微波消解-電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜法測定新疆黑枸杞紅酒中微量元素的主成分分析

郭金喜，馬燕，范田麗，楊光勇，馬君剛*

1(新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，國家農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，新疆 烏魯木齊， 830011) 2(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品貯藏加工研究所，新疆主要農(nóng)副產(chǎn)品精深加工工程技術(shù)研究中心，新疆 烏魯木齊，830091)

黑枸杞(LyciumruthenicumMurr)，也稱黑果枸杞，茄科枸杞屬，為多棘刺灌木，新疆是黑枸杞的主要產(chǎn)區(qū)之一，資源豐富，黑枸杞深加工產(chǎn)品主要是黑枸杞干和黑枸杞酒[1-3]。本文研究測定黑枸杞紅酒中元素含量的同時進(jìn)行了主成分分析，確定新疆黑枸杞紅酒中的特征微量元素，對新疆黑枸杞紅酒地理保護(hù)和產(chǎn)地溯源具有重要意義。

微波消解和濕法消解2種前處理方式對元素的檢測結(jié)果無顯著影響。微波消解具有縮短樣品制備時間、減少對環(huán)境的污染等優(yōu)點[4-6]，本研究前處理采用微波消解作為新疆黑枸杞紅酒中多元素檢測的前處理方法。目前能滿足同時對22種元素進(jìn)行測定的設(shè)備只有電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)[7-9]。ICP-MS具有檢出限低、選擇性好等優(yōu)勢[10-12]，但是其抗干擾能力比較弱，為了提高儀器抗干擾性，本研究在ICP-MS的ICP和碰撞反應(yīng)池(collision/reaction on cell,CRC)之間附加一級四極桿質(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，可以極大提高ICP-MS抗干擾能力和分析靈敏度[13]，采用電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(inductively coupled plasma tandem mass spctrometry，ICP-MS/MS)對新疆黑枸杞紅酒中多元素進(jìn)行測定。

主成分分析是一種簡化數(shù)據(jù)集的技術(shù)，經(jīng)常用于減少數(shù)據(jù)集的維數(shù)，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)集的對方差貢獻(xiàn)最大的特征，從而充分反映總體信息[14]，主成分分析廣泛用于食品的地理保護(hù)和產(chǎn)地溯源[15]。本文采用微波消解為前處理，利用ICP-MS/MS檢測新疆黑枸杞紅酒中22種微量元素含量，采用SPSS 25軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行微量元素主成分分析，確定新疆黑枸杞紅酒中的特征微量元素，為新疆黑枸杞紅酒的產(chǎn)地溯源保護(hù)和地理標(biāo)志保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

市購2017年印象野生黑枸杞紅酒187 mL裝(原料：黑枸杞、焦亞硫酸鈉，類型：干型)、2018年夢凡黑枸杞紅酒375 mL裝(原料：黑枸杞、焦亞硫酸鈉，類型：干型)、2013年中葡黑枸杞紅酒187 mL裝(原料：黑枸杞焦亞硫酸鈉、類型：干型),產(chǎn)地：新疆昌吉，原料產(chǎn)區(qū)：新疆昌吉地區(qū)種植園。

多元素混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IV-STOCK-4(含Pb、As、Hg、Cd、Cr、Ni、Al、Cu、Mn、Fe、Sb、Sn、Li、Sr、Zn、Se、Ba、Ag，各元素含量均為1 000 μg/mL)，K、Ca、Na、Mg單元素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(1 000 μg/mL)，北京標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究中心；硝酸(優(yōu)級純)、高氯酸(優(yōu)級純)，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；實驗用水為電導(dǎo)率≤0.08 μS/cm的超純水；所有玻璃器皿及聚四氟乙烯消解內(nèi)罐均需用硝酸溶液與水體積比1∶5浸泡過夜，用自來水反復(fù)沖洗，再用超純水沖洗干凈。

1.2 儀器與設(shè)備

iCAP RQ電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜，美國Thermo Scientific公司；TOPEX微波消解儀，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司；GTSONIC-D6超聲波清洗儀，廣東固特超聲股份有限公司；BSA124S-CW分析天平，賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司；Milli-Q Element純水器，美國Millipore公司；GT-400趕酸儀，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司；φ180 mm數(shù)顯可調(diào)式電熱爐，上海力辰儀器科技有限公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 樣品前處理

