不同產(chǎn)地菜籽油中微量元素的ICP-MS/MS法測定及統(tǒng)計(jì)比較

楊雯懿, 郝 婧，田佳于，黃建華，陳 林

(1.中南大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，長沙 410083； 2.湖南省中醫(yī)藥研究院 中藥研究所，長沙 410013)

菜籽油富含人體所需的多種營養(yǎng)活性成分，這些成分是人們?nèi)粘Ｉ攀辰Y(jié)構(gòu)中必不可少的組成部分[1-2]。食用油脂的總體質(zhì)量根據(jù)有機(jī)成分所產(chǎn)生的烹調(diào)性能來確定，但其無機(jī)成分會(huì)影響安全性以及質(zhì)量穩(wěn)定性[3-5]。有研究[6]表明，食用油脂中的部分無機(jī)元素具有自然氧化加速的作用，能改變油脂的口味和保質(zhì)期。因此，準(zhǔn)確測定菜籽油中的無機(jī)元素能為其安全性研究和質(zhì)量控制提供依據(jù)。

菜籽油中微量元素取決于油料的生長環(huán)境，其含量分布離散且與菜籽油的產(chǎn)地密切相關(guān)，即使是相同元素在不同產(chǎn)地的菜籽油中都存在較大的差異。因此，對(duì)菜籽油中微量元素分析方法的線性范圍和檢出限提出了更高的要求。傳統(tǒng)的原子光譜分析技術(shù)，包括原子吸收光譜(AAS)和電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)雖然具有極寬的線性范圍，但檢出限達(dá)不到微量元素的測定要求；電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)具有線性范圍寬、檢出限低和靈敏度高的特點(diǎn)[7-9]，卻無法徹底消除質(zhì)譜干擾[10]。電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜(ICP-MS/MS)是在帶碰撞/反應(yīng)池(CRC)的ICP-MS基礎(chǔ)上附加一個(gè)四極桿質(zhì)量過濾器(Q1)，與ICP-MS原有的四極桿質(zhì)量過濾器(Q2)組成串聯(lián)質(zhì)譜(MS/MS)，通過精準(zhǔn)控制CRC內(nèi)的反應(yīng)歷程和反應(yīng)產(chǎn)物，充分發(fā)揮反應(yīng)模式的最佳潛質(zhì)，幾乎可以消除所有質(zhì)譜干擾[11-13]。本研究采用煤油稀釋菜籽油樣品，應(yīng)用ICP-MS/MS法測定其中Be、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Ba、Hg、Pb 16種微量元素，在MS/MS模式下，分別選擇O2和NH3/He為反應(yīng)氣利用CRC技術(shù)消除質(zhì)譜干擾，采用所建立的方法分析了15種菜籽油樣品，并利用SPSS主成分分析和聚類分析法探討菜籽油特征元素和微量元素與菜籽油產(chǎn)地的關(guān)系，旨在為菜籽油的質(zhì)量控制和產(chǎn)地溯源提供科學(xué)方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1 000 mg/kg的Be、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Ba、Hg、Pb標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)油，美國Spex Certiprep公司；1 000 mg/kg的Li、Sc、Y、In、Bi混合內(nèi)標(biāo)元素有機(jī)油，美國Spex Certiprep公司；優(yōu)級(jí)純煤油，美國Spectrum公司；15種一級(jí)冷榨菜籽油(分別產(chǎn)于湖南、湖北、重慶)，購于大型農(nóng)貿(mào)市場。

Agilent8800 ICP-MS/MS，美國Agilent公司。

優(yōu)化后ICP-MS/MS的操作條件見表1。

表1 ICP-MS/MS操作條件

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 菜籽油中微量元素的測定

將菜籽油樣品用煤油稀釋3倍后直接進(jìn)樣，在優(yōu)化的操作條件下利用ICP-MS/MS進(jìn)行測定，通過內(nèi)標(biāo)混合T型接頭分別在所有上機(jī)測試品中在線加入1 mg/kg的Li、Sc、Y、In、Bi混合內(nèi)標(biāo)元素，以匹配不同基體消除黏度差別。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

