應用ICP-MS/MS快速測定紅酒中的多種微量元素

張 萍，劉宏偉

（湖南工學院材料與化學工程學院，湖南 衡陽 421002）

紅酒是采用新鮮葡萄為原料釀制的低度飲料，富含多糖、有機酸、多酚、無機鹽、微量元素、含氮物質及多種氨基酸和維生素[1]，具有香醇可口、抑瘤抗癌、延緩衰老、軟化血管的功效[2]。近年來，隨著人們生活水平的提高，紅酒越來越受到消費者的喜愛，在酒席宴會上也逐漸成為必備飲品[3]。紅酒中的微量元素主要來源于釀酒原料，在紅酒生產加工和貯藏運輸過程中都可能有微量元素帶入。鑒于紅酒中的微量元素是決定紅酒質量的重要參數指標[4]，建立紅酒中微量元素準確測定的方法無疑對促進紅酒的貿易發展和提高紅酒的釀造工藝均有著積極的推動作用，世界各國均致力于建立紅酒標準和用于測量紅酒中化學成分的分析方法的研究[5]。

作為西方文明的標志，紅酒的悠久歷史可追溯至公元前七千年，經過長期發展，紅酒相關的質量控制參數和分析檢測手段也逐漸完善，包括紅酒摻假、紅酒釀造中微量元素的濃度變化以及毒理或生理效應的研究，已有大量的文獻報道[6-10]。但紅酒中乙醇和溶解性固體的存在干擾其中微量元素的準確分析，同時，由于一些影響紅酒口味的元素以及毒理性元素的含量極低，對分析方法的檢出限提出了更高的要求。目前，用于紅酒中微量元素的分析方法主要有原子吸收光譜法[11-13]、電感耦合等離子體發射光譜法[14-16]和電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）法[17-22]，其中ICP-MS法具有最高靈敏度和最低檢出限，尤其是冷等離子體技術、雙聚焦扇形磁場技術和碰撞/反應池（collision reaction cell，CRC）技術的使用大幅提高了ICP-MS的分析性能[23-25]。

圖1 ICP-MS/MS的工作機理Fig.1 Working mechanism of ICP-MS/MS

實驗所選用的電感耦合等離子體-串聯質譜（inductively coupled plasma tandem mass spectrometry，ICP-MS/MS）是在ICP和CRC之間增設一個四極桿過濾器（Q1），與位于CRC后端的四極桿過濾器（Q2）構成了雙四極桿過濾器，如圖1所示。ICP-MS/MS的數據采集方式分單四極桿（single quadrupole，SQ）和雙四極桿（MS/MS）2 種模式。采用SQ模式時，位于CRC前端的Q1無過濾功能，位于CRC后端的Q2具有過濾功能，因此，Q1不能對來自ICP的離子進行過濾，僅具有離子通道功能，SQ模式下的數據采集與傳統配有CRC的ICP-MS無異，通過He碰撞模式可以成功消除大部分質譜干擾，但由于碰撞過程中的能量損失，在消除干擾離子的同時也會降低待測離子的傳輸效率，并且對于某些特殊的質譜干擾無能為力（如雙電荷離子干擾），此時，采用反應模式消除干擾效果更好，但基于SQ模式的反應模式存在局限，這是由于所有來自ICP的原子離子均進入了CRC中，反應路徑變得無法預測，副反應發生形成新的產物離子有可能產生新的干擾。在MS/MS模式下，Q1和Q2均處于開啟狀態，來自ICP的離子在進入CRC前通過Q1進行一次過濾，阻止了大量干擾離子進入CRC，離子運行通道更通暢，極大提高了離子傳輸效率，保證了CRC內的反應歷程和反應產物處于可控狀態，反應效率得到顯著提高，產物離子通過Q2的再次過濾消除干擾，從而實現待測元素的精準測定。與傳統的ICP-MS相比較，質譜干擾經過雙重過濾后消除得更加徹底，分析元素的靈敏度更高[26-29]。本實驗采用ICP-MS/MS法直接分析紅酒中12 種微量元素，探討紅酒中多元素的快速測定的分析方法，為研究紅酒的品質與微量元素的關聯性提供科學的理論及技術依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

2013年產長城干紅葡萄酒、2014年產長城玫瑰紅甜型葡萄酒、2014年產威龍赤霞珠干紅葡萄酒、2014年產張裕精品干紅葡萄酒（編號樣品1～4） 市購。

1 000 μg/mL單元素（Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb）儲備溶液、無水乙醇 國藥集團化學試劑有限公司；10 mg/L內標溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi） 美國安捷倫公司；質量分數65%硝酸溶液、質量分數35% H2O2溶液 德國默克公司。

