ICP-MS 測(cè)定植物樣品中的砷和硒含量

陸仲煙，秦玉燕

（廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部亞熱帶果品蔬菜質(zhì)量安全控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530000）

砷（Arsenic，As）是一種毒性較強(qiáng)的重金屬污染物，是國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）最早確認(rèn)的一類明確致癌物質(zhì)。研究表明，攝入過(guò)量的砷可導(dǎo)致皮膚、消化、神經(jīng)、生殖、造血以及免疫等系統(tǒng)不同程度的損傷。硒（Selenium，Se）是人和動(dòng)物必需的一種微量營(yíng)養(yǎng)元素，是形成谷胱甘肽過(guò)氧化物酶和硫氧還蛋白還原酶的重要組分，在清除體內(nèi)活性氧自由基、抗腫瘤和抗癌等方面發(fā)揮重要作用。植物是人體攝入砷和硒的重要來(lái)源，但植物性樣品中的砷、硒含量通常較低，因此需要建立低檢出限、高靈敏度和高準(zhǔn)確度的分析方法。

目前，砷和硒的分析方法主要為原子熒光光譜法（Atomic fluorescence spectrometry，AFS）和電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）。AFS 只能測(cè)定三價(jià)砷和四價(jià)硒，因此砷和硒的前處理過(guò)程必須分開(kāi)處理，將高價(jià)態(tài)砷和硒通過(guò)不同的還原劑分別還原為三價(jià)砷和四價(jià)硒，然后再進(jìn)一步與硼氫化鉀反應(yīng)生成氣態(tài)氫化物，進(jìn)而被原子熒光光譜儀測(cè)定；不僅前處理操作繁瑣，而且當(dāng)樣品中有機(jī)砷含量較高時(shí)，部分小分子有機(jī)砷很難消解完全，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果偏低。ICP-MS 法具有多元素同測(cè)、靈敏度高、檢出限低，線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。王瑩等比較了AFS 和ICP-MS 測(cè)定蛹蟲草硒含量的方法，結(jié)果表明ICP-MS 的檢出限和精密度都要優(yōu)于AFS。ICP-MS 法測(cè)定砷和硒元素時(shí)，基質(zhì)效應(yīng)較大，易產(chǎn)生多原子離子干擾，而且由于砷和硒的電離能較高（As 9.81 eV、Se9.75 eV），在等離子體中離子化效率低（約20%），導(dǎo)致準(zhǔn)確度有所下降。隨著碰撞反應(yīng)池技術(shù)的發(fā)展，ICP-MS 推出不同的工作模式，針對(duì)不同元素可以選擇適宜的碰撞氣或者反應(yīng)氣來(lái)消除特定的干擾。碰撞模式常以氦氣（He）作為碰撞氣，通過(guò)碰撞反應(yīng)可消除基體中的多原子離子干擾，對(duì)基質(zhì)復(fù)雜的樣品效果明顯；反應(yīng)模式通常引入氧氣、甲烷、氨氣等作為反應(yīng)氣，通過(guò)與干擾離子反應(yīng)或與目標(biāo)離子反應(yīng)轉(zhuǎn)移質(zhì)量數(shù)來(lái)消除干擾。通過(guò)對(duì)ICP-MS 的標(biāo)準(zhǔn)模式（Standard，STD）、He 碰撞模式（Kinetic energy discrimination，KED）、氧氣反應(yīng)模式（Oxygen-dynamic reaction cell，Oxygen-DRC）和甲烷反應(yīng)模式（Methane-dynamic reaction cell，Methane-DRC）進(jìn)行優(yōu)化對(duì)比，可以確定適合砷和硒分析的最佳工作模式，建立ICP-MS 分析植物樣品中的砷和硒方法，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

1 試驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

NexION 2000 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，美國(guó)PerkinElmer 公司），配有四級(jí)桿碰撞/ 反應(yīng)池（擁有STD、KED、Oxygen-DRC、Methane-DRC 四種工作模式）；MARS 6 微波消解儀（美國(guó)CEM 公司），DigiBlock 電熱消解儀（北京萊伯泰科儀器有限公司）；純水機(jī)（重慶摩爾水處理設(shè)備有限公司）。

