電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜測定水產(chǎn)品中的痕量重金屬元素

李愛陽，伍素云，劉寧，劉水林

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

近年來，我國毒膠囊和毒大米事件爆發(fā)，由重金屬元素超標(biāo)所引發(fā)的安全隱患已經(jīng)成為比較突出的問題。重金屬能在生物體內(nèi)積累產(chǎn)生毒性，對生物體的各個系統(tǒng)造成危害，尤其是重金屬As、Cd、Hg、Pb是眾所周知的毒理性元素[1]。水產(chǎn)品對重金屬等微量元素具有較強(qiáng)的富集作用[2]，水體中的重金屬元素極易被水產(chǎn)品吸收并通過食物鏈進(jìn)入人體，長期攝入重金屬元素會引發(fā)各類疾病[3]。因此，世界各國及各級組織的法規(guī)均制定了重金屬元素的限量標(biāo)準(zhǔn)，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017和中國藥典2015均嚴(yán)格限定了食品和藥品中重金屬元素的最大濃度[4-6]。

目前，水產(chǎn)品中重金屬元素的測定已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道，主要包括原子吸收光譜(atomic absorption spectroscopy, AAS)法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emmission spectrometry, ICP-OES)法和電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)法[7-10]，其中ICP-MS法所擁有的高靈敏度、低檢出限以及多元素的快速分析性能，完全可以取代其他無機(jī)分析技術(shù)，已成為痕量元素分析的最強(qiáng)大工具和最有效手段。在ICP-MS的復(fù)雜基質(zhì)樣品分析中，消除由低質(zhì)量元素(m/z≤80 amu)所形成的多原子離子干擾、同量異位素干擾以及雙電荷離子的干擾所構(gòu)成的質(zhì)譜干擾仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。碰撞/反應(yīng)池(collision reaction cell, CRC)技術(shù)為消除質(zhì)譜干擾提供了通用方法[11]，在He碰撞模式下，相同質(zhì)量的多原子離子比單原子離子橫截面更大，與He發(fā)生碰撞的次數(shù)比分析離子多，能量損失更多。根據(jù)碰撞后的能量差異，利用偏置電壓將分析離子與多原子離子分離，從而消除多原子離子干擾[12]，但He碰撞模式導(dǎo)致能量損失會降低分析元素的傳輸效率，影響分析元素的信號強(qiáng)度，對于痕量元素的分析靈敏度嚴(yán)重下降，He碰撞模式不適合痕量重金屬元素的測定；在反應(yīng)模式下，可以利用干擾離子與分析離子反應(yīng)化學(xué)上的差異來消除干擾，然而，發(fā)生不可預(yù)知的副反應(yīng)所形成新的質(zhì)譜重疊仍然有可能干擾分析離子，限制了反應(yīng)模式的廣泛應(yīng)用。因此，對于復(fù)雜基質(zhì)中痕量重金屬元素的測定，迫切需要建立能更好消除質(zhì)譜干擾的新方法。

電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)利用雙重四極桿質(zhì)量過濾器對來自等離子體(inductively coupled plasma, ICP)的離子進(jìn)行選擇，從而全面控制CRC中的離子或分子發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，充分發(fā)揮了反應(yīng)模式的最大的潛能[13-16]。配置在ICP和CRC之間的第一級四極桿質(zhì)量過濾器(Q1)只允許指定m/z的離子進(jìn)入CRC，將大量干擾離子排除在CRC外；配置于CRC和檢測器之間的第二級四極桿質(zhì)量過濾器(Q2)僅選擇從CRC中出來的分析離子，將干擾離子排除在檢測器外，經(jīng)過2次過濾幾乎可以無干擾測定分析離子。本文采用ICP-MS/MS測定水產(chǎn)品中的痕量重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb，提出了在MS/MS模式下利用O2為反應(yīng)氣消除質(zhì)譜干擾的新策略，旨在為水產(chǎn)品中多個痕量重金屬元素的快速、準(zhǔn)確測定提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

100 mg/L的Cr、Ni、As、Cd、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；10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi多元素混合內(nèi)標(biāo)溶液(p/n 5183-4681)，美國Agilent公司；亞沸蒸餾提純質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的HNO3；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%、30% H2O2，德國Merck公司；扇貝成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10024)，中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所；5類常見水產(chǎn)品樣品(小龍蝦、草魚、明蝦、扇貝、魷魚)為大型超市購買的非干制新鮮品，在-20 ℃冰箱中保存；實(shí)驗(yàn)用水為Milli超純水(電阻率大于18.2 MΩ·cm)。