1.2 儀器與設備

8800型ICP-MS/MS儀 美國安捷倫公司；MARS-5型微波消解系統 美國CEM公司；Milli-Q超純水機美國密利博公司。

1.3 方法

1.3.1 ICP-MS/MS測定條件

為降低紅酒中揮發性有機組分的影響，分析中采用內徑為1.0 mm窄口徑進樣炬管和鉑錐。基于CeO+/Ce+小于1%優化ICP-MS/MS的操作條件為：等離子模式，低基質；射頻功率1 550 W；等離子氣流速15.0 L/min；載氣流速0.8 L/min；補償氣流速0.3 L/min；蠕動泵轉速0.1 r/s；采樣深度8.0 mm；數據采集模式為SQ模式和MS/MS模式；碰撞/反應氣體為He（SQ模式）、H2（SQ模式）、O2（MS/MS模式）、NH3/He（MS/MS模式）；八極桿偏置電壓為－18 V（He、O2、NH3/He）、－10 V（H2）；動能歧視偏置電壓為5 V（He）、0 V（H2）、－10 V（O2、NH3/He）；氣體流速為5.2 mL/min（He）、4.0 mL/min（H2）、0.3 mL/min（O2）、6.5 mL/min（NH3/He）。

1.3.2 樣品處理與測定

準確移取經0.45 μm的纖維濾膜過濾的紅酒樣品25 mL，置于250 mL高密度聚乙烯容量瓶中，加入5 mL硝酸酸化后用超純水定容，搖勻制得樣品溶液。采用微波消解處理樣品，消解程序：功率1 600 W，在8 min內升室溫到150 ℃，在此溫度條件下保持5 min后在3 min內升溫到180 ℃，保持10 min至消解結束。將2 種處理方法的樣品溶液分別采用ICP-MS/MS重復測定10 次，并應用t檢驗法對測定結果進行統計學分析。

為消除樣品溶液與空白溶液和標準溶液之間存在的黏度差異，考慮到紅酒樣品中的乙醇體積分數在8%～14%之間，結合稀釋倍數，在所有空白溶液和標準溶液中均加入1%乙醇和2%硝酸以保持匹配。在質譜分析過程中，采用T型在線內標混合接頭將1.0 mg/L的內標溶液加入到所有上機測試溶液中（由于T型接頭存在稀釋因子，實際進入霧化器的量約為50 μg/L）。分別采用He和H2為池氣體進行測試，用來模擬常規ICP-MS的質譜干擾消除能力；在MS/MS模式下，分別采用O2和NH3/He為反應氣體進行測試。利用安捷倫MassHunter工作站軟件，根據待測元素與內標元素的信號比對應的標準溶液質量濃度繪制校準曲線，從而得到樣品溶液中待測元素的含量。

2 結果與分析

2.1 數據采集方式的選擇

為評價同時分析多元素的最佳數據采集方式，選擇各元素的高豐度同位素，在SQ模式下，分別采用He和H2為池氣體進行測試，用來模擬常規帶四極桿ICP-MS的質譜干擾消除能力；在MS/MS模式下，分別采用O2和NH3/He為池反應氣體進行測試。在4 種分析模式下各待測元素背景等效濃度（background equivalent concentration，BEC）的變化情況見表1。

表1 不同操作模式下待測元素的BECTable1 Background equivalent concentration (BEC) of analytes in different operating modes

通過表1可以看出，在MS/MS模式下多數元素的BEC均小于SQ模式。對于元素Cr、Mn、As、Se、Sn、Pb，在MS/MS模式下，采用O2為池氣體時，其反應歷程為待測元素在CRC內與O2發生質量轉移反應，分別生成CrO+、MnO+、AsO+、SeO+、SnO+、PbO+，設置Q2=Q1+16，使生成的氧化物離子能順利通過Q2，利用O2質量轉移法消除干擾，與另外3 種分析模式相比較，6 個氧化物離子的BEC處于最小值，消除干擾最徹底；對于元素Fe、Ni、Cu、Zn，在MS/MS模式下，采用NH3/He為池氣體時，其反應歷程為待測元素在CRC內與NH3發生質量轉移反應，分別生成團簇離子、、，設置Q2=Q1+34，利用NH3質量轉移法消除干擾，4 個團簇離子的BEC處于最小值；對于元素Cd和Hg的測定，其主要干擾離子為MoO+和WO+，基于這2 種干擾離子極易與O2反應生成二次氧化物離子和（放熱反應），而Cd+和Hg+不能與O2自發反應（吸熱反應），在MS/MS模式下，設置Q2=Q1，利用O2原位質量法消除干擾，BEC處于最小值。本實驗最終確定了各元素的最佳數據采集方式，在MS/MS模式下，元素Cr、Mn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的測定選擇O2為池氣體，元素Fe、Ni、Cu、Zn為的測定選擇NH3/He為池氣體。

