電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜測定嬰幼兒谷類輔助食品中的重金屬鎘

蔡松韜， 謝華林， 黃建華

1. 湖南工學院材料科學與工程學院， 湖南 衡陽 421002 2. 長江師范學院化學化工學院， 重慶 408100 3. 湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所， 湖南 長沙 410013

引 言

嬰幼兒谷類輔助食品是嬰幼兒營養(yǎng)的重要能量來源[1]。 食品中的Cd殘留會損害呼吸系統(tǒng)， 對肝或腎臟造成積蓄性危害， 并會引起骨質(zhì)疏松和軟化， 國際癌癥研究機構(IARC)將Cd確定為一類致癌物[2]。 為此， 歐盟對嬰幼兒谷類輔助食品中Cd殘留制定了0.04 mg·kg-1的限量標準。 嬰幼兒谷類輔助食品的主要原料為大米， 而水稻極易從其生長的土壤和水中吸收重金屬Cd積累到谷粒中， 導致大米中Cd的殘留濃度相對較高[3]。 最近， 香港消委會抽取17款嬰幼兒谷類輔助食品進行檢測發(fā)現(xiàn)， 包括多個國際名牌在內(nèi)的近八成樣本檢出了重金屬Cd。 基于我國GB 10769—2010《食品安全國家標準嬰幼兒谷類輔助食品》中并沒有對Cd的最高殘留規(guī)定限量標準， 國家衛(wèi)生健康委員會和國家市場監(jiān)督管理總局首次對嬰幼兒谷類輔助食品中Cd的殘留制定了0.06 mg·kg-1的臨時限量標準。 因此， 建立精準可靠測定嬰幼兒谷類輔助食品中Cd含量的分析方法具有重要且緊迫的現(xiàn)實意義。

目前， 國內(nèi)外對食品中Cd的殘留進行了大量研究[4-6]， 但即使采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)所面臨的干擾仍然是影響準確測定Cd的難題。 在Mo基質(zhì)中， Cd的所有同位素均會受到Mo基離子干擾， 甚至采用高分辨率的扇形磁場(SF)ICP-MS也無法消除[7]。 通過沉淀和固相萃取分離基質(zhì)是ICP-MS測定復雜基體中痕量Cd的重要手段[8]， 但耗時的化學分離過程增加了樣品污染和分析物損失的風險。 碰撞反應池(CRC)為ICP-MS提供了消除干擾的通用方法， 但碰撞模式無法消除同量異位素的干擾， 而反應歷程不可預知導致反應副產(chǎn)物離子的形成會影響分析結果的準確性和穩(wěn)定性， 為更好地控制反應過程， 傳統(tǒng)的四極桿ICP-MS(ICP-QMS)通常采用反應活性較弱的H2為反應氣通過原位質(zhì)量法消除干擾[9]。

電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)利用增設在CRC的第一四極桿質(zhì)量過濾器(Q1)， 僅允許指定質(zhì)荷比(m/z)的離子進入CRC， 極大地提高了CRC中的選擇性反應， 通過第二四極桿質(zhì)量過濾器(Q2)選擇高豐度無干擾的目標m/z離子(分析元素產(chǎn)物離子)進入檢測器， 為復雜基質(zhì)樣品中痕量以及超痕量元素的測定提供了強有力工具[10-12]。 本研究采用微波消解處理嬰幼兒谷類輔助食品， 利用ICP-MS/MS測定其中的重金屬元素Cd的含量， 基于MS/MS模式下選擇性反應的化學分離功能， 分別以H2， NH3/He(V/V=1/9， He為緩沖氣)、 O2為反應氣， 對比分析質(zhì)譜干擾的消除效果， 旨在為嬰幼兒谷類輔助食品中重金屬Cd的精準測定提供高通量分析方法。

1 實驗部分

1.1 材料與試劑

1 000 mg·L-1的Mo， Sn和Cd單元素標準溶液， 10 mg·L-1的Rh內(nèi)標溶液， 65%(w/w)的超純硝酸， 30%(w/w)的超純雙氧水， 德國Merck； 標準參考物質(zhì)米粉(SRM 1568b)， 美國國家標準與技術研究院， 遼寧大米(GBW10043)、 四川大米(GBW10044)、 湖南大米(GBW10045)， 中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所； 6種嬰幼兒谷類輔助食品購自于大型生活超市。 硝酸采用亞沸蒸餾進一步提純， 超純水為Milli-Q超純水機制得。

1.2 儀器和設備

Agilent 8800 ICP-MS/MS儀， 美國Agilent公司。 MARs 5微波消解系統(tǒng)， 美國CEM公司。 Milli-Q超純水機， 美國Millipore公司。 ICP-MS/MS工作參數(shù)和操作條件為： RF功率， 1 550 W； 采樣深度， 8 mm； 載氣流量， 1.08 L·min-1； 輔助氣流量， 1.80 L·min-1； 積分時間， 1 s； 重復測定次數(shù)， 3； 反應氣， H2， NH3/He， O2； H2流量， 7.0 mL·min-1； NH3/He流量， 5.0 mL·min-1； O2流量， 0.4 mL·min-1。

