電感耦合等離子體串聯質譜測定食品中的磷和硫

王丙濤，金曉蕾，趙旭，林燕奎

深圳海關食品檢驗檢疫技術中心（深圳 518000）

磷和硫是人體蛋白質的重要組成元素。磷是參與代謝、維持骨骼和牙齒的必要物質，幾乎參與所有生理上的化學反應，磷缺乏時導致紅細胞、白細胞、血小板異常，引起軟骨病或佝僂病，而攝入過多的磷將導致高磷血癥，血鈣降低導致骨質疏松。硫是構成胱氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸3種重要氨基酸的成分之一，有助于維護皮膚、頭發及指甲的健康、維持氧平衡、幫助腦功能正常運作、促進膽汁分泌等。但是元素狀態及硫酸化合物狀態下的硫是無法被人體吸收利用的，而二氧化硫是一種全身性毒物，會刺激上呼吸道、損害支氣管和肺、破壞酶的活力、影響碳水化合物及蛋白質的代謝。食物中有豐富的磷和硫，但是環境污染的加劇和含磷農藥的濫用，以及二氧化硫及其鹽類因具有漂白、防腐、抗氧化等作用而在食品加工過程中超范圍濫用，導致經常出現問題，存在很大食品安全隱患。因此，建立快速、精準、可靠的檢測方法監控食品中的P、S具有重要意義。

在常規的分析中，P、S常采用滴定法、比色法[1-4]、離子色譜法[5-6]、氣相色譜法[7-8]、液相色譜法[9-10]、質譜法[11]等測定。這些分析方法往往要進行復雜的前處理，重復性也較差，滿足不了大批量樣品的快速檢測需求[11-12]。試驗采用ICP-MS/MS同時測定食品中的P及S，對氦模式（He）、氫模式（H2）、氧模式（O2）、雙質譜等各種檢測模式進行對比，與常規的四極桿ICP-MS相比，八極桿反應池系統（ORS3）和四極桿質量過濾器（Q2）的前面增加一套主四極桿質量過濾器（Q1），Q1只允許目標分析物質量數的離子進入反應池，有效排除掉所有其它質量數的離子，目標離子進入ORS3系統后與反應氣反應生成新的目標離子進入Q2，由于Q1消除基質離子及其它干擾離子，從而保證ORS3中的反應過程能夠精確控制，直接測定新生成的目標離子，使基體干擾很復雜的樣品也能直接準確測定[13-15]。

1 材料與方法

1.1 儀器和試劑

安捷倫8800電感耦合等離子體串聯質譜儀ICPMS/MS（美國）；Milestone ETHOS One微波消解儀（意大利）；Mettler ME204E電子天平（瑞士）；MilliQ A10純水儀（德國）。

標準溶液：磷P，GBW（E）080431，1 000 mg/L，中國計量科學研究院；硫S，GSB 04-1773-2004，1 000 mg/L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；硝酸（優級純，默克）；18.2 MΩ去離子水。

1.2 儀器條件

根據待測元素特性分別對儀器條件、檢測模式和碰撞反應氣體進行優化，優化后的測定參數見表1。

表1 ICP-MS/MS測定參數

1.3 樣品前處理

以市售的米粉樣品作為實際樣品進行檢測，GBW 10019蘋果生物成分分析標準物質購自國家標準物質研究中心，為固體粉末試樣，直接稱樣進行檢測。

準確稱取0.5 g（精確至0.001 g）均質樣品于微波消解聚四氟乙烯罐中，加入5 mL硝酸和1 mL水，靜置15 min后置于微波消解儀中，按照微波消解處理程序進行消解。冷卻后取出，于石墨消解儀上趕酸，取出冷卻，轉移定容至50 mL比色管中，用去離子水沖洗聚四氟乙烯管2～3次，合并沖洗液，定容至50 mL，待測。同樣方法做試劑空白。

微波消解處理程序：功率800 W；室溫開始，以20 ℃/min升至120 ℃，保持5 min，以20 ℃/min升至180 ℃，保持5 min，以5 ℃/min升至190 ℃，保持20 min。

2 結果和討論

2.1 干擾離子

非金屬元素電離能比較高，P、S的第一電離能分別為10.49和10.36 eV，在氬等離子體中電離程度很低，離子化效率分別為7.5%和10.0%，遠低于金屬元素的電離效率。且P、S屬于輕質量數元素，用單一四極桿ICP-MS檢測時會存在大量基體干擾和多原子離子干擾，雖然采用碰撞反應氣可以消除一部分干擾，但并不能徹底消除所有干擾，如16O16O+對32S+的干擾等，氫氣作為碰撞反應氣時還可能生成新的氫化物干擾等。P和S是受氫化物和氧化物干擾最嚴重的元素，常見的同位素干擾、氧化物、氫化物及雙電荷等干擾情況見表2。

