熱轉(zhuǎn)換元素分析-同位素比質(zhì)譜法測(cè)定低氘包裝飲用水中氘含量

韓 莉，劉 迪，余婷婷

（湖北省食品質(zhì)量安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，湖北 武漢 430074）

自然界的水中，氘含量約為150 μg/g（δ2H：－37‰）。研究表明，氘對(duì)生命體的生存和繁衍有害，可以導(dǎo)致衰老、病變、癌變等[1-3]。含氘量偏低的低氘水能影響細(xì)胞分化過程[4]，具有一系列的生物學(xué)效應(yīng)，如抗腫瘤、抗氧化、防衰老、抗輻射、降血壓、保護(hù)心血管系統(tǒng)等，在保健品、化妝品以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大應(yīng)用價(jià)值[5]。自然界中的低氘水主要以冰川水的形式存在，氘含量約為130 μg/g（δ2H：－165‰），實(shí)驗(yàn)室可以通過同位素真空蒸餾法制備氘含量為20～110 μg/g（δ2H：－871‰～－294‰）的低氘水[6-7]。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有一些廠商加工生產(chǎn)了不同規(guī)格純天然和人工低氘包裝飲用水產(chǎn)品，價(jià)格昂貴，原料水產(chǎn)地各異，標(biāo)簽標(biāo)識(shí)氘含量為25～146 μg/g（δ2H：－839‰～－60‰），這些產(chǎn)品已經(jīng)在市場(chǎng)和網(wǎng)絡(luò)電商平臺(tái)上廣泛流通，有些產(chǎn)品已成為癌癥病人的輔助治療飲用水。

目前我國(guó)關(guān)于低氘水中氘含量測(cè)定的研究較少，尚無對(duì)此類包裝飲用水的氘含量定量分析的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，使得低氘水的生產(chǎn)和銷售市場(chǎng)監(jiān)管缺乏技術(shù)支撐。水中氘同位素測(cè)試主要是金屬還原法[8-10]和H2-H2O平衡法[10-12]。低氘水中的氘含量分析需要通過前處理將液態(tài)水中的氘轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，然后通過檢測(cè)儀器進(jìn)行定量分析，一般有氣相色譜法，質(zhì)譜法、核磁共振法。氣相色譜法用金屬鎂在500 ℃高溫下將超輕水分解為氣體，然后高溫下以高純H2為載氣，分子篩作為色譜柱，進(jìn)行超輕水中氘含量的檢測(cè)[13]；質(zhì)譜法采用疏水鉑催化H2-H2O平衡法以及穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀作為低氘水中氘定量檢測(cè)方法，測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（relative standard deviation，RSD）在1%以內(nèi)[14]；核磁共振法利用氫、氘譜結(jié)合對(duì)氘元素進(jìn)行定量檢測(cè)，國(guó)內(nèi)鮮見報(bào)道。上述方法存在記憶效應(yīng)明顯、成本高、用樣量大、對(duì)反應(yīng)溫度穩(wěn)定性要求高等缺點(diǎn)，普適性不強(qiáng)。因此，建立一種高精度、高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、低成本的測(cè)試方法滿足低氘包裝飲用水中氘含量的分析測(cè)定十分必要。

同位素質(zhì)譜（isotope ratio mass spectrometry，IRMS）分析技術(shù)在食品真實(shí)性鑒別和來源解析方面有較廣泛的應(yīng)用[15-18]，碳還原高溫?zé)徂D(zhuǎn)換原理的測(cè)試技術(shù)可以用于固體和液體樣品中碳、氮、氫、氧、硫等穩(wěn)定同位素組成的測(cè)定[18-22]。經(jīng)過不斷建立和完善，熱轉(zhuǎn)換元素分析（thermal conversion/elemental analysis，TC/EA）-IRMS測(cè)定水中氘同位素技術(shù)已經(jīng)比較成熟[23-25]。劉運(yùn)德等[24]采用熱轉(zhuǎn)換元素分析同位素比質(zhì)譜法實(shí)現(xiàn)了在線單次分析過程中測(cè)定微量水中δD和δ18O，用樣量?jī)H需0.2 μL，氘的測(cè)試精度為0.81‰。楊斌等[25]采用TC/EAIRMS法對(duì)不同品牌飲用水中氫同位素δD進(jìn)行測(cè)定，并比較了該方法與水平衡-同位素比質(zhì)譜法測(cè)定值的差異（0.6±1.59）‰。本實(shí)驗(yàn)將采用TC/EA-IRMS技術(shù)對(duì)低氘包裝飲用水中的氘同位素值比值δD測(cè)定適用性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，根據(jù)氘同位素比值理論公式計(jì)算得到氘含量，建立低氘包裝飲用水中氘含量的測(cè)試方法，以期為低氘包裝飲用水品質(zhì)和真實(shí)性的監(jiān)測(cè)和管控提供有效的理論依據(jù)，保障人民健康和消費(fèi)者權(quán)益。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

