ICP-MS测定食品及相关产品中重金属等元素的研究进展

张宏康，王中瑗，蔡斯斯

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225；2.国家海洋局南海环境监测中心，广东广州510300）

ICP-MS测定食品及相关产品中重金属等元素的研究进展

张宏康1，王中瑗2，蔡斯斯1

（1.仲恺农业工程学院轻工食品学院，广东广州510225；2.国家海洋局南海环境监测中心，广东广州510300）

综述近年来ICP-MS分析技术在食品及相关产品中重金属检测的应用现状。对其测定的原理、测定参数及其应用范围等进行了总结和分析比较，同时还展望了ICP-MS分析技术在食品及相关产品中的发展趋势。

ICP-MS；食品；重金属；进展

俗话说“民以食为天，食以安为先”，但近年来食品安全事件频发，无论是水俣病、含铅“麻辣小龙虾”，还是“皮革奶”、“镉大米”等都是国内外已报道的食品重金属污染事件。在我们生活周围，无论是空气、水源或者土壤都含有或多或少的重金属，而这些重金属通过生物链所富集的量对人体健康具有潜在性的危害，因此食品中重金属的检测是势在必行的。

重金属是指密度在4.5 g/cm3以上的金属，如金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）等，而有些重金属通过食物链进入人体，干扰人体内正常生理机能，危害健康，被称为毒重金属，主要包括：Hg、Cd、As、Pb、Cr、Sn等。而食品及相关产品中的重金属［1］主要两个来源：一是来自于农作物对重金属元素的富集，二是来自于食品生产加工、贮藏运输过程中出现的污染。重金属是有潜伏期的，要经过一段时间的累积才显示其毒性，往往不易被人所察觉，具有很大的潜在危害性。因此，要对食品及相关产品中重金属的检测做好把关工作，以保证食品的安全性。

目前重金属检测常用方法主要有［2］原子吸收光谱法，包括火焰法（FAAS）和石墨炉法（GFAAS）、原子荧光法（AFS）、电感耦合等离子体发射法（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）四大类。原子吸收和原子荧光法都不能进行多元素同时测定，且与色谱联用进行形态分析时接口复杂。ICP-AES虽能进行多元素同时测定，但检出限不能满足部分元素的要求。ICP-MS是目前测定痕量金属含量最有效的方法之一，具有检出限低、灵敏度高、线性动态范围宽、谱线简单和同时测定多种元素含量等优点，已被广泛的用于食品中重金属的研究。本文综述了近年来ICP-MS技术在食品重金属检测中的应用现状，对其测定的原理、测定参数及其应用范围等进行了归纳总结，并对该领域的发展进行了展望，以期对我国ICP-MS技术测定食品及相关产品中重金属的检测发展提供一定的参考价值。

1　ICP-MS概况

ICP-MS即是InductivelyCoupledPlasmaMassSpectrometry，中文名为电感耦合等离子体质谱法，它是近年来发展较快的一种新型的测量方法，该技术结合了电感耦合等离子体的高温电离特性与四级杆质谱仪的灵敏快速扫描的优点，是目前痕量与超痕量成分多元素快速分析的最有效和同位素丰富度测量最灵敏、准确的方法［3-4］。ICP-MS的基本结构是由真空系统、进样系统、离子源、质量分析器、检测器和记录系统6部分组成。ICP-MS基本构造如图1所示。

图1　ICP-MS基本构造Fig.1Basic systems of ICP-MS

ICP（等离子体）是高温离子源，其温度通常高达79 726.85℃；雾化器将样品水溶液转化为极细的气溶胶雾滴后，气溶胶雾滴以氩气为载气进入等离子体，在中心通道中ICP高温对样品进行蒸发、解离、原子化、电离等过程。采样锥和截取锥是将ICP和质谱联接起来关键部件，部分等离子体通过样品锥进入高真空的质谱系统，离子透镜对离子进行聚焦和偏转，使其与光子、中性粒子分离，进入质量分析器。质谱部分为四级杆快速扫描质谱仪，离子通过高速双通道后按质荷比分离，根据元素的分子离子峰进行分析［5］。

与传统无机分析技术相比，ICP-MS技术提供了最低检出限、分析速度快、可进行多元素同时测定及可提供精确的同位素信息等分析特性。本文将在性能方面对传统无机分析技术与ICP-MS进行比较，如表1所示。