用移液槍分別吸取1 mL黑枸杞紅酒到聚四氟乙烯消解罐和50 mL三角瓶中，用于微波消解和濕法消解。消解罐中加入5 mL硝酸，三角瓶中加入10 mL硝酸、0.5 mL高氯酸，進(jìn)行微波消解和濕法消解，微波消解結(jié)束后放入趕酸器中進(jìn)行趕酸，趕酸至0.5 mL左右取出，濕法消解至溶液剩余0.5 mL取下，將消解樣品放在通風(fēng)櫥中至室溫，用超純水沖洗3次以上定容至10 mL離心管中，因為新疆黑枸杞紅酒中固形物含量較高，為防止固形物堵塞ICP-MS/MS采樣錐錐孔，樣品過0.45 μm濾膜后備用。同時做好2種前處理方式空白樣品。

1.3.2 儀器及工作參數(shù)

微波消解參數(shù)：控溫120～180 ℃、時間45 min、壓力<2.0×106Pa、爬升3 min、保持3 min、最大功率1 600 W、工作功率200 W；電熱爐參數(shù)：控溫120～200 ℃、時間30～40 min、最大功率2 000 W、工作功率100～200 W；ICP-MS/MS參數(shù)：KED電壓3 V、RF功率1 600 W、等離子體氣流量16 L/min、霧化室溫度1.25 ℃、霧化器流量1.1 L/min、輔助氣流量1.80 L/min、碰撞反應(yīng)池氣流量(O2)、掃描次數(shù)3、蠕動泵轉(zhuǎn)速100.0 r/min、離子電壓7.75 V、靈敏度7Li：330 000，89Y：380 000。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

本次試驗根據(jù)前期預(yù)測試驗得到新疆黑枸杞紅酒中元素含量數(shù)據(jù)，決定配制高低2組系列濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線，選用K、Ca、Na、Mg單元素標(biāo)液配制高質(zhì)量濃度系列混合標(biāo)液0.0、20.0、40.0、60.0、80.0、100.0 μg/L系列1(STD1)，多元素混合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)IV-STOCK-4(含Pb、As、Hg、Cd、Cr、Ni、Al、Cu、Mn、Fe、Sb、Sn、Li、Sr、Zn、Se、Ba、Ag)配制低質(zhì)量濃度混合標(biāo)液0.0、5.0、10.0、15.0、20.0、30.0 μg/L系列2(STD2)。

1.3.4 黑枸杞紅酒元素測定

采用配制的STD1和STD2系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，運用參數(shù)條件優(yōu)化后ICP-MS/MS進(jìn)行測定，以標(biāo)準(zhǔn)工作液濃度為橫坐標(biāo)，元素響應(yīng)值為縱坐標(biāo)，獲得各元素校準(zhǔn)曲線，在相同分析條件下對樣品和空白溶液進(jìn)行測定。同時通過內(nèi)標(biāo)混合T型接頭在所有上機測試品中均在線加入20 μg/L的混合內(nèi)標(biāo)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液對儀器進(jìn)行在線校正。待測元素較多，質(zhì)量數(shù)差異較大，為了更好地確保儀器的穩(wěn)定性，消除內(nèi)差，本次試驗選擇小、中、大3段質(zhì)量數(shù)元素作為內(nèi)標(biāo)[16]，選取元素分別為45Sc、51V、89Y、103Rh、186Re、209Bi，內(nèi)標(biāo)元素質(zhì)量濃度為20 μg/L。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

對混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液檢測，檢測結(jié)果利用ICP-MS/MS的PlasmaLabTM工作站軟件(美國Thermo Fisher Scientific公司) 繪制二次線性擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線。對3種新疆黑枸杞紅酒(樣品編號1#～3#)，每種取5個樣品，總計15個樣品進(jìn)行測定，通過繪制二次線性擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計算每種微量元素含量。應(yīng)用SPSS 25軟件對檢測結(jié)果進(jìn)行主成分分析和確定新疆黑枸杞紅酒特征元素分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 ICP-MS/MS儀器分析

為將本次試驗ICP-MS/MS CRC內(nèi)干擾降到最低，實驗采用MS/MS模式，本模式下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(jìn)入CRC，在CRC內(nèi)通過反應(yīng)Q2的選擇，確保CRC中反應(yīng)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(yīng)氣反應(yīng)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，能有效實現(xiàn)動態(tài)歧視質(zhì)量篩選，最大程度消除干擾。為評價本次檢測新疆黑枸杞紅酒多種元素含量的結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定，本次試驗對每種測定元素進(jìn)行加標(biāo)回收實驗，計算回收率，同時進(jìn)行ICP-MS/MS系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗。