1.3 樣品預處理

將嬰幼兒谷類輔助食品于105 ℃溫度下烘干至恒重。 準確稱取約0.25 g(精確到0.000 1 g)烘干樣品于微波消解罐中， 加超純水潤濕后依次加入65%(w/w)的硝酸4 mL和30%(w/w)的雙氧水2 mL， 敞口靜置20 min后進行微波消解： (1)5 min斜坡升溫120 ℃； (2)3 min斜坡升溫150 ℃； (3)5 min斜坡升溫190℃， 保持15 min； 所有步驟的消解功率均為1 600 W。 消解結束后自然冷卻至室溫， 轉移至25 mL容量瓶中定容。 采用相同的過程制備空白溶液。

1.4 方法

配制0.0， 0.1， 0.5， 2.0和10 μg·L-1的Cd系列標準溶液和1 mg·L-1的Rh內(nèi)標溶液， 使用“T”型內(nèi)標混合接頭將Rh內(nèi)標溶液與分析溶液在線混合， 對標準溶液、 樣品溶液和空白溶液進行測定。 利用ICP-MS/MS自帶的MassHunter軟件繪制校準曲線， 進行線性驗證。 利用校準曲線計算樣品中Cd的含量。

2 結果與討論

2.1 反應氣的選擇

Cd有8種穩(wěn)定的天然同位素， 其中106Cd和108Cd的豐度低(均小于2%)不宜采用， 本文選擇Cd的其余6種同位素為分析同位素。 在嬰幼兒谷類輔助食品樣品中， Mo在高溫等離子體中形成的MoO+， MoN+， MoC+會對110Cd+，111Cd+，112Cd+，113Cd+，114Cd+，116Cd+的測定形成干擾， 同時，110Pd+，112Sn+，113In+，114Sn+，116Sn+會對110Cd+，112Cd+，113Cd+，114Cd+，116Cd+的測定形成同量異位素干擾。 通常情況下， 在谷類食物中Sn的含量與Cd相當， Mo含量遠高于Cd， 而Pd和In的含量遠低于Cd， 因此， Sn和Mo所形成的干擾會影響Cd的精準測定， 而Pd和In所形成的干擾可以忽略。 NH3/He和O2作為消除干擾最通用和最有效的兩種反應氣體， 在ICP-MS/MS分析中得到了廣泛應用， 而H2在ICP-QMS是使用頻率較高的反應氣， 由于NH3/He和O2擁有強大的去除干擾功能， 在ICP-MS/MS分析中使用H2作為反應氣消除質(zhì)譜干擾已逐漸減少。 本文采用100 μg·L-1的Mo和1 μg·L-1的Sn混合標準溶液中加入1 μg·L-1的Cd標準溶液， 在MS/MS模式下， 分別采用H2， NH3/He和O2為反應氣， 利用原位質(zhì)量法消除干擾， 考察110Cd，111Cd，112Cd，113Cd，114Cd，116Cd的背景等效濃度(BEC)， 結果見表1。

從表1可以看出， 采用H2反應氣時6個Cd同位素的BEC最大， 采用O2反應氣的BEC最小。 通過對混合標準溶液進行質(zhì)譜掃描發(fā)現(xiàn)， MoO+， MoN+和MoC+能與H2， NH3/He和O2發(fā)生質(zhì)量轉移反應， 而Sn+不與H2和NH3/He發(fā)生質(zhì)量轉移反應(見圖1)。 雖然112Sn和114Sn的豐度均小于1%， 但仍然對112Cd和114Cd的測定造成了輕微干擾， 而高豐度116Sn嚴重干擾116Cd的測定。 因此， 采用H2和NH3/He為反應氣， 均可選擇110Cd，111Cd，113Cd為分析同位素消除干擾。 由于H2僅能與Ar基離子快速反應， 與其他干擾離子反應速度較慢， 對于高濃度Mo基質(zhì)中Cd的測定難以徹底消除干擾。

表1 不同反應氣下Cd的背景等效濃度(BEC)

在O2反應模式下， Sn+與O2的反應雖然是吸熱過程(ΔHr>0)， 但在八極桿偏置負電壓的作用下， 所產(chǎn)生的質(zhì)心碰撞能會促進Sn+與O2反應， 使Sn+發(fā)生質(zhì)量轉移生成SnO+， 從而消除112Sn對112Cd，114Sn對114Cd的干擾， 減輕116Sn對116Cd的干擾(見圖2)。 雖然在O2反應模式下， 6個Cd同位素獲得的分析靈敏度略低于NH3/He反應模式， 但BEC明顯比NH3/He反應模式低。 因此， 本實驗選擇O2反應氣消除質(zhì)譜干擾。

圖1 (a)H2反應模式和(b)NH3/He反應模式下混合標準溶液(100 μg·L-1 Mo+1 μg·L-1 Sn+1 μg·L-1 Cd)的峰形圖

圖2 O2反應模式下混合標準溶液(100 μg·L-1 Mo+1 μg·L-1 Sn+1 μg·L-1 Cd)的峰形圖

2.2 反應氣流量的優(yōu)化

在MS/MS模式下， 采用國際標準參考物質(zhì)米粉(SRM 1568b)對反應氣O2流量進行了優(yōu)化。 考察了不同O2流量下， 選擇110Cd，111Cd，112Cd，113Cd，114Cd為分析同位素對SRM 1568b 中Cd測定結果的影響， 結果見圖3。

