微波消解—动态反应池电感耦合等离子体质谱测定农产品中的痕量硒

杏朝刚，袁京群，李士敏

(浙江大学 农生环测试中心，浙江 杭州310058)

硒是保持人和动物生命活动的重要无机微量元素[1]，具有抗癌[2]、抗氧化和提高机体免疫力的生理功能[3]，然而硒的有益摄入量范围很窄[4]，过量易引起硒中毒[5]。因此，准确测定农产品及食品中的硒含量十分必要。目前，硒的测定方法主要有氢化物-原子荧光光谱法[6]、石墨炉原子吸收光谱法[7]和电感耦合等离子体发射光谱法[8]等。氢化物-原子荧光光谱法需要将消化液中的六价硒还原成四价硒再进行测定，操作比较烦琐；石墨炉原子吸收光谱法在灰化阶段易损失硒，需要加入基体改进剂；电感耦合等离子体发射光谱法检测限较高[9]，难以满足痕量样品的检测要求。电感耦合等离子体质谱仪是20世纪80年代发展起来的多元素分析仪器，具有灵敏度高、线性范围广、多元素同时分析的特点，但也存在多原子离子干扰。这些多原子离子主要来自于等离子体气(Ar)，基质成分(C、H、N、O)，溶剂或酸(Cl、S、N)，缓冲溶液或盐(P、 Ca)等[9-10]。多原子离子干扰严重限制了电感耦合等离子体质谱仪在硒测定中的应用，如硒丰度最高的同位素(80Se， 49.61%)被Ar双原子离子(40Ar40Ar+)严重干扰，82Se受40Ar42Ca+干扰，特别是在分析钙含量较高的生物样品及海产品中干扰更明显，测定误差较大。动态反应池(dynamic reaction cell, DRC)技术的应用，可以消除多原子离子对硒测定的干扰[11-12]。许佳章等[13]建立了动态反应池(氧气)模式检测水果中硒含量的方法，王军等[14]采用同位素稀释六极杆碰撞室多接收电感耦合等离子体质谱(MC-ICP-MS)建立了鱼肉中痕量硒的测定方法，季海兵等[15]以异丙醇为增敏剂建立了电感耦合等离子体质谱直接测定土壤和沉积物中硒的方法，国家标准GB 5009.268—2016采用碰撞反应池模式。在此类研究中，以甲烷为反应气的报道相对较少[16-17]，且线性范围较窄、检出限偏高。本文系统研究了动态反应池关键技术参数——反应气流速和抑制参数q(rejection parameter q， RPq)消除干扰的效果，优化了测定条件及前处理方法，并通过加标回收实验和国家标准参考物质对测定结果的准确性进行验证，建立基于动态反应池电感耦合等离子体质谱法测定食品中痕量硒的方法。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

NexION 300X型ICP-MS，PerkinElmer；AL104型万分之一天平，梅特勒；TOPEX微波消解仪，上海屹尧。

硒标准溶液，1 000 μg·mL-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸，工艺超纯，国药试剂；过氧化氢，分析纯，国药试剂；试验用水为超纯水；国家标准柑橘叶参考物质GBW10020，地球物理地球化学勘查研究所。富硒的核桃仁、花生米、大米、茶叶、小麦粉、甘薯粉均购于当地超市。

1.2 实验方法

将从超市购买的样品粉碎，准确称取粉碎样品0.2～0.5 g(精确至0.001 g)于消化管中，加入7 mL硝酸，于通风橱内110 ℃石墨炉上预消解30 min，冷却至室温，将消化管装入套管中按微波消解程序(表1)消解，冷却至室温，取出消化管于110 ℃石墨炉上赶酸至0.5～1.0 mL，转移至50 mL容量瓶，用蒸馏水定容，过0.22 μm水系微孔滤膜待测，同时做样品空白。用标准调谐液将仪器调节至最佳工作状态，标准溶液或样品及内标溶液由蠕动泵同时引入雾化室，雾化后在高温等离子体中电离，最后由质量分析器检测，标准曲线定量。

1.3 ICP-MS工作条件

通过标准调谐液调试ICP-MS雾化气流速、矩管及离子透镜位置，使高中低离子灵敏度、稳定性、氧化物和双电荷等参数符合仪器测试条件。优化后的ICP-MS仪器工作条件：等离子体气流速16.0 L·min-1，雾化气流速0.89 L·min-1，射频功率1 100 W，测定模式DRC模式(CH4气流速0.9 mL·min-1)，积分时间1 000 ms，重复次数3次，检测信号80Se。

