ICP-MS/MS 同時測定海產(chǎn)品中的氫化物和非氫化物元素

李愛陽，曹龍波，楊文珺，黃建華

（1 湖南工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 湖南衡陽421002 2 湖南省中醫(yī)藥研究院中藥研究所 長沙 410013）

海產(chǎn)品是能量和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源，具有較高的生物價值，有助于人體攝取必需營養(yǎng)素[1-3]。海產(chǎn)品也是長鏈多不飽和脂肪酸的主要來源，具有公認的健康益處，是健康和均衡飲食的理想組成部分[4-6]。我國膳食指南建議每人每天應(yīng)攝食50～100 g 魚蝦等水產(chǎn)品[7]，以確保關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，特別是長鏈多不飽和脂肪酸、維生素D 和微量元素。歐洲食品安全局專家組確定，與不食用海產(chǎn)品相比，懷孕期間每周食用海產(chǎn)品與兒童更好的神經(jīng)發(fā)育功能結(jié)果相關(guān)，且成人冠心病死亡率更低[8]。然而，眾所周知，重金屬元素可以自然存在于食物中，也可以因人類活動而進入食物鏈。海產(chǎn)品除了具有營養(yǎng)特性外，也是重金屬污染物暴露的來源。風(fēng)險評估表明，大多數(shù)情況下，食用海產(chǎn)品的益處大于風(fēng)險，有關(guān)食用暴露于環(huán)境污染物的海產(chǎn)品對人類健康的影響研究日益受到關(guān)注[9]。無論是對于海產(chǎn)品的營養(yǎng)性還是安全性，建立靈敏、準確和穩(wěn)定的分析方法來測定海產(chǎn)品中多種元素，對于確保海產(chǎn)品的質(zhì)量非常重要。

目前，有關(guān)海產(chǎn)品中多元素的測定已有大量文獻報道，主要檢測方法有原子吸收法[10-12]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES）法[13-15]、電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法[16-18]。在這些原子光譜分析技術(shù)中，ICP-MS 具有極低檢出限（LOD）和極高分析靈敏度，是海產(chǎn)品中多元素測定的常用分析方法，然而，目前仍然存在諸多挑戰(zhàn)。對于高電離能元素，由于在高溫等離子體中的電離效率低，采用傳統(tǒng)液體霧化樣品引入方式的分析信號強度低，而多數(shù)重金屬元素具有較高的電離能，且在海產(chǎn)品中的含量低，因此導(dǎo)致分析靈敏度低；海產(chǎn)品樣品復(fù)雜組成基質(zhì)會對分析元素的響應(yīng)信號產(chǎn)物產(chǎn)生抑制，對不能充分電離元素的信號抑制作用更為嚴重；幾乎所有同位素都將受到質(zhì)譜干擾，部分質(zhì)譜干擾即使采用扇形磁場高分辨率ICP-MS（HR-ICP-MS）也無法消除。氫化物的發(fā)生以氣化進樣方式能更有效地輸送、霧化和激發(fā)氫化物元素，極大地提高了分析元素的靈敏度，與傳統(tǒng)的標準霧化進樣相比，所獲得的LOD 更低[19-21]。然而需要配備專用的氫化物發(fā)生裝置，與不可形成氫化物元素同時測定需使用不同的進樣系統(tǒng)，復(fù)雜繁瑣且耗時的進樣系統(tǒng)切換過程難以滿足大批量樣品中多元素的高通量分析要求。

電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜（ICP-MS/MS）通過在碰撞/反應(yīng)池（CRC）之前增加了四極桿質(zhì)量過濾器（Q1），控制來自等離子體的離子進入CRC，確保了CRC 中反應(yīng)過程的一致性，極大地提高了反應(yīng)效率，反應(yīng)產(chǎn)物離子離開CRC 進入第2 個四極桿質(zhì)量過濾器（Q2）進行再次過濾消除干擾，從而最大程度地降低基質(zhì)元素或其它分析物離子形成非目標產(chǎn)物離子的風(fēng)險[22-24]，ICP-MS/MS 為解決質(zhì)譜干擾問題提供了更可靠的方法。而多模式進樣系統(tǒng)（MSIS）在雙重運行模式兼具氫化物發(fā)生氣化進樣和傳統(tǒng)液體霧化進樣的雙重功能[25]，能同時測定氫化物元素和非氫化物元素。本文采用微波消解系統(tǒng)消解海產(chǎn)品，在MSIS 的雙重模式下，采用ICP-MS/MS 同時測定海產(chǎn)品中氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 和非氫化物元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb 的含量，旨在為海產(chǎn)品中多元素的快速準確測定提供高通量分析方法。