圖3 O2流量對測定標準參考物質(zhì)SRM 1568b 中Cd的影響

可以看出， 隨著O2流量的增加， 5個Cd同位素的測定結果變小并逐漸接近SRM 1568b的認定值， 表明干擾逐漸被消除。 當O2流量達到0.25 mL·min-1時，112Cd和114Cd的測定值與SRM 1568b的認定值基本一致， 但110Cd，111Cd，113Cd的測定結果仍然偏大； 當O2流量達到0.4 mL·min-1時， 5個Cd同位素的測定值均與SRM 1568b的認定值一致， 繼續(xù)增大O2流量，110Cd，111Cd，112Cd，113Cd，114Cd的測定值基本不再發(fā)生變化。 因此， 本實驗選擇O2流量為0.4 mL·min-1。

2.3 內(nèi)標元素的選擇

內(nèi)標法不僅能校正基體效應， 而且能校正儀器的信號漂移[13]。 In有2個穩(wěn)定的同位素113In和115In， 高豐度115In由于與Cd同位素的質(zhì)量和電離電位接近， 通常被選擇為Cd的內(nèi)標元素， 但113In會對本實驗中分析同位素113Cd產(chǎn)生干擾。 Rh存在穩(wěn)定的唯一同位素103Rh， 其質(zhì)量和電離電位與Cd接近， 在O2反應模式下，103Rh+與O2的反應為吸熱過程， 雖然有少量103Rh16O+生成， 但通過對1 μg·L-1的Rh標準溶液質(zhì)譜掃描圖譜可以看出， 近80%的103Rh+沒發(fā)生質(zhì)量轉移反應。 因此， 本實驗選擇103Rh+為內(nèi)標監(jiān)測離子來校正質(zhì)譜響應信號的變化。

圖4 在O2反應模式下1 μg·L-1的Rh標準溶液質(zhì)譜圖

2.4 線性關系與檢出限

在優(yōu)化的ICP-MS/MS條件下， 按實驗方法對Cd系列標準溶液進行測定， 以Cd相對信號強度(分析元素Cd與內(nèi)標元素Rh的信號強度比值)所對應的濃度自動進行線性回歸， 建立Cd同位素的校準曲線。 采用所建立的方法對空白溶液連續(xù)測定10次， 計算Cd同位素的標準偏差， 以3倍標準偏差所對應的濃度為儀器的檢出限(LOD)。 從表2可以看出， Cd同位素在各自的線性范圍內(nèi)具有良好的線性關系， 線性相關系數(shù)≥0.999 8。 Cd的LOD為2.03～13.4 ng·L-1， 其中111Cd的LOD最低。 因此， 本實驗選擇111Cd為分析同位素用于方法的準確性評價和樣品分析。

表2 Cd同位素的線性關系和檢出限(LOD)

2.5 方法的準確性評價

采用本方法和國標法(GB5009.268—2016)對4個標準參考物質(zhì)進行對比分析， 每個樣品重復測定6次， 選擇t檢驗法對兩種分析方法的測定結果進行統(tǒng)計學分析。 通過表3可以看出， 本方法的測定值與標準參考物質(zhì)的認定值基本一致。 統(tǒng)計分析表明， 在95%的置信水平， 本方法與國標法的測定結果無顯著性差異(p>0.05)， 驗證了本方法準確可靠。

表3 標準參考物質(zhì)的分析結果(n=6)

2.6 實際樣品分析

應用本方法對6種嬰幼兒谷類輔助食品中的重金屬Cd含量進行測定， 并采用國標法(GB5009.268—2016)進行驗證， 每個樣品重復測定6次。 從表4可以看出， 本方法與國標法的測定結果一致， 所選6種國內(nèi)外嬰幼兒谷類輔助食品中均檢出了重金屬Cd， 但含量不僅低于我國制定的0.06 mg·kg-1臨時限量標準， 也低于歐盟制定的0.04 mg·kg-1限量標準， 通過食用這6種嬰幼兒谷類輔助食品所攝入的重金屬Cd不具有潛在的健康風險。

表4 嬰幼兒谷類輔助食品中Cd含量的分析結果(n=6)

3 結 論

建立了利用ICP-MS/MS的O2反應模式消除干擾測定嬰幼兒谷類輔助食品中重金屬Cd的新方法。 在MS/MS模式下， 對比采用H2， NH3/He和O2為反應氣消除質(zhì)譜干擾的效果， 確定了利用O2反應氣消除質(zhì)譜干擾。 Cd的LOD為2.03～13.4 ng·L-1， 選擇111Cd為分析同位素獲得的LOD最低。 所建立的方法具有操作簡單、 分析速度快、 結果準確可靠的優(yōu)勢， 為嬰幼兒谷類輔助食品中重金屬Cd的控制與高通量檢測提供了技術支持。