基于ICP-MS/MS技术测定食用植物油中22种微量元素

张 萍 刘宏伟

（湖南工学院材料与化学工程学院 湖南衡阳 421002）

食用植物油是从植物果实、种子、胚芽中提取的天然油脂，含有丰富的不饱和脂肪酸和亚油酸，是人们日常膳食结构中不可缺少的重要组成部分[1]。食用植物油主要用作烹调原料、香料成分和载体，并可加工成氢化植物油和生物燃料[2]。近年来，随着我国经济的高速发展，生态环境承载能力愈加脆弱，导致大量工业排放物中的无机元素通过土壤和水分迁移至植物中，同时，在植物油的加工运输过程中受生产工艺和贮存设备的影响，成为食用植物油中无机元素的主要来源[3]。有研究表明，食用植物油中的部分微量元素会加速其氧化速率，缩短食用植物油的使用周期[4]，而食用植物油中重金属元素所形成的潜在危害已成为社会关注的焦点，因此，无论是对于食用植物油的营养性还是安全性，建立快速准确测定食用植物中微量元素含量的分析方法都具有非常重要的意义。

目前，有关食用植物油中无机元素的分析方法已有大量报道，主要包括：分光光度法[5]、原子吸收法[6-8]、原子荧光法[9]、电化学法[10]、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）法和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法[11-15]。这些分析方法中，ICP-MS法灵敏度最高、检出限最低，其面临的质谱干扰仍然没有得到完全消除，限制了有些元素的准确测定。针对质谱干扰所发展的冷等离子体、高分辨质谱和碰撞/反应池（CRC）技术虽能降低或消除一些干扰，但冷等离子体技术是通过抑制等离子气的电离来降低质谱干扰，仅适合Ca、Fe、K等易电离元素的测定，无法准确测定难电离元素[16]；高分辨质谱技术在提高质谱分辨率消除干扰的同时，灵敏度受损严重[17]；基于动能甄别（KED）的CRC碰撞模式在消除多原子离子干扰的同时，在碰撞过程中使分析元素的能量受损导致灵敏度变差，并且不能消除双电荷离子干扰，CRC反应模式因反应过程中副反应的发生无法控制，而易形成新的产物离子干扰分析物的测定[18]。本文首次采用电感耦合等离子体串联质谱（ICP-MS/MS）对食用植物油样品中的22种微量元素进行分析，利用ICP-MS/MS所特有的双质荷比（m/z）过滤功能，分别选择H2、O2、NH3/He为反应气，通过控制 CRC中的反应过程消除质谱干扰，为准确分析食用植物油中22种微量元素提供新方法。

1 材料与方法

1.1 仪器和设备

8800 ICP-MS/MS，美国 Agilent公司；Milli-Q超纯水机，美国Millipore公司。ICP-MS/MS调谐后的操作条件见表1。采用有机溶剂专用进样工具包，含内径为1.5 mm的炬管、铂锥、进样管和抗溶剂排废液组合件，载气中加入20%的O2解离有机样品中的碳基体。

表1 ICP-MS/MS的工作条件Table1 Operating conditions of ICP-MS/MS

1.2 材料与试剂

1 000μg/g 的Na、Mg、Si、P、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Se、Sr、Cd、Hg、Pb、Sc、Y、Bi有机金属标准贮备溶液，美国Spex Certiprep公司；不同浓度的元素标准混合溶液，按试验要求以煤油为介质稀释有机金属标准贮备溶液制得；1.0 μg/g 的Sc、Y、Bi内标元素混合标准溶液，由有机金属标准贮备溶液用煤油稀释制得；优级纯煤油，美国Spectrum公司。菜籽油、花生油、葵花籽油、玉米油和橄榄油来自国内不同地区各大超市。

1.3 试验过程

准确称取约5.0 g食用植物油于30 mL高密度聚乙烯（HDPE）塑料瓶中，用煤油稀释至20.0 g，制得样品溶液；以煤油为介质分别配制质量浓度为 0.0，1.0，5.0，20.0，100.0 μg/g 系列待测元素混合标准溶液。分别测定样品溶液、空白溶液和混合标准溶液，在测定过程中使用在线内标混合T型接头将 1.0 μg/g的Sc、Y、Bi内标元素混合标准溶液加入到上机测定溶液中，利用仪器自带的MassHunter软件，以分析元素与内标元素的信号比对标准溶液的浓度自动建立校准曲线，从而得到分析样品中待测元素的含量。

