等特殊群體比較好的食物來源。B、Ni、Mn是人體可能必需的微量元素,Al、Sn具有潛在毒性,但在低劑量時,對人體可能是有益的微量元素,GB2762-2017對油脂及其制品的Ni、罐頭食品中溶出Sn進(jìn)行限量規(guī)定,因此自然條件下魚類對Al、Ni和Sn的富集可作為風(fēng)險監(jiān)測的項目。Sn元素大部分未檢出,小黃花魚0.001 mg/kg,說明6種海魚這種元素的風(fēng)險非常低。Mn可以促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育,保護(hù)細(xì)胞中細(xì)粒體的完整,保持正常的腦功能,維持正常的糖代謝和脂肪代謝,并可改善肌體的造血功能[32],受檢的6種海魚中,Mn平均含量有差異,其中帶魚含量最高,為13.3 mg/kg,白鯧次之,為4.47 mg/kg。6種海魚肌肉中,白鯧魚B元素含量最高為0.428 mg/kg,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于植物性食物[33]。

表6 6種海魚樣品各元素含量(n=3)Table 6 Contents of elements in 5 deep-sea fish samples(n=3)

3 結(jié)論

本文建立了微波消解-ICP-MS法同時測定6種深海魚肌肉中B、Al、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Sn、Cd、Hg、Se、Pb共12種元素的分析方法,對測定過程中的條件進(jìn)行了優(yōu)化,并進(jìn)行了方法的檢出限和加標(biāo)回收率實驗,結(jié)果表明:各元素檢出限低,線性關(guān)系良好,相關(guān)系數(shù)(r)在0.9991～1.0000(Hg為0.9921),檢出限為0.00074～2.2 μg/kg,加標(biāo)回收率在81.8%～110.0%之間,說明該方法準(zhǔn)確可靠,靈敏度高,適合魚肉中多元素含量的測定。通過對市場上6種海魚的肌肉進(jìn)行檢測,發(fā)現(xiàn)Cd、Cr、Pb、Hg四種元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限量,說明實驗受檢樣品安全風(fēng)險較低,4種必需微量元素中,Zn>Se>Cu>Cr,其中Zn含量范圍(3.72～22.1 mg/kg)、Se含量范圍(0.162～0.391 mg/kg)、Cu含量范圍(0.095～0.334 mg/kg)、Cr含量范圍(0.003～0.054 mg/kg),帶魚、大黃花魚富含Zn,小黃花魚富含Se等人體必需微量元素,是乳母、孕婦等特殊群體良好的膳食選擇。其他居民消費(fèi)量比較大的海魚品種本文沒有納入檢測范圍,有必要在后續(xù)工作中進(jìn)一步進(jìn)行檢測研究。