2.1.1 干擾的消除

ICP-MS工作原理是CRC后連接一個單四級桿，起到了單一質(zhì)量數(shù)篩選功能具有離子導(dǎo)入和通過的作用，在無干擾或者干擾因素較小的時候檢測效果比較顯著，如Pb、Sn、Ba的檢測效果比較好，但是在干擾因素比較強的時候檢測靈敏度下降，效果不好。MS/MS檢測模式，是在ICP和CRC之間增設(shè)一個Q1，與位于CRC后端的Q2構(gòu)成了雙四極桿過濾器。通過Q1實現(xiàn)單一質(zhì)量數(shù)篩選，經(jīng)過CRC(通入O2、He、H2、NH3等氣體)后，再由 Q2做進(jìn)一步質(zhì)量數(shù)確認(rèn)，可以消除由多原子離子造成的干擾，從而保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。ICP-MS/MS干擾消除工作原理見圖1。He池模式下運行的ICP-MS/MS，能有效地測量As和Se的濃度，滿足檢測要求，但是He模式不適用于帶雙電荷的離子疊加。鑭系元素或稀土元素(rare earth element,REE) 能夠形成帶雙電荷的離子(REE++)，這種離子可與As和Se疊加，如，91Zr+疊加到75As16O+，94Mo+疊加到78Se16O+，從而干擾與As和Se的檢測。而O2由于其去除干擾能力強，是在ICP-MS/MS檢測中用的最廣泛的反應(yīng)氣體[21]。在MS/MS質(zhì)量轉(zhuǎn)移檢測模式下，以O(shè)2作為反應(yīng)池氣體可避免這些帶雙電荷的離子發(fā)生疊加。在此模式下，分析物以反應(yīng)產(chǎn)物離子75As16O+和78Se16O+的形式得到測量，其質(zhì)量數(shù)分別移至m/z91和m/z94，從而不受初始REE++疊加的影響。MS/MS 模式檢測75As+或78Se+時，Q1作為質(zhì)量過濾器，將其設(shè)定為適當(dāng)?shù)?5As+(m/z=75)或78Se+(m/z=78)母離子質(zhì)量，當(dāng)75As+和78Se+通過Q1時，Q1有效去除150Nd2+、150Sm2+、151Eu2+和7156Gd2+、156Dy2+、139LaOH2+等多原子離子物質(zhì)干擾，阻止它們與新的分析物產(chǎn)物離子疊加。進(jìn)入CRC時通入O2，此時O2與75As+和78Se+目標(biāo)物質(zhì)結(jié)合生成91AsO+和94SeO+后，設(shè)置Q2母離子質(zhì)量為91AsO+(m/z91)和94SeO+(m/z94)再由Q2做進(jìn)一步質(zhì)量數(shù)確認(rèn)，消除50Nd2+、150Sm2+、140Ar35Cl+和56Gd2+、156Dy2+、139LaOH2+等多原子離子干擾，從而保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1.2 內(nèi)標(biāo)元素選擇與穩(wěn)定性驗證實驗

根據(jù)內(nèi)標(biāo)元素(internal standard element，ISTD)的選擇是以待測元素與內(nèi)標(biāo)元素在等離子體中的行為相似為前提，樣品中不含有該元素，且與分析元素質(zhì)量接近、電離電位相近、化學(xué)特征相似的原則[17]選擇45Sc、51V、89Y、103Rh、186Re、209Bi為內(nèi)標(biāo)元素，5種內(nèi)標(biāo)元素涵蓋了大、中、小3個元素質(zhì)量范圍，且電離電位和化學(xué)特征與待測元素相近。同時在優(yōu)化實驗條件下進(jìn)行ISTD穩(wěn)定性實驗，連續(xù)進(jìn)樣15 h，分析183個樣本后查看ISTD信號穩(wěn)定性。所有樣品的ISTD回收率均在初始校準(zhǔn)標(biāo)樣值的±20%，這證明實驗條件優(yōu)化后在連續(xù)進(jìn)樣15 h后儀器性能穩(wěn)定。

圖1 在MS/MS模式下采用ICP-MS/MS消除質(zhì)譜干擾的 工作原理Fig.1 Schematic representation of eliminating spectral interference by ICP-MS/MS in the MS/MS mode