26 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)溶液（As，Se，Ag，Al，Ba，Be，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，K，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，Pb，Sb，Sn，Sr，Ti，Tl，V，Zn，100 μg/mL，美國(guó)PerkinElmer公司）；內(nèi)標(biāo)溶液（Bi，Ge，In，Li，Sc，Tb，Y，10 μg/mL，美國(guó)PerkinElmer 公司）；國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10019 蘋果，GBW10020 柑橘葉，GBW10045 湖南大米，GBW10047 胡蘿卜，GBW10048 芹菜，GBW10014 圓白菜均來(lái)自地球物理地球化學(xué)勘察研究所；HNO，HO均為優(yōu)級(jí)純，高純氬＞99.99%，超純水（18.25 MΩ）。

1.2 儀器工作條件

射頻功率：1600 W；等離子體氣流量：15 L/min；輔助氣流量：1.2 L/min；霧化氣流量：0.96 L/min；在線內(nèi)標(biāo)：In；掃描方式：跳峰；掃描次數(shù)：20 次；重復(fù)讀數(shù)：3 次；Ni 采樣錐、截取錐；STD 模 式監(jiān)測(cè)As、Se；KED 模式監(jiān)測(cè)As、Se；Oxygen-DRC 模 式 監(jiān) 測(cè)AsO、SeO；Methane-DRC 模式監(jiān)測(cè)As、Se。

1.3 樣品前處理

稱取樣品0.25 g（精確到0.0001 g），加入8 mL HNO和3 mL HO，浸泡過(guò)夜，然后微波消解。微波消解程序：12 min 升溫至160℃，保持10 min；之后6 min 升溫至200 ℃，保持30 min。消解完全后轉(zhuǎn)移至電熱板上，120℃趕酸至約1 mL，用超純水定容至25 mL，上機(jī)測(cè)定，同時(shí)做空白試驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別用Excel 軟件和Origin 2019b 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同模式的工作原理及質(zhì)量數(shù)的選擇

在自然界中，As 的穩(wěn)定同位數(shù)只有As，Se有6 個(gè)穩(wěn)定同位數(shù)，分別為Se（0.89%）、Se（9.37%）、Se（7.63%）、Se（23.77%）、Se（49.61%）、Se（8.73%），不同同位素的天然豐度（括號(hào)中的數(shù)值）不同，靈敏度也有很大差異。STD模式下自然豐度較大的Se、Se會(huì)受到氬氣電離時(shí)產(chǎn)生的ArAr、ArAr的強(qiáng)烈干擾，因此選擇干擾較少的Se進(jìn)行測(cè)定，As存在ArCl干擾。KED 模式是通入He 與離子發(fā)生碰撞，由于多原子離子ArCl、ArAr的離子半徑較大，碰撞后動(dòng)能下降較多，通過(guò)動(dòng)能歧視效應(yīng)來(lái)降低多原子離子干擾，但同時(shí)靈敏度也會(huì)下降，可監(jiān)測(cè)As和Se。Oxygen-DRC 模式是通入O與目標(biāo)離子碰撞發(fā)生化合反應(yīng)，目標(biāo)離子奪取一個(gè)氧原子形成AsO或者SeO，目標(biāo)離子的質(zhì)量數(shù)發(fā)生轉(zhuǎn)移，消除了原來(lái)的多原子離子干擾，可監(jiān)測(cè)AsO和SeO。Methane-DRC 模式是通入CH與干擾離子ArAr、ArAr發(fā)生反應(yīng)，但不與Se、Se反應(yīng)，消除多原子離子干擾，可監(jiān)測(cè)Se、Se。

2.2 不同模式下測(cè)定砷、硒的氣流量（GF）和低質(zhì)量截取（RPq）值的優(yōu)化

2.2.1 KED 模式測(cè)定砷的GF 和RPq 的優(yōu)化

KED 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和10 ug/L 砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同氬氣流量下As+信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算背景等效濃度〔background equivalent concentration，BEC，BEC=試劑空白的響應(yīng)值/（標(biāo)準(zhǔn)溶液的響應(yīng)值-試劑空白的響應(yīng)值）〕。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq 值，結(jié)果見(jiàn)圖1。優(yōu)化后的GF 和RPq 值分別為4.0 mL/min、0.25。