1 材料與方法

1.1 儀器和設(shè)備

8800 ICP-MS/MS 儀，配備MSIS 裝置，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。ICPMS/MS 工作條件：RF 功率，1 600 W；等離子氣流速，14.5 L/min；補償氣流速，0.18 L/min；采樣深度，8.0 mm；霧室溫度，0 ℃；池氣體，O2、NH3/He；O2流速，0.20 mL/min；NH3/He 流速，3.0 mL/min。MSIS工作條件：樣品溶液流速，0.5 mL/min；還原劑流速，0.5 mL/min；預(yù)還原劑流速，2.2 mL/min；載氣流速，0.65 L/min。微波消解系統(tǒng)工作條件：最大功率1 600 W；目標溫度分別為100，150，170，190 ℃；升溫時間分別為3，5，7，5 min；保持時間分別為3，3，3，10 min。

1.2 材料與試劑

1 000 mg/L 的Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As、Se、Sn、Sb、Hg 單元素標準溶液，國家標準物質(zhì)中心；10 mg/L 的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi 內(nèi)標溶液，美國Agilent 公司；硝酸（質(zhì)量分數(shù)65%）、鹽酸（質(zhì)量分數(shù)37%）、雙氧水（質(zhì)量分數(shù)30%），德國Merck 公司；NaOH（分析純）、NaBH4（分析純）、酒石酸（分析純），國藥集團化學(xué)試劑有限公司；L-半胱氨酸（生物純），上海阿拉丁生化科技股份有限公司；標準參考物質(zhì)GBW10024（扇貝），中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所。

2%L-半胱氨酸/4%酒石酸預(yù)還原劑：移取10%的L-半胱氨酸溶液（體積分數(shù)2%的鹽酸介質(zhì)）20 mL，加入4 g 酒石酸，充分溶解混合均勻后，用超純水定容至100 mL。

1.5%NaBH4/0.5%NaOH 還原劑：將1.5 g NaBH4和0.5 g NaOH 溶解于超純水中，充分溶解混合均勻后，用超純水定容至100 mL。

帶魚、海螺、對蝦、毛蚶（產(chǎn)地廣東），購買于湖南長沙馬王堆海鮮市場。海產(chǎn)品用自來水沖洗干凈后取可食部分，用超純水清洗3 次，晾干后勻漿，用聚乙烯袋封裝，于-20 ℃冰箱中保存，備用。

1.3 試驗過程

1.3.1 樣品預(yù)處理 將海產(chǎn)品解凍后，準確稱取0.5 g 樣品于微波消解反應(yīng)罐內(nèi)，依次加入2.5 mL硝酸（質(zhì)量分數(shù)65%）和1 mL 雙氧水（質(zhì)量分數(shù)30%），敞口消解15 min，蓋好罐蓋將反應(yīng)罐置入微波消解系統(tǒng)，按所設(shè)條件進行消解。微波消解后，將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL 容量瓶中，加入2.5 mL 鹽酸（質(zhì)量分數(shù)37%），用超純水定容，靜置30 min 后待測。采用相同的微波消解條件得到空白溶液。

1.3.2 ICP-MS/MS 分析 使用MSIS 的雙重模式用于氫化物和非氫化物元素的ICP-MS/MS 測定（見圖1）。還原劑通過管線1 進入MSIS 霧化室，樣品溶液分別經(jīng)管線2 和管線3 進入MSIS 霧化室，其中經(jīng)管線2 進入霧化室的樣品溶液進行標準液體霧化，來自管線3 的樣品溶液與管線5 的預(yù)還原劑經(jīng)三通毛細管線圈混合均勻后進入MSIS 霧化室，與來自管線1 的還原劑發(fā)生氫化物反應(yīng)，所形成的氣態(tài)氫化物與常規(guī)液體霧化樣品均由霧化氣氬氣引入ICP-MS/MS 進行測定，所產(chǎn)生的廢液經(jīng)管線4 排出。