2.1.3 線性范圍及檢出限

本研究在建立起STD1和STD2標(biāo)準(zhǔn)曲線后，分別采用樣品加標(biāo)量STD1為60 μg/L，STD2為10 μg/L考察方法靈敏度。加標(biāo)樣品按上述2種方法進(jìn)行提取、測定并計算信噪比。以3倍信噪比(S/N=3)對應(yīng)的添加濃度為檢出限，以10倍信噪比(S/N=10)對應(yīng)的添加濃度為定量下限[18]計算本方法檢出限、定量限。結(jié)果表明(表1)，ICP-MS/MS測得各22種元素R2為0.999 6～1.000、檢出限為0.02～0.3 μg/L、定量限為0.1～2.0 μg/L、RSD為1.04%～2.05%，本研究方法檢出限、定量限低、精密度，結(jié)果穩(wěn)定，完全滿足檢驗要求。

2.2 黑枸杞紅酒中元素含量

2.2.1 兩種前處理方式

為確保微波消解和濕法消解2種前處理方式樣品來源的唯一性，取3個黑枸杞紅酒，每個黑枸杞紅酒分成2份(每份處理3個平行樣)，分別倒入500 mL燒杯中，放在磁力攪拌器上攪拌均勻，分別吸取1 mL樣品到微波消解罐和三角瓶中進(jìn)行微波消解和濕法消解，消解完畢，冷卻過0.45 μm濾膜定容到10 mL離心管備用[19]。2種前處理方式檢測結(jié)果表明(表2)，濕法消解和微波消解對檢測結(jié)果無顯著影響(P>0.05)。但是濕法消解過程中加入硝酸和高氯酸混酸污染環(huán)境，在消解時容易產(chǎn)生爆炸。微波消解儀具有縮短樣品消解時間、減少對環(huán)境的污染、改善實驗人員的工作環(huán)境等優(yōu)點[20-21]，所以本研究采用微波消解作為前處理方法。

表1 分析元素的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、檢出限和定量限Table 1 Calibration data, limits of detection(LODs), and limits of quantification(LOQs) of analytes

表2 兩種處理方式的檢測結(jié)果Table 2 Effect of two sampling pretreatment methods on the analysis

2.2.2 方法準(zhǔn)確性驗證

為保證方法準(zhǔn)確性，本研究選取同一黑枸杞紅酒樣品進(jìn)行加標(biāo)實驗，對處理好的樣品運用參數(shù)條件優(yōu)化，使用ICP-MS/MS方法進(jìn)行11次平行測定，計算回收率、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)，結(jié)果表明(表3)，樣品中各元素加標(biāo)回收率為89.4%～101.0%，表明方法的準(zhǔn)確度好；RSD≤2.02，表明方法的穩(wěn)定性好，精密度好。

2.2.3 元素含量測定

采用 ICP-MS/MS 對新疆(昌吉)3種(樣品種類編號1#～3#)黑枸杞紅酒，總計15個樣品進(jìn)行22種微量元素的測定，每個樣品重復(fù)5次，結(jié)果見表4。22種新疆黑枸杞紅酒的金屬元素中人體所需元素Zn、K、Ca、Na、Mg等含量很高，占所測元素的40.0%。

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

Hg、Cr、Ag、As、Pb、Ag含量相對較低，對照我國葡萄酒GB/T 15037—2006[22]以及GB 2762—2017《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》[23]，新疆黑枸杞紅酒Fe、Cu低于GB/T 15037—2006限量要求，重金屬元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 2762—2017中的限量標(biāo)準(zhǔn)。

表4 樣品分析結(jié)果 單位：μg/L

2.3 主成分分析

2.3.1 黑枸杞紅酒的適用性檢驗

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(biāo)，采用SPSS 25對新疆3種黑枸杞紅酒，總計15個樣品中22種微量元素的測定結(jié)果進(jìn)行Bartlett′s球狀適用性檢驗，考察原始數(shù)據(jù)矩陣中各變量是否具有相關(guān)性，當(dāng)原始數(shù)據(jù)矩陣中各變量具有相關(guān)性時適合用于主成分分析研究，反之則不適用[24]。實驗結(jié)果表明，新疆昌吉產(chǎn)區(qū)的3種黑枸杞紅酒，總計15個樣品中22種微量元素具有線性相關(guān)性，能應(yīng)用于主成分分析研究。