圖1 KED 模式測(cè)定砷的GF、RPq 的優(yōu)化

2.2.2 Oxygen-DRC 模式測(cè)定砷的GF 和RPq 的優(yōu)化

Oxygen-DRC 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和1 ug/L 砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同氧氣流量下AsO信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算BEC 值。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq 值，結(jié)果見(jiàn)圖2。優(yōu)化后的GF 和RPq 值分別為0.4 mL/min、0.6。

圖2 Oxygen-DRC 模式測(cè)定砷的GF、RPq 的優(yōu)化

2.2.3 Methane-DRC 模式測(cè)定砷的GF 和RPq 的優(yōu)化

Methane-DRC 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和1 ug/L 砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同甲烷氣流量下As信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算BEC 值。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq 值，結(jié)果見(jiàn)圖3。優(yōu)化后的GF 和RPq值分別為0.4 mL/min、0.4。

圖3 Methane-DRC 模式測(cè)定砷的GF、RPq 的優(yōu)化

2.2.4 KED 模式測(cè)定硒的GF 和RPq 的優(yōu)化

KED 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和10 ug/L硒標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同氬氣流量下Se信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算BEC 值。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq值，結(jié)果見(jiàn)圖4。優(yōu)化后的GF 和RPq 值分別為3.0 mL/min、0.25。

圖4 KED 模式測(cè)定硒的GF、RPq 的優(yōu)化

2.2.5 Oxygen-DRC 模式測(cè)定硒的GF 和RPq 的優(yōu)化

Oxygen-DRC 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和1 ug/L 硒標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同氧氣流量下SeO信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算BEC 值。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq 值，結(jié)果見(jiàn)圖5。優(yōu)化后的GF 和RPq 值分別為0.4 mL/min、0.4。

圖5 Oxygen-DRC 模式測(cè)定硒的GF、RPq 的優(yōu)化

2.2.6 Methane-DRC 模式測(cè)定硒的GF 和RPq 的優(yōu)化

Methane-DRC 模式下，測(cè)定試劑空白（Blank）和1 ug/L 硒標(biāo)準(zhǔn)溶液（Std）在不同甲烷氣流量下Se信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算BEC 值。選擇BEC 值較低兼顧標(biāo)準(zhǔn)溶液信號(hào)較高、空白信號(hào)較低時(shí)對(duì)應(yīng)的氣流量為最佳氣流量。確定最佳氣流量后，以相同的方法優(yōu)化RPq 值，結(jié)果見(jiàn)圖6。優(yōu)化后的GF 和RPq值分別為0.4 mL/min、0.3。

圖6 Methane-DRC 模式測(cè)定硒的GF、RPq 的優(yōu)化

表1 不同模式下GF、RPq 的優(yōu)化結(jié)果

2.3 不同模式對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的砷、硒含量測(cè)定結(jié)果

2.3.1 砷含量測(cè)定結(jié)果

在優(yōu)化的條件下，采用四種不同模式檢測(cè)6 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中砷含量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，STD 模式GBW10019、GBW10045 檢測(cè)結(jié)果偏低，Oxygen-DRC 模式僅GBW10014 檢測(cè)結(jié)果稍高，KED 模式僅GBW10019 檢測(cè)結(jié)果稍低，除此外三種模式下其余標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)砷含量檢測(cè)結(jié)果均在參考值范圍內(nèi)。說(shuō)明三種模式均可用于植物樣品中砷含量的測(cè)定，但Oxygen-DRC 和KED 兩種模式的準(zhǔn)確度最高，其次為STD 模式。Methane-DRC 模式下，除GBW10020 檢測(cè)結(jié)果在參考值范圍內(nèi)，其余標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的檢測(cè)結(jié)果偏離參考值較多，說(shuō)明Methane-DRC 模式不適用檢測(cè)砷含量，可能是由于Methane-DRC 模式下，部分As會(huì)與CH反應(yīng)生成AsCH，造成檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