He、H2（純度≥99.999%） 武漢紐瑞德貿(mào)易有限公司；VSMOW維也納平均海洋水（δ2H：0‰）、GISP格林蘭冰雪融水（δ2H：－189.5‰） 國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)；貧氘水（氘含量＜1 μg/g） 美國(guó)Sigma公司；礦泉水為市售農(nóng)夫山泉礦泉水；超純水為實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

TC/EA-IRMS聯(lián)機(jī)系統(tǒng)（Flash 2000HT元素分析單元、Conflo IV連續(xù)流接口裝置和DELTA V Advantage穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀聯(lián)合組成）、AS3000液體樣品自動(dòng)進(jìn)樣器 美國(guó)Thermo Fisher Scienti fic公司；激光液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀 美國(guó)LGR公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品制備與貯存

標(biāo)準(zhǔn)水樣和樣品水樣密封保存在4 ℃冰箱，取樣前拿到測(cè)試房回至室溫，樣品瓶打開后立即取樣，剩余標(biāo)準(zhǔn)水樣和樣品水樣轉(zhuǎn)移至玻璃頂空瓶，用壓蓋器將頂空瓶蓋壓緊，封口膜密封，置于4 ℃冰箱保存。

1.3.2 測(cè)試方法

采用0.22 μm微孔濾膜過濾樣品適量，移取2 mL水樣裝滿進(jìn)樣瓶，用內(nèi)襯有密封隔墊的螺旋孔蓋密封，進(jìn)樣瓶?jī)?nèi)不留頂空。自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)樣體積0.1 μL，反應(yīng)爐溫度1 380 ℃，柱溫箱溫度85 ℃，載氣He流速100 mL/min。每個(gè)水樣進(jìn)行4～6 次分析。液態(tài)水在液體進(jìn)樣器進(jìn)樣口氣化，由He引入玻璃化碳管（填料為表面粗糙的玻璃碳），高溫條件下裂解為H2和CO，在氣相分離單元分離后進(jìn)入DELTA V質(zhì)譜主機(jī)。H2在真空條件下電離產(chǎn)生[H2]+和[HD]+離子束，并在聚焦磁場(chǎng)中分離進(jìn)入特定的法拉第接受杯，再由不同電阻值的放大器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，完成δ2H的測(cè)試。

1.3.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.3.1 記憶效應(yīng)對(duì)結(jié)果的影響實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證方法中記憶效應(yīng)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，對(duì)自來水、凈化水、礦泉水、VSMOW、GISP、DDW-1、DDW-2、DDW-3進(jìn)行氫同位素分析。其中DDW-1～DDW-3為低氘包裝飲用水樣。

1.3.3.2 頂空體積對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響

分別取0.5、1、2 mL（不留頂空）VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣于2 mL進(jìn)樣樣品瓶，旋緊螺旋孔蓋（孔蓋不要擰過緊），分別對(duì)3 瓶水樣進(jìn)行氫同位素測(cè)試。

1.3.3.3 氘含量測(cè)定范圍確證

用貧氘水（＜1 μg/g，可忽略不計(jì)）稀釋VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣至氘含量范圍15.571～155.760 μg/g，稀釋GISP標(biāo)準(zhǔn)水樣至氘含量范圍12.624～126.243 μg/g，對(duì)稀釋后的VSMOW和GISP標(biāo)準(zhǔn)水樣進(jìn)行氘含量測(cè)試。