圖1 用于雙重模式的多模式樣品導(dǎo)入系統(tǒng)（MSIS）Fig.1 Multimode sample introduction system（MSIS）for dual mode

分別配 制0，1，5，2，100 μg/L 的Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr 和0，0.1，0.5，2，10 μg/L 的Ti、V、Co、As、Se、Cd、Sn、Sb、Hg、Pb 系列混 合標準 溶液，采用ICP-MS/MS 分別對混合標準溶液、空白溶液和樣品溶液進行測定，利用在線內(nèi)標混合T型接頭將1 mg/L 的內(nèi)標混合溶液，根據(jù)混合標準溶液中分析元素的相對信號強度所對應(yīng)的濃度進行線性回歸，建立校準曲線，根據(jù)校準曲線計算樣品溶液中分析元素的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 MSIS 工作條件優(yōu)化

氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 以高氧化態(tài)穩(wěn)定存在于海產(chǎn)品中，本試驗在樣品處理過程中使用5%（體積分數(shù)）的鹽酸將高氧化態(tài)還原為低氧化態(tài)或基態(tài)原子，以滿足氫化物反應(yīng)發(fā)生條件，并選擇在線加入2%L-半胱氨酸/4%酒石酸為預(yù)還原劑，提高氫化物的發(fā)生效率并穩(wěn)定分析信號強度?？疾炝祟A(yù)還原劑流速對氫化物元素信號強度的影響，從圖2a 可以看出，隨著預(yù)還原劑流速的增大，分析元素的信號強度也逐漸增大，當預(yù)還原劑流速 分別增大至1.8，2.0，1.6，2.2，1.8 mL/min時，As、Se、Sn、Sb、Hg 的信號強度最大，隨后開始趨于平穩(wěn)。為確保5 個氫化物元素的信號強度最大，選擇預(yù)還原劑流速為2.2 mL/min。

圖2 MSIS 工作條件對氫化物元素信號強度的影響Fig.2 Influence of MSIS working conditions on signal intensity of hydride-generation elements

圖2b 為還原劑（1.5%NaBH4/0.5%NaOH）流速對氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 信號強度的影響，可以看出，分析元素的信號強度隨著還原劑流速的增大而增大，當還原劑的流速分別達到0.6，0.5，0.5，0.4，0.4 mL/min 時，As、Se、Sn、Sb、Hg 的信號強度最大，隨后As、Se、Hg 的信號強度趨于平穩(wěn)，而Sn 和Sb 的信號強度緩慢減小。本試驗選擇還原劑流速為0.5 mL/min，以確保5 個分析元素均具有較大的分析信號強度。

2.2 質(zhì)譜模式選擇

O2能與許多原子離子發(fā)生反應(yīng)，可以通過氧原子轉(zhuǎn)移形成氧化離子消除質(zhì)譜干擾，是CRC 中最常用反應(yīng)氣[26-28]。52Cr+主要受到來自40Ar12C+、35Cl16OH+的干擾，在MS/MS 模式下，采用O2為反應(yīng)氣，干擾離子40Ar12C+、35Cl16OH+不與O2反應(yīng)，雖然52Cr+與O2的反應(yīng)是吸熱過程，但由于52Cr+碰撞能的貢獻，當52Cr+碰撞能遠遠大于52Cr+與O2反應(yīng)所需的能量時，所提供的額外能量會促進該吸熱反應(yīng)發(fā)生，從而通過檢測質(zhì)量轉(zhuǎn)移產(chǎn)物離子52Cr16O+消除40Ar12C+、35Cl16OH+的干擾（見圖3a）。55Mn+、56Fe+、59Co+、98Mo+、75As+、78Se+的質(zhì)譜行為 與52Cr+相似，本試驗采用O2質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾。111Cd+主要受到來自95Mo16O+的干擾，在O2反應(yīng)模式下，111Cd+不與O2反應(yīng)，而95Mo16O+與O2的反應(yīng)過程為放熱過程，95Mo16O+會生成95Mo16O2+，從而消除對111Cd+的干擾（見圖3b），因此，對于Cd 的測定，本試驗采用O2原位質(zhì)量法消除干擾。

圖3 在MS/MS 模式下利用O2 為反應(yīng)氣消除質(zhì)譜干擾Fig.3 Elimination of spectral interferences using O2 as reaction gas in the MS/MS mode

