基于微波消解電感耦合等離子體質譜法(ICPMS)測定深海魚肌肉中12種元素

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(1.廣東食品藥品職業學院,廣東廣州 510520; 2.廣州檢驗檢測認證集團有限公司,廣東廣州 511447)

我國海水魚種類繁多,是人們膳食的重要組成部分,因其低脂肪、高蛋白、富含多種微量元素而被人們喜愛,其中,深海魚是對水深超過200 m的魚類的總稱,深海魚大多自然生長,深海污染少,生長周期長,具有很高營養價值[1]。目前,由于大量工業廢水等排入海洋,使海洋魚類受到不同程度的污染,魚體中的重金屬含量也隨之增加,沿食物鏈進入到人體內,進而對人體造成危害,因此有必要對深海魚的污染情況進行深入探究。鎘(Cd)、汞(Hg)、鉛(Pb)等元素具有生物富集性、持久性、易遷移性,會對人體造成很大的危害[2-4],銅(Cu)、硒(Se)、鋅(Zn)、鉻(Cr)等是維持正常生命活動的必需元素,但濃度超過一定閾值也會對人體造成危害[5]。關于魚類的元素研究主要集中在砷、鎘等微量元素,并且關于淡水魚的報道較多[6-11],肌肉作為魚體主要食用部分,其污染情況直接關系居民食用安全,因此建立一種可準確測定深海魚中多種元素含量的方法具有重要意義,能夠有效監控有害元素的污染情況。

目前元素的測定多采用化學分光光度法、原子熒光光譜法[12-13](atomic fluorescence spectrometry,AFS)、原子吸收分光光度法[14](atomic absorption spectrophotometry,AAS)、電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)[15-16]、電感耦合等離子體原子發射光譜法(inductively coupled plasma atomic emission spectrometry,ICP-OES)[17]等,但是化學分光光度法、及AAS法和AFS法只能進行單一元素或者雙元素逐個分析,分析速度慢,前處理過程比較麻煩;ICP-OES和ICP-MS是近年來興起的一種快速微量元素測定方法[18-21]。ICP-MS靈敏度高(檢出限可達ppt級),線性范圍寬(可同時測定多種且含量差異較大的元素)、抗干擾能力強(配合質譜,專屬性強)、耗時短,精密度高,可以進行多個元素的快速分析(1～4 min/樣品)[22-23],越來越多的檢驗機構使用該方法進行元素檢測。目前該方法在深海魚類的元素檢測方面已經見文獻報道,Copat等[24]采用ICP-MS法檢測了大西洋鯖魚、歐洲鳀等深海魚中As、Cd、Pb等10種元素,劉芳芳等[1]檢測了黃魚中Fe、Zn等8種元素,然而對于同時測定深海魚B、Al、Mn、Cu、Ni、Zn、Cr、Hg、Pb、Cd、Se和Sn 12種元素的方法和含量比較研究只有較少報道。

本文以白鯧魚(Pampusargenteus)、金鯧魚(Trachinotusovatus)、大黃花魚(Pseudosciaenacrocea)、午筍魚(Eleutheronematetradactylum)、小黃花魚(Psendosciaenapolyactis)、帶魚(Trichiuruslepturus)為研究對象,采用微波消解-ICP-MS法同時測定深海魚肌肉中B、Al、Mn、Cu、Ni、Zn、Cr、Hg、Pb、Cd、Se和Sn 12種微量元素,并進行一系列方法學驗證,根據國家食品安全標準對食品中污染物的限量要求和居民膳食營養素參考攝入量進行評價,為日常監測海水魚中有害元素的污染情況提供科學手段,為居民日常選購深海魚類、合理膳食提供參考意見。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

