電感耦合等離子體質(zhì)譜法在食品重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：在食品重金屬檢測(cè)中，電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）可以提供快速準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果，幫助相關(guān)人員及時(shí)了解食品中的有害物質(zhì)含量，從而迅速采取相應(yīng)措施。基于此，本文介紹了ICP-MS的工作原理，包括電感耦合等離子體的產(chǎn)生和質(zhì)譜分析過(guò)程；探討了食品樣品的前處理方法，如消解技術(shù)等；重點(diǎn)分析了ICP-MS在檢測(cè)食品中常見(jiàn)重金屬（如鉛、鎘、汞、砷等）方面的優(yōu)勢(shì)，包括高靈敏度、多元素同時(shí)分析能力等，同時(shí)也指出了該方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，如光譜干擾和高成本等，為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：電感耦合等離子體質(zhì)譜法；食品；重金屬；檢測(cè)

Application of Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry in the Detection of Heavy Metals in Food

ZHANG Zengkun

（Jinan Food and Drug Inspection and Testing Center， Jinan 250000， China）

Abstract： In the detection of heavy metals in food， inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS） can provide rapid and accurate detection results， and help relevant personnel timely understand the content of harmful substances in food， so as to take corresponding measures quickly. Based on this， this article elaborates on the application of ICP-MS in the detection of heavy metals in food. Firstly， the working principle of ICP-MS was introduced， including the generation of inductively coupled plasma and the mass spectrometry analysis process. Then， the pre-treatment methods for food samples， such as digestion techniques， were discussed. The advantages of ICP-MS in detecting common heavy metals （such as lead， cadmium， mercury， arsenic， etc.） in food were analyzed， including high sensitivity and the ability to simultaneously analyze multiple elements. At the same time， the challenges faced by this method in practical applications， such as spectral interference and high cost， were also pointed out.

Keywords： inductively coupled plasma mass spectrometry; food; heavy metals; testing

食品安全一直是全球關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，其中食品中的重金屬污染對(duì)人體健康構(gòu)成了潛在威脅[1-2]。重金屬在人體內(nèi)積累到一定程度會(huì)導(dǎo)致各種疾病，準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)食品中的重金屬含量至關(guān)重要。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry，ICP-MS）作為一種先進(jìn)的分析技術(shù)，在食品重金屬檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1 ICP-MS的工作原理

1.1 電感耦合等離子體

1.1.1 等離子體的產(chǎn)生

通過(guò)射頻發(fā)生器產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，在石英炬管內(nèi)使氬氣電離形成等離子體。射頻發(fā)生器一般工作頻率在27～50 MHz，產(chǎn)生的能量使氬氣原子中的電子獲得足夠的能量脫離原子核，形成自由電子和離子，進(jìn)而引發(fā)更多的氬氣電離，形成穩(wěn)定的等離子體。等離子體的溫度可達(dá)6 000～10 000 K，在這個(gè)高溫環(huán)境下，樣品被引入等離子體后會(huì)迅速原子化和離子化。

1.1.2 樣品引入與原子化、離子化

樣品通常以溶液形式通過(guò)霧化器進(jìn)入等離子體。霧化器將樣品溶液轉(zhuǎn)化為細(xì)小的氣溶膠，然后通過(guò)加熱的霧室進(jìn)一步去除溶劑，使氣溶膠中的溶質(zhì)進(jìn)入等離子體。在等離子體中，樣品中的元素被分解成原子，這些原子在高溫下進(jìn)一步失去電子成為離子。

1.2 質(zhì)譜分析

1.2.1 離子傳輸與聚焦

離子化后的元素離子通過(guò)采樣錐和截取錐從等離子體中提取出來(lái)。采樣錐和截取錐通常由鎳或鉑制成，它們能夠有效地將等離子體中的離子傳輸?shù)胶罄m(xù)的離子光學(xué)系統(tǒng)。離子光學(xué)系統(tǒng)包括一系列的離子透鏡，其作用是對(duì)離子進(jìn)行聚焦和加速，使離子形成具有一定能量和方向的離子束。