1.4 氘含量測(cè)試和計(jì)算原理

TC/EA-IRMS法測(cè)定水氫同位素比值的基本原理：在高溫條件下，水與碳粒迅速反應(yīng)，定量生成H2，然后在He載氣攜帶下經(jīng)恒溫色譜柱分離，反應(yīng)式見式（1），分別導(dǎo)入同位素比質(zhì)譜儀的離子源內(nèi)，順序測(cè)定水的穩(wěn)定氫同位素組成，與參考物質(zhì)比較得出水中氫穩(wěn)定同位素比值（2H/1H），并以千分差的形式表達(dá)（δ2H/‰）。由于進(jìn)樣針取水樣時(shí)會(huì)存在交叉污染，因此需注意消除記憶效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)進(jìn)樣瓶中的空氣與水樣會(huì)發(fā)生氫交換而產(chǎn)生氫同位素分餾，氫穩(wěn)定同位素比值測(cè)試過程需要防止空氣中的水分對(duì)IRMS測(cè)定的干擾。

通過公式計(jì)算水中氘含量X（D）推算原理如下：

水中穩(wěn)定氫同位素比值計(jì)算如式（2），可用式（3）表示：

式中：RVSMOW＝155.76×10－6，為國(guó)際公認(rèn)數(shù)據(jù)，表示維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海洋水中氘同位素和氕同位素摩爾百分含量之比。

如式（4）所示，水中氫同位素比Rsample為氘同位素摩爾百分含量X（D）與氕同位素摩爾百分含量X（H）之比，其中X（D）+X（H）＝1，因此式（4）可轉(zhuǎn)換為式（5）：

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

IRMS系統(tǒng)的性能優(yōu)劣是確定水轉(zhuǎn)化的H2中氫穩(wěn)定同位素比值能否被認(rèn)可的重要指標(biāo)。驗(yàn)證IRMS系統(tǒng)的測(cè)定穩(wěn)定性，連續(xù)10 次通入固定體積的高純H2氣體，測(cè)定H2中δ2H，結(jié)果見表1。其標(biāo)準(zhǔn)偏差（standard deviation，SD）為0.192‰，穩(wěn)定性較好。

表1 IRMS系統(tǒng)穩(wěn)定性Table 1 Stability of IRMS system

2.2 記憶效應(yīng)對(duì)水δ2H測(cè)定影響

圖1 TTCC/EA-IRMSS 測(cè) 試水中δ2H值記憶效應(yīng)Fig. 1 Schematic diagram of δ2H value memory effect in TC/EA-IRMS testing

如圖1所示，8 個(gè)水樣的第1次測(cè)定值受前一次測(cè)試的影響而產(chǎn)生了記憶效應(yīng)，相對(duì)于參考?xì)猞?H值比較偏負(fù)的GISP和DDW-3受記憶效應(yīng)影響較大。以VSMOW剔除數(shù)據(jù)后的δ2H值SD變化為例，分別剔除1～3 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，SD值變化如圖2所示，剔除第1個(gè)點(diǎn)，SD可由1.31‰減小至0.54‰，剔除2 個(gè)點(diǎn)可降至0.35‰，再繼續(xù)剔除其SD已無明顯變化。剔除圖1中每個(gè)水樣測(cè)試的第1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，處理得到的結(jié)果如圖3所示，記憶效應(yīng)消除明顯。

圖2 剔除數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)與VSMOW δ2H測(cè)定值SSDD變化Fig. 2 Relationship of SD value of VSMOW δ2H with removal of data points

圖3 記憶效應(yīng)消除后水中δ2HH值Fig.3 δ2H values in waters after memory effect was eliminated

為了消除記憶效應(yīng)，可以將水樣在分析測(cè)試之前進(jìn)行預(yù)測(cè)并分類，按氫同位素組成接近的水樣歸為一批次，將氫同位素組成接近的水樣進(jìn)行同批次測(cè)試；水樣分析前，用待測(cè)水樣清洗進(jìn)樣針至少3 次；對(duì)每個(gè)水樣進(jìn)行多次測(cè)試分析（不少于4 次），剔除第1～2個(gè)數(shù)據(jù)后取平均值作為最終結(jié)果。

2.3 樣品瓶頂空體積對(duì)水δ2H測(cè)定影響

水的蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生氫同位素分餾[26-27]，考慮到空氣中水分子的氫可能與水樣中的氫發(fā)生交換而使得水樣中的氫產(chǎn)生同位素分餾，影響水δ2H值測(cè)試的準(zhǔn)確性。本研究設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)，考察樣品瓶頂空體積對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。如圖4所示，頂空體積對(duì)測(cè)試值有較小的影響，但是在短期內(nèi)影響不明顯。考慮到水樣測(cè)試時(shí)間可能較長(zhǎng)，盡可能將水樣充滿進(jìn)樣瓶不留頂空，減少與空氣的接觸，樣品更加穩(wěn)定，測(cè)試精度也更高。