表2 待測元素受到的干擾情況

2.2 反應氣體和檢測模式的選擇

分別采用He、H2和O2作為碰撞反應氣進行對比（見圖1）。試驗發現氫氣模式下，H2與干擾離子進行碰撞反應，但空白溶液中P、S的背景信號依然很高，不僅無法有效消除干擾，基體中N、O、Si等還可能與H2反應產生新的氫化物干擾14N16O1H+、1H30Si+、16O1H15N+，導致低濃度標準溶液中干擾離子的信號高于目標離子31P+、32S+和34S+的信號，影響靈敏度和檢出限；氦氣模式下，He是惰性氣體，僅能通過碰撞消除多原子離子干擾，樣品基體情況也可以忽略不計，常規情況下可以使得干擾離子大量減少，但試驗發現32S+受16O16O+的影響太大，背景信號強度依然偏高，無法獲得良好的線性，這與文獻報道相一致[14]；使用氧氣作反應氣時，目標離子在碰撞池中與O2反應：X++O2=XO++O，ΔHr=D（O2）-D（X+-O），P+、S+與氧原子的親和力都很高，反應焓ΔHr分別為-3.17和-0.34 eV，反應為放熱反應，可以自發進行，生成新離子31P16O+和32S16O+、34S16O+，質量數分別變成m/z47，48和50，從而消除干擾。綜合考慮待測元素的性質和干擾離子情況，方法最終采用O2作為碰撞反應氣。

采用O2作反應氣體單一質譜進行檢測時，目標離子進入反應池反應，同時m/z16，32，34，47，48，50，94，96和100等離子均會進入反應池，31P+、32S+、34S+反應生成新的離子31P16O+、32S16O+、34S16O+進入檢測器，新質量數m/z47，48和50處仍會存在相應的多原子離子干擾、同位素干擾、雙電荷干擾等，特別是在測定復雜基質樣品時，若樣本中Ti、V、Zr、Mo等含量較高，基質本身帶來的m/z47，48和50等的同位素干擾和雙電荷干擾依然會比較嚴重，從而無法實現P、S的準確測定。采用三重四極桿串聯質譜（ICP-MS/MS），Q1、反應池、Q2串接，通過Q1將m/z31，32和34之外的其他離子全部去除，這3種質量數的離子進入反應池與O2反應，分別生成31P16O+、32S16O+、34S16O+3種新的離子，待測目標離子質量數分別轉變為m/z47，48和50進入Q2，通過質量選擇，將進入Q2檢測器的m/z31，32和34的離子全部去除，從而徹底消除各元素存在的多原子離子干擾、同位素干擾等，實現對待測目標元素的精準測量，方法最終采用O2反應氣雙質譜模式進行檢測。

圖1 32S+、34S+和31P+在3種碰撞反應氣條件下的背景信號強度對數圖

2.3 質量數的選擇

硫有多種同位素，32S的天然豐度最高，達95.02%，34S的天然豐度為4.21%，其余同位素的豐度均小于1%。由于S的第一電離能為10.36 eV，等離子體中的離子化效率僅為10%，比較難電離，所以同位素豐度對信號的影響就顯得尤為敏感。雖然32S+和34S+在O2反應氣雙質譜模式下均能獲得良好的線性（見圖2），但32S16O+和34S16O+的檢出限比值與32S和34S的同位素比值不一致，且34S16O+的信號強度較低，考慮到對靈敏度和檢出限的影響，最終選擇32S16O+作為定量離子進行檢測。

圖2 32S+和34S+的標準曲線

2.4 線性范圍和檢出限

根據優化后的檢測條件，P和S在2.0～500 μg/L范圍內均具有良好線性，相關系數r2均為1.000 0，儀器檢出限以3倍信噪比（S/N=3）對應的質量濃度自動計算，各元素標準曲線、線性相關系數和檢出限詳見表3。

表3 標準曲線、線性相關系數和檢出限

2.5 實際樣品檢測和加標回收

考慮到食品中P、S本底含量較高，因此選擇本底含量較低的米粉進行添加回收驗證，檢測結果見表4。

從表4可以看出，平均回收率在85%以上，精密度RSD均小于3%，結果顯示采用微波消解法處理樣品，ICP-MS/MS同時檢測P、S等非金屬元素是可靠的。

2.6 標準物質分析

采用優化后的方法對國家標準物質GBW 10019蘋果生物成分標準物質進行檢測，結果顯示P和S檢測結果的RSD分別為1.3%和2.3%（n=6），精密度良好，且待測目標元素含量與標準值一致性很好，均在標準值不確定度范圍內，平均值與證書標準值的相對偏差≤3.5%，結果見表5。

表4 樣品中P和S的回收率和精密度

表5 標準物質檢測結果

3 結論

對電感耦合等離子體質譜法檢測P和S時的各種干擾離子進行詳細分析，建立食品中P和S測定的ICPMS/MS分析方法。運用O2作為反應氣，在Q1處將除31P+、32S+之外的其他干擾離子去除，進入反應池后，與氧氣反應生成31P16O+和32S16O+進入Q2，通過二級質譜質量轉移，將干擾離子全部去除，從而實現準確測定。通過對實際樣品和標準參考物質的分析，結果顯示方法準確性和精密度良好，樣品基質中的基質干擾和前處理過程帶來的干擾均可消除，完全滿足食品中P和S元素的精準測定需求。