電感耦合等離子體串聯質譜測定水產品中的痕量重金屬元素

李愛陽，伍素云，劉寧，劉水林

(湖南工學院 材料與化學工程學院，湖南 衡陽,421002)

近年來，我國毒膠囊和毒大米事件爆發，由重金屬元素超標所引發的安全隱患已經成為比較突出的問題。重金屬能在生物體內積累產生毒性，對生物體的各個系統造成危害，尤其是重金屬As、Cd、Hg、Pb是眾所周知的毒理性元素[1]。水產品對重金屬等微量元素具有較強的富集作用[2]，水體中的重金屬元素極易被水產品吸收并通過食物鏈進入人體，長期攝入重金屬元素會引發各類疾病[3]。因此，世界各國及各級組織的法規均制定了重金屬元素的限量標準，我國國家標準GB 2762—2017和中國藥典2015均嚴格限定了食品和藥品中重金屬元素的最大濃度[4-6]。

目前，水產品中重金屬元素的測定已經有大量文獻報道，主要包括原子吸收光譜(atomic absorption spectroscopy, AAS)法、電感耦合等離子體發射光譜(inductively coupled plasma optical emmission spectrometry, ICP-OES)法和電感耦合等離子體質譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)法[7-10]，其中ICP-MS法所擁有的高靈敏度、低檢出限以及多元素的快速分析性能，完全可以取代其他無機分析技術，已成為痕量元素分析的最強大工具和最有效手段。在ICP-MS的復雜基質樣品分析中，消除由低質量元素(m/z≤80 amu)所形成的多原子離子干擾、同量異位素干擾以及雙電荷離子的干擾所構成的質譜干擾仍然面臨著諸多挑戰。碰撞/反應池(collision reaction cell, CRC)技術為消除質譜干擾提供了通用方法[11]，在He碰撞模式下，相同質量的多原子離子比單原子離子橫截面更大，與He發生碰撞的次數比分析離子多，能量損失更多。根據碰撞后的能量差異，利用偏置電壓將分析離子與多原子離子分離，從而消除多原子離子干擾[12]，但He碰撞模式導致能量損失會降低分析元素的傳輸效率，影響分析元素的信號強度，對于痕量元素的分析靈敏度嚴重下降，He碰撞模式不適合痕量重金屬元素的測定；在反應模式下，可以利用干擾離子與分析離子反應化學上的差異來消除干擾，然而，發生不可預知的副反應所形成新的質譜重疊仍然有可能干擾分析離子，限制了反應模式的廣泛應用。因此，對于復雜基質中痕量重金屬元素的測定，迫切需要建立能更好消除質譜干擾的新方法。

電感耦合等離子體串聯質譜(ICP-MS/MS)利用雙重四極桿質量過濾器對來自等離子體(inductively coupled plasma, ICP)的離子進行選擇，從而全面控制CRC中的離子或分子發生的化學反應，充分發揮了反應模式的最大的潛能[13-16]。配置在ICP和CRC之間的第一級四極桿質量過濾器(Q1)只允許指定m/z的離子進入CRC，將大量干擾離子排除在CRC外；配置于CRC和檢測器之間的第二級四極桿質量過濾器(Q2)僅選擇從CRC中出來的分析離子，將干擾離子排除在檢測器外，經過2次過濾幾乎可以無干擾測定分析離子。本文采用ICP-MS/MS測定水產品中的痕量重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb，提出了在MS/MS模式下利用O2為反應氣消除質譜干擾的新策略，旨在為水產品中多個痕量重金屬元素的快速、準確測定提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料和試劑

100 mg/L的Cr、Ni、As、Cd、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；10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi多元素混合內標溶液(p/n 5183-4681)，美國Agilent公司；亞沸蒸餾提純質量分數為65%的HNO3；質量分數為37%、30% H2O2，德國Merck公司；扇貝成分分析標準物質(GBW10024)，中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所；5類常見水產品樣品(小龍蝦、草魚、明蝦、扇貝、魷魚)為大型超市購買的非干制新鮮品，在-20 ℃冰箱中保存；實驗用水為Milli超純水(電阻率大于18.2 MΩ·cm)。