表1 微波消解程序Table 1 Microwave digestion procedure

2 结果与分析

2.1 样品消解条件选择

敞开体系常压湿法消解，成本较低，操作方便，但敞开式加热消解会导致酸和热量损失、试剂消耗多、消解时间长，且控温不精确，极易造成挥发性元素硒损失。微波消解属于密闭体系高压湿法消解，酸用量少、耗时短、消化效果好，且易挥发元素不易损失，是消解测定微量/痕量元素的常用前处理方法[18]，本文选择微波消解处理样品。由于氯和等离子体气(Ar)可以形成40Ar37Cl+，干扰77Se的测定[19]，因此消解过程中不能使用盐酸。过氧化氢通常配合硝酸使用以提高消解效率，当采用7 mL硝酸加2 mL过氧化氢消解茶叶样品时，在预消解阶段由于起泡严重导致样品喷出，造成样品损失，影响测定结果的准确性。经过实验对比发现，通过提高消解温度、延长消解时间，可以在不加过氧化氢的条件下使样品消解完全。经对比，最终确定以7 mL硝酸按照表1程序消解样品。

2.2 测定模式选择

ICP-MS测定模式主要有标准(STD)模式、碰撞(CCT)模式、动能歧视(KED)模式和动态反应池(DRC)模式。STD模式下，80Se受Ar双原子离子40Ar40Ar+干扰严重；CCT模式要求惰性气体原子的碰撞能量必须高于多原子干扰离子的解离能量，碰撞解离才会发生，碰撞解离模式不能消除40Ar40Ar+对80Se的检测干扰。本实验首选KED模式。

当采用KED模式测定硒标准曲线溶液时，在硒所有丰度同位素(74Se、76Se、77Se、78Se、80Se、82Se)[12，19]中，只有同位素78Se和82Se呈良好的线性关系(图1)。但是当进行样品测试时，稳定性很差，同一溶液进行5次重复测定结果如图1所示，78Se和82Se的测定结果都相差悬殊，平行测定数值标准偏差较大，无法进行准确定量。原因可能是78Se和82Se相对于40Ar38Ar+和42Ca40Ar+的响应信号要低得多，等离子体中Ar浓度有微小的波动就会引起质量数78和82响应信号较大的波动，从而使78Se和82Se的测定结果都相差悬殊，无法进行准确定量。本文后续条件优化采用稳定性更好的DRC模式进行测定，以消除等离子体气基体干扰对测定结果的影响。

2.3 DRC模式条件优化

图1 KED模式下硒标准曲线(A)和样品重复测定结果(B)Fig.1 Calibration curves (A) and sample results of repeats (B) in KED mode

抑制参数a(RPa)和RPq是四极杆质谱质量过滤参数，通过调节这2个参数可以让特定质荷比的离子通过四极杆质量分析器。通常情况下，将RPa的值设定为0，通过调节RPq值来消除Ar背景干扰[22]。从图2可以看出，随着RPq值逐渐变大，5 μg·L-1硒标准溶液80Se的响应值先增大后逐渐减小，而2%(体积分数，下同)硝酸空白溶液在80Se的响应值先有稍许升高，RPq取0.5后趋于稳定。随着RPq值从0.1增加到0.9，信噪比(S/B)先增大后逐渐减小，在RPq=0.7时S/B取得最大值。因此，在测定硒时最佳的四极杆质谱质量过滤参数为RPa=0、RPq=0.7。

反应气流速直接影响Ar被反应掉的程度，是影响S/B的主要反应池参数。CH4反应气流速对空白溶液m/z80的响应信号抑制效果比较明显，从图3可以看出：当CH4气流速为0.5 mL·min-1时，空白信号被抑制效果比较显著，而5 μg·L-1硒标准溶液信号强度变化不明显；当CH4气流速大于0.6 mL·min-1后，空白和5 μg·L-1硒标准溶液信号强度趋于稳定；当CH4气流速大于0.8 mL·min-1时，空白溶液和5 μg·L-1硒标准溶液信号强度开始有明显降低。当CH4气流速从0.1 mL·min-1增大到1.2 mL·min-1时，S/B先增大后减小；当CH4气流速为0.9 mL·min-1时，S/B达到最大值，此时反应气对空白溶液和5 μg·L-1硒标准溶液的抑制效果达到最佳。综上，硒测定的最佳动态反应池反应气流速为0.9 mL·min-1。