2.2 基體效應

為克服實驗中存在的基體效應，首先在標準溶液和空白溶液中加入乙醇和硝酸溶液，與樣品溶液中乙醇和硝酸的濃度相匹配，然后在線加入1 mg/L的內標混合標準溶液（Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi），各元素內標元素的分配見表2。

表2 各元素的產物離子及內標元素的分配Table2 Product ions and the internal standard elements for the distribution of analytes

為考察基體效應的校正效果，對一個加標的紅酒樣品在3 h內重復測定18 次（元素Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、As、Se、Cd、Sn、Hg、Pb的加標質量濃度分別為60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10、5 μg/L），分別考察對基體效應未校正（標準溶液中不加基體匹配溶液和內標溶液）和校正（標準溶液中分別加入1%乙醇、2%硝酸、1%乙醇+2%硝酸、內標、1%乙醇+2%硝酸+內標）狀態下各元素的相對標準偏差（relative standard deviation，RSD），結果見圖2。未進行基體校正時各元素的RSD均大于10%，加入基體匹配溶液時各元素的RSD在10%左右，加入內標溶液后各元素的RSD在5%左右，而同時加入基體匹配溶液和內標溶液時各元素的RSD均小于5%，表明樣品溶液在3 h內所測元素的信號強度沒有出現漂移，基體效應得到校正。

圖2 基體效應的校正效果Fig.2 Correction of matrix effect

2.3 樣品處理結果

表3 樣品不同處理方法的分析結果Table3 Effect of different sample pretreatment methods on the analysis

為驗證樣品處理方法的可行性，取同一紅酒分成2 份，分別進行過濾酸化和微波消解處理。如表3所示，2 種處理方法的分析結果無顯著性差異（P＞0.05），表明本實驗中所測定的12 種元素在紅酒的溶解性固體中含量極低，紅酒過濾處理對分析結果的影響可忽略不計。

2.4 線性范圍與檢出限測定結果

配制12 種元素不同質量濃度的系列標準溶液，上機測定通過儀器自帶的軟件獲得各元素校準曲線和線性相關系數。取空白溶液重復測定10 次，其產生的信號測定值的3 倍標準偏差（3σ）所對應的分析物的質量濃度為儀器的檢出限（limit of detection，LOD），其產生的信號測定值的10 倍標準偏差（10σ）的所對應的質量濃度為儀器的定量限（limit of quantitation，LOQ）[30]。從表4可以看出，各元素的線性相關系數不小于0.999 7，LOD在1.4～51.8 ng/L之間，LOQ在4.7～172.7 ng/L之間，完全滿足測定要求。

表4 各元素的線性相關系數、LOD和LOQTable4 Linear correlation coefficients, limit of detections (LODs) and limits of quantitation (LOQs) of the analytes

2.5 方法準確性驗證結果

為驗證方法的準確性，進行加標回收實驗。選取一種紅酒樣品，分別加入不同質量濃度的待測元素標準溶液，按實驗方法重復測定10 次，結果見表5。各元素的加標回收率為94.0%～104.7%，RSD不大于4.0%，驗證了方法具有良好的準確性。

表5 樣品的加標回收率實驗Table5 Recoveries of spiked samples

2.6 樣品分析

表6 樣品分析結果Table6 Analytical results of real samples μg/L

分別測定購于大型超市的4 個紅酒樣品，每個樣品重復測定10 次，結果見表6。不同紅酒中微量元素的含量存在較大差異，紅酒中重金屬元素主要來源于葡萄原料的生產環境和紅酒生產過程中的污染，依據國際葡萄與葡萄酒組織制定的系列標準（Cu＜1 mg/L、Zn＜5 mg/L、As＜200 μg/L、Cd＜10 μg/L、Pb＜150 μg/L），所測4 個紅酒樣品中Cu、Zn、As、Cd、Pb的含量均符合國際葡萄與葡萄酒組織的質量標準。

3 結 論

采用ICP-MS/MS測定紅酒中12 種微量元素，為防止紅酒樣品中的溶解性固體堵塞質譜儀的霧化器或噴射管，所有紅酒均采用0.45 μm的纖維濾膜過濾，并經硝酸酸化處理后直接分析。針對復雜基質形成的質譜干擾，在MS/MS模式下，分別選擇O2和NH3/He為反應氣，利用CRC技術消除了所有質譜干擾，各元素的LOD在1.4～51.8 ng/L之間。采用加標回收實驗驗證了方法具有良好的準確性和精密度。方法不僅能為紅酒中微量元素的測定提供準確的分析方法，還通過簡化樣品處理過程提高了工作效率，為紅酒中微量元素的高通量檢測提供了技術支持。