由表1可知，ICP-MS具有灵敏度高；速度快，可在几分钟内完成几十个元素的定量测定；谱线简单，干扰相对于光谱技术少；线性范围可达8～9个级别；既可用于元素分析，还可进行同位素组成的快速测定等优点。

表1　FAAS、GFAAS、ICP-AES与ICP-MS的性能比较［6］Table 1Performance comparison among FAAS，GFAAS，ICPAES and ICP-MS

若使ICP-MS具有良好工作状态，必须设置各部分的工作条件［7］。第一，调节ICP各性能参数包括ICP功率，载气流量和辅助气流量，样品提升量和冷却气流量，其中调节载气流量会影响测量灵敏度。第二，ICP产生的离子是通过采样锥和截取锥的接口装置进入质谱仪，必须调节接口装置的采样深度，也就是采样锥孔与焰炬的距离和使两锥孔对中，为使离子有良好的聚焦还需调整透镜电压。第三，设置质谱仪扫描的范围。为了减少空气中成分的干扰，一般要避免采用Ar、O2、N2等气体，使其进行定量分析时要挑选没有氧化物和其它元素干扰。每次分析前，还需用多元素标准溶液对仪器整体性能进行调试，若仪器灵敏度达到预期水平，则仪器不再需要调整，否则还需调节各参数。

目前，ICP-MS主要应用环境保护、半导体、生物、医学、冶金、石油、核材料分析等领域［8-10］。

2　ICP-MS技术测定食品及相关产品中重金属的应用现状

2.1ICP-MS技术测定果蔬产品中重金属的应用现状

因工业污水任意排放，农田不合理施肥等因素造成土壤中重金属累积。果蔬产品通过根系从土壤中吸收重金属，间接造成果蔬产品重金属污染，进而通过食物链进入人体，给人类带来巨大的潜在危害。所以对果蔬产品重金属检测是必不可少的。

高慧莉等［11］分别用ICP-MS与原子吸收光谱对紫甘蓝中5种重金属元素测定进行比较。结果显示前者方法所得到的准确度和精确度皆比后者高，而ICP-MS采用应用碰撞反应池（CCT）模式消除样品中Cl-、Ar-的干扰后，通过调整气体流速后使测试效果达到更好。这说明ICP-MS更适合蔬菜中多种重金属元素含量的同时测定，也证实ICP-MS操作更加快速简便，结果准确可靠。为监测蔬菜中的重金属含量提供了可靠而快捷的方法。

Luciano Tormen［12］等用ICP-MS对20个不同品牌果汁样品的重金属成分进行多变量分析技术评价：主成分分析和聚类分析。样品经过硝酸和过氧化氢微波消化后，经ICP-MS检测得到1%～3%精度。结果表明果汁样品重金属成分差异主要来自于土壤特性、植物生长环境和加工储存条件的影响。Doris Gagné［13］等研究番茄制品的消费频率对当地学龄前儿童体内血汞水平有何影响。因汞被食入后直接沉入肝脏，对人类的大脑视力神经破坏极大。通过利用ICP-MS测定血液中总汞浓度，发现汞的平均血汞浓度在儿童体内有很高的水平，该地番茄制品里也含检出大量的汞，而汞在该地销售的其他海洋产品和肉类产品中并没检出。研究还发现番茄制品的消费频率与血汞水平呈正相关。

ICP-MS技术在果蔬产品中重金属检测已普及开来，且测试结果也相当满意，相信ICP-MS技术在该领域应用会越来越广泛。

2.2ICP-MS技术测定酒类产品中重金属的应用现状

随着人们生活水平的不断提高，对酒的品质要求也越来越高，而酒中主量元素及微量元素的含量直接影响酒的感官和质量，是确定其价值的直接依据。其中，传统金属元素测定多采用原子吸收分光光度法，但该方法只能进行单元素测定，耗时耗力，而且测定的元素也有限，采用原子吸收方法测定白酒中有害元素已经不能满足现代检测工作的要求。近几年，很多研究人员应用ICP-MS技术检测酒类产品中重金属的研究，取得不错的成绩。