表2 不同模式下標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)砷含量檢測(cè)結(jié)果（mg/kg）

2.3.2 硒含量測(cè)定結(jié)果

在優(yōu)化的條件下，采用四種不同模式檢測(cè)6 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中硒含量，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可知，KED 模式僅GBW10048 的檢測(cè)結(jié)果偏高，其余5種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)硒含量檢測(cè)結(jié)果均在參考值范圍內(nèi)。Methane-DRC 模式下，監(jiān)測(cè)Se 除GBW10047、GBW10048 偏高外，其余標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果均在參考值范圍內(nèi)；監(jiān)測(cè)Se 除GBW10045 的檢測(cè)結(jié)果在參考值范圍內(nèi)外，其余標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢測(cè)結(jié)果均遠(yuǎn)高于參考值。說(shuō)明植物樣品中硒含量的檢測(cè)可選擇KED 模式下監(jiān)測(cè)Se 和Methane-DRC 模式監(jiān)測(cè)Se。STD 模式下監(jiān)測(cè)Se 的準(zhǔn)確度較低，僅GBW10047 的檢測(cè)結(jié)果在參考值范圍內(nèi)。Oxygen-DRC 模式下監(jiān)測(cè)SeO 的檢測(cè)結(jié)果均遠(yuǎn)高于參考值。說(shuō)明STD 模式監(jiān)測(cè)Se 和Oxygen-DRC 模式監(jiān)測(cè)SeO 均不適用于測(cè)定硒含量。

表3 不同模式標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)硒含量檢測(cè)結(jié)果（mg/kg）

2.4 不同模式測(cè)定砷、硒含量的回收率

分別以兩種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW10048、GBW10020作為樣品進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，加標(biāo)量為0.2 mg·kg，前處理后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，在STD、Oxygen-DRC、KED 模式下測(cè)定砷含量，KED 和Methane-DRC 模式下測(cè)定硒含量，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知，優(yōu)化后的不同模式測(cè)定砷和硒的加標(biāo)回收率在85.3%～109.1%之間。

表4 不同模式測(cè)定砷和硒的加標(biāo)回收率（%）

2.5 不同模式測(cè)定砷、硒含量的檢出限與精密度

用1%硝酸配制0、1、3、10、30、50 μg/L 的硒、砷混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，在優(yōu)化的不同模式下進(jìn)行分析測(cè)定，以砷、硒濃度對(duì)應(yīng)其響應(yīng)值繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。對(duì)空白溶液連續(xù)測(cè)定11 次，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)公式DL=3×S/K 計(jì)算出檢出限（Detection limits，DL）。以50 μg/L 的混合標(biāo)準(zhǔn)溶液連續(xù)進(jìn)樣6 次，測(cè)得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（Relative standard deviation，RSD），結(jié)果見(jiàn)表5。由表5 可知，不同模式下砷和硒在0～50 μg/L 濃度范圍內(nèi)線性良好，相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.9998，RSD 均小于3%；不同模式測(cè)定砷含量的DL 為0.016～0.031μg/L，測(cè)定硒含量的DL 為0.014～0.144 μg/L，其中KED 模式測(cè)砷或硒時(shí)檢出限稍高于其他模式。

表5 不同模式測(cè)定砷和硒的檢出限和精密度

3 結(jié)論

試驗(yàn)優(yōu)化了ICP-MS 四種工作模式的GF 和RPq 值，并通過(guò)6 種不同基質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，考察了不同工作模式測(cè)定砷和硒的準(zhǔn)確度，結(jié)果表明，測(cè)定植物樣品中的砷含量可優(yōu)先選擇Oxygen-DRC 模式監(jiān)測(cè)AsO和KED 模式監(jiān)測(cè)As；測(cè)定硒含量時(shí)可選擇Methane-DRC 模式監(jiān)測(cè)Se和KED 模式監(jiān)測(cè)Se。方法準(zhǔn)確度高，檢出限低，穩(wěn)定性好，適用于大量植物樣品的測(cè)定。