2 结果与分析

2.1 等离子条件的选择

植物油经煤油稀释后进入等离子体 （ICP）会加大ICP的负载，降低ICP温度，本试验中难电离元素 Si、P、S、As、Se 需要更高温度的等离子条件。增大RF功率能提高ICP温度，但干扰物增多，背景信号也相应增大，过高的RF功率也会降低ICP炬管的使用寿命，试验设置RF功率为1 550 W；使用窄口径炬管，降低载气流速和补偿气流速能减少进入ICP的进样量，减轻有机溶剂对ICP的影响，从而提高等离子温度，但过低的载气流速和补偿气流速会降低分析元素的灵敏度，本试验设定载气流速为0.7 L/min，补偿气流速为0.2 L/min，维持了等离子体的稳定。

2.2 质谱干扰及消除

采用煤油稀释植物油直接进样分析，复杂的基质组成会产生严重的质谱干扰，本试验利用ICP-MS/MS的反应模式进行消除。ICP-MS/MS是在带CRC的单四极杆ICP-MS（ICP-QMS）基础上增配一个四极杆质量分析器，形成双四极杆质量分析器（见图1），在MS/MS模式（同时启用两个质量分析器）下，通过设置位于CRC前端的第一级四极杆质量分析器（Q1）的荷质比（m/z），仅允许目标离子进入CRC，将大量干扰离子阻止在外，进入CRC的离子少，传输通道更为通畅，灵敏度更高；在CRC内加入反应气，使干扰物或分析物与反应气发生质量转移反应，利用反应后干扰物和分析物的质量差，设置位于CRC后的第二级四极杆质量分析器（Q2）的m/z消除干扰，两个质量分析器的双重过滤，极大提高了消除干扰的能力和分析元素的灵敏度[19]。

图1 ICP-MS/MS工作原理Fig.1 Operation principle of ICP-MS/MS

基于ICP-MS/MS强大的消除干扰能力，本试验选择各待测元素的高丰度同位素进行测定，并与单四极杆（SQ）模式（不启动 Q1只启动 Q2，Q1仅做为离子运行通道，相当ICP-QMS）下的无气、He碰撞和H2反应模式进行对比，考察22个待测元素背景等效浓度（BEC）和检出限（DL）的变化，结果见表2。

从表2可以看出，在SQ的无气状态下，由于没有进行消除，仅 Sr、Cd、Hg、Pb 4 个元素的BEC和 DL处于较低水平，这是由于 Sr、Cd、Hg、Pb的质谱干扰轻微可以忽略，在SQ的He碰撞模式和MS/MS的O2反应模式下，虽然改善了元素的BEC，但DL反而变大，表明开启CRC对于无干扰元素不利于元素的测定，因此，本试验对于Sr、Cd、Hg、Pb 4个元素采用SQ的无气模式进行测定。

在MS/MS模式下采用H2为反应气时，Si和Ca的BEC和DL均小于SQ的无气模式和SQ的H2反应模式，表明质谱干扰得到了消除。在CRC中，由于Si+和Ca+均不能与H2反应，而干扰 Si+和Ca+测定的CO+、N2+、Ar+均能与 H2反应，但采用 SQ模式下以H2为反应气，由于没有Q1的过滤，来自样品和等离子体的离子均能全部进入CRC，虽然CO+、N2+、Ar+等离子与 H2反应得到消除，但由于不可预知的反应副产物仍然存在干扰Si+和Ca+测定的可能，而在MS/MS模式下，分别设置Q1=Q2=28、Q1=Q2=40，通过Q1的过滤，防止了副反应的发生，从而利用H2原位质量法可完全消除干扰。

O2作为一种强大的反应气能与多种离子发生反应，从表2可以看出，在MS/MS模式下，促使P+、S+、Ti+、V+、As+分别与 O2发生反应的反应焓（△Hr） 分别为-3.14，-0.34，-1.63，-0.85，-0.63，0.71，均能与O2自发反应生成氧化物离子（△Hr＜0），Se+与 O2不能自发发生反应的（△Hr=0.71＞0），本试验通过设置质谱仪的八极杆偏置电压为-18 V，促使该反应的发生，而干扰 P+、S+、Ti+、V+、As+、Se+测定的离子均不能与O2发生反应，因此，分别设置 Q1=31/Q2=47、Q1=32/Q2=48、Q1=48/Q2=64、Q1=75/Q2=91、Q1=78/Q2=94，将 P+、S+、Ti+、V+、As+、Se+与反应生成氧化物，利用O2质量转移法进行测定。

