基于ICP-MS/MS技術測定大米中30種微量元素

劉麗南，吳春敏，高 鐲，袁筱玄，曹 夢，王 巖，王 東

（河北省食品檢驗研究院, 河北省食品安全重點實驗室, 河北石家莊050000）

我國是一個農業大國，稻谷種植面積廣泛，可達2969.4萬公頃，產量高，尤其在南方地區，稻田占耕地面積一半以上[1]。在我國居民的膳食結構中，每日主食也多以大米為主[2]。但是，隨著生態環境的惡化，水稻中的重金屬污染問題變得越來越嚴重，而稻田占比較多的南方地區，大米重金屬污染問題顯然比北方地區更加嚴重，尤其是江浙滬和珠三角地區[3]。在GB 2762-2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》關于大米中鉛、鎘、汞、砷、鉻的限量分別是0.2、0.2、0.02、0.2、1 mg/kg。目前關于水稻中重金屬污染情況，已有較多文獻報道：杭州產地大米中砷、汞、鉛、鎘、鉻、鎳等均有檢出，其中鎘含量偏高[4]；南寧市的稻米中重金屬檢出率普遍偏高，其中鎘超標較為嚴重，所以應聯合農業和環保等部門采取措施提升大米質量以確保食品安全[5]；覃焱等[6]采集了廣西、廣東、海南、貴州、云南、浙江、福建、江蘇、湖南、湖北、河南、新疆、寧夏、黑龍江等地生產的70種市售大米，分析其鎘、鉛、砷、汞4種重金屬含量，分析結果表明兒童和成人食用上述省份的大米存在一定的健康風險。由此可見，我國水稻重金屬污染問題亟待監管和整治，無論是對于大米的營養性還是安全性，都需要建立一種能夠快速準確測定大米中微量元素含量的分析方法，這具有非常重要的意義。

有關大米中微量元素的分析方法已有大量報道，主要包括：電化學分析法[7?9]，紫外分光光度計法[10?12]，原子光譜法[13?15]。其中原子光譜法在食品檢測重金屬方面應用較為廣泛，主要包括火焰原子吸收法（FAAS）、石墨爐原子吸收光譜法（AAS）、原子熒光光度法（AFS），但這些方法每次只能檢測大米中的一種元素，無法實現同時檢測大米中的多種元素。隨后出現了多元素分析方法：電感耦合等離子體發射光譜（ICP-OES）法[16]和電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）法[17?18]。這兩種分析方法中，ICP-MS法靈敏度最高、檢出限最低，但其面臨的質譜干擾仍然沒有得到完全消除，從而限制了有些元素的準確測定[19]。針對質譜干擾所發展的冷等離子體、高分辨質譜和碰撞反應池（CRC）技術雖能降低或消除一些干擾，但依然存在無法準確測定難電離元素的問題[20]；一方面，消除了一些干擾的同時，靈敏度受損嚴重[21]；另一方面，不能消除雙電荷離子對于試驗的干擾，無法控制副反應的發生，易形成新的產物離子干擾分析物的測定等因[22]。本文首次采用電感耦合等離子體串聯質譜（ICP-MS/MS ）對大米樣品中的30種微量元素進行分析，并采用內標法定量，利用其所特有的雙質荷比（m/z）過濾功能，分別選擇 H2、O2、NH3/He 為反應氣，通過控制CRC中的反應過程消除質譜干擾，為準確分析大米中30種微量元素提供新方法。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1000 μg/mL 的 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na、Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs、Pb、Cd、B、In、Sn標準貯備溶液 北京標準物質研究中心；硝酸（BV-III） 北京化學試劑研究所有限責任公司；超純水 電阻率為18.2 MΩ·cm；大米 購于超市，產地有黑龍江、廣州、河北等。

8900 ICP-MS/MS 美國 Agilent公司；Milli-Q超純水機 美國 Millipore 公司；MARS7微波消解儀 培安·CEM微波化學（中國）技術中心；BHW-09C恒溫加熱器 上海博通化學科技有限公司；ME203E分析天平（千分之一） 賽多利斯科學儀器（北京）有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 等離子條件的選擇 選用最終濃度為1 μg/mL的調諧液（含元素 Li、Y、Co、Tl、Ge、Mg）對不同的反應氣進行方法調諧。分別代表輕、中、重質量數的響應值是否達到實際需要的響應值；10%峰寬是否達到需要峰寬；氧化物及雙電荷比是否干擾到最低，這些都是等離子條件選擇的重要因素。

