电感耦合等离子体串联质谱测定水产品中的痕量重金属元素

李爱阳，伍素云，刘宁，刘水林

(湖南工学院 材料与化学工程学院，湖南 衡阳,421002)

近年来，我国毒胶囊和毒大米事件爆发，由重金属元素超标所引发的安全隐患已经成为比较突出的问题。重金属能在生物体内积累产生毒性，对生物体的各个系统造成危害，尤其是重金属As、Cd、Hg、Pb是众所周知的毒理性元素[1]。水产品对重金属等微量元素具有较强的富集作用[2]，水体中的重金属元素极易被水产品吸收并通过食物链进入人体，长期摄入重金属元素会引发各类疾病[3]。因此，世界各国及各级组织的法规均制定了重金属元素的限量标准，我国国家标准GB 2762—2017和中国药典2015均严格限定了食品和药品中重金属元素的最大浓度[4-6]。

目前，水产品中重金属元素的测定已经有大量文献报道，主要包括原子吸收光谱(atomic absorption spectroscopy, AAS)法、电感耦合等离子体发射光谱(inductively coupled plasma optical emmission spectrometry, ICP-OES)法和电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)法[7-10]，其中ICP-MS法所拥有的高灵敏度、低检出限以及多元素的快速分析性能，完全可以取代其他无机分析技术，已成为痕量元素分析的最强大工具和最有效手段。在ICP-MS的复杂基质样品分析中，消除由低质量元素(m/z≤80 amu)所形成的多原子离子干扰、同量异位素干扰以及双电荷离子的干扰所构成的质谱干扰仍然面临着诸多挑战。碰撞/反应池(collision reaction cell, CRC)技术为消除质谱干扰提供了通用方法[11]，在He碰撞模式下，相同质量的多原子离子比单原子离子横截面更大，与He发生碰撞的次数比分析离子多，能量损失更多。根据碰撞后的能量差异，利用偏置电压将分析离子与多原子离子分离，从而消除多原子离子干扰[12]，但He碰撞模式导致能量损失会降低分析元素的传输效率，影响分析元素的信号强度，对于痕量元素的分析灵敏度严重下降，He碰撞模式不适合痕量重金属元素的测定；在反应模式下，可以利用干扰离子与分析离子反应化学上的差异来消除干扰，然而，发生不可预知的副反应所形成新的质谱重叠仍然有可能干扰分析离子，限制了反应模式的广泛应用。因此，对于复杂基质中痕量重金属元素的测定，迫切需要建立能更好消除质谱干扰的新方法。

电感耦合等离子体串联质谱(ICP-MS/MS)利用双重四极杆质量过滤器对来自等离子体(inductively coupled plasma, ICP)的离子进行选择，从而全面控制CRC中的离子或分子发生的化学反应，充分发挥了反应模式的最大的潜能[13-16]。配置在ICP和CRC之间的第一级四极杆质量过滤器(Q1)只允许指定m/z的离子进入CRC，将大量干扰离子排除在CRC外；配置于CRC和检测器之间的第二级四极杆质量过滤器(Q2)仅选择从CRC中出来的分析离子，将干扰离子排除在检测器外，经过2次过滤几乎可以无干扰测定分析离子。本文采用ICP-MS/MS测定水产品中的痕量重金属元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb，提出了在MS/MS模式下利用O2为反应气消除质谱干扰的新策略，旨在为水产品中多个痕量重金属元素的快速、准确测定提供新方法。

1 材料与方法

1.1 材料和试剂

100 mg/L的Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb单元素标准溶液，国家有色金属及电子材料分析测试中心；10 mg/L的Li、Sc、Ge、Y、In、Tb、Bi多元素混合内标溶液(p/n 5183-4681)，美国Agilent公司；亚沸蒸馏提纯质量分数为65%的HNO3；质量分数为37%、30% H2O2，德国Merck公司；扇贝成分分析标准物质(GBW10024)，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所；5类常见水产品样品(小龙虾、草鱼、明虾、扇贝、鱿鱼)为大型超市购买的非干制新鲜品，在-20 ℃冰箱中保存；实验用水为Milli超纯水(电阻率大于18.2 MΩ·cm)。