1.2.2 質(zhì)量分析器

常用的質(zhì)量分析器有四極桿質(zhì)量分析器和飛行時(shí)間質(zhì)量分析器等。四極桿質(zhì)量分析器通過(guò)在4根平行的金屬桿上施加直流和射頻電壓，產(chǎn)生一個(gè)可變的電場(chǎng)，只有特定質(zhì)荷比（m/z）的離子能夠穩(wěn)定地通過(guò)四極桿到達(dá)檢測(cè)器，其他離子則因不穩(wěn)定的軌跡而被濾除。飛行時(shí)間質(zhì)量分析器根據(jù)離子在無(wú)場(chǎng)區(qū)域飛行的時(shí)間與質(zhì)荷比的平方根成正比的原理進(jìn)行質(zhì)量分析。離子在加速后進(jìn)入無(wú)場(chǎng)飛行管，不同質(zhì)荷比的離子飛行速度不同，到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間也不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的分離和檢測(cè)。

1.2.3 離子檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理

離子到達(dá)檢測(cè)器后，產(chǎn)生電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過(guò)測(cè)量不同質(zhì)荷比離子的信號(hào)強(qiáng)度，可以定量分析樣品中各種元素的含量。數(shù)據(jù)處理軟件可以對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)、積分、統(tǒng)計(jì)分析等操作，最終得到準(zhǔn)確的元素濃度數(shù)據(jù)。

2 食品樣品的前處理方法

2.1 消解技術(shù)

2.1.1 濕法消解

濕法消解是使用強(qiáng)酸溶液對(duì)食品樣品進(jìn)行加熱消解的方法。常用的酸有硝酸、硫酸、高氯酸等。例如，對(duì)于肉類(lèi)樣品，通常采用硝酸-高氯酸混合酸進(jìn)行消解。具體操作時(shí)，將樣品稱(chēng)取到消解容器中，加入適量的酸，在加熱板上緩慢加熱，控制溫度在100～200 ℃，使樣品逐漸分解。在消解過(guò)程中，需要注意防止溶液暴沸和酸霧揮發(fā)。消解完成后，將溶液冷卻，定容至一定體積，準(zhǔn)備進(jìn)行ICP-MS分析。濕法消解的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，能夠處理大多數(shù)食品樣品；缺點(diǎn)是消解時(shí)間長(zhǎng)，酸用量大，容易引入污染。

2.1.2 微波消解

微波消解是利用微波能加速樣品消解的方法。將食品樣品和消解酸放入微波消解罐中，密封后放入微波消解儀中進(jìn)行消解。微波消解的原理是微波能使消解液中的分子產(chǎn)生高速振動(dòng)和摩擦，從而產(chǎn)生熱量，加速樣品的分解[3-4]。例如，對(duì)于谷物樣品，采用硝酸-過(guò)氧化氫混合酸進(jìn)行微波消解，一般在10～30 min即可完成消解過(guò)程。微波消解的優(yōu)點(diǎn)是消解速度快，消解效率高，酸用量少，減少了污染的可能性；缺點(diǎn)是設(shè)備成本較高，消解罐有一定的使用壽命。

2.2 其他前處理方法

2.2.1 提取法

對(duì)于某些特定的食品成分或重金屬形態(tài)分析，可采用提取法。例如，對(duì)于海產(chǎn)品中的有機(jī)汞分析，可以采用有機(jī)溶劑提取的方法，將有機(jī)汞從樣品中提取出來(lái)，然后再進(jìn)行后續(xù)的消解和分析。