1.2.2 質譜干擾及消除 以5%的硝酸為介質分別配制 500 μg/L的 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na混合標準溶液和 50 μg/L 的 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs 、Pb、Cd、B、In、Sn混合標準溶液，將含有這 30種元素的標準溶液分別在5種不同反應氣的模式下，通過設置Q1和Q2進行質譜分析，以背景等效濃度（BEC）和檢出限（DL）的值為檢測標準，分別對比一定濃度下的BEC、DL值，BEC、DL越小，表明該模式下質譜干擾就越小，BEC、DL均由儀器自動計算給出，此外參照儀器附帶的元素干擾表進行元素荷質比的篩選。

1.2.3 內標元素選擇與穩定性驗證實驗 選擇45Sc、89Y、103Rh、209Bi 為內標元素（ISTD），內標元素混合標準溶液濃度為 Sc（50 μg/L）、Bi（10 μg/L）、Rh（20 μg/L）、Y（50 μg/L）均由 5% 的硝酸為介質稀釋制得。在優化實驗條件下進行 ISTD 穩定性實驗，連續進空白樣品10 h，用以查看 ISTD 信號的穩定性。

1.2.4 校準曲線與檢出限 以5%的硝酸為介質分別配制濃度為 0、1、10、50、100、500、1000 μg/L 系列待測元素 Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na的混合標準溶液和 0、0.1、1、10、20、50、100 μg/L 系列待測元素 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs、Pb、Cd、B、In、Sn的混合標準溶液。上機建立校準曲線，檢出限均由儀器自動計算給出。

1.2.5 準確度與重復性 為了進一步驗證分析實際樣品時方法的準確性，采用混合標準溶液對大米樣品進行加標回收率試驗，選用校準曲線的中間濃度進行加標。以5%的硝酸為介質分別配制100 μg/L的Ca、P、S、Zn、Cu、Fe、Mn、K、Mg、Na混合標準溶液和 20 μg/L 的 Ge、Sb、Ba、Ti、V、Se、As、Sr、Mo、Ni、Co、Cr、Al、Li、Cs 、Pb、Cd、B、In、Sn 混合標準溶液。將這30種元素的混合標準溶液在1.2.3得到的結果下進行加標回收率的測定，重復測定11次，測定相對標準偏差（RSD）值。

1.2.6 樣品分析 準確稱取0.5 g（精確至0.001 g）均勻粉碎后的大米于75 mL微波消解罐中，加入5 mL硝酸，按照表1步驟消解試樣[23]，冷卻后取出消解罐，在恒溫加熱器上于100 ℃趕酸10~15 min，將消解液轉移至50 mL的容量瓶中，用水定容至刻度制得樣品溶液，同時做試樣空白；在測定過程中將Sc、Y、Bi、Rh內標元素混合標準溶液加入到上機測定溶液中。

表1 微波消解儀的工作條件Table 1 Operating conditions of microwave digestion apparatus

1.3 數據處理

利用安捷倫數據處理MassHunter 軟件，以分析元素與內標元素的信號比對標準溶液的濃度自動建立校準曲線，從而得到分析樣品中待測元素的含量。

2 結果與分析

2.1 等離子條件的選擇

7、89、205 分別代表輕、中、重質量數，需要響應值分別為 5000、10000、5000 cps/（μg·L），測得的響應值分別為 88620、350376、177783 cps/（μg·L），響應值均大于需要響應值；10%峰寬需要在0.5~0.6 aum之間，測得這三個質量數的10%峰寬分別為0.570、0.517、0.594 aum，均達到10%需要峰寬；氧化物及雙電荷比率為0.880%和1.547%，氧化物干擾和雙電荷干擾均小于2%，干擾物已達到最低；RF功率的大小也影響結果[24]，本實驗調諧后的RF功率為1550 W。所以經過調諧后和綜合考慮后ICP-MS/MS的操作條件見表2。

