有機化合物對電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)法測定食品中總砷的影響

戴瑞平 劉花梅 黎申英 李 彪 張梅玲 劉 濤 黃宗蘭 吳 鑫

(江西省檢驗檢測認證總院 食品檢驗檢測研究院,江西省加工食品和食品添加劑質量監督檢驗中心,南昌 330052)

食品中總砷的儀器測定方法主要包括電感耦合等離子體質譜法(簡稱ICP-MS法)和氫化物發生原子熒光光譜法(簡稱HG-AFS法)。氫化物發生原子熒光光譜法由于干擾少、靈敏度較高、穩定性好被廣泛應用[1-4],但是其對于樣品的前處理有著較高的要求,需要加入大量的混合酸進行樣品消解,耗時耗力且易引入污染;而電感耦合等離子體質譜法由于穩定性、準確性和靈敏度都更占優勢同樣被廣泛應用于食品中總砷的檢測[5-8],且不同形態的砷在高溫等離子體中都能夠被電離而進行檢測,當與高效液相色譜儀聯用時,還能廣泛應用于不同砷形態的檢測[9-11]。然而,ICP-MS法測定食品中總砷含量并不總是萬無一失和完全準確的。事實上,ICP-MS法由于會受到分子離子干擾、同質異位素干擾和基體效應等的干擾,一些低質量數的元素,包括砷元素,在很多情況下會受到嚴重的質譜干擾和基質干擾,從而影響測定結果,當樣品中含有一些未消解的有機物或復雜基質時,會對砷的ICP-MS測定產生嚴重的干擾。

本研究將考察有機化合物(比如有機醇類、有機胺類和糖類等有機物)對于食品中總砷測定的影響,并深入探討有機化合物對總砷的電感耦合等離子體質譜信號影響的機理,揭示食品中總砷含量測定中數據產生偏差的一般規律。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PE 2000P電感耦合等離子體質譜儀(美國PerkinElmer公司),微波消解儀(美國CEM公司),GS25-20A趕酸儀(萊玻特瑞),SSHDC34系列可控溫電熱板(天津拓至明實驗儀器技術開發有限公司)。

砷單元素標準溶液(1 000 mg/L,國家有色金屬及電子材料分析測試中心),鍺、銦、鉍內標單元素標準溶液(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,蘇州晶瑞化學股份有限公司),甲醇、乙醇、正丙醇、乙二胺、三乙醇胺、葡萄糖均為分析純(國藥集團化學試劑有限公司),1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、D-果糖均為分析純(上海麥克林生化科技有限公司),丙三醇、蔗糖為分析純(西隴化工股份有限公司),正丁醇為分析純(廣東省化學試劑工程技術研究開發中心),草酸為分析純(天津市大茂化學試劑廠),實驗用水均為二次去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1 溶液配制

砷單元素標準溶液和鍺、銦、鉍內標單元素標準溶液用5%硝酸(V∶V,下同)逐級稀釋至所需濃度。

有機物基質溶液:分別稱取適量的有機物,用5%硝酸定容、搖勻即為不同有機物基質溶液(m∶V)。

1.2.2 樣品消解

1)微波消解法:按照GB 5009.11—2014中5.2.1章節進行操作。

2)快速消解法:稱取0.3 g樣品于50.0 mL聚丙烯離心管中,緩慢加入1 mL濃硝酸將所有樣品均勻潤濕,旋緊蓋子并留1～2圈的空隙防止反應太過劇烈,將離心管放置在120 ℃的可控溫電熱板上快速消解30 min,取下放冷后用水定容至10.0 mL或25.0 mL。