圖4 樣品瓶頂空體積對(duì)VSMOW水樣影響Fig. 4 Effects of vial headspace volume on SD of VSMOW δ2H

2.4 TC/EA-IRMS測(cè)試低氘包裝飲用水氘含量的范圍確證

低氘水中氘含量極低，一般低于150 μg/g，由式（6）換算即為δ2HVSMOW值為－36.980‰，目前市面上氘含量低至25 μg/g的δ2HVSMOW值為－839.497‰，氫同位素比值差值達(dá)802.517‰，為驗(yàn)證該方法對(duì)低氘水氫同位素比值極負(fù)以及較寬范圍適用性，設(shè)計(jì)了相關(guān)系列實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見表2。VSMOW和GISP標(biāo)準(zhǔn)水樣在經(jīng)過貧氘水稀釋后，氘含量測(cè)定值與理論值相差范圍為0.007～0.618 μg/g。TC/EA-IRMS測(cè)試超輕水氘含量在12.624～155.760 μg/g范圍內(nèi)較準(zhǔn)確，測(cè)量值與理論值的RSD＜0.6%。

表2 貧氘水稀釋的不同氘含量標(biāo)準(zhǔn)水樣測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of standard water samples diluted with deuteriumdepleted water with different deuterium contents

如圖5所示，VSMOW和GISP標(biāo)準(zhǔn)水樣經(jīng)不同倍率稀釋后稀釋倍數(shù)和氘含量線性關(guān)系很好，線性相關(guān)系數(shù)均高達(dá)1。進(jìn)一步說明標(biāo)準(zhǔn)水樣中氘分布均勻，經(jīng)氘含量低于1 μg/g的貧氘水按比例稀釋后氘含量測(cè)定很準(zhǔn)確，TC/EA-IRMS法適用于氫同位素比值極負(fù)的水樣中氘含量的測(cè)定。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)水樣不同稀釋倍數(shù)和其氘含量測(cè)定值線性關(guān)系圖Fig. 5 Linear relationship between dilution factor and deuterium content

2.5 不同單點(diǎn)校正方式對(duì)結(jié)果的影響

水δ2H值表示樣品2H/1H測(cè)定值相對(duì)于VSMOW2H/1H測(cè)定值的千分差，對(duì)于貧氘水稀釋的GISP水樣，分別進(jìn)行VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣單點(diǎn)校正（校正1）、實(shí)驗(yàn)室配制的與不同稀釋比例GISP水樣δ2H值接近的VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣單點(diǎn)校正（校正2），結(jié)果見表3，氘含量的值由式（6）換算得到，直接由VSMOW對(duì)GISP稀釋水樣進(jìn)行單點(diǎn)校正，其δ2HVSMOW測(cè)定值與參考值SD高達(dá)2.785‰，如果用實(shí)驗(yàn)室稀釋的VSMOW標(biāo)準(zhǔn)水樣校正GISP水樣（稀釋后VSMOW水樣和GISP水樣δ2H差值小于100‰），δ2HVSMOW測(cè)定值與參考值的SD明顯減小，采用校正2的方式得到的氘含量測(cè)定值與參考值SD也明顯減小，但校正1方式下得到的氘含量測(cè)定值也在精度允許范圍內(nèi)。總之，校正方式對(duì)氫同位素比值范圍較廣的水氫同位素比值測(cè)定影響較大，最好采用校正標(biāo)準(zhǔn)水樣和樣品水樣的δ2H差值小于100‰，氘含量的定量分析與校正方式的選擇得到結(jié)果的偏差可以忽略不計(jì)。

表3 氫同位素分析結(jié)果校正方法對(duì)比Table 3 Comparison of correction methods for hydrogen isotope analysis resuullttss

2.6 方法穩(wěn)定性

按照上述樣品處理方式和儀器運(yùn)行程序，連續(xù)8 次測(cè)定同一瓶低氘包裝飲用水的δ2H值見表4，剔除第1個(gè)點(diǎn)后得到δ2H值的SD為0.548‰，經(jīng)計(jì)算得到的氘含量值SD為0.085 μg/g，重復(fù)性較好。