张建等［14］建立混酸消解-ICP-MS方法检测白酒中Ag、Cd、Cs等28种元素含量研究。通过对样品进行简单的混酸消解赶酸处理后，在1 min内检测28种元素，其精密度和准确度符合要求。说明ICP-MS在白酒重金属检测中分析速度快、可靠、稳定的特点，适合不同白酒类产品重金属的检测。杨永利等［15］分别用ICP-MS法和火焰原子吸收光谱法测定白酒中锰的含量，并进行对比试验。ICP-MS通过蒸发和超声波进行前处理，相对于火焰原子吸收光谱法的湿法消解更简便快速，节省时间和试剂。而结果显示ICP-MS的精确度和准确度都比火焰原子吸收光谱高。说明ICP-MS比火焰原子吸收光谱更适合白酒中锰的快速检测。

Vid S.Šelih［16］等对斯洛文尼亚生产的葡萄酒进行地理性分类，分别通过用ICP-MS和ICP-OES技术对葡萄酒中49种元素进行含量检测，通过主成分分析运用多元统计分析不同区域生产的葡萄酒与微量元素之间的关系，结果显示，不同区域的葡萄酒因有不同的生长周期，元素在葡萄酒中积累的量也有所不同。Sónia M.Rodrigues［17］等通过用ICP-MS对葡萄牙的葡萄酒中17种元素浓度检测，研究元素浓度与酒的类型和原产地之间关系。结果显示，红葡萄酒中B、K、P比白葡萄酒的浓度高，这是由于施肥或酿酒程序不同造成的，而不同浓度的Zn主要来自不同的植物或者加工接触到的不锈钢材料，这表明了ICP-MS通过同时检测不同元素的特点应用于葡萄酒品牌原产地的认证具有一定的前景。

无论是中国传统白酒还是西方传统的葡萄酒，ICP-MS都可以在其重金属的检测中提供有力的技术支撑，而且ICP-MS检测技术的快速、准确、可靠和可多元素同时检测等特点将为其在酒类产品领域中元素的检测发挥不可缺少的作用。

2.3ICP-MS在测定海产品中重金属的应用现状

工业废水大量排入江河湖海，其中造成海水污染的工业废料中主要含有铜、铝、水银、镉等重金属元素。而这些重金属通过海中的鱼类、贝类等海洋生物富集后，经食物链流入人体，对人体造成很大危害。因此，必须对海产品中重金属的含量进行检测。

解楠等［18］通过用ICP-MS和原子荧光光谱两种不同测试方法对海产品中总砷含量进行了对比研究。结果发现，原子荧光光谱测定紫菜总砷的含量相对ICP-MS的结果偏低，是因为样品经过微波消解前处理后大量的有机砷依然存在，未完全转化为无机砷，最终没有形成原子荧光从而造成测定结果偏低；而用ICP-MS则采用在线加标方法，此处理能够减少基体的干扰，并应用He碰撞池模式减少ArCl+离子的干扰［19］。对比可知，ICP-MS测定海产品中总砷含量具有更准确，灵敏度高，检出限低等特点。

Vanessa Romarís-Hortas等［20］运用反相高效液相色谱法结合ICP-MS对食用海藻进行总碘和碘化物含量测定。试验结果发现，褐藻海带中的总碘和碘化物含量最高，碘化氨基酸含量在红色海藻是最高的。而Emilia Vassileva［21］等用ICP-MS对扇贝中镉、铅、铜、汞等同位素质量分数进行测试，所得到的结果与来自世界各地的14所实验室结果进行比较，发现同一样品的测试结果仅有小于1%的差异。Benjamin等［22］对鱼体中的汞污染残留进行了研究，通过用激光蚀刻-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）法检测样品中汞的含量。该研究是利用鱼体对汞的免疫反应，先用激光蚀刻处理后再采用ICP-MS进行检测，研究发现汞主要富集在鱼体的肝脏部分。该研究为今后快速探讨海洋生物体内重金属残留提供一定的参考价值。

ICP-MS法具有线性范围宽、干扰小、样品前处理简单等优点，从而使其在海洋产品中重金属元素及其微量元素检测的研究中具有较好的应用前景。

2.4ICP-MS在测定粮油产品中重金属的应用现状

米面制品是我国传统日常的食物，但因稻谷生长的土壤、环境、灌溉用水受到工业或人为更或者生产加工过程中造成的铅、镉、汞、砷等重金属累积，因此对粮油产品中重金属检测具有相当重要的意义。