1.2 儀器及設備

Agilent 8800型ICP-MS/MS儀，美國Agilent公司。配備玻璃同心霧化器、Scott型雙通道霧化室、Ni錐、MARs 5密閉微波消解系統，美國CEM公司。Milli-Q超純水機，美國Millipore公司。本實驗采用ICP-MS/MS在MS/MS模式消除質譜干擾的工作原理見圖1。

圖1 在O2反應模式下消除質譜干擾的原理Fig.1 Mechanism of spectral interferences eliminating in the O2 reaction mode

1.3 樣品前處理

水產品在室溫解凍后用陶瓷刀選取可食用部分，用超純水清洗3次，瀝干水分進行勻漿。準確稱取勻漿樣品0.500 0 g于微波消解罐中，依次加入質量分數為65%的HNO34 mL、質量分數為37%的HCl 1 mL和質量分數為30%的H2O21 mL，密封好罐蓋后進行消解。微波消解最大功率中明顯地看出雞肉樣品隨著燉煮次數的改1 600 W，消解過程分3步進行：第1步升溫時間5 min，控制溫度120℃；第2步升溫時間3 min，控制溫度150 ℃，保持時間5 min；第3步升溫時間5 min，控制溫度185 ℃，保持時間15 min。消解程序完成后自動冷卻至室溫，用超純水將透明消解溶液轉移至200 mL容量瓶中定容，搖勻后在優化的操作條件下測定空白溶液、標準溶液，利用T型內標混合接頭將1 mg/L的多元素內標溶液在線加入到所有測試溶液中，用來校正基體效應以保持元素分析信號的穩定。

1.4 實驗方法

ICP-MS/MS調諧優化后的操作條件：射頻功率，1 550 W；等離子氣流速，15.0 L/min；載氣流速，1.09 L/min；輔助氣流速，1.8 L/min；補償氣流速，0 L/min；采樣深度，8.0 mm；數據采集，MS/MS模式；CRC氣體，O2；O2流速，0.30 mL/min；八極桿偏置電壓，-18 V；KED偏置電壓，-8 V；目標同位素，52Cr、60Ni、75As、111Cd、202Hg、208Pb。

采用體積分數2%的HNO3溶液配制Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合標準溶液，在優化的ICP-MS/MS操作條件下對系列混合標準溶液、空白溶液和樣品溶液進行測定。以待測元素信號強度與內標元素信號強度的比值對標準溶液所對應的濃度進行線性回歸，根據ICP-MS/MS自帶的MassHunter工作站數據處理軟件自動建立校準曲線，從而獲得樣品溶液中分析元素的含量。

2 結果與討論

2.1 干擾及消除

水產品中含有Na、Cl等高水平的基質元素，會對52Cr、60Ni、75As的測定形成嚴重質譜干擾，而111Cd、202Hg、208Pb的主要質譜干擾來自95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+。考察了不同質譜模式下干擾離子對分析元素的干擾程度以及消除效果，結果見表1。在單四極桿(SQ，Q1僅作為離子運行通道)模式下不使用碰撞氣或反應氣(無氣體)，由于沒有消除干擾，52Cr、60Ni、75As的背景等效濃度(background equivalent concentration, BEC)很大，無法獲得準確的分析結果，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC很小，說明干擾離子95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+分別對111Cd、202Hg、208Pb的干擾可忽略不計。在SQ模式下采用He碰撞氣，由于消除了多原子離子質譜干擾，52Cr、60Ni、75As的BEC顯著降低，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC反而增大，表明He碰撞模式不適合111Cd、202Hg、208Pb的測定。

綜上所述，對于Cr、Ni、As的測定，本實驗采用MS/MS的O2反應模式消除干擾，而對于Cd、Hg、Pb的測定，無需消除干擾，在SQ的無氣體模式下進行測定。

表1 待測元素的質譜分析模式Table 1 Mass spectrometry analysis modes of analytes

樣品溶液、標準溶液和空白溶液之間的基質組成存在差異，導致這些溶液在ICP以及霧化室中的提升速率、傳輸效率和霧化效應的不同產生誤差，形成基體效應[20]。本實驗選擇具有相似行為的內標元素作為參照物進行校正，由于52Cr、60Ni、75As在測定過程中發生了質量轉移，內標元素的選擇變得復雜。在MS/MS的O2反應模式下，內標45Sc+能與O2反應生成45Sc16O+，與52Cr+、60Ni+、75As+的質譜行為相似，且45Sc16O+的質量與52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+接近，本實驗選擇45Sc16O+為內標校正了52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+測定過程中的基體效應，而111Cd、202Hg、208Pb的測定過程中沒有發生質量轉移，本實驗選擇115In為111Cd的內標元素，選擇209Bi為202Hg和208Pb的內標元素校正了基體效應。