NH3/He作为混合反应气最易与金属离子形成团簇离子，适合消除金属离子的干扰。对于元素Na、Mg、K的BEC和DL均得到明显改善，表明干扰得到消除。由于 Na+、Mg+、K+均不与 NH3/He 发生反应形成团簇离子，而这些元素的干扰离子均能与NH3/He形成团簇离子，本试验设置Q1=Q2，利用NH3/He原位质量法消除干扰进行测定；而Cr+、Mn+、Fe+、Co+、Ni+、Cu+、Zn+能与 NH3/He 发生反应形成多种团簇离子，通过扫描发现，团簇离子52Cr（14NH3）2+、55Mn（14NH3）2+、Fe（14NH3）2+、Co（14NH3）2+、Ni（14NH3）3+、Cu（14NH3）2+、66Zn（14NH3）2+附近无干扰且离子丰度能完全满足测定要求，因此，本试验对于 Cr+、Mn+、Fe+、Co+、Ni+、Cu+、Zn+的测定，分别设置Q1=52/Q2=86、Q1=55/Q2=89、Q1=56/Q2=90、Q1=59/Q2=93、Q1=60/Q2=94、Q1=63/Q2=97、Q1=66/Q2=100，利用NH3/He质量转移法消除干扰。

2.3 基体效应及校正

针对食用植物油与煤油混合组成的复杂基质所产生的基体效应，本试验通过专用的内标进样接头将 1.0 μg/g的Sc、Y、Bi混合内标溶液加入到上机测试溶液中进行校正。为考察内标元素加入后基体效应及仪器信号漂移的校正效果，考察了加入内标元素后2 h内各元素归一化信号的变化情况，每10 min测定一次，每次重复测定6次，各元素归一化信号的变化以及各元素相对标准偏差（RSD）的变化分别见图2和图3。从图2可以看出，所有元素的归一化信号强度在前60 min内均处于1±0.05范围内波动，后60 min内均处于1±0.1范围内波动；从图3可以看出，与加入内标元素前相比较，在加入内标元素后，所有待测元素的RSD均明显变小，表明加入内标元素后各元素的分析信号稳定，基体效应得到了校正。

表2 不同质谱模式下各待测元素背景等效浓度（BEC）和检出限（DL）Table2 Background equivalent concentration （BEC） and detection limit （DL） obtained for different mass mode

图2 加入内标元素后各元素的归一化信号Fig.2 The normalized signal of analyte after adding internal standard element

2.4 校准曲线与检出限

以煤油为介质，对22种元素的有机金属标准贮备溶液进行稀释，配制 P、S、K、Na、Ca、Mg 质量浓 度 分 别 为 0.0，1.0，5.0，20.0，100.0 μg/g，Si、Fe、Mn、Zn、Sr质量浓度为 0.0，0.05，0.2，0.5，1.0 μg/g，其余 11个元素质量浓度分别为 0.0，1.0，2.0，10.0，50.0 ng/g的标准溶液，以内标元素为参考点自动建立校准曲线，表3结果表明，22个元素的线性关系良好，相关系数R2≥0.9996。各元素仪器的检出限为0.35～307.84 pg/g。

图3 加入内标元素后各元素的RSD的变化Fig.3 The change of RSD of the analyte after adding the internal standard element

表3 校准曲线参数与检出限Table3 The allocation of internal standard element and the limit of detections

2.5 准确度与重复性

为验证分析实际样品时方法的准确性，采用混合标准溶液对植物油样品进行加标回收率试验，总共重复测定6次。表4列出了所有元素的加标结果，6次重复分析的加标回收率在96.60%～105.46%之间，RSD≤3.99%，表明方法的准确性好，具有优异的重复性。

表4 加标样品的加标回收率与重复性Table4 The spike recovery and reproducibility of the spiked sample

2.6 样品分析

分别对来自国内不同地区各大超市的菜籽油、花生油、葵花籽油、玉米油和橄榄油进行测定，每种植物油重复测定6次。表5显示，5种植物油中的P、S、K、Na、Ca 含量较高，而重金属元素 Cr、As、Cd、Hg、Pb 处于较低水平，符合 GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》[20]。从测定元素总含量来看，花生油中22种微量元素的含量高于另外4种植物油，这可能与植物油的原料来源和加工工艺相关。

表5 样品分析结果Table5 Analytical results of samples

3 结论

建立了ICP-MS/MS法测定食用植物油中22种微量元素含量的分析方法。植物油经煤油稀释后直接上机分析，样品的预处理过程简单快速，在MS/MS模式下，向CRC中分别加入H2、O2和NH3/He，利用产物离子和目标离子与反应气发生质量转移反应消除分析过程中的质谱干扰，并采用在线加入内标元素校正了基体效应，并稳定了各元素的质谱信号。方法的检出限在0.35～307.84 pg/g之间，加标回收率在96.60%～105.46%之间，相对标准偏差（RSD）≤3.99%。通过对实际样品进行分析，发现所分析的5种植物油中 P、S、K、Na、Ca含量较高，而重金属元素 Cr、As、Cd、Hg、Pb 处于较低水平。所建立的方法具有灵敏度和准确度高的特点，为植物油中多种无机微量元素的分析提供了一种新方法。