刘淑君等［23］建立了用ICP-MS法同时测定大米及米粉类食品中铅、砷、铬、镉、锑5种微量元素的测定方法。测试因受到基体效应和仪器漂移引起非质谱干扰，通过采用锗、铟、铋、钪作为内标元素进行外部校正的方法来消除。这个方法快速、灵敏，适用于大米和米粉类食品中重金属的同步分析检测。诸堃等［24］对分别产自全国各地的三种大米中21种元素采用微波消解技术结合ICP-AES和ICP-MS测定其重金属元素的含量作方法技术对比研究。对于干扰的消除，ICP-AES通过选择灵敏度高的光谱线作为分析线，其他物理干扰通过控制标准溶液与试样溶液介质浓度、试剂一致的方法来消除；而ICP-MS则通过用Sc和Rh作为混合内标来控制仪器波动产生的干扰。研究发现，Mn、Fe、Cu等在大米中含量较高。对比两方法，表明ICPMS更具有简便、快速，检出限低等特点，更适用于大米等粮食作物中微量元素的测定。

Beltrami等［25］通过用电子扫描显微镜结合ICP-MS对小麦、面粉等食品原材料和饼干、面条等食品中金属微粒进行了定性和定量研究，试验结果发现铁和钛元素是检测到的微粒中最多的，而铜和锌元素则很少；研究还发现金属离子浓度在食品原材料中比在食品中要高得多，并造成谷物的内部污染。

相对于AAS和AFS，ICP-MS技术用于分析检测粮油产品中多种重金属及其微量元素，ICP-MS技术具有极低的检出限等优点，因此该技术将在粮油产品的微量分析中得到更广泛的应用。

2.5ICP-MS在测定食品添加剂中重金属的应用现状

随着食品工业的发展，食品添加剂已成为现代食品工业不可缺少的一部分。但目前国内有许多产品因食品添加剂的安全性问题也存在不少的争论［26-27］，因此对食品添加剂某些产品中重金属的检测势在必行。

符靓等［28］建立用八极杆碰撞/反应池（ORS）-ICP-MS测定食品添加剂铝色素中Cr、Mn、V等16种重金属元素的分析方法。采用ORS，在池内通入氢气或惰性气体氦气，有效地消除了多原子离子对待测元素的干扰，限制了强质谱峰在低质量端的拖尾现象；以多内标元素分段校正了信号漂移及基体效应等物理基体干扰。结果证实该方法具有样品前处理简便、检出限低、精确度高和可同时检测多种元素等优点，为食品添加剂色素中重金属快速检测提供了一个很好的参考方法。聂西度等［29］用硝酸-过氧化氢微波消解甜味剂样品后，再用ORS-ICP-MS测定其中Cr，Co，Ni等10种重金属元素的含量。应用ORS技术，有效地消除了多原子离子对待测元素的干扰，选用115In，45Sc，89Y和209Bi等元素为内标混合液校正基体效应和信号漂移，确定了试验的最佳测定条件。采用微波消解法处理样品，使样品具有分解彻底、试剂用量少、空白值低等显著特点。研究表明该方法简便、快速、准确，非常适合应用于甜味剂中重金属的检测。

Miguel等［30］从物理化学和矿质学方面讨论了石灰作为食品添加剂的安全性，以探讨食品级石灰作为人体钙源的可能性，并用ICP-MS测定墨西哥的2种石灰样品中的As、F、Pb和V含量，结果显示这些样品的杂质重金属含量在安全限量范围内，并建议对市场上的商业石灰产品进行类似的分析和确认。

ICP-MS具有低检出限、快速而同时检测多元素、精密度高等优点，为其在食品添加剂中元素检测开辟了更广阔的应用范围。

2.6ICP-MS在测定食品包装接触材料中有害重金属的应用现状

塑料、纸、锡箔和金属类等材料在食品包装上应用最广泛，而这些材料在加工运输过程中不可避免的会混入一些有毒有害的物质，而其中对人体会造成严重的健康危害的重金属元素主要有Pb、Cr、Cd、Se等［31-33］。在国外人们关注食品包装安全的热点问题主要集中在食品接触材料中的有毒有害物在食品中迁移问题［21］。其中Soares等［34］运用放射性测量结合ICP-MS方法对果汁饮料、软饮料、含酸性脂肪食品以及牛奶制品等塑料包装模拟物的重金属迁移情况进行分析，发现有些元素会溶出到食品中，其中主要集中有钴、铬和锑这3种元素，但它们溶出量并没有超出巴西监督部门（ANVISA）设定的污染物最大限量值指标。