2.2 反應氣O2流速的優化

在CRC內，發生質量轉移反應的程度以及生成產物離子的濃度均取決于O2流速，因此，O2流速影響分析信號的強度。考察了不同的O2流速下，采用ICP-MS/MS法測定扇貝成分分析標準物質(GBW10024)中Cr、Ni、As的含量，將測定結果與標準物質的認證值進行對比，以確定最佳的O2流速，結果見圖2。可以看出，隨著O2流速的增大，Cr、Ni、As的測定值逐漸接近認定值，質譜干擾逐漸得到消除，當O2流速達到0.25 mL/min時，Cr、Ni、As的測定值與標準物質的認證值基本一致，隨后增大O2流速，Cr、Ni、As的測定值基本處于穩定狀態，表明質譜干擾已經完全消除，為確保質量轉移反應進行得更徹底，本實驗最終確定O2的優化流速為0.3 mL/min。

圖2 反應氣O2的流速的優化Fig.2 Optimization of the O2 reaction gas flow rate

2.3 校準數據與檢出限

配制不同濃度的Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合標準溶液，采用ICP-MS/MS進行測定，得到分析元素的校準曲線數據。以連續測定11次空白溶液分析元素信號強度的3倍和10倍標準偏差所對應的濃度分別為儀器的檢出限(limit of detection, LOD)和定量限(limit of quantitation, LOQ)[21]。通過表2可以看出，各元素的線性相關系數≥0.999 8，線性關系良好；Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的LOD分別為3.01、4.28、2.94、0.85、2.62、0.97 ng/L。

表2 分析元素的校準數據與檢出限Table 2 Calibration data and the limits of detection (LOD) for analytes

2.4 準確性和精密度驗證

為驗證分析方法的準確性和精密度，采用ICP-MS/MS對國家標準參考物質扇貝(GBW10024)重復測定6次，結果見表3。6個分析元素的測定結果與國家標準參考物質的認證值基本一致，相對標準偏差(relative standard deviation, RSD)≤4.65%，驗證了所建立的分析方法準確度好，精密度高。

表3 采用ICP-MS/MS測定標準參考物質扇貝(GBW10024)的分析結果(n=6)Table 3 Results obtained for analytes in standard reference material scallop (GBW10024) using ICP-MS/MS (n=6)

2.5 水產品分析

采用所建立的方法測定了5類常見水產品樣品(小龍蝦、草魚、明蝦、扇貝、魷魚)中重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，每個樣品重復測定6次。從表4可以看出，5類水產品中重金屬元素的含量均處于較低水平，其中，扇貝中Cr、Cd、Hg、Pb的含量最高，明蝦中Ni的含量最高，魷魚中As的含量最高，草魚中重金屬元素Cr、Cd、Hg、Pb的含量均為最低，魷魚中的Ni含量最低，小龍蝦中As的含量最低。本實驗海水產品(明蝦、扇貝、魷魚)中的重金屬元素的含量整體水平高于淡水產品(小龍蝦、草魚)，其中以扇貝尤為突出。

表4 采用ICP-MS/MS測定水產品的分析結果(n=6) 單位：ng/g

3 結論

采用ICP-MS/MS法準確測定了水產品中重金屬元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，水產品經微波消解后直接進樣分析，在MS/MS模式下，利用O2質量轉移法消除了Cr、Ni、As測定過程中的質譜干擾，通過優選內標元素校正了基體效應。采用所建立的方法分析了5類常見水產品，所有樣品的重金屬元素的含量均處于較低水平。本研究為水產品中多個重金屬元素的高通量準確分析提供了新方法。