2.2.2 固相萃取和固相微萃取

固相萃取和固相微萃取主要用于樣品的凈化和富集。固相萃取是將樣品溶液通過(guò)裝有吸附劑的小柱，目標(biāo)化合物被吸附在柱上，然后用適當(dāng)?shù)娜軇┫疵撓聛?lái)進(jìn)行分析。固相微萃取則是利用涂有吸附劑的纖維頭對(duì)樣品中的目標(biāo)化合物進(jìn)行萃取和富集，然后將纖維頭插入儀器進(jìn)行分析，適用于樣品中痕量重金屬的分析。

3 ICP-MS在食品重金屬檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

3.1 高靈敏度

3.1.1 檢測(cè)限低

ICP-MS能夠檢測(cè)到極低濃度的重金屬元素。對(duì)于大多數(shù)重金屬，其檢測(cè)限可以達(dá)到萬(wàn)億分之一級(jí)別。例如，在檢測(cè)飲用水中的汞時(shí)，檢測(cè)限可以達(dá)到0.01 ng·L-1。這是由于ICP-MS的離子化效率高，且質(zhì)譜儀對(duì)離子的檢測(cè)能力強(qiáng)。在等離子體中，幾乎所有的元素都能被有效地離子化，而質(zhì)譜儀能夠精確地分離和檢測(cè)這些離子，即使是極低濃度的離子也能被檢測(cè)到。

3.1.2 痕量分析能力

在食品檢測(cè)中，許多重金屬元素的含量往往處于痕量水平。ICP-MS能夠準(zhǔn)確地分析這些痕量元素。例如，在檢測(cè)茶葉中的鉛和鎘時(shí)，即使其含量在μg·kg-1級(jí)別，ICP-MS也能給出準(zhǔn)確的定量結(jié)果。這種高靈敏度使得ICP-MS在檢測(cè)食品中的重金屬污染方面具有重要價(jià)值，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)食品安全隱患。

3.2 多元素同時(shí)分析

3.2.1 一次進(jìn)樣分析多個(gè)元素

ICP-MS可以在一次進(jìn)樣中同時(shí)檢測(cè)多種重金屬元素。例如，在檢測(cè)蔬菜中的重金屬時(shí)，可以同時(shí)檢測(cè)鉛、鎘、汞、砷、鉻等多種元素。這是因?yàn)樵诘入x子體中，樣品中的所有元素都被原子化和離子化，然后通過(guò)質(zhì)譜儀進(jìn)行分離和檢測(cè)。不同質(zhì)荷比的離子在質(zhì)譜儀中被依次檢測(cè)，最終通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件可以同時(shí)獲得多種元素的含量信息。

3.2.2 提高分析效率

相較于傳統(tǒng)的單元素分析方法，如原子吸收光譜法（Atomic Absorption Spectroscopy，AAS），ICP-MS的多元素同時(shí)分析能力大大提高了分析效率。對(duì)于大量食品樣品的檢測(cè)，該技術(shù)能夠節(jié)省大量的時(shí)間和試劑成本。例如，在對(duì)一批水果進(jìn)行重金屬檢測(cè)時(shí)，如果采用AAS方法，需要逐個(gè)元素進(jìn)行分析，而ICP-MS可以在短時(shí)間內(nèi)完成所有相關(guān)重金屬元素的檢測(cè)。

3.3 準(zhǔn)確性和精密度高

3.3.1 校準(zhǔn)與定量分析

ICP-MS通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量分析[5]。標(biāo)準(zhǔn)溶液中含有已知濃度的目標(biāo)元素，通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液中元素離子的信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)校準(zhǔn)曲線(xiàn)可以計(jì)算出樣品中元素的濃度。例如，在檢測(cè)牛奶中的重金屬時(shí)，使用一系列不同濃度的鉛、鎘等標(biāo)準(zhǔn)溶液建立校準(zhǔn)曲線(xiàn)，然后測(cè)量牛奶樣品中相應(yīng)元素離子的信號(hào)強(qiáng)度，代入校準(zhǔn)曲線(xiàn)即可得到準(zhǔn)確的元素濃度。