利用ICP-MS/MS自帶的MassHunter工作站軟件繪制校準(zhǔn)曲線，通過校準(zhǔn)曲線得到15種菜籽油樣品中16種微量元素的含量，組成15×16的原始數(shù)據(jù)分析矩陣，應(yīng)用SPSS 25軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 ICP-MS/MS分析

菜籽油經(jīng)煤油稀釋后直接分析，樣品復(fù)雜基質(zhì)所形成的多原子離子對(duì)多種分析元素構(gòu)成嚴(yán)重干擾，實(shí)驗(yàn)采用ICP-MS/MS的雙四極桿過濾器進(jìn)行消除。在MS/MS模式下，設(shè)置Q1的質(zhì)荷比(m/z)，作為單位質(zhì)量過濾器的Q1只允許與分析離子具有相同m/z的離子進(jìn)入CRC，阻止來自樣品基質(zhì)和等離子體的大量干擾離子進(jìn)入CRC，在CRC內(nèi)通入反應(yīng)氣，使來自Q1的離子與反應(yīng)氣發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而使分析離子或干擾離子的m/z產(chǎn)生差異，通過設(shè)置Q2的m/z對(duì)來自CRC的反應(yīng)產(chǎn)物離子進(jìn)行分離，消除Q1無法消除的干擾離子。本實(shí)驗(yàn)在MS/MS模式下消除質(zhì)譜干擾的工作原理見圖1。

圖1 在MS/MS模式下消除質(zhì)譜干擾的工作原理

2.1.1 數(shù)據(jù)采集模式

2.1.2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和檢出限

分別配制不同濃度梯度的分析元素混合標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)油，按所建立的方法進(jìn)行測定，經(jīng)Mass-Hunter工作站軟件獲取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表2。從表2可以看出，F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、Sr、Ba在0～500 μg/kg范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)大于等于0.999 8，其余10種分析元素在0～50.0 μg/kg范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)大于等于0.999 6，表明所有分析元素具有良好的線性關(guān)系，16種元素的檢出限為1.05～20.30 ng/kg。

表2 分析元素的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和檢出限(n=11)

2.1.3 菜籽油中微量元素的含量

采用ICP-MS/MS對(duì)我國3個(gè)不同產(chǎn)地(湖南、湖北和重慶)的15種菜籽油進(jìn)行測定，其中8種產(chǎn)于湖南(樣品編號(hào)為HN1、HN2、HN3、HN4、HN5、HN6、HN7、HN8)，4種產(chǎn)于湖北(樣品編號(hào)為HB1、HB2、HB3、HB4)，3種產(chǎn)于重慶(樣品編號(hào)為CQ1、CQ2、CQ3)，每個(gè)樣品重復(fù)測定6次，結(jié)果見表3。采用SPSS 25的正態(tài)性檢驗(yàn)對(duì)15種菜籽油中的16種微量元素進(jìn)行K-S檢驗(yàn)，Be、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Ba、Hg、Pb的顯著性(雙側(cè))P值分別為0.101、0.215、0.149、0.231、0.240、0.127、0.215、0.229、0.097、0.135、0.113、0.185、0.195、0.175、0.128、0.130，均大于顯著水平(α=0.05)，表明15種菜籽油中的16種微量元素含量數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布。從表3可以看出，菜籽油中Fe、Cu、Zn的含量相對(duì)較高，毒理性元素Cd、Hg、Pb的含量遠(yuǎn)低于GB 2762—2017所規(guī)定的限量值，食用安全。

表3 菜籽油中微量元素的分析結(jié)果(n=6) μg/kg

2.2 主成分分析

采用SPSS 25對(duì)15種菜籽油中微量元素16種變量進(jìn)行主成分分析。

2.2.1 微量元素的相關(guān)性分析(見表4)

從表4可以看出，16種元素兩兩之間具有較高的相關(guān)性，其中大部分顯著相關(guān)，少數(shù)極顯著相關(guān)。因此，采用主成分分析可用于微量元素的相關(guān)性分析。

表4 微量元素的相關(guān)系數(shù)矩陣

注：*顯著相關(guān),**極顯著相關(guān)。

2.2.2 微量元素的因子分析(見表5)