1.2.3 儀器工作條件

ICP-MS儀器工作條件如表1所示。

表1 ICP-MS儀器工作條件

2 結果與分析

2.1 微波消解法測定總砷存在的問題

按照GB 5009.11—2014中微波消解法消解樣品和ICP-MS測定總砷含量,絕大多數情況下是沒有問題的,測定數據也較為準確和穩定。但是,在實際食品中總砷含量的檢測過程中,經常會出現一些消解不充分和加標回收率偏高的現象。其中樣品基質中的氯會產生ArCl+分子離子的干擾而使砷的信號值增大,除此之外,實驗還發現,未充分消解樣品中含有的一些有機物會對砷的ICP-MS響應信號值產生增敏效應。

對比GB 5009.11—2014中規定的微波消解法和快速消解法[12-14]消解大米粉樣品的ICP-MS測定數據,數據如表2所示。從表2數據可以看出,微波消解-ICP-MS法測定大米粉的數據比較穩定,定容體積對測定結果影響不大,加標回收率接近100%。快速消解-ICP-MS法測定大米粉的數據隨著定容體積的減小而變大,加標回收率也呈現同樣的規律,說明快速消解的大米粉基體會嚴重影響ICP-MS測定的總砷數據。

表2 微波消解法和快速消解法測定大米粉中砷數據對比

2.2 有機化合物對ICP-MS測定總砷的影響

2.2.1 糖類化合物和草酸對砷測定的影響

快速消解的大米粉樣品基體中含有未充分消解的有機化合物,從而干擾砷的ICP-MS測定信號。大米主要成分是淀粉,在與硝酸發生不充分的硝解反應時,有可能會生成葡萄糖和草酸等物質,因此首先考察了葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸這4種物質對砷測定的影響,以快速消解法的稱樣量0.3 g、定容體積為10.0 mL計算,配制5%的葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸基質溶液,以此模擬樣品未充分消解樣品的極限狀態。此外,還配制一系列有機物陽性基質溶液,分別往其中添加20.0 μg/L砷標準溶液,以動能歧視測定模式(簡稱KED模式)分別測定空白有機物基質溶液和添加了砷標準溶液的陽性基質溶液的ICP-MS信號值。以5%硝酸基質中砷的ICP-MS測定信號值為1和內標回收率為100%進行歸一化對比分析,計算陽性有機物基質溶液相比于5%硝酸基質中砷標準溶液的信號增長值,相關實驗數據見表3。從表3中數據可以看出,葡萄糖、蔗糖、D-果糖和草酸這4種物質的空白基質溶液中砷的響應信號值相比于5%硝酸溶液有一定的增大,而且陽性有機物基質溶液(5%質量濃度)中砷的信號值增加了115%～227%,假設快速消解法產生了1%的有機糖類物質或者草酸,則砷測定信號值應該增大23.0%～45.4%,這與表1中的數據比較吻合(定容體積10.0 mL,測定結果偏大58.1%;定容體積25.0 mL,測定結果偏大27.2%),這說明之前的推論還是比較合理的。

表3 有機化合物基質對ICP-MS的KED模式測定砷信號值的影響

2.2.2 有機醇類物質對砷測定的影響

考察甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇等有機醇類物質對砷測定的影響。從表3數據可以看出,這7種有機醇類物質對砷的ICP-MS測定信號值分別有不同的增強作用,1%陽性有機物基質溶液和10%陽性有機物基質溶液中有機物對砷信號值的影響趨勢是一致的,但是并不與基質溶液的濃度成正比。其中甲醇、乙醇和正丙醇對砷信號值的增敏作用依次遞增,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇對砷信號值的增敏作用依次遞減,從有機物極性出發,可以看出,極性大小:甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,甲醇、乙醇和正丙醇的增敏效應呈現遞增規律,但是正丁醇是個例外,由于正丁醇在水中的溶解度將近為7.7%(w:w,20 ℃),因此只考察了濃度為1%和5%有機物基質溶液對砷測定的影響,甲醇、乙醇和正丙醇都可以與水互溶,而正丁醇在水中的溶解度也許是影響其對砷信號值增敏效應的原因。1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇的極性可能相差很小,從他們的極性與增敏效應之間很難發現明顯的規律。從表3中空白有機物基質中砷信號值可以看出,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇這三種有機醇類物質空白信號值明顯大于甲醇,乙醇、正丙醇和正丁醇空白信號值,尤其是1,2-丙二醇的空白信號值尤為突出,對于這3種有機醇類物質,除了極性影響,可能還存在本底值的影響,其中丙二醇和丙三醇在等離子體中電離之后可能發生脫氫反應和脫羥基反應生成多原子離子,反應過程可能如下:

(1)

(2)

通過查找文獻中的相關標準生成焓熱力學數據[22],對于可能生成的75C3H7O2+多原子分子離子,反應(1)和(2)的標準反應焓[ΔrHmθ(298 K)]都小于0,屬于放熱反應,這說明這兩個反應在等離子體中發生的概率比較大。但是1,2-丙二醇的反應效率應該比1,3-丙二醇和丙三醇的反應效率要大得多,這從它們的空白基質信號值可以看出,由于丙二醇和丙三醇可能存在著復雜的多原子離子反應,其對砷的ICP-MS測定信號的增敏效應可能是碳離子或含碳多原子離子和其他因素共同決定的。

2.2.3 有機胺類物質對砷測定的影響

分別考察乙二胺、三乙醇胺和三丙胺3種有機胺類物質對砷的ICP-MS測定信號值的影響[三丙胺由于在水中的溶解度為0.26%(w:V,20 ℃),只測試了濃度為0.2%的三丙胺基質溶液,其對砷信號值的增敏作用為22.8%,數據并未在表3中列出]。1%和10%的乙二胺、三乙醇胺基質溶液中砷信號值增長百分比分別為54.9%和279%、64.3%和369%,不同濃度的3種有機胺類物質對砷信號值的增加范圍為22.8%～369%,并沒有呈現明顯的規律,從乙二胺和三乙醇胺的本底值可以看出,發生多原子離子反應生成質荷比為75分子離子的概率不大,推測有機胺類物質對砷信號值的增敏作用可能是受到了有機物極性和在水中溶解度等綜合因素的影響。

2.2.4 氮氧化物對砷測定的影響

除了有機化合物會對砷的ICP-MS測定信號產生增敏效應,消解過程中產生的氮氧化物也會對砷的測定產生干擾。以不同濃度的硝酸基質模擬實際微波消解過程中產生的氮氧化物,分別以動能歧視模式(KED)和動態反應模式(DRC)對其進行測定,相關數據見表4。

表4 硝酸對ICP-MS的KED模式測定砷信號值和DRC模式測定氧化砷信號值的影響

從表4數據可以看出,75As+和91AsO+的測定信號值基本上都隨著硝酸濃度的增大而減小,不同的酸度基質最大可能造成測定信號值30%左右的差異,而內標74Ge和115In校正之后的結果也呈現同樣的規律,這可能是因為在ICP-MS測定過程中,即使質荷比接近,不同元素由于電離能等性質并不一樣,導致在等離子體中的電離行為和最終靈敏度并不一致,使得內標元素校準信號偏移的效果并不理想。

上文考察的是有機胺類物質對砷測定信號值有增敏效應,而硝酸基質對砷測定信號值可能會有著相反的效果。考察硝酸在等離子體中的分子離子反應,硝酸的電離能為(11.95±0.01) eV[15],在等離子體中被電離之后有可能會發生裂解,生成NO+或NO2+等多原子離子,這些電負性極強的多原子離子極有可能會與As+發生電荷轉移反應,從而減弱砷的ICP-MS測定信號值。推測可能的反應機理如下:

HNO3→HNO3·++e-

(3)

HNO3·+→NO·+HO2+

(4)

HNO3·+→NO2·+HO+

(5)

As·++NO·→As·+NO+

(6)

As·++NO2·→As·+NO2+

(7)