1.2 儀器及設(shè)備

Agilent 8800型ICP-MS/MS儀，美國Agilent公司。配備玻璃同心霧化器、Scott型雙通道霧化室、Ni錐、MARs 5密閉微波消解系統(tǒng)，美國CEM公司。Milli-Q超純水機(jī)，美國Millipore公司。本實(shí)驗(yàn)采用ICP-MS/MS在MS/MS模式消除質(zhì)譜干擾的工作原理見圖1。

圖1 在O2反應(yīng)模式下消除質(zhì)譜干擾的原理Fig.1 Mechanism of spectral interferences eliminating in the O2 reaction mode

1.3 樣品前處理

水產(chǎn)品在室溫解凍后用陶瓷刀選取可食用部分，用超純水清洗3次，瀝干水分進(jìn)行勻漿。準(zhǔn)確稱取勻漿樣品0.500 0 g于微波消解罐中，依次加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%的HNO34 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%的HCl 1 mL和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的H2O21 mL，密封好罐蓋后進(jìn)行消解。微波消解最大功率中明顯地看出雞肉樣品隨著燉煮次數(shù)的改1 600 W，消解過程分3步進(jìn)行：第1步升溫時(shí)間5 min，控制溫度120℃；第2步升溫時(shí)間3 min，控制溫度150 ℃，保持時(shí)間5 min；第3步升溫時(shí)間5 min，控制溫度185 ℃，保持時(shí)間15 min。消解程序完成后自動冷卻至室溫，用超純水將透明消解溶液轉(zhuǎn)移至200 mL容量瓶中定容，搖勻后在優(yōu)化的操作條件下測定空白溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液，利用T型內(nèi)標(biāo)混合接頭將1 mg/L的多元素內(nèi)標(biāo)溶液在線加入到所有測試溶液中，用來校正基體效應(yīng)以保持元素分析信號的穩(wěn)定。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

ICP-MS/MS調(diào)諧優(yōu)化后的操作條件：射頻功率，1 550 W；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(bǔ)償氣流速，0 L/min；采樣深度，8.0 mm；數(shù)據(jù)采集，MS/MS模式；CRC氣體，O2；O2流速，0.30 mL/min；八極桿偏置電壓，-18 V；KED偏置電壓，-8 V；目標(biāo)同位素，52Cr、60Ni、75As、111Cd、202Hg、208Pb。

采用體積分?jǐn)?shù)2%的HNO3溶液配制Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化的ICP-MS/MS操作條件下對系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液、空白溶液和樣品溶液進(jìn)行測定。以待測元素信號強(qiáng)度與內(nèi)標(biāo)元素信號強(qiáng)度的比值對標(biāo)準(zhǔn)溶液所對應(yīng)的濃度進(jìn)行線性回歸，根據(jù)ICP-MS/MS自帶的MassHunter工作站數(shù)據(jù)處理軟件自動建立校準(zhǔn)曲線，從而獲得樣品溶液中分析元素的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 干擾及消除

水產(chǎn)品中含有Na、Cl等高水平的基質(zhì)元素，會對52Cr、60Ni、75As的測定形成嚴(yán)重質(zhì)譜干擾，而111Cd、202Hg、208Pb的主要質(zhì)譜干擾來自95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+?？疾炝瞬煌|(zhì)譜模式下干擾離子對分析元素的干擾程度以及消除效果，結(jié)果見表1。在單四極桿(SQ，Q1僅作為離子運(yùn)行通道)模式下不使用碰撞氣或反應(yīng)氣(無氣體)，由于沒有消除干擾，52Cr、60Ni、75As的背景等效濃度(background equivalent concentration, BEC)很大，無法獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC很小，說明干擾離子95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+分別對111Cd、202Hg、208Pb的干擾可忽略不計(jì)。在SQ模式下采用He碰撞氣，由于消除了多原子離子質(zhì)譜干擾，52Cr、60Ni、75As的BEC顯著降低，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC反而增大，表明He碰撞模式不適合111Cd、202Hg、208Pb的測定。

綜上所述，對于Cr、Ni、As的測定，本實(shí)驗(yàn)采用MS/MS的O2反應(yīng)模式消除干擾，而對于Cd、Hg、Pb的測定，無需消除干擾，在SQ的無氣體模式下進(jìn)行測定。

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

樣品溶液、標(biāo)準(zhǔn)溶液和空白溶液之間的基質(zhì)組成存在差異，導(dǎo)致這些溶液在ICP以及霧化室中的提升速率、傳輸效率和霧化效應(yīng)的不同產(chǎn)生誤差，形成基體效應(yīng)[20]。本實(shí)驗(yàn)選擇具有相似行為的內(nèi)標(biāo)元素作為參照物進(jìn)行校正，由于52Cr、60Ni、75As在測定過程中發(fā)生了質(zhì)量轉(zhuǎn)移，內(nèi)標(biāo)元素的選擇變得復(fù)雜。在MS/MS的O2反應(yīng)模式下，內(nèi)標(biāo)45Sc+能與O2反應(yīng)生成45Sc16O+，與52Cr+、60Ni+、75As+的質(zhì)譜行為相似，且45Sc16O+的質(zhì)量與52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+接近，本實(shí)驗(yàn)選擇45Sc16O+為內(nèi)標(biāo)校正了52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+測定過程中的基體效應(yīng)，而111Cd、202Hg、208Pb的測定過程中沒有發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移，本實(shí)驗(yàn)選擇115In為111Cd的內(nèi)標(biāo)元素，選擇209Bi為202Hg和208Pb的內(nèi)標(biāo)元素校正了基體效應(yīng)。