表2 ICP-MS/MS 的工作條件Table 2 Operating conditions of ICP-MS/MS

2.2 質譜干擾及消除

ICP-MS/MS 是在帶碰撞/反應池（CRC）的單四極桿基礎上增配一個四極桿質量分析器，形成雙四極桿質量分析器。通過設置第一級四極桿質量分析器（Q1）的質荷比（m/z），僅允許目標離子進入 CRC 中，這一步就可以將大量的干擾離子阻止在外。進入CRC的離子少，傳輸通道更為通暢，靈敏度更高；在CRC 內加入反應氣（H2、O2、NH3）使干擾物或分析物與反應氣發生反應，實現質量轉移，利用反應后干擾物和分析物的質量差，設置位于CRC后的第二級四極桿質量分析器（Q2）的質荷比（m/z）消除干擾。兩個質量分析器的雙重過濾極大提高了消除干擾的能力和分析元素的靈敏度。其雙四極桿的結構如圖1所示。

圖1 在 MS/MS 模式下采用 ICP-MS/MS 消除質譜干擾的工作原理Fig.1 Schematic representation of eliminating spectral interference by ICP-MS/MS in the MS/MS mode

基于ICP-MS/MS消除干擾的能力，本試驗選擇各待測元素的高豐度同位素進行測定，并與SQ模式（不啟動Q1只啟動Q2，Q1僅作為離子運行通道，相當ICP-QMS）下的結果進行對比考察30個待測元素BEC和DL的變化，結果見表3。

從表3可以看出，在SQ的無氣狀態下，僅 Cd、Sb、Pb這3種元素的 BEC和 DL 處于較低水平。這是由于這3種元素的的質譜干擾輕微，可以忽略不計。在MS/MS 模式和He碰撞模式下BEC和DL反而變大，表明開啟 CRC 對于這類無干擾元素的測定是不利的，因此本實驗對于Cd、Sb、Pb這3種無干擾元素采用 SQ 的無氣模式進行測定，本試驗 的質荷比（m/z）分別設置 Q2=111，Q2=121，Q2=208；對于 Sn和 Cu， He模式的 BEC 和 DL 處于較低水平，故采用 SQ 的He模式進行測定，m/z分別設置 Q2=118，Q2=63。

在 MS/MS 模式下采用 H2為反應氣時，Al、Ge、In、Sr、Se、Zn、Na、Mn的 BEC和 DL均小于無氣模式和He反應模式，表明開啟 CRC 對于這類元素的測定是有利的，使得質譜干擾得到了消除。對于Ge元素的干擾元素為70Zn和74Se；In元素的干擾元素為113Cd和115Sn；Sr元素的干擾元素為84Kr、86Kr和87Rb；Se元素的干擾元素為74Ge和76Ge；Zn 元素的干擾元素為70Ge。所以在 MS/MS模式下m/z分別設置 Q1=Q2=27，Q1=Q2=72，Q1=Q2=115,Q1=Q2=88， Q1=Q2=78， Q1=Q2=66， Q1=Q2=23，Q1=Q2=55，經過Q1在CRC前面進行一次篩選過濾再利用H2原位質量法可完全消除干擾，而對于In元素的干擾元素為115Sn，但Sn的干擾影響非常小，可以忽略不計或者采用干擾方程剔除。

O2作為一種反應氣能與多種離子發生反應，從表3可以看出，在 MS/MS 模式下 P、S、V、As、Cr、Ti均能與O2自發反應生成氧化物離子，可以利用此反應消除干擾， BEC 和 DL 均得到明顯改善。對于Cr元素的干擾元素為50Ti、50V和50Fe；對于K元素的干擾元素為40Ar 和40Ca；對于V元素的干擾元素為50Ti和50Cr ；對于Ti元素的干擾元素為46Ca和48Ca；因此在 MS/MS模式下 m/z分別設置 Q1=30/Q2=47， Q1=32/Q2=48， Q1=51/Q2=67， Q1=75/Q2=91，Q1=52/Q2=68， Q1=47/Q2=63， 將 P+、 S+、 V+、 As+、Cr+與Ti+反應生成氧化物，利用O2質量轉移法進行測定。由于Cs+和K+均不與O2自發發生反應，所以在 MS/MS模式下 m/z分別設置 Q1=Q2=133，Q1=Q2=39，利用O2原位質量法消除干擾。