根據文獻中標準生成焓熱力學數據[15],反應(3)～(7)的標準反應焓[ΔrHmθ(298 K)]分別為175.0、304.6、-50.8、-3.5 kJ/mol。反應(6)和(7)屬于放熱反應,當硝酸基體在等離子體中電離和解離生成多原子分子離子,砷離子是極有可能與這些分子離子發生反應,從而降低砷和氧化砷的信號值。

2.2.5 有機化合物對砷測定影響的機理探究

關于有機化合物對ICP-MS測定金屬元素的影響,ALLAIN等[16]報道了丙三醇和葡萄糖對As、Hg、Au、Se、Te等元素的ICP-MS信號有顯著的增強效應,他們認為信號的變化并不是由于霧化效率的提高,而是由于碳的存在使得生成這些金屬元素離子的過程發生了改變,尤其是對于一級電離能為9～11 eV的金屬元素,它們與碳離子的電離能11.20 eV很接近,而有機化合物的加入改變了有限能量范圍內的離子平衡。LARSEN等[17]則認為碳離子或含碳多原子離子的引入會使電離能比碳電離能(11.26 eV)更低的分析物(比如砷9.82 eV、硒9.75 eV、碘10.45 eV、汞10.44 eV)在等離子體中的電離更為充分,從而增強這些元素的檢測信號值,對于比碳電離能更高的分析物(比如溴11.81 eV),檢測信號值卻并沒有明顯增強。CAMPBELL等[18]認為Triton X-100等有機化合物水溶液對于霧化效率的影響很小,其對砷靈敏度的增強應該歸因于砷原子在電離的過程中與第一電離能更接近的碳原子或者含碳物質發生能量轉移,這個過程比砷原子和電離能更高的氬原子(15.76 eV)之間進行的更為有效。李冰等[19]報道了2%濃度的乙醇溶液對砷和硒等元素ICP-MS測定信號的增強效應比較明顯,但是當乙醇濃度超過了2%時,ICP-MS信號開始受到抑制,其原因是引入一定量的乙醇,可以改變溶液黏度和溶劑分子間相互作用力等物理特性,從而提高霧化效率;但當乙醇含量超過2%時,由于霧化效率的提高,更多的氣溶膠進入等離子體中,從而消耗了更多等離子體的能量,使得焰炬溫度降低,降低元素的電離效率。胡兆初等[20]則推測異丙醇等有機物的引入,改變了分析物離子在等離子體中的空間分布,進而影響到被提取的分析物離子份額,從而產生元素信號的增敏效應。

如表3中所列數據所示,有機化合物對砷ICP-MS測定信號產生增敏效應的原因可能是多因素的。從甲醇、乙醇、正丙醇和1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇兩組數據來看,隨著有機物極性減弱,增敏效應總體上是呈現減弱的趨勢,但是砷的信號值可能也會隨著有機物在水中的溶解度和等離子體中砷與多原子離子之間的相互作用而發生變化,尤其是對于分子量大于75的有機化合物,如前所述的丙二醇和丙三醇,分別會發生脫氫反應和脫羥基反應生成質量數為75的多原子分子離子,使得有機物對于砷信號值的影響變得更為復雜。考察有機物在等離子體中的電離情況,通過查找文獻得到不同化合物的電離能數據[15],如表5所示。

表5 有機化合物電離能數據

對于有機化合物RX(R為烷基,X為官能團)特定的吸電子基團X,RX電離能與R基團的極化率、電子釋放和給電子能力呈線性關系,R基團給電子能力越強,失去電子所需的能量就越低,RX的電離能就越低[15]。上文中所論述的化合物極性雖然與R基團的極化率沒有直接的聯系,但是卻有可能預示著電離能的區別。從前文中可知,有機化合物的極性:甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,表5中數據也顯示電離能甲醇>乙醇>正丙醇>正丁醇,1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇的極性大小未知,丙三醇電離能數據雖然也未能找到,但是它相比丙二醇多了一個親電子的羥基基團,因此電離能丙三醇<1,2-丙二醇<1,3-丙二醇。當化合物電離能越低時,電離生成多原子碳離子的概率就更大,而這些分子離子峰會與砷原子發生作用,在等離子體的平衡體系中促進砷離子的生成,從而增大其測定信號值。