3.3.2 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小

ICP-MS分析結(jié)果的精密度高，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（Relative Standard Deviation，RSD）通常較小。在正常操作條件下，對(duì)同一樣品進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，其RSD一般可以控制在5%以?xún)?nèi)。這是由于ICP-MS的儀器穩(wěn)定性好，離子化過(guò)程和質(zhì)譜分析過(guò)程的重現(xiàn)性高，能夠保證每次測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

4 ICP-MS在食品重金屬檢測(cè)中的局限性和挑戰(zhàn)

4.1 光譜干擾

4.1.1 同量異位素干擾

在復(fù)雜基質(zhì)的食品樣品中，可能存在同量異位素干擾。例如，氬（Ar）的同位素40Ar可能會(huì)對(duì)鈣（Ca）的同位素40Ca產(chǎn)生干擾，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤馁|(zhì)荷比。這種干擾會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要采用特殊的校正方法，如數(shù)學(xué)校正模型或采用高分辨率的質(zhì)譜儀來(lái)解決。

4.1.2 多原子離子干擾

等離子體中形成的多原子離子也會(huì)對(duì)某些元素的檢測(cè)產(chǎn)生干擾。例如，由氬和氧形成的ArO+離子可能會(huì)干擾鐵（Fe）的檢測(cè)，因?yàn)锳rO+的質(zhì)荷比與某些Fe同位素的質(zhì)荷比相近。為了消除這種干擾，可以采用碰撞/反應(yīng)池技術(shù)，通過(guò)在離子進(jìn)入質(zhì)譜儀之前與反應(yīng)氣體發(fā)生碰撞或反應(yīng)，改變干擾離子的質(zhì)荷比，使其與目標(biāo)離子分離。

4.2 成本較高

4.2.1 儀器設(shè)備成本

ICP-MS儀器價(jià)格昂貴，這對(duì)于一些小型檢測(cè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)較大的投資。儀器的維護(hù)成本也較高，包括定期更換消耗品（如霧化器、錐、泵管等）、維修費(fèi)用以及校準(zhǔn)費(fèi)用等。例如，一個(gè)霧化器的更換成本可能上萬(wàn)元。

4.2.2 運(yùn)行成本

ICP-MS在運(yùn)行過(guò)程中需要消耗大量的高純氬氣，氬氣的成本較高。此外，儀器的耗電量大，也增加了運(yùn)行成本。同時(shí)，由于該技術(shù)需要專(zhuān)業(yè)人員操作和維護(hù)，人員培訓(xùn)成本也是運(yùn)行成本的一部分。

5 結(jié)語(yǔ)

電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）在食品重金屬檢測(cè)中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，其高靈敏度、多元素同時(shí)分析能力、高準(zhǔn)確性和精密度使其成為食品安全檢測(cè)的重要手段。然而，該方法也面臨著光譜干擾和成本較高等挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，如技術(shù)進(jìn)一步完善和儀器成本的降低，ICP-MS在食品重金屬檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛和深入，為保障全球食品安全做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]宋敏，李蓓.電感耦合等離子體質(zhì)譜法在食品中重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用[J].食品安全質(zhì)量檢測(cè)學(xué)報(bào)，2018，9（5）：1045-1049.

[2]孟翠蓮，王曉舟，朱毅然，等.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定雞組織中鉻的含量[J].動(dòng)物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2020，41（7）：93-98.

[3]韋燕燕，蒙舒婷，張海霞.微波消解-ICP-MS法測(cè)定桄榔粉中多種元素[J].食品工業(yè)，2020，41（10）：310-313.

[4]李清清，陸志蕓，陳貴宇.微波消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定電子煙霧化液中多種重金屬元素[J].分析儀器，2019（5）：18-23.

[5]馮俊，王銀劍，段文等.電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法測(cè)定地質(zhì)樣品中鎘、鉻、鎢、鉭和鈮[J].中國(guó)無(wú)機(jī)分析化學(xué)，2024，14（5）：586-592.