白鯧魚(約150 g/條)、金鯧魚(600 g/條)、大黃花魚(約300 g/條)、午筍魚(約500 g/條)小黃花魚(約80 g/條)、帶魚(約850 g/條)各10條 2018年10月購于廣州南沙水產市場;硝酸 MOS純(≥65.0%),德國Meker公司;雙氧水 BV-Ⅲ級,北京化學試劑研究所;超純水 電阻率≥18.2(ΜΩ·cm),自制;Sc(45)、Ge(72)、In(115)、Bi(209)內標液(各50 ppb) 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;B、Al、Mn、Cu單元素標準溶液 國家鋼鐵材料測試中心;Cr、Ni、Zn、Se、Cd、Sn、Hg、Pb單元素標準溶液 國家有色金屬及電子材料分析測試中心;所有單元素標準溶液濃度均為1000 mg/L;生物標準物質扇貝(GBW10024) 中國物理地球化學勘查研究所。

Agilent電感耦合等離子體質譜儀7900 美國Agilent Technologies公司;Milestone ETHOS UP大微波消解儀 意大利Milestone公司;Mettler MS204S電子分析天平 德國梅特勒公司;Milli-Q超純水機 美國密理博公司;大龍DRAGON移液槍10～100和100～1000 μL各一支及槍頭若干 北京大龍興創實驗儀器有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理 采購回來的魚放置在-18 ℃冰箱凍藏以備使用。在常溫下解凍,先稱量體重和測量體長,然后解剖,去掉內臟、魚鰓、魚鱗等,取全部可食肌肉去皮后進行樣品測定。魚肉切分后,均勻打碎。置于消解管中稱取1 g,精確至小數點后0.0001 g,加入硝酸5 mL,雙氧水2 mL,水1 mL,采用微波消解處理樣品。微波消解升溫曲線如表1所示。樣品消解完后取出消解管,放入控溫消解器中100 ℃趕酸至近干,取下冷卻,轉移到容量瓶中,用超純水定容至50 mL,待分析。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion procedure

1.2.2 儀器的工作條件 儀器開機穩定后,用質譜調諧液進行調諧,得到最佳的靈敏度,最低的氧化物、雙電荷干擾以及較好的分辨率。把樣品管依次插入空白溶液、供試品溶液中,內標管插入內標溶液中,調用儀器內置的半定量掃描方法,進行半定量掃描,選擇合適的內標元素,制定合理的標準曲線范圍及確定樣品的稀釋倍數。運行工作參數為:等離子體氣(氬氣)流速15.0 L/min;射頻功率1550 W;載氣(氬氣)流速1.0 L/min;霧化室溫度2 ℃;采樣錐孔徑1.0 mm;截取錐孔徑0.4 mm;進液速度0.40 r/s;進液時間20 s;穩定時間20 s,重復次數3次。

1.2.3 標準溶液的制備及標準曲線制作 以2% HNO3溶液做介質,將不同元素的單元素標準溶液進行逐級濃度稀釋,制備成混合標準儲備溶液,最后配制成含待測物質標準系列濃度如表2。

表2 各元素內標元素、標準曲線系列濃度Table 2 Internal standard elements,standard curve concentration

1.3 數據分析

實驗中所需數據以Excel 2010軟件統計并計算,結果用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 干擾及消除方法的選擇

對于ICP-MS而言,干擾分為質譜干擾和非質譜干擾。質譜干擾即不能分辨的相同質量的干擾,主要有同量異位素、多原子、雙電荷離子等。質譜干擾的解決辦法主要有:選擇無干擾同位素(如137Ba代替138Ba)、最佳化儀器條件,消除基體,干擾校正方程等[25]。非質譜干擾主要源于樣品基體,如溶解性固體、高質量元素和易電離元素。克服基體效應的最有效的方法是稀釋樣品、內標校正、標準加入、基體消除等。本實驗采用的是最佳化儀器條件、通過氦氣碰撞,選擇待測元素合適的同位素來避免多原子離子干擾。為減少儀器信號漂移和基體干擾的影響程度,本實驗采用內標法定量,根據各待測元素的質量數、相對豐度及同位素所產生的的多原子離子干擾情況,選用加入混合內標元素Sc(45)、Ge(72)、In(115)、Bi(209)作為待測元素的內標元素(濃度),改善各待測元素的準確性和穩定性(見表2)。