關于這一點,本文觀點與ALLAIN等[16-18]的看法不完全相同,有機化合物也許可能是通過碳離子或者多原子碳離子與砷之間發生電荷轉移反應從而增加砷離子的信號值,但是并不是只有電離能大于砷原子電離能[(9.788 3±0.000 2) eV]的化合物或碳原子(11.260 eV)才能增加砷的信號值[15],1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、乙二胺、三乙醇胺和三丙胺等化合物的電離能雖然都小于砷的電離能,但是他們依然可以增強砷的ICP-MS信號值,只是增加的幅度大小隨著其電離能的變化而發生變化。從表3中甲醇、乙醇和正丙醇組數據可以看出,它們對砷ICP-MS測定信號的影響,隨著極性和電離能的增加而降低,這也印證了前面的推論,乙二胺和三乙醇胺也遵循著同樣的規律。但是正丁醇和三丙胺卻是個例外,這極有可能是之前論述過的受到二者在水中的溶解度的影響,甲醇、乙醇、正丙醇、乙二胺和三乙醇胺都可以與水互溶,正丁醇和三丙胺在水溶液中有限的溶解度很有可能會影響其在等離子體中的分散和霧化過程,從而影響砷的信號值。1,2-丙二醇、1,3-丙二醇和丙三醇組數據又有些不同,如前所述,這三者的極性可能相差很小,雖然電離能丙三醇<1,2-丙二醇<1,3-丙二醇,但是可能不會相差太大,此外,丙二醇和丙三醇在等離子體中可能發生的脫氫反應和脫羥基等副反應又會使得增敏效應更為復雜。為了研究這個問題,通過ICP-MS的動態反應模式(簡稱DRC模式,反應氣體為氧氣,監測m/z91處AsO+離子的信號值)測試有機化合物基體對于砷測定的影響,數據如表6所示。

表6 有機化合物基質對ICP-MS的DRC模式測定氧化砷信號值的影響

DRC測定模式通過引入反應氣體氧氣,使砷和氧氣生成AsO+離子,可以消除有機物基體的背景信號值,表6中所列的空白有機化合物基體信號值都在1上下浮動。陽性有機物基質溶液對AsO+信號值的影響與KED測定模式中陽性有機物基質溶液對As+信號值的影響全然不同,且數據也無規律可循,但總體上可以看出,當有機化合物基質濃度為1%時,其對AsO+信號值產生增敏效應,但除了甲醇、乙醇、正丙醇之外的有機化合物產生的增敏效應幾乎可以忽略不計,其中正丁醇還會抑制AsO+信號值,隨著基質濃度增大至5%或10%,除了甲醇、乙醇、正丙醇之外的有機化合物都對AsO+信號值產生抑制作用。這說明一定濃度的有機化合物在DRC測定模式中可能會與砷競爭氧氣,從而在某種程度上降低AsO+離子的信號值,而甲醇、乙醇、正丙醇這3種有機醇類物質對氧氣的競爭可能并沒有那么大,而且生成的RXO+或RO+分子離子可能還會與砷原子發生電荷轉移反應而增大AsO+的測定信號值。

綜上所述,推測有機化合物對砷測定信號值產生增敏效應可能的機理如下:

KED測定模式:

RX→RX·++e-

(8)

RX·+→R++X·

(9)

As+RX·+→As·++RX

(10)

As+R+→As·++R·

(11)

DRC測定模式:

As·++O2→AsO++O·

(12)

RX·++O2→RXO++O·

(13)

R++O2→RO·++O·

(14)

As+RXO+→AsO++RX

(15)

As+RO·+→AsO++R·

(16)