2.3.2 主成分貢獻(xiàn)率和選擇

對新疆的3種黑枸杞紅酒，總計15個樣品中22種微量元素的測定結(jié)果采用主成分分析法提取公因子，進(jìn)行特征值和總體方差計算，結(jié)果見表5。根據(jù)主成分累積方差不低于80%且特征值>1的原則，可以看出累計方差貢獻(xiàn)率的80.961%來源于前5個主成分。因此，本實驗提取前5個主成分來評判22種微量元素在15個新疆黑枸杞樣品中的分布。

表5 主成分分析特征值和總體方差描述Table 5 Principal component analysis characteristics and total variance explained

2.3.3 微量元素因子分析

根據(jù)新疆黑枸杞紅酒微量元素的因子分析結(jié)果(表6)，分別建立5個主成分因子(F1、F2、F3、F4、F5) 得分模型:

F1=0.370X1+0.417X2+0.779X3+0.566X4-0.620X5-0.533X6+0.632X7+0.709X8+0.662X9+0.966X10+0.888X11+0.678X12-0.433X13-0.521X14-0.422X15+0.921X16+0.522X17+0.911X18+0.351X19+0.903X20-0.399X21-0.426X22;

F2=-0.028X1+0.156X2+0.498X3+0.539X4-0.355X5+0.359X6-0.067X7-0.096X8-0.121X9-0.109X10+0.433X11+0.321X12-0.025X13+0.341X14-0.033X15+0.455X16+0.437X17+0.368X18+0.312X19-0.019X20+0.252X21+0.132X22;

F3=0.242X1-0.035X2+0.256X3-0.109X4+0.200X5+0.351X6+0.289X7-0.037X8+0.182X9+0.088X10+0.235X11+0.423X12-0.006X13-0.032X14+0.089X15+0.070X16-0.011X17+0.227X18+0.198X19+0.127X20-0.252X21-0.128X22;

F4=-0.118X1+0.027X2+0.234X3+0.255X4+0.021X5-0.107X6-0.043X7-0.039X8+ 0.200X9+0.128X10+0.032X11+0.247X12-0.105X13+0.388X14+0.326X15+0.051X16+0.103X17-0.066X18-0.009X19+0.154X20+0.207X21+0.209X22;

F5=0.103X1-0.053X2+0.088X3+0.258X4+0.290X5-0.265X6-0.023X7+0.209X8-0.021X9-0.106X10+0.112X11-0.1792X12+0.157X13+0.065X14+0.326X15-0.035X16+0.059X17-0.009X18-0.102X19+0.033X20+0.398X21+0.257X22。

可以看出，F(xiàn)1在X10、X11、X16、X18、X20，有較大的因子載荷值，分別為0.966,、0.888、0.921、0.903，與對應(yīng)的 Ni、Al、Sn、Sr、Se有高度正相關(guān)性。因此，新疆黑枸杞紅酒中所對應(yīng)的無機特征元素為 Ni、Al、Sn、Sr、Se。

表6 黑枸杞紅酒中微量元素的因子分析Table 6 Factor analysis of trace elements in black wolfberry wine

3 結(jié)論

以微波消解為前處理，利用ICP-MS/MS測定新疆黑枸杞紅酒中 K、Ca、Na、Mg、Pb、As、Hg、Cd、Cr、Ni、Al、Cu、Mn、Fe、Sb、Sn、Li、Sr、Zn、Se、Ba、Ag等22種微量元素，在MS/MS模式下，采用O2作為反應(yīng)氣體，利用質(zhì)量轉(zhuǎn)移法和原位質(zhì)量法消除了質(zhì)譜干擾。該方法檢測黑枸杞紅酒中Zn、K、Ca、Na、Mg等元素含量很高，占所測元素的40.0%。方法檢出限為0.02～0.3 μg/L、樣品加標(biāo)回收率89.4%～101.0%、RSD為1.04%～2.05%，本方法靈敏度高、選擇性好、檢出限低，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，完全滿足檢驗要求，適用于新疆黑枸杞紅酒中元素含量的測定。采用SPSS 25對3種新疆黑枸杞紅酒15個樣品測定結(jié)果進(jìn)行主成分分析，提取了5個主成分因子來評判新疆黑枸杞紅酒中微量元素的分布，確定了Ni、Al、Sn、Sr、Se為新疆黑枸杞紅酒的特征元素。