表3 不同質譜模式下各待測元素背景等效濃度和檢出限Table 3 Background equivalent concentration and detection limit obtained for different mass mode

NH3中加入一定量的He氣作為緩沖氣，最易與金屬離子形成團簇離子[25]，適合消除金屬離子的干擾。本試驗混合了1 mL/min的He氣。對于元素B、Ba、Fe、Co、Ni、Ca、Mo、Li、Mg的 BEC 和 DL均得到明顯改善表明干擾得到消除。由于Ba+、Ca+、Mo+、Li+、Mg+均不與 NH3發生反應形成團簇離子，對于Ba元素的干擾元素為136Xe和134Xe；對于Fe元素的干擾元素為54Cr和58Ni；對于Ni元素的干擾元素為64Zn和58Fe；對于Ca元素的干擾元素為40Cr；對于Mo元素的干擾元素為98Ru和96Zr；所以本試驗m/z分別設置 Q1=Q2=137，Q1=Q2=44，Q1=Q2=95，Q1=Q2=7，Q1=Q2=24，利用NH3原位質量法消除干擾進行測定；而 B+、Fe+、 Co+、 Cu+、 Ni+能與 NH3發生反應形成多種團簇離子，而且團簇離子11BNH（14NH3）22+、56Fe（14NH3）22+、59Co（14NH3）22+、63Cu（14NH3）22+、Ni（14NH3）3+附近無干擾且離子豐度能完全滿足測定要求，因此本試驗對于B+、Fe+、Co+、Cu+和 Ni+的 測 定 ，m/z分 別 設 置 Q1=11/Q2=60，Q1=56/Q2=90，Q1=59/Q2=93，Q1=63/Q2=97，Q1=60/Q2=94利用NH3質量轉移法消除干擾。

2.3 校準曲線與檢出限

表4結果表明30 個元素的線性關系良好，相關系數R2≥0.9991。檢出限是指某一方法在給定的置信水平上，能夠檢出被測物質的最小濃度或最小質量。方法的靈敏度越高，精密度越好，檢出限就越低。檢出限是方法靈敏度和精密度的綜合指標，也是評價儀器性能及分析方法的主要技術指標。本試驗中各元素的檢出限為0.000251~2.322 mg/kg。

表4 校準曲線參數與檢出限Table 4 The allocation of internal standard element and the detection limit

選擇45Sc、89Y、103Rh、209Bi 為內標元素（ISTD）。是根據樣品中不含有該元素，待測元素與內標元素在等離子體中的行為相似為前提，且電離電位相近、與分析元素質量接近、化學特征相似為原則[26]進行挑選。這4種內標元素涵蓋了大、中、小三個元素質量范圍，且電離電位和化學特征與待測元素相近。

2.4 準確度與重復性

表5列出了所有元素的加標結果，11次重復分析的加標回收率在95.50%~104.35%之間，RSD≤4.03%，表明方法的準確性好，具有優異的重復性。

表5 加標樣品的加標回收率與重復性（n=11）Table 5 The spike recovery and reproducibility of the spiked sample（n=11）

2.5 樣品分析

分別對來自國內不同地區各大超市的大米進行測定，每種大米重復測定3次。表6顯示5種大米中的P、S、K、Mg含量較高，而重金屬元素Cr、As、Cd、Pb處于較低水平，低于國家標準限量，符合 GB 2762-2017《食品安全國家標準食品中污染物限量》[27]。

表6 樣品分析結果Table 6 Analytical results of samples

3 結論

本文建立了基于電感耦合等離子體串聯質譜技術測定大米中30種微量元素含量的分析方法。樣品的預處理過程簡單快速，在MS/MS 模式下向CRC 中分別加入H2、O2和 NH3，利用目標離子與反應氣發生質量轉移，消除分析過程中的質譜干擾，并加入內標元素穩定各元素的質譜信號。該方法的檢出限在0.000251~2.322 mg/kg范圍內。加標回收率在 95.50%~104.35%之間，相對標準偏差 RSD≤4.03%。通過對實際樣品進行分析發現所分析的 5種大米中 P、S、K、Mg含量較高，重金屬元素Cr、As、Cd、Pb處于較低水平。本研究所建立的方法具有靈敏度和準確度高的特點，為大米中多種無機微量元素的分析提供了一種新方法。