2.2.6 有機化合物對內標元素測定的影響

分別考察ICP-MS的KED測定模式(碰撞氣為氦氣)和DRC測定模式(反應氣為氧氣)對內標元素74Ge和115In的影響,數據分別如表3和表6所示。以5%硝酸基質中砷信號值為1和內標回收率為100%進行歸一化對比分析,并以IAs+/I內標和IAsO+/I內標對比不同有機化合物基質中內標元素對信號值校準的影響,校準結果見表7。在KED測定模式中,74Ge內標對各種有機化合物基質溶液中砷信號值校準結果為1.46～2.37(1%基質濃度,該數值為內標信號值對砷ICP-MS測定信號值的校準結果,即IAs+/I內標或IAsO+/I內標,無量綱,下同),1.92～5.28(5%或10%基質濃度),115In內標對各種有機化合物基質溶液中砷信號值校準結果為1.42～2.33(1%基質濃度)、1.90～5.48(5%或10%基質濃度);在DRC測定模式中,74Ge內標對各種有機物基質溶液中AsO+信號值校準結果為1.03～1.49(1%基質濃度)、0.97～1.21(5%或10%基質濃度),115In內標對各種有機物基質溶液中AsO+信號值校準結果為0.84～1.31(1%基質濃度)、0.86～1.16(5%或10%基質濃度)。從前面數據可以看出,在KED測定模式中,即使有機物基質濃度為1%,內標校準結果最低也偏大40%左右,隨著基體濃度增大至5%或10%,內標校準結果最大偏大4倍左右。而在DRC測定模式中,除了甲醇、乙醇和丙醇等有機化合物基體使最終校準結果偏大,最大可達到50%左右,對于大部分有機化合物基體經內標校準之后的結果都能控制在0.80～1.20(一般ICP-MS法測定內標回收率在此范圍內,測定數據較可靠),這充分說明了有機化合物基體對于KED測定模式的干擾要遠大于DRC測定模式。

表7 有機化合物基質對內標元素校準ICP-MS測定砷信號值的影響

3 結論

深入研究了有機化合物基體對于砷的ICP-MS動能歧視測定模式(KED)信號值和動態反應測定模式(DRC)信號值的影響:

1)含碳有機化合物普遍會增強砷的KED測定模式信號值,對砷信號值的增敏效應一般隨著有機化合物極性和電離能的增大而減小,但隨著有機物分子量的增大(MW>75),增敏效應也會受到由有機化合物的分子離子反應產生的多原子離子本底值影響,有機物溶解度等物理性質影響砷離子分散和傳輸,影響在等離子體中的電離效率,增敏效應的主要機理可能是砷原子在等離子體中與碳離子或多原子碳離子之間的電荷轉移反應。然而砷的DRC測定模式信號值受有機化合物基質的影響要遠小于KED測定模式,其原因可能是在DRC測定模式中,除了可能發生的電荷轉移反應,碳離子或含碳多原子離子會與砷離子競爭氧氣,從而降低目標離子AsO+的測定信號值。

2)含氮基體(如硝酸、氮氧化物等)會減弱砷的KED測定模式和DRC測定模式信號值,具有強電負性的氮氧基團可能會與砷離子發生電荷轉移反應,從而減弱As+和AsO+的信號值。

3)由于砷原子和鍺、銦等內標元素原子電離能的差異,使得它們在等離子體中的電離行為和靈敏度的差異,最終導致內標元素并不能很好地校準氮氧化物和有機化合物等基體的干擾,但總體來講,內標元素對DRC模式測定AsO+分子離子信號值的校準效果要好于對KED模式測定As+離子信號值的校準效果。

總之,不管是通過ICP-MS的KED模式還是DRC模式測定食品中總砷含量,建議將樣品中的有機化合物基體徹底消解,并盡量除去基體中的氮氧化物,因為即使含量較低的含碳或含氮基體都有可能造成測定值的偏差,并且結果不可控。