1.2 仪器及设备

Agilent 8800型ICP-MS/MS仪，美国Agilent公司。配备玻璃同心雾化器、Scott型双通道雾化室、Ni锥、MARs 5密闭微波消解系统，美国CEM公司。Milli-Q超纯水机，美国Millipore公司。本实验采用ICP-MS/MS在MS/MS模式消除质谱干扰的工作原理见图1。

图1 在O2反应模式下消除质谱干扰的原理Fig.1 Mechanism of spectral interferences eliminating in the O2 reaction mode

1.3 样品前处理

水产品在室温解冻后用陶瓷刀选取可食用部分，用超纯水清洗3次，沥干水分进行匀浆。准确称取匀浆样品0.500 0 g于微波消解罐中，依次加入质量分数为65%的HNO34 mL、质量分数为37%的HCl 1 mL和质量分数为30%的H2O21 mL，密封好罐盖后进行消解。微波消解最大功率中明显地看出鸡肉样品随着炖煮次数的改1 600 W，消解过程分3步进行：第1步升温时间5 min，控制温度120℃；第2步升温时间3 min，控制温度150 ℃，保持时间5 min；第3步升温时间5 min，控制温度185 ℃，保持时间15 min。消解程序完成后自动冷却至室温，用超纯水将透明消解溶液转移至200 mL容量瓶中定容，摇匀后在优化的操作条件下测定空白溶液、标准溶液，利用T型内标混合接头将1 mg/L的多元素内标溶液在线加入到所有测试溶液中，用来校正基体效应以保持元素分析信号的稳定。

1.4 实验方法

ICP-MS/MS调谐优化后的操作条件：射频功率，1 550 W；等离子气流速，15.0 L/min；载气流速，1.09 L/min；辅助气流速，1.8 L/min；补偿气流速，0 L/min；采样深度，8.0 mm；数据采集，MS/MS模式；CRC气体，O2；O2流速，0.30 mL/min；八极杆偏置电压，-18 V；KED偏置电压，-8 V；目标同位素，52Cr、60Ni、75As、111Cd、202Hg、208Pb。

采用体积分数2%的HNO3溶液配制Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合标准溶液，在优化的ICP-MS/MS操作条件下对系列混合标准溶液、空白溶液和样品溶液进行测定。以待测元素信号强度与内标元素信号强度的比值对标准溶液所对应的浓度进行线性回归，根据ICP-MS/MS自带的MassHunter工作站数据处理软件自动建立校准曲线，从而获得样品溶液中分析元素的含量。

2 结果与讨论

2.1 干扰及消除

水产品中含有Na、Cl等高水平的基质元素，会对52Cr、60Ni、75As的测定形成严重质谱干扰，而111Cd、202Hg、208Pb的主要质谱干扰来自95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+。考察了不同质谱模式下干扰离子对分析元素的干扰程度以及消除效果，结果见表1。在单四极杆(SQ，Q1仅作为离子运行通道)模式下不使用碰撞气或反应气(无气体)，由于没有消除干扰，52Cr、60Ni、75As的背景等效浓度(background equivalent concentration, BEC)很大，无法获得准确的分析结果，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC很小，说明干扰离子95Mo16O+、186W16O+、192Os16O+分别对111Cd、202Hg、208Pb的干扰可忽略不计。在SQ模式下采用He碰撞气，由于消除了多原子离子质谱干扰，52Cr、60Ni、75As的BEC显著降低，而111Cd、202Hg、208Pb的BEC反而增大，表明He碰撞模式不适合111Cd、202Hg、208Pb的测定。