董占华等［35］采用ICP-MS同时测定了陶瓷食品包装容器中的重金属元素钴、锑、镍、镉、铬、铅，并对影响测量的各因素进行了详细的研究。研究表明，该方法快速、简便、具有较好的准确度和精密度，能满足陶瓷进出口快速通关的要求，且为陶瓷食品包装容器的质量控制提供依据。薛美贵等［36］利用ICP-MS技术对13种印刷纸质食品包装材料以及3种相对应未印刷纸样中重金属的含量进行分析，发现铅和铬的含量明显高于镉和汞的含量；且相对于未印刷的样品，印刷过的样品中，各种重金属的含量均较高，而纸张表面处理所用的石蜡以及造纸填料中，在理论上不含有重金属，所以认为其主要来源为印刷油墨，结果发现，各种油墨中都含有一定量的Cr、Pb以及Hg，而不含有（低于检测限）或含有很少量的Cd。从而可以认为印刷过的纸质食品包装材料中的Cr、Pb以及Hg主要来自于印刷油墨，而Cd则有可能主要来源于造纸原料、造纸设备以及用水等。

目前国内外在食品包装材料中金属元素的检测多采用分光光度法、极谱法、原子吸收法、ICP-OES、原子荧光法、以及ICP-MS法，其中ICP-MS法是目前国际上这一领域较先进的分析技术［40］，在以后的研究中有望得到更多的应用。

3　结语

随着我国经济和科学技术的发展，ICP-MS分析仪器将在我国广泛应用，其应用领域也会更加广泛。其中不仅是ICP-MS仪器单独广泛使用，和其他仪器的联用技术也正在我国迅速发展。如今最常用的联用技术有毛细管电泳电感耦合等离子体质谱法（CEICP-MS）［37］、高效液相色谱电感耦合等离子体质谱法（HPLC-ICP-MS）［38］、气相色谱电感耦合等离子体质谱法（GC-ICP-MS）［39］、流动注射电热蒸发电感耦合等离子体质谱法（FI-ETV-ICP-MS）［40］、离子色谱电感耦合等离子体质谱法（IC-ICP-MS）［41］、同位素稀释电感耦合等离子体质谱联用技术（ID-ICP-MS）［46］和超临界流体色谱电感耦合等离子体质谱法（SFC-ICP-MS）［42］。

ICP-MS联用技术也势必迎来更高层次的开发与运用，其应用领域也必将越来越广泛；ICP-MS将成为各个领域元素分析的高端测试技术。同时，基于ICPMS单级联用成熟发展基础上的ICP-MS多级联用将在同位素分析、形态分析、微区分析等方面取得不断突破与创新，也必将以其自身独特的优势在未来地质科学、生物与医学、食品安全、农业生产、材料科学、冶金工业、环境分析等诸多领域发挥更为广泛、更加重要的作用。

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Research Progress of ICP-MS in Determination of Heavy Metal Elements in Food and Relative Products

ZHANG Hong-kang1，WANG Zhong-yuan2，CAI Si-si1
（1.College of Light Industry and Food，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225，Guangdong，China；2.South China Sea Environment Monitoring Center，State Oceanic Administration，Guangzhou 510300，Guangdong，China）

The current applications of ICP-MS analysis technology status of heavy metals in food and related products were reviewed.The determination principle，parameters and application scope of ICP-MS were summarized and compared.At the same time，the development trends of ICP-MS analysis technology in food and related products were discussed.

Inductively coupled plasma mass spectrometry（ICP-MS）；food；heavy metal；research progress

10.3969/j.issn.1005-6521.2016.17.048

2015-10-15

国家自然科学基金青年基金（41406093）；国家海洋局青年基金（2013513）；南海分局局长基金（1328）；广东省教育厅科技创新项目（2013KJCX0103）资助项目

张宏康（1972—），男（汉），副教授，博士后，研究方向：食品加工与分析新技术。