NH3由于有孤電子對的存在，更容易通過電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)消除干擾，同時，NH3也能與許多原子離子反應(yīng)，通過縮合和締合反應(yīng)生成大量復(fù)雜的產(chǎn)物離子，只要其中產(chǎn)物離子不受干擾且靈敏度滿足分析要求，便可用作檢測離子[29-31]。48Ti+和51V+與O2反應(yīng)為放熱過程產(chǎn)生大量的氧化物離子，然而由于二者的干擾離子SO 也能與O2反應(yīng)，所生成的SO2+仍然干擾48Ti16O+和51V16O+的測定，因此，在O2模式下無法消除48Ti 和51V 受到的質(zhì)譜干擾。在MS/MS 模式下采用NH3為反應(yīng)氣，48Ti+與NH3反應(yīng)發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移生成大量團簇離子，同時，包括32S16O+在內(nèi)的部分干擾離子也與NH3反應(yīng)生成大量離子，其中，48Ti（14NH3）6+靈敏度高且無干擾，通過選擇48Ti（14NH3）6+為檢測離子，利用NH3質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾。60Ni+、63Cu+、66Zn+的質(zhì)譜行為與48Ti+相似，本試驗均采用NH3質(zhì)量轉(zhuǎn)移法消除干擾。51V+主要受到來自35Cl16O+的干擾，幾乎不與NH3反應(yīng)，而35Cl16O+能與NH3發(fā)生高效電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)（35Cl16O++NH3→35Cl16O++NH3+）。因此，本試驗選擇51V+為檢測離子，通過NH3電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)去除35Cl16O+對51V+的干擾。

同位素88Sr、208Pb、118Sn、121Sn 和202Hg 所受到的干擾輕微，可忽略不計，本試驗選擇單四極桿（SQ，Q1僅作為離子導(dǎo)桿）無氣體模式進行測定。所有分析元素的質(zhì)譜模式選擇情況見表1。

表1 分析元素的質(zhì)譜模式選擇Table 1 Selection of mass spectrometry mode for analytes

2.3 反應(yīng)氣流速的優(yōu)化

在CRC 中，優(yōu)勢產(chǎn)物離子取決于反應(yīng)氣密度，而反應(yīng)氣密度取決于反應(yīng)氣流速。為確保所有檢測離子均具有高靈敏度，尤其是二次質(zhì)量轉(zhuǎn)移產(chǎn)物離子（MoO2+）是在一次質(zhì)量轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)上再次反應(yīng)，需要更高的反應(yīng)氣流速。考察了樣品溶液中1 μg/L 分析元素在不同反應(yīng)氣流速下產(chǎn)物離子歸一化信號強度的變化。圖4a 為O2流速對Cr、Mn、Fe、Co、Mo、Cd、As、Se 反應(yīng)產(chǎn)物離子歸一化信號強度的影響，可以看出，隨O2流速的增大，Cr、Mn、Fe、Co、Mo、As、Se 反應(yīng)產(chǎn)物離子的歸一化信號強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化，表明隨著O2流速的不斷增大，產(chǎn)物離子逐漸增多，當O2流速分別達到0.16，0.18，0.20，0.15，0.20，0.20，0.19 mL/min 時，反應(yīng)處于平衡，Cr、Mn、Fe、Co、Mo、As、Se反應(yīng)產(chǎn)物離子的歸一化信號強度最大，隨后增加的O2流速增大與產(chǎn)物離子的碰撞幾率，導(dǎo)致產(chǎn)物離子的能量損失，從而表現(xiàn)為歸一化信號強度開始減小。Cd 通過原位質(zhì)量轉(zhuǎn)移消除干擾，其歸一化信號強度隨O2流速的增大而逐漸減小，當O2流速達到0.20 mL/min 時，干擾離子與O2完全反應(yīng)后，Cd+的歸一化信號強度趨于平穩(wěn)，隨后增加的O2流速增大與Cd+的碰撞幾率，從而表現(xiàn)為歸一化信號強度開始減小。本試驗選擇O2流速為0.20 mL/min，所有分析元素的產(chǎn)物離子均具有較大信號強度。

圖4 反應(yīng)氣流速對反應(yīng)產(chǎn)物離子信號強度的影響Fig.4 Influence of reaction gas flow rate on signal intensity of reaction product ions