2.2 反應(yīng)氣O2流速的優(yōu)化

在CRC內(nèi)，發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的程度以及生成產(chǎn)物離子的濃度均取決于O2流速，因此，O2流速影響分析信號的強(qiáng)度?？疾炝瞬煌腛2流速下，采用ICP-MS/MS法測定扇貝成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW10024)中Cr、Ni、As的含量，將測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)證值進(jìn)行對比，以確定最佳的O2流速，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，隨著O2流速的增大，Cr、Ni、As的測定值逐漸接近認(rèn)定值，質(zhì)譜干擾逐漸得到消除，當(dāng)O2流速達(dá)到0.25 mL/min時(shí)，Cr、Ni、As的測定值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的認(rèn)證值基本一致，隨后增大O2流速，Cr、Ni、As的測定值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明質(zhì)譜干擾已經(jīng)完全消除，為確保質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)進(jìn)行得更徹底，本實(shí)驗(yàn)最終確定O2的優(yōu)化流速為0.3 mL/min。

圖2 反應(yīng)氣O2的流速的優(yōu)化Fig.2 Optimization of the O2 reaction gas flow rate

2.3 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與檢出限

配制不同濃度的Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用ICP-MS/MS進(jìn)行測定，得到分析元素的校準(zhǔn)曲線數(shù)據(jù)。以連續(xù)測定11次空白溶液分析元素信號強(qiáng)度的3倍和10倍標(biāo)準(zhǔn)偏差所對應(yīng)的濃度分別為儀器的檢出限(limit of detection, LOD)和定量限(limit of quantitation, LOQ)[21]。通過表2可以看出，各元素的線性相關(guān)系數(shù)≥0.999 8，線性關(guān)系良好；Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的LOD分別為3.01、4.28、2.94、0.85、2.62、0.97 ng/L。

表2 分析元素的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)與檢出限Table 2 Calibration data and the limits of detection (LOD) for analytes

2.4 準(zhǔn)確性和精密度驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析方法的準(zhǔn)確性和精密度，采用ICP-MS/MS對國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)扇貝(GBW10024)重復(fù)測定6次，結(jié)果見表3。6個分析元素的測定結(jié)果與國家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)的認(rèn)證值基本一致，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)≤4.65%，驗(yàn)證了所建立的分析方法準(zhǔn)確度好，精密度高。

表3 采用ICP-MS/MS測定標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)扇貝(GBW10024)的分析結(jié)果(n=6)Table 3 Results obtained for analytes in standard reference material scallop (GBW10024) using ICP-MS/MS (n=6)

2.5 水產(chǎn)品分析

采用所建立的方法測定了5類常見水產(chǎn)品樣品(小龍蝦、草魚、明蝦、扇貝、魷魚)中重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，每個樣品重復(fù)測定6次。從表4可以看出，5類水產(chǎn)品中重金屬元素的含量均處于較低水平，其中，扇貝中Cr、Cd、Hg、Pb的含量最高，明蝦中Ni的含量最高，魷魚中As的含量最高，草魚中重金屬元素Cr、Cd、Hg、Pb的含量均為最低，魷魚中的Ni含量最低，小龍蝦中As的含量最低。本實(shí)驗(yàn)海水產(chǎn)品(明蝦、扇貝、魷魚)中的重金屬元素的含量整體水平高于淡水產(chǎn)品(小龍蝦、草魚)，其中以扇貝尤為突出。

表4 采用ICP-MS/MS測定水產(chǎn)品的分析結(jié)果(n=6) 單位：ng/g

3 結(jié)論

采用ICP-MS/MS法準(zhǔn)確測定了水產(chǎn)品中重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，水產(chǎn)品經(jīng)微波消解后直接進(jìn)樣分析，在MS/MS模式下，利用O2質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除了Cr、Ni、As測定過程中的質(zhì)譜干擾，通過優(yōu)選內(nèi)標(biāo)元素校正了基體效應(yīng)。采用所建立的方法分析了5類常見水產(chǎn)品，所有樣品的重金屬元素的含量均處于較低水平。本研究為水產(chǎn)品中多個重金屬元素的高通量準(zhǔn)確分析提供了新方法。