表5 主成分分析特征值和總體方差描述

根據(jù)主成分累積方差不低于80%且特征值大于1的原則確定主成分個(gè)數(shù)。從表5可以看出，前6個(gè)主成分的累積方差達(dá)到84.487%，包含了菜籽油中16種微量元素含量的大部分信息，本實(shí)驗(yàn)提取6個(gè)主成分來評(píng)判菜籽油中微量元素的分布。

總方差的84.487%是由前6個(gè)主成分因子所貢獻(xiàn)，根據(jù)主成分因子成分矩陣(見表6)，建立第一主成分F1、第二主成分F2、第三主成分F3、第四主成分F4、第五主成分F5、第六主成分F6得分模型。

表6 微量元素的因子分析

F1=-0.375X1-0.523X2-0.284X3+0.813X4+0.878X5-0.292X6+0.020X7+0.857X8-0.645X9-0.412X10+0.636X11+0.801X12+0.240X13-0.031X14-0.488X15+0.147X16

F2=0.302X1+0.529X2+0.751X3+0.272X4+0.379X5+0.372X6-0.242X7+0.094X8-0.585X9+0.481X10-0.278X11+0.238X12-0.335X13+0.336X14-0.102X15-0.474X16

F3=-0.016X1+0.413X2+0.208X3+0.141X4+0.076X5+0.426X6+0.630X7+0.263X8-0.094X9+0.092X10-0.031X11-0.106X12+0.557X13-0.757X14+0.265X15+0.193X16

F4=0.569X1-0.064X2-0.257X3-0.063X4-0.079X5+0.498X6+0.479X7+0.060X8+0.048X9-0.260X10+0.225X11-0.241X12+0.139X13+0.354X14-0.642X15-0.342X16

F5=0.517X1-0.159X2+0.057X3-0.308X4+0.133X5-0.360X6+0.075X7+0.183X8-0.090X9+0.368X10-0.286X11+0.112X12+0.489X13+0.349X14-0.007X15+0.500X16

F6=-0.151X1-0.405X2-0.373X3-0.014X4+0.048X5+0.256X6+0.101X7-0.302X8-0.115X9+0.470X10-0.037X11+0.290X12+0.317X13+0.070X14+0.340X15-0.481X16

其中，荷載值大于0.8為F1的X4、X5、X8、X12，與對(duì)應(yīng)的Mn、Fe、Cu、Sr有高度正相關(guān)性，其余主成分的荷載值均小于0.8。因此，所對(duì)應(yīng)的Mn、Fe、Cu、Sr為菜籽油的特征元素。

2.3 聚類分析

采用SPSS 25對(duì)15種菜籽油進(jìn)行樣品聚類分析。原始數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，選擇聚類方法為組間連接，以歐氏距離平方為測量準(zhǔn)則進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，樹狀圖結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，按產(chǎn)地15種菜籽油很好地聚為了3類，表明菜籽油中微量元素的含量是菜籽油產(chǎn)地分類的良好指標(biāo)，可用于菜籽油的產(chǎn)地溯源分析。

圖2 不同菜籽油的聚類分析

3 結(jié) 論

采用ICP-MS/MS測定了15種菜籽油中的16種微量元素，菜籽油經(jīng)煤油稀釋后直接進(jìn)樣分析，在MS/MS模式下，分別選擇O2和NH3/He為反應(yīng)氣，利用CRC技術(shù)消除了質(zhì)譜干擾。結(jié)果表明Fe、Mn、Cu、Zn、Sr、Ba在0～500 μg/kg范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于等于0.999 8，其余10種分析元素在0～50.0 μg/kg 范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)大于等于0.999 6，16種元素的檢出限為1.05～20.30 ng/kg。將獲得的原始數(shù)據(jù)分析矩陣標(biāo)準(zhǔn)化處理后，利用SPSS 25進(jìn)行了主成分分析和聚類分析，提取6個(gè)主成分來評(píng)判菜籽油中微量元素的分布，確定了Mn、Fe、Cu、Sr是菜籽油的特征元素；根據(jù)微量元素的含量，聚類分析將15種菜籽油聚為3類，實(shí)現(xiàn)了菜籽油的產(chǎn)地溯源分析。