表4 水樣δ2HVSMOW值Table 4 δ2HVSMOW values of water sampless

在30 d內(nèi)分3 次測(cè)定質(zhì)控水樣中δ2H，測(cè)試值在－59.102‰～－60.804‰內(nèi)波動(dòng)，SD為0.55‰，δ2H值在15 d內(nèi)較穩(wěn)定，超過30 d后值趨向偏正，但在誤差允許范圍內(nèi)。氘含量146.639～146.289 μg/g范圍內(nèi)波動(dòng)，SD為0.086 μg/g，說明該方法測(cè)定低氘水中氘含量再現(xiàn)性良好。

2.7 低氘包裝飲用水樣品測(cè)定結(jié)果

選用市場(chǎng)售賣的低氘包裝飲用水樣品8 個(gè)按照本法進(jìn)行測(cè)試，采用上述校正2的方式對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行校正，氘含量值由式（6）換算得到。如表5所示，所選水樣均為氘含量低于150 μg/g的低氘水，8 個(gè)樣品氘含量測(cè)定值SD范圍0.041～0.218 μg/g，重復(fù)性較好。與標(biāo)識(shí)值比較，按照本研究方法測(cè)定的低氘包裝飲用水中氘含量不合格率可達(dá)50%。低氘水的飲用可以使得人體血液中的氘含量降低，可能增強(qiáng)生命體抗氧化性、新陳代謝、抗癌性等[28]，有研究表明，水中氘含量越低，癌細(xì)胞增殖抑制越明顯[29-30]。低氘水對(duì)人的身體益處很大，因此商家會(huì)需要氘含量更低的水謀取更多利潤(rùn)，人工低氘飲用水氘含量越低，生產(chǎn)成本越高，#1、#3、#5、#6就是氘含量未達(dá)標(biāo)的假冒偽劣產(chǎn)品典型。

表5 低氘包裝飲用水氘含量測(cè)定值Table 5 Measured values of deuterium content in packaged drinking water labeled low deuterium

2.8 不同方法測(cè)定低氘包裝飲用水氘含量驗(yàn)證

選取貧氘水稀釋的VSMOW和GISP水樣以及低氘包裝飲用水樣，采用激光液態(tài)水穩(wěn)定同位素分析儀測(cè)定水樣中δ2H值并計(jì)算得到氘含量值見表6，經(jīng)2 種方法測(cè)定得到的δ2H值計(jì)算得到的氘含量SD值隨著水樣氘含量降低而呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，在氘含量較低的時(shí)候存在一定的差異性，但是均低于1 μg/g，在誤差允許范圍內(nèi)。因此，2 種儀器測(cè)定低氘飲用水中氘含量結(jié)果一致。

表6 不同方法測(cè)定氘含量結(jié)果Table 6 Results of determination of deuterium content by different methods

3 結(jié) 論

建立了TC/EA-IRMS同位素質(zhì)譜測(cè)定低氘水中氘含量的分析方法，適用于低氘包裝飲用水中氘含量的測(cè)定。該法測(cè)定低氘飲用水中氘含量用樣量少、前處理簡(jiǎn)單、結(jié)果穩(wěn)定性和再現(xiàn)性好、記憶效應(yīng)可明顯消除。由于缺乏氘含量極低的標(biāo)準(zhǔn)水樣，本研究采用貧氘水（氘含量＜1 μg/g）稀釋的標(biāo)準(zhǔn)水樣校正與其氘含量接近的低氘水樣，該法比傳統(tǒng)的單點(diǎn)校正得到的結(jié)果準(zhǔn)確度更高。采用TC/EA-IRMS法對(duì)市售低氘飲用水中氘含量進(jìn)行測(cè)定分析，測(cè)定值與標(biāo)識(shí)值不相符的現(xiàn)象明顯，說明流通市場(chǎng)上的低氘包裝飲用水監(jiān)管存在很大問題，相關(guān)檢測(cè)方法和法律法規(guī)亟需研制建立。TC/EA-IRMS測(cè)定水中氘含量方法的建立可以為低氘水這類包裝飲用水品質(zhì)和真實(shí)性進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和管控提供技術(shù)支撐，謹(jǐn)防不法商販以次充好，保障消費(fèi)者的權(quán)益。