2.2 微波消解液的選擇

比較了HNO3-H2O消解體系(5 mL HNO3,3 mL H2O)、HNO3-H2O2-H2O(5 mL HNO3,2 mL H2O2,1 mL H2O)的消解效果,以消解后溶液的澄清度為指標。魚肉基體復雜,加入適量的H2O2效果更好,因為加入后消解液顏色較淺,保證消解更完全,最終選擇HNO3-H2O2-H2O來進行樣品的消解,該體系氧化性較強,加速樣品的消解,同時加入過氧化氫能降低氮氣的釋放,也不會產生多原子離子干擾[26]。消解后溶液顏色對比見圖1(A為HNO3-H2O消解體系,B為HNO3-H2O2-H2O消解體系),肉眼判斷,加入H2O2后顏色變淺,消解更徹底。

圖1 消解后溶液顏色對比Fig.1 Color contrast of solutions after digestion

2.3 線性參數和檢出限

按照1.2.3所述系列標準溶液,按上述實驗條件進行測定,儀器自動繪制標準曲線,以元素溶液濃度為橫坐標,待測元素的響應值(離子計數CPS)與對應的內標元素響應值為縱坐標,擬合后得到線性回歸方程。各元素的標準曲線方程、線性范圍、相關系數見表3,本實驗選擇的標準工作曲線符合ICP-MS的動態檢測范圍,覆蓋樣品測定的濃度,所有元素的線性方程相關系數r在0.9991～1.0000(Hg為0.9921)。用樣品空白溶液連續進樣20次,以測量值標準偏差(δ)的3倍所對應的濃度值為檢出限,10倍所對應的濃度值為定量限[27-28],通過計算,方法的檢出限在0.00074～2.2 μg/kg,定量限在0.0025～7.1 μg/kg。

表3 線性參數、檢出限和定量限Table 3 Linearity parameters,detection limits and quantitation limits

2.4 標準物質的測定

為驗證本試驗方法的準確性和可靠性,在選擇的實驗步驟和操作條件下對標準物質進行了測定。取標準物質扇貝約1 g,用萬分之一天平稱量[28],按照前述1.2方法,平行制備3份,測定。標準物質的標準值和測定值見表4,結果表明標準物質扇貝中B、Al、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Se、Cd、Hg元素的測定值均在標準值規定的范圍內,證明該試驗方法準確可靠(n=3)。

表4 扇貝的標準值與測定值(n=3)Table 4 Analytical results of scallop(n=3)

2.5 樣品的加標回收率

為了考察方法的準確度,在已知含量的實際樣品中分別加入不同濃度的待測元素的標準溶液做三次平行試驗。取帶魚的肌肉約1.0 g,精密稱定,按照表5設計的三個水平加標,平行制備樣品3份,測定結果見表5。加標回收率為81.8%～110.0%,RSD為3.2%～9.1%,表明該方法的重復性及準確性較好。

表5 加標回收率與精密度(n=3)Table 5 Results of the recovery and precision(n=3)