图2 RPq值对2% HNO3空白和5 μg·L-1 Se溶液信号强度及信噪比(S/B)的影响Fig.2 Effect of RPq setting on signal-to-background ratios (S/B) and signal intensity at m/z 80 of blank (2% HNO3) and 5 μg·L-1 Se

图3 CH4气流速对2%HNO3空白和5 μg·L-1 Se溶液信号强度及S/B的影响Fig.3 Effect of CH4 gas flow rate on signal-to-background ratios (S/B) and signal intensity of blank (2% HNO3) and 5 μg·L-1 Se

2.4 线性和方法检出限

点燃ICP-MS等离子体，稳定30 min，用调谐溶液对仪器参数进行最佳化调试，观测调谐元素的灵敏度、稳定性及氧化物水平等分析指标，以确定仪器最佳工作条件。将10 μg·mL-1硒中间液逐级稀释配成0.01、0.1、0.5、1.0、5.0、20、50、200 μg·L-1的标准溶液，在优化的条件下进行分析测定，以质量浓度为横坐标(x)、信号强度为纵坐标(y)绘制标准工作曲线。结果表明，在0.01～200 μg·L-1浓度范围内线性关系良好，回归方程为y=214.84x+28.94，决定系数(R2)为1.000 0。在实际样品测定过程中，根据样品含量，工作曲线范围通常选择0.1～50 μg·L-1。在优化的条件下平行测定过程空白溶液11次，计算硒元素的标准偏差，以3倍标准偏差确定方法检出限为0.005 μg·L-1，10倍标准偏差确定方法定量限为0.015 μg·L-1，以称样量0.2 g定容至50 mL换算成样品中的含量，则方法的检出限和定量限分别为0.001 μg·g-1和0.004 μg·g-1。

2.5 标准样品测定

按照1.2节方法处理样品，在优化的条件下测定国家标准柑橘叶参考物质中的总硒含量，结果见表2。测定平均值为0.199 μg·g-1，在标准样品的认定值范围内，7次重复测定结果相对标准偏差(relative standard deviation， RSD)为3.39%。

表2 国家标准柑橘叶参考物质GBW10020总硒测定结果Table 2 Test results of total Se in standard reference citrus leaves GBW10020

2.6 加标回收率

称取市售富硒茶叶0.2 g，分别准确加入200 μg·L-1硒标准溶液0.1、0.2、0.3 mL，然后按照1.2节样品处理方法进行加标回收实验(n=3)，总硒加标回收率在97.32%～101.1%(表3)，RSD在3.35%～5.47%，说明此方法可以准确测定农产品中的硒含量，方法准确可靠。

2.7 实际样品测定

取从当地超市购买的富硒核桃仁(样品编号1～5)、花生米(样品编号6～10)、大米(样品编号11～15)、茶叶(样品编号16～20)、小麦粉(样品编号21～25)、甘薯粉(样品编号26～30)，按照1.2节方法处理样品，在优化条件下测定农产品中的硒含量。从表4可以看出：茶叶中硒含量相对较高，而且不同产地样品间硒含量离散性最大；甘薯粉硒含量较低，且不同品牌样品差别不大。总体来看，该方法适用于多种农产品中痕量硒的测定。

表3 加标回收实验结果Table 3 Result of standard addition and recovery experiment

表4 实际样品分析Table 4 Results of real sample analysis

3 讨论

建立起微波消解—动态反应池电感耦合等离子体质谱测定农产品中痕量硒的方法，通过加标回收、标准物质测定、精密度实验，证明该方法准确度高、精密度好，且操作简单，检出限和定量限低，完全可以满足农产品中硒含量的测定要求。通过动态反应池模式和动能歧视模式对比，进一步证实了动态反应池技术是目前质谱分析中消除质谱干扰最有效的手段之一。然而动态反应池技术也有其自身的局限性，单一反应气很难消除所有的质谱干扰，有些反应气还会同待测物反应，引入其他干扰。今后，在选择动态反应池技术进行其他样本或元素的测定时，还有待对其作进一步优化研究。