综上所述，对于Cr、Ni、As的测定，本实验采用MS/MS的O2反应模式消除干扰，而对于Cd、Hg、Pb的测定，无需消除干扰，在SQ的无气体模式下进行测定。

表1 待测元素的质谱分析模式Table 1 Mass spectrometry analysis modes of analytes

样品溶液、标准溶液和空白溶液之间的基质组成存在差异，导致这些溶液在ICP以及雾化室中的提升速率、传输效率和雾化效应的不同产生误差，形成基体效应[20]。本实验选择具有相似行为的内标元素作为参照物进行校正，由于52Cr、60Ni、75As在测定过程中发生了质量转移，内标元素的选择变得复杂。在MS/MS的O2反应模式下，内标45Sc+能与O2反应生成45Sc16O+，与52Cr+、60Ni+、75As+的质谱行为相似，且45Sc16O+的质量与52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+接近，本实验选择45Sc16O+为内标校正了52Cr16O+、60Ni16O+、75As16O+测定过程中的基体效应，而111Cd、202Hg、208Pb的测定过程中没有发生质量转移，本实验选择115In为111Cd的内标元素，选择209Bi为202Hg和208Pb的内标元素校正了基体效应。

2.2 反应气O2流速的优化

在CRC内，发生质量转移反应的程度以及生成产物离子的浓度均取决于O2流速，因此，O2流速影响分析信号的强度。考察了不同的O2流速下，采用ICP-MS/MS法测定扇贝成分分析标准物质(GBW10024)中Cr、Ni、As的含量，将测定结果与标准物质的认证值进行对比，以确定最佳的O2流速，结果见图2。可以看出，随着O2流速的增大，Cr、Ni、As的测定值逐渐接近认定值，质谱干扰逐渐得到消除，当O2流速达到0.25 mL/min时，Cr、Ni、As的测定值与标准物质的认证值基本一致，随后增大O2流速，Cr、Ni、As的测定值基本处于稳定状态，表明质谱干扰已经完全消除，为确保质量转移反应进行得更彻底，本实验最终确定O2的优化流速为0.3 mL/min。

图2 反应气O2的流速的优化Fig.2 Optimization of the O2 reaction gas flow rate

2.3 校准数据与检出限

配制不同浓度的Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb系列混合标准溶液，采用ICP-MS/MS进行测定，得到分析元素的校准曲线数据。以连续测定11次空白溶液分析元素信号强度的3倍和10倍标准偏差所对应的浓度分别为仪器的检出限(limit of detection, LOD)和定量限(limit of quantitation, LOQ)[21]。通过表2可以看出，各元素的线性相关系数≥0.999 8，线性关系良好；Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的LOD分别为3.01、4.28、2.94、0.85、2.62、0.97 ng/L。

表2 分析元素的校准数据与检出限Table 2 Calibration data and the limits of detection (LOD) for analytes

2.4 准确性和精密度验证

为验证分析方法的准确性和精密度，采用ICP-MS/MS对国家标准参考物质扇贝(GBW10024)重复测定6次，结果见表3。6个分析元素的测定结果与国家标准参考物质的认证值基本一致，相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)≤4.65%，验证了所建立的分析方法准确度好，精密度高。

表3 采用ICP-MS/MS测定标准参考物质扇贝(GBW10024)的分析结果(n=6)Table 3 Results obtained for analytes in standard reference material scallop (GBW10024) using ICP-MS/MS (n=6)

2.5 水产品分析

采用所建立的方法测定了5类常见水产品样品(小龙虾、草鱼、明虾、扇贝、鱿鱼)中重金属元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，每个样品重复测定6次。从表4可以看出，5类水产品中重金属元素的含量均处于较低水平，其中，扇贝中Cr、Cd、Hg、Pb的含量最高，明虾中Ni的含量最高，鱿鱼中As的含量最高，草鱼中重金属元素Cr、Cd、Hg、Pb的含量均为最低，鱿鱼中的Ni含量最低，小龙虾中As的含量最低。本实验海水产品(明虾、扇贝、鱿鱼)中的重金属元素的含量整体水平高于淡水产品(小龙虾、草鱼)，其中以扇贝尤为突出。

表4 采用ICP-MS/MS测定水产品的分析结果(n=6) 单位：ng/g

3 结论

采用ICP-MS/MS法准确测定了水产品中重金属元素Cr、Ni、As、Cd、Hg、Pb的含量，水产品经微波消解后直接进样分析，在MS/MS模式下，利用O2质量转移法消除了Cr、Ni、As测定过程中的质谱干扰，通过优选内标元素校正了基体效应。采用所建立的方法分析了5类常见水产品，所有样品的重金属元素的含量均处于较低水平。本研究为水产品中多个重金属元素的高通量准确分析提供了新方法。