2.6 樣品的實際測定

應用本實驗方法檢測從市場購買的6種海魚,分別是帶魚、白鯧、金鯧、大黃花魚、小黃花魚、午筍魚。按照1.2所述方法進行前處理并進行測定,測定結果如表6。

根據GB 2762-2017《食品中污染物限量》[29]規定,Cr、Cd、Pb三種有害元素的限量標準分別是Cr≤2.0 mg/kg、Cd≤0.1 mg/kg、Pb≤0.5 mg/kg。由表6可以看出,6種海魚肌肉中Cr、Cd、Pb元素均檢出,但是遠低于國家標準規定的限量;通過測定結果可以看出,魚的種類不同,元素的含量有明顯差異。該實驗條件下測定的是總汞含量,由于水產品本身的生物富集效應,檢測毒性比較大的甲基汞來反映水產品的受污染水平。根據國標要求,對于制定甲基汞限量的食品可先測定其總汞,總汞水平超過限量值時,需要再測定甲基汞,通過測定總汞結果,所有樣品遠低于國家標準規定的限量(甲基汞≤0.5 mg/kg)。Zn、Se、Cu、Cr是人體所需的必需微量元素,本次檢測的6種深海魚含量從高到低是Zn>Se>Cu>Cr,其中Zn含量范圍(3.72～22.1 mg/kg)、Se含量范圍(0.162～0.391 mg/kg)、Cu含量范圍(0.095～0.334 mg/kg)、Cr含量范圍(0.003～0.054 mg/kg)。參照中國居民膳食營養素參考攝入量WA/T578.3-2017[30],針對營養素需求最多的孕婦和乳母群體,Zn推薦攝入量(RNI)分別為9.5、12 mg/d,Se推薦攝入量(RNI)分別為65、78 μg/d,帶魚、大黃花魚肌肉中Zn含量高達22.1、21.7 mg/kg,小黃花魚肌肉中Se含量高達0.391 mg/kg。硒在人體內無法合成,要滿足人體對硒的需求,需要依靠外界獲取,而人體硒的主要來源是食物[31],以上數據可以看出受檢魚類中含有比較豐富的微量元素Zn、Se,是孕婦和乳母等特殊群體比較好的食物來源。B、Ni、Mn是人體可能必需的微量元素,Al、Sn具有潛在毒性,但在低劑量時,對人體可能是有益的微量元素,GB2762-2017對油脂及其制品的Ni、罐頭食品中溶出Sn進行限量規定,因此自然條件下魚類對Al、Ni和Sn的富集可作為風險監測的項目。Sn元素大部分未檢出,小黃花魚0.001 mg/kg,說明6種海魚這種元素的風險非常低。Mn可以促進骨骼的生長發育,保護細胞中細粒體的完整,保持正常的腦功能,維持正常的糖代謝和脂肪代謝,并可改善肌體的造血功能[32],受檢的6種海魚中,Mn平均含量有差異,其中帶魚含量最高,為13.3 mg/kg,白鯧次之,為4.47 mg/kg。6種海魚肌肉中,白鯧魚B元素含量最高為0.428 mg/kg,遠遠低于植物性食物[33]。

表6 6種海魚樣品各元素含量(n=3)Table 6 Contents of elements in 5 deep-sea fish samples(n=3)

3 結論

本文建立了微波消解-ICP-MS法同時測定6種深海魚肌肉中B、Al、Cr、Mn、Ni、Cu、Zn、Sn、Cd、Hg、Se、Pb共12種元素的分析方法,對測定過程中的條件進行了優化,并進行了方法的檢出限和加標回收率實驗,結果表明:各元素檢出限低,線性關系良好,相關系數(r)在0.9991～1.0000(Hg為0.9921),檢出限為0.00074～2.2 μg/kg,加標回收率在81.8%～110.0%之間,說明該方法準確可靠,靈敏度高,適合魚肉中多元素含量的測定。通過對市場上6種海魚的肌肉進行檢測,發現Cd、Cr、Pb、Hg四種元素遠遠低于國家標準規定的限量,說明實驗受檢樣品安全風險較低,4種必需微量元素中,Zn>Se>Cu>Cr,其中Zn含量范圍(3.72～22.1 mg/kg)、Se含量范圍(0.162～0.391 mg/kg)、Cu含量范圍(0.095～0.334 mg/kg)、Cr含量范圍(0.003～0.054 mg/kg),帶魚、大黃花魚富含Zn,小黃花魚富含Se等人體必需微量元素,是乳母、孕婦等特殊群體良好的膳食選擇。其他居民消費量比較大的海魚品種本文沒有納入檢測范圍,有必要在后續工作中進一步進行檢測研究。