圖4b 為NH3/He 流速對Ti、V、Ni、Cu、Zn 反應(yīng)產(chǎn)物離子歸一化信號強度的影響，隨著NH3/He 流速的增大，Ti+、Ni+、Cu+、Zn+與反應(yīng)形成團簇離子的數(shù)量逐漸增多，歸一化信號強度逐漸增大，當NH3/He 流速分別達到2.8，3.0，2.8，3.0 mL/min 時，Ti、V、Ni、Cu、Zn 反應(yīng)產(chǎn)物離子的信號強度最大，隨后開始下降。V 通過電荷轉(zhuǎn)移消除干擾，其歸一化信號強度隨NH3/He 流速的增大而逐漸減小，當NH3/He 流速達到2.6 mL/min 后，V+的歸一化信號強度趨于平穩(wěn)，表明V 的干擾已經(jīng)徹底消除。本試驗選擇NH3/He 流速為3.0 mL/min，Ti、V、Ni、Cu、Zn 的產(chǎn)物離子均具有較大信號強度。

2.4 方法分析性能評價

采用所建立的方法分析系列混合標準溶液，以分析元素的相對信號強度所對應(yīng)的標準溶液濃度進行線性回歸，得到各元素的校準曲線。分別采用本法的雙重模式和標準霧化模式（不啟用氫化物發(fā)生模式）連續(xù)測定空白溶液10 次，以3 倍標準偏差對應(yīng)的濃度為各元素儀器的檢出限（LOD）。由表2 可以看出，所有分析元素的線性相關(guān)系數(shù)≥0.9996，具有良好的線性關(guān)系。本方法得到各元素的LOD 為0.02～1.61 ng/L，與標準霧化模式相比較，非氫化物元素的LOD 基本一致，而氫化物元素的LOD 均降低了1 個數(shù)量級左右。

表2 分析方法的線性關(guān)系與LODTable 2 Linearity and limit of detection（LOD）of analytical methods

為評價方法的準確性和可靠性，對國家標準參考物質(zhì)扇貝（GBW10024）重復(fù)測定6 次，并進行樣品加標回收試驗，結(jié)果見表3。采用本方法的測定值與標準參考物質(zhì)的認證值基本一致，加標回收率在94.0%～108%之間，相對標準偏差（RSD）為2.1%～7.1%，表明方法分析結(jié)果準確可靠，且精密度良好。

表3 標準參考物質(zhì)扇貝（GBW10024）的分析結(jié)果（n=6）Table 3 Analytical results of standard reference material scallop（GBW10024，n=6）

2.5 樣品分析

采用本法分別對產(chǎn)自廣東的帶魚、海螺、對蝦、毛蚶進行測定，每個樣品重復(fù)測定6 次，結(jié)果見表4。4 種海產(chǎn)品中，海螺中的Ti、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb、As 含量最高，毛蚶中的V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Se、Sb 含量最高，帶魚和對蝦中18 種微量元素的含量處于較低水平。對照《食品安全國家標準食品中污染物限量》（GB 2762-2017）[32]，海螺和毛蚶中的重金屬元素Cd 和Pb 超標，對照《無公害食品水產(chǎn)品中有毒有害物質(zhì)限量》（NYT5073-2006）[33]，海螺中的Cu、Cd、Pb 超標，毛蚶中的Cd和Pb 超標，因此，需重點關(guān)注海產(chǎn)品中重金屬超標對人體所帶來的健康風(fēng)險。

表4 樣品分析結(jié)果Table 4 Analytical results of samples

3 結(jié)論

本研究將MSIS 與ICP-MS/MS 相結(jié)合，利用MSIS 的雙重模式建立了海產(chǎn)品中氫化物元素As、Se、Sn、Sb、Hg 和非氫化物元素Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Sr、Cd、Pb 的同時測定。所建立的分析方法靈敏度高，線性關(guān)系好，結(jié)果準確可靠，LOD 為0.02～1.61 ng/L，其中氫化物元素的LOD 較標準霧化模式降低了1 個數(shù)量級左右。方法無需更換不同的進樣系統(tǒng)，提高了分析效率，降低了分析成本，適合大批量海產(chǎn)品中氫化物元素和非氫化物元素的高通量檢測分析。雖然通過食用海產(chǎn)品能獲取能量和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)，但仍需重點關(guān)注重金屬超標對人體所帶來的健康風(fēng)險。